CN104724870A

CN104724870A - 一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法及装置

Info

Publication number: CN104724870A
Application number: CN201510093433.0A
Authority: CN
Inventors: 刘有智; 焦纬洲; 栗秀萍; 申红艳; 高璟; 张巧玲; 祁贵生; 罗莹; 袁志国; 郭亮
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2015-06-24

Abstract

本发明属硝基苯类废水处理的技术领域，为解决现有降解硝基苯类废水的方法处理效率低、处理时间长、成本过高等问题，提供一种吹脱-超声波电解的高级氧化降解硝基苯类废水的方法及装置。含高浓度硝基苯废水与新鲜空气在超重力设备中充分接触反应，完成吹脱传质降低废水中硝基苯含量，吹脱传质完成后的废水送入由超声波场和电解场组成的耦合反应器中，硝基苯类物质在超声波和微电解的协同作用下得到降解。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，最大限度减少废水水质变化和降低中间产物的生成量，使羟基自由基消耗物生成量减少，提高氧化效率。实现不需外加臭氧氧化剂，缩短60~80%处理时间，处理成本降低50%的效果。

Description

一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法及装置

技术领域

本发明属于硝基苯类废水处理的技术领域，具体涉及一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的工艺方法，其采用吹脱法、超声波技术和电解共同作用。

背景技术

硝基苯类化合物属于难降解的有毒有机类污染物，其易挥发、具有较强的物质毒性，被国内外列为优先控制污染物。由于硝基苯结构稳定，在实际工程应用中，用常规的工艺和生物处理方法来处理该类废水往往难以取得令人满意的处理效果。

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，废水中的挥发性的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。

近些年来，国内外对深度高级氧化技术降解污染物做了大量的研究，尝试了许多新的处理方法，专利ZL200910073666.9《一种高级氧化降解硝基苯类废水的工艺方法及装置》，该专利公开了将废水在超重力设备中与臭氧充分接触反应，接触反应后的废水进入由超声波场和电解场组成的耦合反应器中，废水中的硝基苯类物质在超声波和微电解的协同作用下得到降解。本方法适用于较低浓度废水（有机物浓度小于200mg/L）处理，并且利用超重力设备存在气液接触时间短的缺点，臭氧氧化剂利用率低、成本高。臭氧/超声波/电解法作为一种联合方法虽然在一定程度上提高了处理效率，但此专利方法中水中臭氧浓度并不高，并且工艺氧化效率受水质条件限制，当废水中羟基自由基清除剂（捕获剂）较多时，处理效率会明显降低。对于高浓度的硝基苯废水而言，利用此方法在臭氧氧化降解有机化合物的过程中，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。因此，提高处理效率、缩短处理时间、降低处理成本是高级氧化法处理高浓度有机废水的关键。

发明内容

本发明为了解决现有高级氧化法降解含高浓度硝基苯废水的方法存在处理效率低、处理时间长、成本过高等问题，提供了一种吹脱-超声波电解耦合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-超声波电解耦合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气液传质设备中充分接触反应，完成吹脱传质降低废水中硝基苯含量，吹脱传质完成后的废水送入储液罐，然后进入由超声波场和电解场组成的耦合反应器中，废水中的硝基苯在超声波和微电解的协同作用下得到降解。

所述含高浓度硝基苯废水中硝基苯浓度≥500 mg/L。新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为200~600 m³/L。废水中吹脱完成后硝基苯含量在80~100mg/L。所述的超重力设备为超重力旋转填料床，超重力旋转填料床的转速为900~1500rpm。超声波发生器的超声波频率为20kHz～50kHz，超声波声强为0.1W/cm³～0.5W/cm³，电流密度为5mA/cm²～20mA/cm²。

实现吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法的装置，包括设有进气口、出气口、进液口、出液口的超重力设备，进气口连接风机，出气口连接尾气处理装置；进液口通过液体流量计连接储液槽I，储液槽I与液体流量计之间设有液泵I；出液口与储液槽I和储液槽II相连；储液槽II的出液口通过液泵II连接废水耦合反应器，所述的废水耦合反应器内设置若干组交错排列的阴电极和阳电极，各阴阳电极之间形成矩形通道，各矩形通道依次相通，构成多次折流的废水流动通道，废水耦合反应器底部设置超声波发生器。

阴电极为不锈钢片或铜片，阳电极为二氧化铅或表面涂有Ti的RuO₂。所述尾气吸收装置内填充物质为活性炭。

本发明与现有技术对比具有以下特点：

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%。

本发明适合含高浓度硝基苯废水处理，吹脱-超声波-电解三种技术的协同作用来预处理含高浓度硝基苯废水，使之在较短的时间达到可生化的效果。与现有专利ZL200910073666.9《一种高级氧化降解硝基苯类废水的工艺方法及装置》所述的方法对比，本发明可实现不需外加臭氧氧化剂，缩短60~80%处理时间，处理成本降低50%的有益效果。

这是因为硝基苯氧化降解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，同时中间产物还可捕获消耗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-超声波-电解氧化法处理500mg/L硝基苯废水，在硝基苯降解过程中废水水质较初始时有了很大的变化，同时产生了大量中间产物会消耗羟基自由基，氧化效率越来越低。本发明在氧化降解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，使得羟基自由基消耗物生成量减少，进而提高氧化效率。本申请选用空气吹脱后再进行氧化处理，可以与申请号：200910073666.9《一种高级氧化降解硝基苯类废水的工艺方法及装置》达到相同的处理效果，实现了不需外加臭氧氧化剂，同时还提高了后续氧化降解效率，缩短60~80%处理时间，处理成本降低50%的有益效果。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

图中：1-风机，2-气体流量计，3-超重力设备，4-液体流量计，5-液泵I，6-储液槽I，7-储液槽II，8-尾气处理装置，9-液泵II，10-超声波发生器，11-阴电极(用实线—表示)，12-阳电极(用虚线---表示)，13-废水流动通道，14-处理后废水出口，15-废水耦合反应器。

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。

一种吹脱-超声波电解耦合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反应，完成吹脱传质降低废水中硝基苯含量，吹脱传质完成后的废水送入由超声波场和电解场组成的耦合反应器中，废水中的硝基苯类物质在超声波和微电解的协同作用下得到降解。

所述含高浓度硝基苯废水中硝基苯浓度≥500 mg/L。新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为200~600。废水中吹脱完成后硝基苯含量在80~100mg/L。所述的超重力设备为超重力旋转填料床，超重力旋转填料床的转速为900~1500rpm。超声波发生器的超声波频率为20kHz～50kHz，超声波声强为0.1W/cm³～0.5W/cm³，电流密度为5mA/cm²～20mA/cm²。

实现吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法的装置，包括设进气口、出气口、进液口、出液口的超重力设备3，进气口通过气体流量计2连接风机1，出气口连接尾气处理装置8；进液口通过液体流量计4连接储液槽I 6，储液槽I 6与液体流量计4之间设有液泵I 5；出液口与储液槽I 6和储液槽II 7相连；储液槽II 7的出液口通过液泵II 9连接废水耦合反应器15，所述的废水耦合反应器15内设置若干组交错排列的阴电极11和阳电极12，各阴阳电极之间形成矩形通道，各矩形通道依次相通，构成多次折流的废水流动通道13，废水耦合反应器15底部设置超声波发生器10。

阴电极(11)为不锈钢片或铜片，阳电极(12)为二氧化铅或表面涂有Ti的RuO₂。尾气吸收装置(8)内填充物质为活性炭。

采用超重力吹脱法如反应流程图1所示，空气通过风机1经气体流量计2计量后进入超重力旋转填料床3。储液槽I 6内的废水在液泵5的作用下经液体流量计4计量后由液体进口进入超重力设备3，此时废水被填料撕裂为细小的液滴、液膜，加大了与空气的接触面积；并且气液相界面更新速率很快，大大强化了挥发性有机物从液相进入气相的传质推动力。吹脱后的气体通过尾气处理装置8中的活性炭吸收回收有机物，吹脱后的废水进入储液槽I 6继续循环吹脱。随着液相中有机物浓度的降低，传质推动力逐渐减小，挥发性有机物从液相进入气相的速率减慢，处理效率降低。当吹脱过程中有机物去除不显著时，废水进入储液槽II 7内，进行下一步降解过程。

废水储液槽II 7的废水（硝基苯含量在80~100mg/L）在液泵II 9的作用下进入废水耦合反应器15：废水耦合反应器15底部安装有超声波发生器10和电解槽，预处理废水首先进入电解槽的多级废水流动通道13中，废水流动通道13由若干阴阳电极相互交错排列形成。硝基苯废水从第一级阴阳电极板依次通过逐级阴阳电极板，由最后一级电极板排出，延长了废水的电解时间，同时增加了超声波的辐射面积，又能使声能分布均匀。在此过程中超声波场和电场协同作用将有效氧化废水中的有机物，然后废水由处理后废水出口排出进行生化处理。

阴电极11为不锈钢片或铜片，阳电极12为二氧化铅或表面涂有Ti的RuO₂。

本发明所述的工艺方法中，吹脱前处理的作用：经过吹脱处理，有效降低废水中硝基苯含量，使得参加后续氧化降解的硝基苯含量减少，进而使得生成的中间产物减少，羟基自由基清除剂减少，使得氧化效率明显提高。

本发明所述的工艺方法中，，电解场的作用：在阴极硝基苯物质还原为易被氧化的苯胺类物质，苯胺类物质更容易被超声波/电解产生的羟基自由基降解，促进反应更快、更易进行。

本发明所述的工艺方法中，超声波的作用如下：超声波分散作用使得加速有机反应物及有机产物在电极表面上的传质、扩散速度，并使电极表面不断更新，从而促进电化学反应；超声波空化气泡对有机物的热解；超声波空化作用产生更多的·OH，氧化降解硝基苯。

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500mg/L，pH值为6.8。超重力反应器填料内径为40 mm，外径为75 mm，转速为900 rpm。吹脱过程中新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为200 m³/L。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，将废水送入废水耦合反应器，利用超声波/电解氧化技术进行深度处理，超声波声强为0.1W/cm²，频率为20kHz时，增加电流密度为20mA/cm²，表面涂有Ti的RuO₂电极为阳极，铜片为阴极，总工艺处理50min后硝基苯去除率为95%。在上述实验条件下，不进行吹脱前处理直接进行超声波/电解氧化技术进行深度处理，50min后硝基苯去除率仅为30%；在上述条件下利用专利（200910073666.9）中超重力臭氧-超声波/电解耦合的方法处理50min后硝基苯去除仅为50%。

实施例2：利用图1所示流程处理含硝基苯浓度为800 mg/L的水样。超重力反应器填料内径为30 mm，外径为60 mm，转速为1200 rpm。吹脱过程中新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为400 m³/L，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；此时，利用超声波/电解氧化技术进行深度处理，超声波声强为0.3 W/cm³，频率为40 kHz时，增加电流密度为10mA/cm²，表面涂有Ti的RuO₂电极为阳极，铜片为阴极，总工艺处理60min后硝基苯去除率为95%。在上述实验条件下，不进行吹脱前处理直接进行超声波/电解氧化技术进行深度处理，60min后硝基苯去除率仅为25%；在上述条件下利用专利（200910073666.9）中超重力臭氧-超声波/电解耦合的方法处理60min后硝基苯去除仅为40%。

实施例3：利用图1所示流程处理含硝基苯浓度为1200 mg/L的水样。超重力反应器填料内径为0.6 m，外径为1.4 m，转速为1500 rpm。吹脱过程中新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为600 m³/L，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；此时，利用超声波/电解氧化技术进行深度处理，超声波声强为0.5 W/cm³，频率为50 kHz时，增加电流密度为5mA/cm²，表面涂有Ti的RuO₂电极为阳极，铜片为阴极，总工艺处理70min后硝基苯去除率为98%。在上述实验条件下，不进行吹脱前处理直接进行超声波/电解氧化技术进行深度处理，70min后硝基苯去除率仅为20%；在上述条件下利用专利（200910073666.9）中超重力臭氧-超声波/电解耦合的方法处理70min后硝基苯去除仅为35%。

Claims

1.一种吹脱-超声波电解耦合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反应，完成吹脱传质降低废水中硝基苯含量，吹脱传质完成后的废水送入由超声波场和电解场组成的耦合反应器中，废水中的硝基苯类物质在超声波和微电解的协同作用下得到降解。

2.根据权利要求1所述的一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法，其特征在于：所述含高浓度硝基苯废水中硝基苯浓度≥500 mg/L。

3.根据权利要求1所述的一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法，其特征在于：废水中吹脱完成后硝基苯含量在80~100mg/L。

4.根据权利要求1所述的一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法，其特征在于：新鲜空气与废水在超重力设备中的气液比为200~600 m³/L；所述的超重力设备为超重力旋转填料床，转速为900~1500rpm；超声波发生器的超声波频率为20kHz～50kHz，超声波声强为0.1W/cm³～0.5W/cm³，电流密度为5mA/cm²～20mA/cm²。

5.一种实现如权利要求1-4所述的一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法的装置，其特征在于：包括设进气口、出气口、进液口、出液口的超重力设备(3)，超重力设备(3)的进气口通过气体流量计（2）连接风机（1），出气口连接尾气处理装置（8）；进液口通过液体流量计（4）连接储液槽I(6)，储液槽I(6)与液体流量计（4）之间设有液泵I（5）；出液口与储液槽I(6)和储液槽II(7)相连；储液槽II(7)的出液口通过液泵II（9）连接废水耦合反应器(15)，所述的废水耦合反应器(15)内设置若干组交错排列的阴电极(11)和阳电极(12)，各阴阳电极之间形成矩形通道，各矩形通道依次相通，构成多次折流的废水流动通道(13)，废水耦合反应器(15)底部设置超声波发生器(10)。

6.根据权利要求5所述的一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法的装置，其特征在于：阴电极(11)为不锈钢片或铜片，阳电极(12)为二氧化铅或表面涂有Ti的RuO₂。

7.根据权利要求5所述的一种吹脱-超声波电解耦合降解含高浓度硝基苯废水的方法的装置，其特征在于：所述尾气吸收装置(8)内填充物质为活性炭。