CN105439322B - 基于水力空化的废水处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水力空化的废水处理方法，是先在废水中加入混凝剂，沉淀出其中的悬浮颗粒物，再在向废水中添加氧化剂的同时，将废水顺次进行射流水力空化处理、旋流水力空化处理和多孔板水力空化处理的循环处理，本发明废水处理方法通过一级射流、二级旋流、三级限流的三级空化效应，产生瞬时高温高压直接降解有机物，使常规难以降解的有机污染物实现无害化降解，适合于任何场合水量小、浓度高、难降解有机废水的处理。

Description

基于水力空化的废水处理方法和装置

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，涉及一种利用水力空化技术处理废水的方法和装置，特别是一种针对水量小、浓度高、难降解有机废水的处理方法和处理装置。

背景技术

水污染是当前水环境存在的最大问题，尤其是水环境中的持久性难降解有机污染物分布广泛、性质稳定，危害更为严重，如多环芳烃类在大气或水体中经过一系列复杂的反应，可以生成致癌活性或诱变性更强的二次污染物，给人类健康造成更大威胁。高级氧化技术是有效处理这类持久性、难降解有机污染物的有效途径。

目前研究较多的高级氧化技术主要包括：

1) 均相催化氧化法。该法以Fenton试剂法为主，由氧化剂H₂O₂和催化剂Fe²⁺或Fe³⁺组成，Fe²⁺或Fe³⁺可加速H₂O₂分解为·OH自由基，使溶液中的有机污染物被·OH自由基氧化降解。但是此方法需要将pH值调至3～5范围内，不仅操作工艺复杂，而且处理成本较高，难以实现有机废水的规模化处理。

2) 光催化氧化法。TiO₂等一些半导体催化剂在紫外光照条件下，与水溶液反应产生·OH自由基，从而氧化分解各种有机污染物。但光催化反应器的设计需要考虑光源、反应器几何形状及两者间的相对位置，存在对光传递的影响，降解速率较低，很难实现工业化，且有时会造成二次污染，产生一些有害的光化物。

3) 湿式催化氧化法。该法是在湿式氧化工艺中加入固体催化剂，构成多相湿式催化氧化过程，以强化废水中的有毒有机物降解，但是所用的固体催化剂成本较高，且存在催化剂容易失活和难于回收的问题。

4) 其他催化氧化法。近几年，国内外学者开展了超声空化以及超声空化与其他技术联合降解污水中有机污染物的研究，其机理是利用超声空化效应形成高能条件或强化其他氧化技术，产生大量的·OH自由基氧化降解有机污染物。然而，超声空化的能量效率很低，空化效应只能在声源附近较小的范围内产生，很难进行大规模废水处理。

总体而言，以上高级氧化技术都能有效降解一些常规方法难以降解的有机污染物，但经济效益和环境效益较差。

水力空化技术是一种利用空化释放的能量对化学反应过程进行强化的新的能量利用方法。在水力空化过程中，流体空化产生的空泡在液体中运动和溃灭时产生局部高温(泡内热点温度为4700～5700K，泡壁温度约为1900K)、高压(泡内压力50MPa以上)、冲击波、高速射流等极端物理条件，这样的极端条件足以使水分子分解为·OH和·H，并足以打开结合力强的分子化学键，从而使空泡内的水蒸气、溶解气体和易挥发溶质蒸气被热解，使在一般条件下难以实现的化学反应得以实现，使常规难以降解的有机污染物实现无害化降解。因此，水力空化具有设计操作简单、低能耗、少污染或无污染，处理量大、易于由实验放大到工业化等优点。

但是，目前常规的水力空化反应器均只具有单一的文丘里管或孔板式空化器，这种简单的空化结构所产生的·OH较少，空化效应较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水力空化的废水处理方法，以对水量小、浓度高、难降解有机废水进行有效处理。

提供一种适合于上述废水处理方法的能耗低、操作简单、易于工业化的处理装置，是本发明的另一发明目的。

本发明所述的基于水力空化的废水处理方法是先在废水中加入混凝剂，沉淀出其中的悬浮颗粒物，再向废水中添加氧化剂，使添加有氧化剂的废水顺次进行射流水力空化处理、旋流水力空化处理和多孔板水力空化处理。

具体地，本发明所述的基于水力空化的废水处理方法包括：

1) 将待处理废水通入一个带搅拌的混凝池中，向混凝池内加入混凝剂，对待处理废水进行混凝处理，静置以将待处理废水中的悬浮颗粒物沉降下来，泥水分离得到预处理废水；

2) 将预处理废水泵入文丘里管水力空化装置中，通过文丘里管的废水射流产生负压，将氧化剂引入文丘里管内与废水混合，在射流水力空化作用下对废水中的有机污染物进行氧化处理；

3) 流出文丘里管水力空化装置的废水进入旋流水力空化装置中，由装置内沿装置轴向旋转的旋流器高速搅拌产生旋流空化效应，对废水中有机污染物进一步进行氧化处理；

4) 流出旋转水力空化装置的废水再通过一个多孔板水力空化装置，通过孔板的限流作用产生空化效应进一步对废水中有机污染物进行氧化处理；

5) 流出多孔板水力空化装置的废水返回至文丘里管水力空化装置再次进行处理，如此反复循环，直至将废水处理至符合要求。

本发明所述的废水处理方法首先对废水进行前期混凝-沉淀预处理，将可能堵塞或损坏水力空化装置的污染颗粒物去除，提高了后续水力空化装置的运行安全性。其次，本发明在水力空化装置的前段设计了引入氧化剂工艺，在水力空化的极端条件下，强化了氧化剂与有机污染物分子的反应过程，提高了废水处理效率。

本发明通过将三种水力空化方式按照所述顺序组合，形成了一级射流、二级旋流、三级限流的三级水流空化效应，使得废水在水力空化装置内形成了一个大范围的空化强化场，通过产生瞬时的高温高压，极大的强化了空化泡的形成、发展和溃灭过程，产生了足以打开结合力强分子化学键的大量·OH和·H，使空泡内的水蒸气、溶解气体和易挥发溶质蒸气被热解，不仅直接降解有机物，甚至是分子水平上的将有机物大分子“撕裂”，使废水中的分子发生分裂及链式反应，从而使在一般条件下难以实现的化学反应得以实现，使常规难以降解的有机污染物实现了无害化降解。经过废水在水力空化反应器内的反复循环多次空化处理，使处理废水达到排放要求。

本发明进而提供了一种用于上述废水处理方法的水力空化一体化装置，由废水预处理系统、供水系统和水力空化系统组成。

所述废水预处理系统包括一个对废水进行预处理的带搅拌装置的废水混凝池，一个通过阀门和管道与废水混凝池连接的、用于向废水混凝池中添加混凝剂的混凝剂配药池，以及一个通过阀门和管道与废水混凝池连接的沉淀池，在所述沉淀池的下方设有用于排放污泥的污泥排放口，上方设有预处理废水出水口连接供水系统。废水与混凝剂在废水混凝池内进行预处理后的废水排入沉淀池中静置完成泥水分离，污泥通过污泥排放口排出水力空化一体化装置，预处理废水进入供水系统。

所述供水系统包括一个缓冲水箱，用于接受来自废水预处理系统的预处理废水，一个用于将预处理废水从缓冲水箱抽出并泵入水力空化系统的水泵，安装于所述水泵前后连接管道上的、用于控制水量的阀门，安装在所述水泵后面管道上的流量控制仪，以及一个连接在水泵之后与缓冲水箱之间的、由阀门控制水量的旁路，用于调控进入水力空化系统的预处理废水的总流量和压力。

所述水力空化系统由水力空化反应器、氧化剂配药池及清水池组成，所述水力空化反应器的进水口连接供水系统，出水口由阀门控制分别与缓冲水箱和清水池管道连接，氧化剂配药池由阀门控制通过管道与水力空化反应器连接，在水力空化反应器的进水口处设有进口压力显示仪，出水口处设有出口压力显示仪，清水池上设有外排出水口。

其中，所述水力空化反应器由反应器前段、反应器中段和反应器后段构成，进水口设置在反应器前段，出水口设置在反应器后段。在反应器前段内设置有负压仓，以及位于负压仓两端的射流收缩腔和射流扩展腔，所述射流收缩腔和射流扩展腔的收缩口端分别与负压仓连通，射流收缩腔的扩张口端连接进水口，在负压仓的上方设置有氧化剂入口与氧化剂配药池连接。反应器中段内设有旋流腔，所述旋流腔的前端与射流扩展腔的扩张口端连通，在旋流腔内设置有支撑底座，旋流器通过固定套固定在所述支撑底座上，在旋流腔内沿反应器轴向旋转。在反应器后段内垂直于反应器轴向设置有孔板，在所述孔板的表面布置有小孔，孔板后端与出水口连通。

进一步地，所述旋流器由不少于三个的螺旋搅拌叶轮组成，在所述螺旋搅拌叶轮的末端设置有垂直向下的弯折板作为桨叶段。优选地，所述弯折板具有波浪形曲面。

本发明中，所述孔板上布置的小孔孔径不大于5mm，所述小孔以均匀分布、辐射分布或环状分布等排布方式分布在所述孔板上。

本发明所述的水力空化反应器可以是反应器前段与反应器中段一体设置，反应器后段连接在所述反应器中段上。进一步地，本发明所述水力空化反应器的反应器后段与反应器中段通过法兰连接，且所述孔板放置在连接法兰处。

进一步地，本发明的水力空化一体化装置还可以包括对上述系统进行集中控制的控制系统。所述控制系统是一个对所有管道上的阀门，以及管道内流体的压力和流量等进行控制和反馈操作的集成控制器，该控制系统接收由压力显示仪和流量控制仪反馈的装置内处理废水的流量和压力信息，由此控制所有管道上各阀门的开闭程度，对装置的废水处理过程进行自动化控制。

本发明所述水力空化一体化装置中，所述水泵的扬程不低于50m，流量不大于20m³/h。

本发明所述水力空化一体化装置的所有部件包括水力空化反应器、缓冲水箱、水泵、混凝池、配药池、沉淀池、管道以及控制阀门、压力控制仪、流量控制仪等均为耐腐蚀的不锈钢或塑料材质。

本发明的水力空化一体化装置能耗低、操作简单，是一种可以适合于任何场合使用的废水处理装置，可以根据使用场合的不同以及废水的水质和水量，确定加入的混凝剂和氧化剂用量，特别适合于流量小、浓度高、难降解的有机废水的净化处理。

附图说明

图1是本发明水力空化一体化装置的结构示意图。

图2是图1中水力空化反应器的结构示意图。

图3是图2中旋流器的结构示意图。

图4是图2中孔板的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

用于废水处理的水力空化一体化装置的结构如图1所示，由废水预处理系统、供水系统、水力空化系统和控制系统组成。

废水预处理系统包括一个对废水进行预处理的带搅拌装置3的废水混凝池2，该废水混凝池外接废水入水口1；一个通过阀门17和管道与废水混凝池2连接的、用于向废水混凝池中添加混凝剂的混凝剂配药池4；一个位于废水混凝池下方、通过阀门17和管道与废水混凝池2连接的沉淀池5，在沉淀池5的下方设有用于排放污泥的污泥排放口7，上方设有预处理废水出水口6连接供水系统。废水与混凝剂在废水混凝池2内进行预处理后的废水排入沉淀池5中静置完成泥水分离，污泥通过污泥排放口7排出水力空化一体化装置，预处理废水进入供水系统。

供水系统包括一个接受来自废水预处理系统沉淀后的预处理废水，并进行进一步处理的缓冲水箱8；一个用于将预处理废水从缓冲水箱抽出并泵入水力空化系统的水泵9；在位于水泵之后的管道上安装有流量控制仪15，并设有一个旁路16，所述旁路16连接在水泵9之后与缓冲水箱8之间，由阀门17控制。在供水系统的各管道上均安装有阀门17用于控制管道内的废水流量。装置使用的水泵扬程不低于70m，流量不大于20m³/h。

水力空化系统由水力空化反应器10、氧化剂配药池11和清水池14组成，水力空化反应器的进水口连接供水系统，出水口分别与缓冲水箱8和清水池14管道连接，并保证择一地只与缓冲水箱或清水池连通。氧化剂配药池11由阀门17控制，通过管道与水力空化反应器连接，在水力空化反应器的进水口处设有进口压力显示仪12，出水口处设有出口压力显示仪13，在清水池上设有外排出水口18，用于将处理后的达标水排出一体化装置。

控制系统包括一个控制器19，该控制器19与前面三个系统所有管道上的阀门，以及压力显示仪、流量控制仪电路连接，通过接收压力显示仪和流量控制仪的反馈信号，对阀门进行调控，以对上述系统进行集中控制。

水力空化反应器10是上述水力空化一体化装置的关键装置，其具体结构如图2所示，由反应器前段、反应器中段和反应器后段三部分构成，反应器前段与反应器中段一体设置，反应器后段与反应器中段通过法兰110连接，在反应器前段上设置有进水口101，反应器后段上设置有出水口113。

反应器前段内设置有流体射流收缩腔102、负压仓103和流体射流扩展腔105，流体射流收缩腔102的扩张口端连接进水口101，收缩口端与负压仓103连通，负压仓103的另一端连接流体射流扩展腔105的收缩口端，流体射流扩展腔105扩张口端连接反应器中段，在负压仓103的上方设置有氧化剂入口104，与氧化剂配药池11管道连接。

反应器中段内设有旋流腔106，所述旋流腔106的前端与流体射流扩展腔105的扩张口端连通，在旋流腔106内设置有支撑底座109，旋流器107通过固定套108固定在所述支撑底座109上，在旋流腔106内沿反应器轴向旋转。

旋流器107的结构如图3所示，由4个螺旋搅拌叶轮1071组成，在螺旋搅拌叶轮1071的末端设置有垂直向下的弯折板1072作为桨叶段，弯折板1072具有波浪形曲面。

反应器后段内，连接法兰110处，垂直于反应器轴向设置有环状的孔板112，如图4所示，在所述孔板112的表面呈均匀分布布置有孔径不大于5mm的小孔111。孔板112后端与出水口113连通。

水力空化一体化装置用于处理废水的工艺流程为：首先，在混凝剂配药池4中配制好一定浓度的混凝剂液，混凝剂包括有机混凝剂、无机混凝剂以及起助凝作用的助凝剂等；在氧化剂配药池11中配制一定浓度的氧化剂液，包括液氯（Cl₂）、二氧化氯（ClO₂）、芬顿（Fenton）试剂（Fe²⁺+H₂O₂）、过氧化氢（H₂O₂）、臭氧（O₃）等强氧化剂。然后，废水从废水入水口1进入废水混凝池2，同时开启搅拌装置3并打开混凝剂配药池4下方的混凝剂放液阀门，废水在废水混凝池中完成混凝后，打开放液阀门，使废水进入沉淀池5进行泥水分离，沉淀后的污泥通过污泥排放口7排出。沉淀池上清液进入缓冲水箱8，通过水泵9并由流量控制阀门控制泵入水力空化反应器10，所述流量控制阀门由流量控制仪15和压力控制仪12、13控制和反馈调节。废水进入水力空化反应器10时同时开启氧化剂配药池11的放液阀门，废水经过空化反应器进行废水中有机物的氧化降解，排出空化反应器的废水返回缓冲水箱，再次通过空化反应器重复处理，如此循环处理一定的时间后，将净化后的水排入清水池14，通过外排出水口18排出水力空化一体化装置，完成水处理过程。所有的控制阀门、流量控制仪及压力控制仪均由控制器19控制操作。

应用例1

取氨氮浓度为400mg/L的焦化废水100L，放入废水混凝池，开启搅拌装置，打开混凝剂放液阀并控制混凝剂的放液速度，将0.1mol/L的FeCl₃溶液加入废水混凝池，15～30min后完成混凝。打开放液阀使废水进入沉淀池进行泥水分离，沉淀后的污泥通过排泥阀经管道排出。沉淀池上清液进入缓冲水箱，通过水泵在流量控制仪和压力控制仪控制反馈调节下，由流量控制阀门控制，调节废水进入水力空化反应器的入口压力为4atm，将废水泵入水力空化反应器，同时开启氧化剂二氧化氯溶液放液阀并控制氧化剂流速，使氧化剂按比例进入水力空化反应器，将废水在水力空化反应器内循环空化反应60min，完成废水中有机物的氧化降解，净化水排入清水池中。最终测得净化水的氨氮浓度为16.8mg/L，降解率95.8%。

比较例1

取氨氮浓度为400mg/L的焦化废水100L，不加任何药剂直接放入缓冲水箱，通过水泵泵入水力空化反应器，控制水力空化反应器废水入口压力4atm，使废水在水力空化反应器内循环空化反应180min后，进入清水池中，测得清水池中废水的氨氮浓度为322.8mg/L，氨氮降解率19.3%。

比较例1说明，空化过程对氨氮具有一定的降解效果，但是如果没有前期的混凝预处理和中间引入氧化剂，仍然达不到较高的处理率。

比较例2

取氨氮浓度为400mg/L的焦化废水100L，放入废水混凝池，开启搅拌装置，打开混凝剂放液阀并控制混凝剂的放液速度，将0.1mol/L的FeCl₃溶液加入废水混凝池，15～30min后完成混凝。打开放液阀使废水进入沉淀池进行泥水分离，沉淀后的污泥通过排泥阀经管道排出。沉淀池上清液进入缓冲水箱，加入氧化剂二氧化氯溶液进行氧化反应180min后，排入清水池中，测得废水中氨氮浓度54.3mg/L，降解率86.4%。

比较例2说明，同样的废水，在只有混凝处理和氧化剂氧化反应后，没有空化过程仍然达不到较高的处理率。

应用例2

取有机氮浓度为600mg/L的焦化废水100L，放入废水混凝池，开启搅拌装置，打开混凝剂放液阀并控制混凝剂的放液速度，将0.1mol/L的聚丙烯酰胺溶液加入废水混凝池，15～30min完成混凝。打开放液阀使废水进入沉淀池进行泥水分离，沉淀后的污泥通过排泥阀经管道排出。沉淀池上清液进入缓冲水箱，通过水泵在流量控制仪和压力控制仪控制反馈调节下，由流量控制阀门控制，调节废水进入水力空化反应器的入口压力为4atm，将废水泵入水力空化反应器，同时开启氧化剂放液阀并控制流速，使氧化剂Fenton试剂（FeSO₄与H₂O₂的体积比为1∶15）按比例进入空化反应器，将废水在空化反应器内循环空化反应60min，完成废水中有机氮的氧化降解，净化水排入清水池，测得净化水的有机氮浓度为29.4mg/L，降解率95.1%。

应用例3

取某化工厂含酚废水100L，测得其苯酚浓度为90mg/L。将该废水放入废水混凝池，开启搅拌装置，打开混凝剂放液阀并控制混凝剂放液速度，加入0.2mol/L的聚合氧化铝溶液，15～30min完成混凝。将混凝后废水排入沉淀池进行泥水分离，沉淀后的污泥通过排泥阀经管道排出。沉淀池上清液进入缓冲水箱，由流量控制阀门控制，调节废水进入水力空化反应器的入口压力为4atm，将废水泵入水力空化反应器，同时开启氧化剂放液阀并控制流速，使氧化剂Fenton试剂（FeSO₄与H₂O₂的体积比为1∶15）按比例进入空化反应器，使废水在空化反应器内循环空化反应90min，完成废水中苯酚的氧化降解，净化水排入清水池中，测得其苯酚浓度为1.44mg/L，降解率98.4%。

应用例4

取某焦化厂焦化废水100L，测得其CODcr浓度为800mg/L。将该焦化废水放入废水混凝池，开启搅拌装置，打开混凝剂放液阀并控制混凝剂放液速度，加入0.5mol/L的FeCl₃溶液作为混凝剂，15～30min完成混凝。将混凝后废水排入沉淀池进行泥水分离，沉淀后的污泥通过排泥阀经管道排出。沉淀池上清液进入缓冲水箱，由流量控制阀门控制，调节废水进入水力空化反应器的入口压力为4atm，将废水泵入水力空化反应器，同时开启氧化剂放液阀并控制流速，将氧化剂200mg/L二氧化氯溶液按比例加入空化反应器，使废水在空化反应器内循环空化反应70min，净化水排入清水池中，测得其CODcr浓度17.6mg/L，降解率97.8%。

应用例5

分别称量致癌物蒽、苯并[a]芘、苯并[a]蒽、菲四种多环芳烃，各自溶于100mL二氯甲烷中，再以二氯甲烷稀释至500mL，配制成上述各多环芳烃浓度200mg/L的标准储备液。试验时分别取四种不同体积的标准储备液，用少量乙醇稀释，各自加入到100L自来水中充分混合制成所需浓度的多环芳烃标准水溶液作为模拟废水，进行四种物质的水力空化处理效果试验。

在氧化剂配药池中配制200mg/L的二氧化氯溶液，模拟废水溶液从缓冲水箱通过水泵泵入水力空化反应器，调节模拟废水进入空化反应器的入口压力为4atm，同时开启氧化剂放液阀并控制氧化剂流速，使氧化剂按比例进入空化反应器，使废水在空化反应器内循环空化反应50min，将净化水排入清水池，测得蒽、苯并[a]芘、苯并[a]蒽、菲四种多环芳烃各自的降解率分别为97.1%、99.5%、90.8%和98.7%。

Claims (7)

1.一种水力空化一体化装置，由废水预处理系统、供水系统和水力空化系统组成，

所述废水预处理系统包括一个对废水进行预处理的带搅拌装置的废水混凝池，一个通过阀门和管道与废水混凝池连接的、用于向废水混凝池中添加混凝剂的混凝剂配药池，以及一个通过阀门和管道与废水混凝池连接的沉淀池，在所述沉淀池的下方设有用于排放污泥的污泥排放口，上方设有预处理废水出水口连接供水系统；废水与混凝剂在废水混凝池内进行预处理后的废水排入沉淀池中静置完成泥水分离，污泥通过污泥排放口排出水力空化一体化装置，预处理废水进入供水系统；

所述供水系统包括一个缓冲水箱，用于接受来自废水预处理系统的预处理废水，一个用于将预处理废水从缓冲水箱抽出并泵入水力空化系统的水泵，安装于所述水泵前后连接管道上的、用于控制水量的阀门，安装在所述水泵后面管道上的流量控制仪，以及一个连接在水泵之后与缓冲水箱之间的、由阀门控制水量的旁路，用于调控进入水力空化系统的预处理废水的总流量和压力；

所述水力空化系统由水力空化反应器、氧化剂配药池及清水池组成，所述水力空化反应器的进水口连接供水系统，出水口由阀门控制分别与缓冲水箱和清水池管道连接，氧化剂配药池由阀门控制通过管道与水力空化反应器连接，在水力空化反应器的进水口处设有进口压力显示仪，出水口处设有出口压力显示仪，清水池上设有外排出水口；

其特征是：

所述水力空化反应器由反应器前段、反应器中段和反应器后段构成，进水口设置在反应器前段，出水口设置在反应器后段，在反应器前段内设置有负压仓，以及位于负压仓两端的射流收缩腔和射流扩展腔，所述射流收缩腔和射流扩展腔的收缩口端分别与负压仓连通，射流收缩腔的扩张口端连接进水口，在负压仓的上方设置有氧化剂入口与氧化剂配药池连接，反应器中段内设有旋流腔，所述旋流腔的前端与射流扩展腔的扩张口端连通，在旋流腔内设置有支撑底座，旋流器通过固定套固定在所述支撑底座上，在旋流腔内沿反应器轴向旋转，在反应器后段内垂直于反应器轴向设置有孔板，在所述孔板的表面布置有小孔，孔板后端与出水口连通。

2.根据权利要求1所述的水力空化一体化装置，其特征是所述旋流器由不少于三个的螺旋搅拌叶轮组成，在所述螺旋搅拌叶轮的末端设置有垂直向下的弯折板。

3.根据权利要求2所述的水力空化一体化装置，其特征是所述弯折板具有波浪形曲面。

4.根据权利要求1所述的水力空化一体化装置，其特征是所述孔板上布置的小孔孔径不大于5mm。

5.根据权利要求4所述的水力空化一体化装置，其特征是所述小孔以均匀分布、辐射分布或环状分布的排布方式分布在所述孔板上。

6.根据权利要求1所述的水力空化一体化装置，其特征是还包括对所述系统进行集中控制的控制系统，所述控制系统接收由压力显示仪和流量控制仪反馈的装置内处理废水的流量和压力信息，控制所有管道上各阀门的开闭程度。

7.根据权利要求1所述的水力空化一体化装置，其特征是所述水泵的扬程不低于50m，流量不大于20m³/h。