CN105948348A - 一种利用微波能进行污水处理的设备及方法 - Google Patents

一种利用微波能进行污水处理的设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用微波能进行污水处理的设备及方法。该设备包括污水提升装置、射流器、管道混合器、微波发生器、微波反应器、曝气反应装置、固液分离装置和过滤装置；该污水提升装置用于将污水输送入设备内部进行处理；该射流器用于将药剂吸入后与污水混合；该管道混合器用于充分混合药剂与污水形成混合流体；该微波发生器用于产生微波；该微波反应器用于对流体进行辅助催化；该曝气反应装置用于将经微波反应器处理后的流体进一步氧化降解处理；该固液分离装置用于实现固体颗粒物和清水的分离；该过滤装置用于使清水进一步净化。本发明的设备占地面积小、建设成本低、运维成本低、处理效果优良，适用于工程化和规模化应用。

Description

一种利用微波能进行污水处理的设备及方法
技术领域
本发明涉及微波能应用技术领域和污水处理技术领域，尤其涉及一种利用微波能进行污水处理的设备及方法。
背景技术
现行较为普遍的污水处理方法有化学沉淀法、生物化学法、膜分离法。其中，化学沉淀法是向污水中投加某些化学药剂，使药剂和污水中欲去除的污染物发生直接的化学反应，生成难溶于水的沉淀物而使污染物分离，这种方法的特点是在常温常压下化学反应不彻底，出水中COD和重金属有残留，对出水造成新的二次污染，同时存在化学药剂用量大、污泥产量高的问题，若采用高温高压的反应环境，如超临界水处理法，还处于技术难度高、制造成本高、目前难以普适推广的困境。
生物化学法是利用微生物在一定的环境条件下大量繁殖，在微生物的作用下，使污水中的还原性等污染物质缓慢地产生化学反应，从而使污染物降解，该法突出的特点是占地面积大、建设成本高，该法处理周期长的特点造成占地面积巨大，而对于北京、上海、广州、深圳一类的大城市而言土地资源尤为紧缺，此外微生物的繁殖受温度影响大，在北方地区使用时还需要增加保温、增温措施，上述这些特点造成采用生物化学法进行污水处理将造成高的建设成本和运行成本，难以大力推广。
膜分离法是一种纯物理的分离法，利用膜的选择透过性将离子或分子或某些微粒从水中分离出来，膜分离法具有如下特点：①产生的浓缩物造成新的污染，焚烧浓缩物容易产生二噁英；②焚烧炉能耗高；③换膜成本高，维护费用高昂。该法的本质是对污水进行了浓缩，将污染物进行了转移而不是转化，没有从根本上解决污染问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型的污水处理设备及方法，以期至少解决上述现有技术存在的问题之一。本发明提供一种利用微波能进行污水处理的设备及方法，本发明的设备和方法占地面积小、建设成本低、运维成本低、处理效果优良，适用于工程化和规模化应用。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用微波能进行污水处理的设备，所述设备包括污水提升装置、射流器、管道混合器、微波发生器、微波反应器、曝气反应装置、固液分离装置和过滤装置；
所述污水提升装置用于将污水输送入设备内部进行处理；
所述射流器用于将药剂吸入后与污水混合，形成预混合流体；
所述管道混合器用于充分混合药剂与污水，形成混合流体；
所述微波发生器用于产生微波；
所述微波反应器用于对流体进行辅助催化；
所述曝气反应装置用于将经微波反应器处理后的流体进行进一步的氧化降解处理；
所述固液分离装置用于实现固体颗粒物和清水的分离；
所述过滤装置用于使清水得到进一步的净化。
优选地，所述射流器的进水孔径与出水孔径之比为1:2～1:5。
优选地，所述微波发生器的微波频率范围介于890～940MHz范围内(更优选915MHz)，以应用于处理量不低于15m3/h的场合；或者所述微波发生器的微波频率范围介于2400～2500MHz范围内(更优选2450MHz)，以应用于处理量小于15m3/h的场合。
优选地，所述微波反应器包括给水器、微波反应腔和排水器；并且，所述微波反应器内置物化反应器。
更优选地，所述微波反应腔的上部和下部之间设置有屏蔽法兰。
优选地，所述固液分离装置的结构为竖流式沉淀池形式和/或斜板沉淀池形式。
优选地，所述过滤装置内置活性炭和石英砂。
更优选地，所述过滤装置内按照石英砂在下、活性炭在上的方式布置，水流方向为自上向下。
根据本发明的另一个方面，提供了一种利用前述设备进行污水处理的方法，其包括如下步骤：
(1)污水经由污水提升装置送入射流器，射流器利用虹吸原理将药剂吸入后与污水混合，形成预混合流体；
(2)将预混合流体送入管道混合器，使加入的药剂与污水充分混合均匀，形成混合流体；
(3)将混合流体送入微波反应器，利用微波对流体进行辅助催化；
(4)将经过微波辅助催化后的流体送入曝气反应装置进行进一步氧化降解处理；
(5)将步骤(4)反应完成后的出水送入固液分离装置，实现固体颗粒物与清水的分离；
(6)将分离出的清水送入过滤装置，使得清水得到进一步的净化。
优选地，步骤(3)中，所述流体在微波反应器中的水力停留时间为5～60s，所施加的微波功率为500W～40kW。
本发明具有下述有益效果：
(1)整套设备实现了全流程化。既适用于高浓度有机工业污水、也适用于低浓度市政污水处理。
(2)占地面积小，节省投资。省去了大部分加药搅拌、加药混合装置。根据污水处理量的大小可实现集成化、模块化，便于移动，特别适用于北京、上海、广州、深圳等土地资源紧缺城市的黑臭水体的治理。
(3)处理效率高。在微波的催化作用下，实现在常温常压下使得污水中的还原性物质较为彻底地去除，同时，本发明的设备及方法属于连续流处理方式，能够实现污水的连续不间断高效处理。
附图说明
图1为根据本发明实施例1利用微波能进行污水处理的设备示意图的俯视图。
图2为根据本发明实施例1利用微波能进行污水处理的设备示意图的主视图。
图3为根据本发明实施例1利用微波能进行污水处理的方法流程图。
【附图标记说明】
1污水提升装置 2-1第一射流器
2-2第二射流器 3-1第一加药箱
3-2第二加药箱 4管道混合器
5微波反应器 5-1给水器
5-2微波反应腔 5-3排水器
6微波发生器 7传输波导
8曝气机 9水管
10曝气反应装置 11固液分离装置
12过滤装置 13污泥脱水装置
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明中，由污水中的离子、有机物分子、投加的药剂组成的混合物具有较强的极性，由于极性分子内电荷分布的不均匀，混合物在微波场的作用下能够迅速吸收电磁波的能量，反应物的分子被激活，发生化学反应所需的活化能得以降低，同时微波使得反应物分子的碰撞机率大大增加，从而提高了化学反应速率和反应完成率，这使得污水处理时间缩短，药剂使用量减少，污水处理成本降低。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种利用微波能进行污水处理的设备。如图1所示，本发明的设备包括：污水提升装置1、第一射流器2-1、第二射流器2-2、第一加药箱3-1、第二加药箱3-2、管道混合器4、微波反应器5、微波发生器6、曝气机8、曝气反应装置10、固液分离装置11、过滤装置12、污泥脱水装置13。其中，微波经由传输波导7传输至微波反应器5中，对流经的污水进行辅助催化。
以下分别对本实施例的各个组成部分进行详细说明。
参照图1，污水经由污水提升装置1提升，依次经过第一射流器2-1、第二射流器2-1预混合，再进入管道混合器4中充分混合均匀，其中，利用第一射流器2-1与第二射流器2-2在泵压下的虹吸原理将第一加药箱3-1和第二加药箱3-2中具有特定物理化学性质和一定比例的污水处理药剂吸入与污水混合。
参照图1，微波发生器6的频率根据污水处理量的大小进行选用，产生的微波频率范围介于890～940MHz范围内，作为优选方案，选用的微波频率为915MHz，适合于处理量不低于15m3/h的场合；也可在2400～2500MHz频率范围，作为优选方案，选用的微波频率为2450MHz，适合于处理量小于15m3/h的场合。
参照图2，微波反应器5包括其上方的给水器5-1、中间的反应腔5-2和下方的排水器5-3。进入微波反应器6的污水与药剂组成的混合物在由微波发生器6所产生微波的辅助催化作用下，迅速发生物理化学反应，经由曝气反应装置10进入固液分离装置11，并经过滤装置12过滤净化后产生达标排放的清水。本实施例中，污水中的还原性有机物在微波反应器5中迅速发生氧化，并在曝气反应装置10中进一步完成氧化，污水中的无机物则在絮凝剂絮凝作用下转化为固体沉淀，进而经固液分离装置11从水中分离出来，所述曝气反应装置10的供气由曝气机8提供，所述固液分离装置11分离出的固体沉淀物送至污泥脱水装置13进行脱水处理。
本实施例中，微波发生器6产生的微波经传输波导7进入微波反应器5的微波反应腔5-2中，为使微波反应腔5-2中的微波场分布均匀，便于流体能充分吸收微波，微波经功率分配器一分为二后进入微波反应腔5-2，两路波导按照横向和竖向布置。而在本发明的其它实施例中，在微波反应腔5-2的外壁直接布置微波源，均不影响本发明的实施。
在本发明的一个优选实施方式中，利用两个射流器进行加药和利用一个管道混合器进行混合，而在本发明的其它优选实施方式中，涉及的射流器和管道混合器数量可以是1个也可以是多个，结构连接方式可以并联也可以是串联。
在本发明的一个优选实施方式中，各装置的连接方式是这样实现的，管道混合器、微波反应器、曝气反应装置、固液分离装置、过滤装置之间通过法兰连接，法兰之间通过水管连接。在本发明的其它优选实施方式中，也可通过波纹管、承插口、活接方式连接。
实施例2
本实施例为利用实施例1的设备进行污水处理的方法，其流程图参见图3。
如图3所示，利用本发明设备进行污水处理的方法包括步骤：
步骤一：将污水由提升装置送入射流器，射流器利用虹吸原理将药剂吸入后与污水剧烈混合，形成预混合流体。
本实施例中，污水提升装置由两台或多台泵组成，具有提供可变压力和流量的功能，射流器的进水孔径与出水孔径之比为1:2～1:5。
步骤二：将预混合流体送入管道混合器，在不需要外动力情况下，使加入的药剂迅速、均匀地扩散到整个流体中。
本实施例中，管道混合器内置有螺旋扭转的内芯，内芯由多节180°扭转的固定螺旋叶片制作而成，在不需要外动力的情况下，水流通过管道混合器产生分流、交叉混合和反向旋流，使加入的药剂迅速、均匀地扩散到整个水体中，节省药剂用量的同时，可明显提高水处理效果并可节能降耗。
步骤三：将混合均匀的流体送入微波反应器，利用微波对流体进行辅助催化，实现在常温常压环境下，污水与药剂的物化反应快速进行和/或一些在常温常压下难以发生的化学反应能够进行。
本实施例中，流体在微波场中停留的时间介于5-60s内，微波功率介于1-20kW，微波功率连续可调。作为优选方案，本发明的处理方法中，微波场中的水力停留时间为30s，微波功率施加的大小根据处理水量的大小而定。
步骤四：将经过微波催化后的流体送入曝气反应装置进一步氧化降解处理。
本实施例中，曝气反应装置能够使得微波场中未完成的物化反应继续进行，更进一步地，污水中的还原性有机物被进一步氧化，同时反应产生的固体颗粒物在气体的搅拌带动下连续进入固液分离装置，有利于污水处理的连续运行。
步骤五：将曝气反应装置的出水送入固液分离装置，实现固体沉淀物和清水的分离。
本实施例中，固液分离装置的主要作用是实现反应完成后的固体颗粒物和液体的分离，作为优选方案，固液分离装置选用斜管沉淀池，固液分离装置的结构还可为竖流式沉淀池形式和/或斜板沉淀池形式。
步骤六：将步骤五分离出的清水送入过滤装置，使得清水得到进一步的净化。
本实施例中，为达到更优的水质指标，进一步净化出水，将固液分离装置分离出的清水送入过滤装置进行处理，过滤装置内置活性炭和石英砂。作为优选方案，活性炭和石英砂粒径指定为6-16目，按照石英砂在下活性炭在上方式布置，水流方向为自上向下。
需要注意的是，本实施例中，除污水提升装置由泵产生压力将污水送入射流器后，其余各装置间的流体传输均为重力自流方式，省掉了传统工艺中的泵送环节，节约了投资成本，降低了能耗。本发明的其它实施方式，根据污水处理现场实际的情况，以满足需求和节约能耗为目的，确定流体泵送的方式。
与现有技术相比，本发明实现了用微波能进行污水处理的设备和方法的全流程化，具有占地面积小、节省投资可移动使用、处理效率高的特点，适用于高浓度有机工业污水处理工程、市政污水处理工程、城市黑臭水体治理工程等领域。
至此，已结合附图对本发明进行了详细描述，依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的的设备和方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未图示或描述的实现方式，均为所述技术领域中普通技术人员所知的方式，所以本发明并未进行赘述。此外，上述对各器件和方法的定义并不仅限于实施例中各种具体实施结构、形状和方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地替换。例如：
(1)加药、混合装置进行调整；
(2)微波反应器的形状根据需要进行调整；
(3)流体在微波反应器中的水力停留时间进行调整；
(4)曝气反应装置的曝气介质根据需要进行调整，如本发明中的曝气介质为空气，可替换为臭氧。
综上所述，本发明提供了一种利用微波能进行污水处理的设备及方法，具有处理效率高、节能降耗、运行成本低的特点，在污水处理领域尤其是高浓度难降解有机污水处理领域、城市黑臭水体治理领域具有良好的应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用微波能进行污水处理的设备，其特征在于，所述设备包括污水提升装置、射流器、管道混合器、微波发生器、微波反应器、曝气反应装置、固液分离装置和过滤装置；
所述污水提升装置用于将污水输送入设备内部进行处理；
所述射流器用于将药剂吸入后与污水混合，形成预混合流体；
所述管道混合器用于充分混合药剂与污水，形成混合流体；
所述微波发生器用于产生微波；
所述微波反应器用于对流体进行辅助催化；
所述曝气反应装置用于将经微波反应器处理后的流体进行进一步的氧化降解处理；
所述固液分离装置用于实现固体颗粒物和清水的分离；
所述过滤装置用于使清水得到进一步的净化。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述射流器的进水孔径与出水孔径之比为1:2～1:5。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微波发生器的微波频率范围介于890～940MHz范围内，以应用于处理量不低于15m3/h的场合；或者所述微波发生器的微波频率范围介于2400～2500MHz范围内，以应用于处理量小于15m3/h的场合。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微波反应器包括给水器、微波反应腔和排水器；并且，所述微波反应器内置物化反应器。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述微波反应腔的上部和下部之间设置有屏蔽法兰。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固液分离装置的结构为竖流式沉淀池形式和/或斜板沉淀池形式。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述过滤装置内置活性炭和石英砂。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述过滤装置内按照石英砂在下、活性炭在上的方式布置，水流方向为自上向下。
9.一种利用如权利要求1～8任一项所述的设备进行污水处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)污水经由污水提升装置送入射流器，射流器利用虹吸原理将药剂吸入后与污水混合，形成预混合流体；
(2)将预混合流体送入管道混合器，使加入的药剂与污水充分混合均匀，形成混合流体；
(3)将混合流体送入微波反应器，利用微波对流体进行辅助催化；
(4)将经过微波辅助催化后的流体送入曝气反应装置进行进一步氧化降解处理；
(5)将步骤(4)反应完成后的出水送入固液分离装置，实现固体颗粒物与清水的分离；
(6)将分离出的清水送入过滤装置，使得清水得到进一步的净化。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述流体在微波反应器中的水力停留时间为5～60s，所施加的微波功率为500W～40kW。
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