CN104724852B - 一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于含高浓度硝基苯废水处理的技术领域，为了解决臭氧高级氧化法处理含高浓度硝基苯废水成本高的问题，提供一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法及装置。含高浓度硝基苯废水与新鲜空气在超重力设备中接触，完成吹脱传质过程；吹脱传质完成后废水送入储液槽与过氧化氢混合，然后在超重力设备中与臭氧气体接触反应，废水中剩余有机物在臭氧和H2O2协同作用下降解。提高臭氧氧化效率，缩短处理时间，用吹脱法使废水中的污染物含量减少后进行氧化反应，最大限度减少废水水质变化降低中间产物生成量，使臭氧和羟基自由基消耗物生成量减少，臭氧氧化效率提高65~75%，处理时间缩短80%，臭氧用量减少70%，处理成本节约50%。
Description
技术领域
本发明属于含高浓度硝基苯废水处理的技术领域，具体涉及一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法及装置。
背景技术
火炸药工业废水中常常含有较高浓度的易挥发且具有生物毒性的硝基苯化合物，其具有较强的致癌致突变性，如果不经处理直接排放，会对人体及环境造成严重的危害。
空气吹脱一般是在水处理的底部放有曝气装置，风机送来的空气被分散成微小的气泡，在废水主体中形成气液两相，废水中的挥发性有机物从液相转移到气相中，随气泡离开液相主体。根据气液平衡理论，当液相中挥发性有机物浓度较高时，传质推动力大，有利于有机物从液相进入气相。但当浓度降低到一定程度时，传质推动力变小，处理效率降低。同时传统曝气反应中的液体湍动程度低，造成液相深处有机物无法快速到达气液相界面，传质效果差。由于硝基苯沸点较高，自然条件下的蒸发速度较慢，单一传统曝气吹脱装置或填料塔中气液湍动程度低、气液接触面积小，处理效果并不明显。如果加大气液接触面积和气液湍动程度，可大大提高硝基苯去除率。
超重力技术利用旋转的转子将液体破碎成细小的液滴或液膜、液丝，其尺度都是在几十微米数量级，只有填料塔的几分之一，这就意味着仅在这一点上，质量传递速率就将数倍于填料塔。另外，在旋转的转子中，液体在离心力的作用下流动，而高速旋转的转子提供的离心力是促使填料塔中液体流动的重力的几百倍。这使得液体可以克服表面张力的作用，以极高的速度、极小的尺度，在高比表面的填料中运动。填料弯曲的孔道促使了液体表面的迅速更新，大大增加了液体的湍动。这两点结合在一起，使得在超重力设备中的传质速率较在填料塔中的同样过程提高了1~3个数量级。
超重力-臭氧高级氧化法是常用的废水氧化处理方法，结合超重力技术可有效提高臭氧利用率和氧化效率，处理效果良好。专利ZL200910073666.9公开了一种将超重力旋转填料床与臭氧法相耦合降解含硝基苯类废水的方法及装置，但此专利方法和装置针对的是含低浓度硝基苯类化合物（浓度小于100mg/L）的废水。公开文献《RPB-O3/H2O2法处理硝基苯模拟废水》（郭亮等，环境工程学报，第8卷第12期，2014）报道了一种超重力-臭氧/过氧化氢氧化法处理硝基苯废水的方法，公开报道了对300mg/L含硝基苯废水具有很好的处理效果。如果直接利用此法处理含高浓度挥发性有机废水，虽然也可达到预期去除效果，但臭氧消耗量明显升高，水处理成本显著提高。这主要是因为，在臭氧氧化降解有机化合物的过程中，生成的中间产物会使废水水质发生变化，羟基自由基生成速率降低，同时生成的中间产物如小分子酸、醇会与目标污染物竞争与臭氧和羟基自由基反应，使得氧化处理效果明显下降。当有机物含量高时，生成的中间产物就多，废水水质变的更差，氧化效果就明显降低。
发明内容
本发明为了解决臭氧高级氧化法处理含高浓度硝基苯废水成本高的问题，提供了一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法及装置。
本发明采用如下的技术方案实现：一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法，步骤如下：将含高浓度硝基苯废水与新鲜空气在超重力设备中充分接触，完成吹脱传质过程降低高浓度硝基苯废水中硝基苯的含量；吹脱传质完成后的废水送入储液槽中，在储液槽中与过氧化氢混合，然后在超重力设备中与臭氧气体充分接触反应，废水中剩余有机物在臭氧和H2O2协同作用下降解。
高浓度硝基苯废水中硝基苯浓度≥500 mg/L；吹脱后的废水中硝基苯含量为80~100mg/L；吹脱阶段新鲜空气与高浓度硝基苯废水在超重力设备中的气液比为200~600 L/m3。完成吹脱传质过程后超重力设备内的废水中H2O2浓度为0.1~2.9 mmol/L。臭氧和过氧化氢协同反应过程超重力设备中废水与臭氧的液气比为0.5~2.0 L/m3，臭氧浓度为10~30mg/L。所述超重力设备为超重力旋转床装置，包括填料床、折流式或螺旋通道形式的超重力旋转床反应器，填料层中的填料包括金属材料和非金属材料的丝网、多孔板、波纹板、泡沫材料或规整填料；超重力设备的转速为300~700 rpm。
本发明所述的超重力设备是已经公开的超重力旋转床装置，包括填料床、折流式、螺旋通道等形式的超重力旋转床反应器（参考申请号91109255.2、91111028.3、01268009.5、200520100685.3、02114174.6和200510032296.6），优选超重力旋转填料床，填料层中的填料包括，但不限于：金属材料和非金属材料的丝网、多孔板、波纹板、泡沫材料或规整填料。
一种实现如上所述的吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水方法的装置，包括设有进气口、出气口、进液口、出液口的旋转填料床，旋转填料床的进气口通过气体流量计I和气体流量计II分别与风机和臭氧发生器出口连接；臭氧发生器进口连接风机；旋转填料床出气口连接尾气处理装置；旋转填料床进液口通过液泵与废水储槽和储液槽连接，旋转填料床进液口与液泵之间设有液体流量计；旋转填料床出液口连接废水储槽和储液槽，储液槽连接过氧化氢储液罐。尾气处理装置内的填充物为活性炭。
将含高浓度硝基苯废水在超重力设备中与新鲜空气充分接触，完成吹脱传质过程降低废水中有机物含量。吹脱后的气体通过装有活性炭的尾气处理装置回收硝基苯。吹脱后的废水（硝基苯含量在80~100mg/L）进入储液槽，添加均相催化剂H2O2，然后将混合有均相催化剂H2O2的废水与臭氧气体在超重力设备中充分接触反应，使得废水中剩余硝基苯在臭氧和H2O2协同作用下得到降解。氧化降解阶段废水在超重力设备中循环处理，达国家排放标准。
以超重力设备为吸收及反应装置，H2O2作为均相催化剂与臭氧相结合，使溶解于废水中的臭氧快速分解，产生大量羟基自由基，从而使硝基苯染物快速分解。H2O2的催化机理见下式：
（1）
（2）
本发明与现有技术对比有以下特点：
与传统的鼓泡装置或填料塔吹脱硝基苯废水比较，当硝基苯浓度从500mg/L降低到80~100mg/L时，本发明使用超重力旋转填料床吹脱的处理时间可缩短80%。
采用公开文献1《超重力气提法处理丙烯腈废水》（薛翠芳等，化工进展，第33卷第9期，2014）的方法、公开文献2《RPB-O3/H2O2法处理硝基苯模拟废水》（郭亮等，环境工程学报，第8卷第12期，2014）的方法与本发明方法，处理高浓度500mg/L硝基苯废水效果对比如下：
臭氧氧化效率为每克臭氧可氧化硝基苯的量。
与现有方法对比可以看出，本发明可有效提高臭氧氧化效率，缩短处理时间。这是因为在利用臭氧氧化降解有机物的过程中会产生许多中间物质（小分子酸和醇），这些中间产物的出现使得废水水质改变，pH值降低，不利于臭氧分解产生强氧化性的羟基自由基，同时中间产物还可捕获羟基自由基使其含量减少，进而氧化效率降低。如直接利用臭氧氧化法处理500mg/L硝基苯废水，当硝基苯浓度从500mg/L氧化降解到100mg/L的过程中废水水质较初始时有了很大的变化，同时产生了大量的中间产物，此时继续利用臭氧氧化降解和对初始浓度为100mg/L硝基苯废水对比而言，后者氧化效率明显高于前者。本发明在氧化阶段前利用吹脱法使得废水中的目标污染物含量减少后再进行氧化反应，可最大限度的减少废水水质变化和降低中间产物的生成量，使得臭氧和羟基自由基消耗物生成量减少，进而提高氧化效率，与现有技术相比臭氧氧化效率可提高65~75%，处理时间缩短80%，臭氧用量减少70%，处理成本节约50%。
附图说明
图1为本发明所述吹脱氧化降解含高浓度挥发性有机物废水的工艺流程图。
图中：1-风机；2-气体流量计I；3-臭氧发生器；4-气体流量计II；5-尾气处理装置；6-旋转填料床；7-储液槽；8-过氧化氢储液罐；9-废水储槽；10-液泵；11-液体流量计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。但本发明内容并不受下述实施方式所局限。
一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法，步骤如下：将含高浓度硝基苯废水与新鲜空气在超重力设备中充分接触，完成吹脱传质过程降低废水中有机物含量；吹脱传质完成后的废水（硝基苯含量在80~100mg/L）送入储液槽中，在储液槽中与过氧化氢混合，然后在超重力设备中与臭氧气体充分接触反应，使废水中剩余有机物在臭氧和H2O2协同作用下降解。
高浓度硝基苯废水中硝基苯浓度≥500 mg/L；吹脱后的废水中硝基苯含量为80~100mg/L；吹脱阶段新鲜空气与高浓度硝基苯废水在超重力设备中的气液比为200~600 L/m3。完成吹脱传质过程后超重力设备内的废水中H2O2浓度为0.1~2.9 mmol/L。臭氧和过氧化氢协同反应过程超重力设备中废水与臭氧的液气比为0.5~2.0 L/m3，臭氧浓度为10~30mg/L。所述超重力设备为超重力旋转床装置，包括填料床、折流式或螺旋通道形式的超重力旋转床反应器，优选超重力旋转填料床，填料层中的填料包括金属材料和非金属材料的丝网、多孔板、波纹板、泡沫材料或规整填料；超重力设备的转速为300~700 rpm。
一种实现上述的吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水方法的装置，包括设有进气口、出气口、进液口、出液口的旋转填料床6，旋转填料床6的进气口通过气体流量计I 2和气体流量计II 4分别与风机1和臭氧发生器3出口连接；臭氧发生器3进口连接风机1；旋转填料床6出气口连接尾气处理装置5；旋转填料床6进液口通过液泵10与废水储槽9和储液槽7连接，旋转填料床6进液口与液泵10之间设有液体流量计11；旋转填料床6出液口连接废水储槽9和储液槽7，储液槽7连接过氧化氢储液罐8。尾气处理装置5内的填充物为活性炭。
反应流程图1所示，空气通过风机1经气体流量计I 2计量后进入旋转填料床6。废水储槽9中废水在液泵10的作用下经液体流量计11计量后由液体进口进入旋转填料床6。吹脱后的气体通过尾气处理装置5中的活性炭吸收回收有机物。当吹脱过程废水中硝基苯含量为80~100mg/L时，废水进入储液槽7内，进行下一步氧化降解过程。
吹脱后低浓度硝基苯废水（硝基苯含量为80~100mg/L）利用臭氧高级氧化技术深度处理，流程图如图1。风机1连接臭氧发生器3经气体流量计II 4计量后进入旋转填料床6。在吹脱后的储液槽7中添加H2O2，在液泵10的作用下经液体流量计11计量后由液体进口进入旋转填料床6，废水与臭氧充分接触反应，溶解后的臭氧协同H2O2产生氧化性更强的•OH，将有机物氧化成小分子酸和CO2。废水在储液槽7与旋转填料床6间循环处理，剩余气体从顶部排出进入尾气处理装置5。
实施例1：利用图1所示流程，处理含硝基苯废水。废水中硝基苯浓度为600mg/L，pH值为6.8。超重力反应器转速为700 rpm。吹脱阶段新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为200 L/m3，当废水中硝基苯浓度降低为80 mg/L时，与传统吹脱设备相比较处理时间可缩短80%，并且之后吹脱效率明显降低。此时，利用臭氧高级氧化技术进行深度处理，在吹脱后的废水中添加H2O2，使得在超重力反应器混合液体中H2O2浓度为0.1 mmol/L，臭氧浓度为10 mg/L，废水与臭氧的液气比为0.5 L/m3，循环处理15 min，废水中硝基苯含量2.0 mg/L，整个工艺处理时间为25min。单独超重力氧化技术处理145min后硝基苯含量为2.0mg/L，本发明方法就处理时间而言减少了80%；本发明方法臭氧氧化效率较现有技术提高70%，臭氧用量减少70%，处理成本降低50%。
实施例2：利用图1所示流程，处理含硝基苯废水。废水中硝基苯浓度为1000mg/L，pH值为7.1。超重力反应器转速为500 rpm。吹脱阶段新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为400 L/m3，当废水中硝基苯浓度降低为100 mg/L时，与传统吹脱设备相比较处理时间可缩短80%，并且之后吹脱效率明显降低。利用臭氧高级氧化技术进行深度处理，在吹脱后的废水中添加H2O2，使得在超重力反应器混合液体中H2O2浓度为1.0 mmol/L，臭氧浓度为15 mg/L，废水与臭氧的液气比为1.0 L/m3，循环处理15 min，废水中硝基苯含量2.0 mg/L，整个工艺处理时间为30min。单独超重力氧化技术处理210 min后硝基苯含量为2.0mg/L，本发明方法就处理时间而言减少了85%；本发明方法臭氧氧化效率较现有技术提高65%，臭氧用量减少75%，处理成本降低45%。
实施例3：利用图1所示流程，处理含硝基苯废水。废水中硝基苯浓度为1500mg/L，pH值为6.8。超重力反应器转速为300 rpm。吹脱阶段新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为500 L/m3，当废水中硝基苯浓度降低为90 mg/L时，与传统吹脱设备相比较处理时间可缩短80%，并且之后吹脱效率明显降低。利用臭氧高级氧化技术进行深度处理，在吹脱后的废水中添加H2O2，使得在超重力反应器混合液体中H2O2浓度为2.9 mmol/L，臭氧浓度为30mg/L，废水与臭氧的液气比为2.0 L/m3，循环处理15 min，废水中硝基苯含量2.0 mg/L，整个工艺处理时间为35min。单独超重力氧化技术处理395min后硝基苯含量为2.0mg/L，本发明方法就处理时间而言减少了90%；本发明方法臭氧氧化效率较现有技术提高60%，臭氧用量减少75%，处理成本降低50%。
实施例4：利用图1所示流程，处理含硝基苯废水。废水中硝基苯浓度为1800mg/L，pH值为7.3。超重力反应器转速为400 rpm。吹脱阶段新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为700 L/m3，当废水中硝基苯浓度降低为80 mg/L时，与传统吹脱设备相比较处理时间可缩短80%，并且之后吹脱效率明显降低。利用臭氧高级氧化技术进行深度处理，在吹脱后的废水中添加H2O2，使得在超重力反应器混合液体中H2O2浓度为0.5 mmol/L，臭氧浓度为25mg/L，废水与臭氧的液气比为1.5 L/m3，循环处理15 min，废水中硝基苯含量2.0 mg/L，整个工艺处理时间为35min。单独超重力氧化技术处理370min后硝基苯含量为2.0mg/L，本发明方法就处理时间而言减少了90%；本发明方法臭氧氧化效率较现有技术提高70%，臭氧用量减少80%，处理成本降低60%。
Claims (4)
1.一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法，其特征在于：步骤如下：将含高浓度硝基苯废水与新鲜空气在超重力设备中充分接触，完成吹脱传质过程降低高浓度硝基苯废水中硝基苯的含量；吹脱传质完成后的废水送入储液槽中，在储液槽中与过氧化氢混合，然后在超重力设备中与臭氧气体充分接触反应，废水中剩余有机物在臭氧和H2O2协同作用下降解；
高浓度硝基苯废水中硝基苯浓度≥500 mg/L；吹脱后的废水中硝基苯含量为80~100mg/L；吹脱阶段新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为200~600 L/m3；完成吹脱传质过程后超重力设备内的废水中H2O2浓度为0.1~2.9 mmol/L；
臭氧和过氧化氢协同反应过程超重力设备中废水与臭氧的液气比为0.5~2.0 L/m3，臭氧浓度为10~30 mg/L。
2.根据权利要求1所述的一种吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水的方法，其特征在于：所述超重力设备为超重力旋转床装置，包括填料床、折流式或螺旋通道形式的超重力旋转床反应器，填料层中的填料包括金属材料和非金属材料的丝网、多孔板、波纹板、泡沫材料或规整填料；超重力设备的转速为300~700 rpm。
3.一种实现如权利要求1或2所述的吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水方法的装置，其特征在于：包括设有进气口、出气口、进液口、出液口的旋转填料床（6），旋转填料床（6）的进气口通过气体流量计I（2）和气体流量计II（4）分别与风机（1）和臭氧发生器（3）出口连接；臭氧发生器（3）进口连接风机（1）；旋转填料床（6）出气口连接尾气处理装置（5）；旋转填料床（6）进液口通过液泵（10）与废水储槽（9）和储液槽（7）连接，旋转填料床（6）进液口与液泵（10）之间设有液体流量计（11）；旋转填料床（6）出液口连接废水储槽（9）和储液槽（7），储液槽（7）连接过氧化氢储液罐（8）。
4.根据权利要求3所述的一种实现吹脱氧化降解含高浓度硝基苯废水方法的装置，其特征在于：尾气处理装置（5）内的填充物为活性炭。
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