CN107285516B - 用于水处理的催化氧化装置、其制作方法及水处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水处理的催化氧化装置、其制作方法及水处理工艺。本发明的目的是解决现有水处理技术难以除去污染水源中的有机污染物以及净水效率低的技术问题。本发明利用活性炭和石英砂混合碱化活化形成具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，并且吸附容量大、速度快的催化氧化装置；本发明的水处理工艺包括多介质过滤‑膜分离‑催化氧化等环节，催化氧化环节利用活性炭与石英砂载铁和碱化活化过程中形成表面聚硅酸结构和聚铁结构，对多种难降解有机物的催化作用；本发明适用于应急条件下对非标地表水、地下水等应急水源水进行快速、安全处理，使之达到饮用水标准；也可以用于难降解有机污废水的深度处理、回用等领域。

Description

用于水处理的催化氧化装置、其制作方法及水处理工艺
技术领域
本发明属于水处理领域，具体涉及一种用于水处理的催化氧化装置、其制作方法及水处理工艺。
背景技术
水污染及突发性水污染事故时有发生。地震、洪水等天灾，战争、事故等人为因素造成的供水困难，对居民生活、生产影响极大，危害严重。突发性污染及灾害条件下饮用水供给技术研究受到世界各国的普遍关注。美国、日本、以色列、德国等发达国家十分重视应对突发性污染事故的用水安全保障的技术研究。我国近年来对应急水处理系统技术展开了大量研究。
有机污染物的有效控制是水处理所面临的关键问题之一。特别是水源受到突发性污染，其中的一些人工合成有机化合物由于化学结构十分稳定，更难于被常规的处理工艺去除。而污废水中的有毒有机污染物由于其化学结构的稳定性，毒性大，处理难度高，残留率高，容易出现在非标准的临时水源(地表水或地下水)中。对其应用常规处理技术，如物化法、生化法及其组合的方法，很难达到满意的处理效果，至今仍缺乏经济有效的实用技术。
催化氧化技术通过添加催化剂引发高活性羟基自由基(OH·)的产生，利用OH·的强氧化能力以及与绝大多数有机化合物都可以快速反应的特性来氧化分解水中有机污染物。该技术在饮用水除有机微污染及废水中难降解有机物方面显示出巨大的应用潜力。过氧化氢(双氧水)作为清洁、安全的氧化剂具有适度的氧化能力，在一定条件下可能形成自由基，对多种水中的杂质具备极强的去除能力，具备良好的、独特的催化氧化特性，且反应产物为H2O和O2，较为安全。过氧化氢较臭氧成本低，易于控制，药剂稳定，传质效率好。由此，过氧化氢作为催化氧化药剂的优点非常突出。
发明内容
本发明的目的是解决现有水处理技术难以除去污染水源中的有机污染物以及净水效率低的技术问题，提供一种用于水处理的催化氧化装置、其制作方法及水处理工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于应急水处理的催化氧化装置，由反应器的壳体、填充在壳体内的催化氧化填料、填充在壳体上部的活性炭吸附层、不锈钢网、盖板和止水阀组成；所述壳体为圆柱形筒体，壳体的下端设有排空口，壳体的下部两侧分别设有进水口和过氧化氢进口，壳体的上部一侧设有出水口，所述催化氧化填料的上下端分别设有不锈钢网，所述壳体的上端设有盖板，所述进水口、过氧化氢进口和排空口上分别设有一个止水阀，所述催化氧化填料由活性炭和石英砂以2～5:1的比例组成。
进一步地，所述壳体的材质为有机玻璃或不锈钢。
一种上述用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，包括以下步骤：
1)选取圆柱形管材作为反应器的壳体，在壳体的下端设置排空口，在壳体的下部两侧分别设置进水口和过氧化氢进口，在壳体的上部一侧设置出水口，在进水口、过氧化氢进口和排空口上分别安装止水阀；
2)筛选粒度为0.6-2.5mm活性炭以及粒度为0.6-1.2mm石英砂；
3)在壳体底部安装第一个不锈钢网，将上述活性炭和石英砂以2～5:1的比例混匀作为催化氧化填料进行装柱，装柱高度为壳体有效高度的1/3～1/2，且装柱高度大于15cm，装柱完成后在催化氧化填料的上端再安装第二个不锈钢网；
4)关闭进水口、过氧化氢进口和排空口上的止水阀，向壳体中加入浓度0.1～2.0M、pH0.8-1.2的铁盐溶液，浸没催化氧化填料区10～30min后，开启下部排空口的止水阀，放掉铁盐溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至出水无色；
5)再次关闭壳体下部的进水口、过氧化氢进口和排空口的止水阀，向壳体中加入浓度0.1～2.0M的碱液，浸没催化氧化填料区碱化活化2～6hr后，开启排空口的止水阀放掉碱液，用纯水冲洗催化氧化填料至pH近中性；
6)以活性炭为填料填充壳体上部剩余的有效容积作为活性炭吸附层，并在壳体的上端安装盖板，即制成用于应急水处理的催化氧化装置。
进一步地，步骤4)中所述的铁盐为硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁中的任意一种。
进一步地，步骤5)所述的碱液为碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液。
一种使用上述用于应急水处理的催化氧化装置的水处理工艺，包括多介质过滤阶段、膜分离阶段和活性炭催化氧化阶段，具体步骤如下：
1)多介质过滤阶段：将待处理水源进行多介质过滤，除去水中较大粒径的杂质；
2)膜分离阶段：采用微滤膜或超滤膜对水进行精滤，去除粒径较小的颗粒物及胶体粒子；
3)活性炭催化氧化阶段：将步骤2)中得到精滤水通过催化氧化装置的进水口输入壳体中，同时通过过氧化氢进口向壳体中加入30％的过氧化氢溶液，每输入1L精滤水，加入16.0mg 30％的过氧化氢溶液，壳体中的水经催化氧化处理后，再经过壳体上部的活性炭吸附层进一步吸附处理，并对水中残留的过氧化氢进行降解，最后通过出水口引出，即得到干净的饮用水。
本发明的有益效果是：
1)本发明利用活性炭和石英砂混合碱化活化形成具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，并且吸附容量大、速度快的催化氧化填料；石英砂在适度碱化活化和铁离子存在的条件下，表面可形成具备一定聚合度的活性聚硅酸和聚硅铁结构，活性炭与上述石英砂载铁和碱化活化过程中形成表面聚硅酸结构和聚铁结构，该结构更有利于对更多种难降解有机物的催化作用，对多种难降解有机物有快速、高效的降解能力；
2)本发明的水处理工艺中过氧化氢投量控制范围广，利用率高，活性炭可促进过氧化氢更大幅度地转化为自由基，大幅提高矿化有机物的能力；
3)本发明的水处理工艺采用多介质过滤和膜分离系统处理原水中的颗粒物，澄清速率快，压力损失小；
4)本发明的催化氧化装置为循环再生系统，可通过调整过氧化氢的投量，对活性炭-碱化活化石英砂催化剂和后续的活性炭发挥良好的再生效果，保持其催化效能和吸附效能；
5)本发明催化氧化装置的壳体上部填充有未经活化的活性炭吸附层，对过氧化氢有良好的降解作用，可以保证出水没有过氧化氢残留，同时对反应后残留的有机物有进一步控制作用；
6)本发明催化氧化装置制备工艺简捷，投资少，原料成本低、能耗低，属于低碳技术发展方向，符合国家社会节能减排发展方向。
附图说明
图1为本发明中用于应急水处理的催化氧化装置的结构示意图。
图2为本发明中水处理工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例中的一种用于应急水处理的催化氧化装置，由反应器的壳体1、填充在壳体1内的催化氧化填料2、填充在壳体1上部的活性炭吸附层10、不锈钢网3和11、盖板8和止水阀9组成，所述壳体1为圆柱形筒体，其材质为有机玻璃或不锈钢，壳体1的下端设有排空口6，壳体1的下部两侧分别设有进水口4和过氧化氢进口5，壳体1的上部一侧设有出水口7，所述催化氧化填料2的上下端分别设有不锈钢网3和11，所述壳体1的上端设有盖板8，所述进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别设有一个止水阀9，所述催化氧化填料2由活性炭和石英砂以2～5:1的比例组成。
一种上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，包括以下步骤：
1)选取圆柱形管材作为反应器的壳体1，在壳体1的下端设置排空口6，在壳体1的下部两侧分别设置进水口4和过氧化氢进口5，在壳体1的上部一侧设置出水口7，在进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别安装止水阀9；
2)筛选粒度为0.6-2.5mm活性炭以及粒度为0.6-1.2mm石英砂；
3)在壳体1底部安装第一个不锈钢网3，将上述活性炭和石英砂以2～5:1的比例混匀作为催化氧化填料进行装柱，装柱高度为壳体1有效高度的1/3～1/2，且装柱高度大于15cm，装柱完成后在催化氧化填料2的上端再安装第二个不锈钢网11；
4)关闭进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上的止水阀9，向壳体1中加入浓度0.1～2.0M、pH0.8-1.2的铁盐溶液，浸没催化氧化填料区10～30min后，开启下部排空口6的止水阀9，放掉铁盐溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至出水无色，所述铁盐为硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁中的任意一种；
5)再次关闭壳体1下部的进水口4、过氧化氢进口5和排空口6的止水阀9，向壳体1中加入浓度0.1～2.0M的碱液，浸没催化氧化填料区碱化活化2～6hr后，开启排空口6的止水阀9放掉碱液，用纯水冲洗催化氧化填料至pH近中性，所述的碱液为碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液；
6)以活性炭为填料填充壳体1上部剩余的有效容积作为活性炭吸附层10，并在壳体1的上端安装盖板8，即制成用于应急水处理的催化氧化装置。
如图2所示，一种使用上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的水处理工艺，包括多介质过滤阶段、膜分离阶段和活性炭催化氧化阶段，具体步骤如下：
1)多介质过滤阶段：将待处理水源进行多介质过滤，除去水中较大粒径的杂质；
2)膜分离阶段：采用微滤膜或超滤膜对水进行精滤，去除粒径较小的颗粒物及胶体粒子；
3)活性炭催化氧化阶段：将步骤2)中得到精滤水通过催化氧化装置的进水口4输入壳体1中，同时通过过氧化氢进口5向壳体1中加入30％的过氧化氢溶液，每输入1L精滤水，加入16.0mg 30％的过氧化氢溶液，壳体1中的水经催化氧化处理后，再经过壳体1上部的活性炭吸附层10进一步吸附处理，并对水中残留的过氧化氢进行降解，最后通过出水口7引出，即得到干净的饮用水。
实施例1
本实施例中的一种用于应急水处理的催化氧化装置，由反应器的壳体1、填充在壳体1内的催化氧化填料2、填充在壳体1上部的活性炭吸附层10、不锈钢网3和11、盖板8和止水阀9组成，所述壳体1为有机玻璃制成的圆柱形管材，壳体1的下端设有排空口6，壳体1的下部两侧分别设有进水口4和过氧化氢进口5，壳体1的上部一侧设有出水口7，所述催化氧化填料2的上下端分别设有不锈钢网3和11，所述壳体1的上端设有盖板8，所述进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别设有一个止水阀9，所述催化氧化填料2由活性炭和石英砂以4:1的比例组成。
一种上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，包括以下步骤：
1)选取直径为6cm、长度为60cm的有机玻璃管材作为反应器的壳体1，其有效高度为中间40cm，在壳体1的下端设置排空口6，在壳体1的下部两侧分别设置进水口4和过氧化氢进口5，在壳体1的上部一侧设置出水口7，在进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别安装止水阀9；
2)筛选粒度为0.6-2.5mm活性炭以及粒度为0.6-1.2mm石英砂；
3)在壳体1底部安装第一个不锈钢网3，将上述活性炭和石英砂以4:1的比例混匀作为催化氧化填料进行装柱，装柱高度为20cm，装柱完成后在催化氧化填料2的上端再安装第二个不锈钢网11；
4)关闭进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上的止水阀9，向壳体1中加入浓度0.5M、pH0.8-1.2的硫酸铁溶液，浸没催化氧化填料区30min后，开启下部排空口6的止水阀9，放掉硫酸铁溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至出水无色；
5)再次关闭壳体1下部的进水口4、过氧化氢进口5和排空口6的止水阀9，向壳体1中加入浓度1.0M的碳酸钠溶液，浸没催化氧化填料区碱化活化4hr后，开启排空口6的止水阀9放掉碳酸钠溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至pH近中性；
6)以活性炭为填料填充壳体1上部剩余的有效容积作为活性炭吸附层10，并在壳体1的上端安装盖板8，即制成用于应急水处理的催化氧化装置。
一种使用上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的水处理工艺，包括多介质过滤阶段、膜分离阶段和活性炭催化氧化阶段，具体步骤如下：
1)多介质过滤阶段：将待处理水源进行多介质过滤，除去水中较大粒径的杂质；
2)膜分离阶段：采用微滤膜或超滤膜对水进行精滤，去除粒径较小的颗粒物及胶体粒子；
3)活性炭催化氧化阶段：将步骤2)中得到精滤水通过催化氧化装置的进水口4输入壳体1中，同时通过过氧化氢进口5向壳体1中加入30％的过氧化氢溶液，每输入1L精滤水，加入16.0mg 30％的过氧化氢溶液，壳体1中的水经催化氧化处理后，再经过壳体1上部的活性炭吸附层10进一步吸附处理，并对水中残留的过氧化氢进行降解，最后通过出水口7引出，即得到干净的饮用水，将该水的各项指标进行检测，并与原水比较，结果如表1所示：
水样 浊度(NTU) TOC(mg/L) 粪大肠杆菌(个/L)
原水 17.8 3.69 350
1hr出水 0.74 0.38 0
2hr出水 0.78 0.39 0
3hr出水 0.72 0.37 0
10hr出水 0.74 0.37 0
表1
由表1可知，使用本实施例中的催化氧化装置处理原水时，在连续处理10hr时，浊度去除率达到95％左右，粪大肠杆菌数未检出，TOC降解率达90％左右，这说明该催化氧化装置运行良好，对浊度和微生物有高效、稳定的处理效果。
实施例2
本实施例中的一种用于应急水处理的催化氧化装置，由反应器的壳体1、填充在壳体1内的催化氧化填料2、填充在壳体1上部的活性炭吸附层10、不锈钢网3和11、盖板8和止水阀9组成，所述壳体1为不锈钢制成的圆柱形管材，壳体1的下端设有排空口6，壳体1的下部两侧分别设有进水口4和过氧化氢进口5，壳体1的上部一侧设有出水口7，所述催化氧化填料2的上下端分别设有不锈钢网3和11，所述壳体1的上端设有盖板8，所述进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别设有一个止水阀9，所述催化氧化填料2由活性炭和石英砂以2:1的比例组成。
一种上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，包括以下步骤：
1)选取直径为8cm、长度为80cm的有机玻璃管材作为反应器的壳体1，其有效高度为中间60cm，在壳体1的下端设置排空口6，在壳体1的下部两侧分别设置进水口4和过氧化氢进口5，在壳体1的上部一侧设置出水口7，在进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别安装止水阀9；
2)筛选粒度为0.6-2.5mm活性炭以及粒度为0.6-1.2mm石英砂；
3)在壳体1底部安装第一个不锈钢网3，将上述活性炭和石英砂以2:1的比例混匀作为催化氧化填料进行装柱，装柱高度为20cm，装柱完成后在催化氧化填料2的上端再安装第二个不锈钢网11；
4)关闭进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上的止水阀9，向壳体1中加入浓度0.1M、pH0.8-1.2的硫酸铁溶液，浸没催化氧化填料区20min后，开启下部排空口6的止水阀9，放掉硫酸铁溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至出水无色；
5)再次关闭壳体1下部的进水口4、过氧化氢进口5和排空口6的止水阀9，向壳体1中加入浓度0.5M的碳酸钠溶液，浸没催化氧化填料区碱化活化2hr后，开启排空口6的止水阀9放掉碳酸钠溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至pH近中性；
6)以活性炭为填料填充壳体1上部剩余的有效容积作为活性炭吸附层10，并在壳体1的上端安装盖板8，即制成用于应急水处理的催化氧化装置。
一种使用上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的水处理工艺与实施例1中的相同。
实施例3
本实施例中的一种用于应急水处理的催化氧化装置，由反应器的壳体1、填充在壳体1内的催化氧化填料2、填充在壳体1上部的活性炭吸附层10、不锈钢网3和11、盖板8和止水阀9组成，所述壳体1为不锈钢制成的圆柱形管材，壳体1的下端设有排空口6，壳体1的下部两侧分别设有进水口4和过氧化氢进口5，壳体1的上部一侧设有出水口7，所述催化氧化填料2的上下端分别设有不锈钢网3和11，所述壳体1的上端设有盖板8，所述进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别设有一个止水阀9，所述催化氧化填料2由活性炭和石英砂以5:1的比例组成。
一种上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，包括以下步骤：
1)选取直径为8cm、长度为80cm的有机玻璃管材作为反应器的壳体1，其有效高度为中间60cm，在壳体1的下端设置排空口6，在壳体1的下部两侧分别设置进水口4和过氧化氢进口5，在壳体1的上部一侧设置出水口7，在进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上分别安装止水阀9；
2)筛选粒度为0.6-2.5mm活性炭以及粒度为0.6-1.2mm石英砂；
3)在壳体1底部安装第一个不锈钢网3，将上述活性炭和石英砂以5:1的比例混匀作为催化氧化填料进行装柱，装柱高度为24cm，装柱完成后在催化氧化填料2的上端再安装第二个不锈钢网11；
4)关闭进水口4、过氧化氢进口5和排空口6上的止水阀9，向壳体1中加入浓度2.0M、pH0.8-1.2的硫酸铁溶液，浸没催化氧化填料区10min后，开启下部排空口6的止水阀9，放掉硫酸铁溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至出水无色；
5)再次关闭壳体1下部的进水口4、过氧化氢进口5和排空口6的止水阀9，向壳体1中加入浓度0.1M的碳酸钠溶液，浸没催化氧化填料区碱化活化6hr后，开启排空口6的止水阀9放掉碳酸钠溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至pH近中性；
6)以活性炭为填料填充壳体1上部剩余的有效容积作为活性炭吸附层10，并在壳体1的上端安装盖板8，即制成用于应急水处理的催化氧化装置。
一种使用上述实施例中用于应急水处理的催化氧化装置的水处理工艺与实施例1中的相同。
上述实施例中的硫酸铁可用硫酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁来代替；所述碳酸钠溶液可用碳酸氢钠溶液代替。

Claims (5)

1.一种用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，所述用于应急水处理的催化氧化装置，由反应器的壳体（1）、填充在壳体（1）内的催化氧化填料（2）、填充在壳体（1）上部的活性炭吸附层（10）、不锈钢网（3、11）、盖板（8）和止水阀（9）组成，所述壳体（1）为圆柱形筒体，壳体（1）的下端设有排空口（6），壳体（1）的下部两侧分别设有进水口（4）和过氧化氢进口（5），壳体（1）的上部一侧设有出水口（7），所述催化氧化填料（2）的上下端分别设有不锈钢网（3、11），所述壳体（1）的上端设有盖板（8），所述进水口（4）、过氧化氢进口（5）和排空口（6）上分别设有一个止水阀（9），所述催化氧化填料（2）由活性炭和石英砂以2~5:1的比例组成；
其特征在于，包括以下步骤：
1）选取圆柱形管材作为反应器的壳体（1），在壳体（1）的下端设置排空口（6），在壳体（1）的下部两侧分别设置进水口（4）和过氧化氢进口（5），在壳体（1）的上部一侧设置出水口（7），在进水口（4）、过氧化氢进口（5）和排空口（6）上分别安装止水阀（9）；
2）筛选粒度为0.6-2.5mm活性炭以及粒度为0.6-1.2mm石英砂；
3）在壳体（1）底部安装第一个不锈钢网（3），将上述活性炭和石英砂以2~5:1的比例混匀作为催化氧化填料进行装柱，装柱高度为壳体（1）有效高度的1/3~1/2，且装柱高度大于15cm，装柱完成后在催化氧化填料（2）的上端再安装第二个不锈钢网（11）；
4）关闭进水口（4）、过氧化氢进口（5）和排空口（6）上的止水阀（9），向壳体（1）中加入浓度0.1~2.0M、pH0.8-1.2的铁盐溶液，浸没催化氧化填料区10~30min后，开启下部排空口（6）的止水阀（9），放掉铁盐溶液，用纯水冲洗催化氧化填料至出水无色；
5）再次关闭壳体（1）下部的进水口（4）、过氧化氢进口（5）和排空口（6）的止水阀（9），向壳体（1）中加入浓度0.1~2.0M的碱液，浸没催化氧化填料区碱化活化2~6hr后，开启排空口（6）的止水阀（9）放掉碱液，用纯水冲洗催化氧化填料至pH近中性；
6）以活性炭为填料填充壳体（1）上部剩余的有效容积作为活性炭吸附层（10），并在壳体（1）的上端安装盖板（8），即制成用于应急水处理的催化氧化装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，其特征在于：所述壳体（1）的材质为有机玻璃或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，其特征在于：步骤4）中所述的铁盐为硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于应急水处理的催化氧化装置的制作方法，其特征在于：步骤5）所述的碱液为碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液。
5.一种使用权利要求1-4任一项的方法制作的催化氧化装置的水处理工艺，其特征在于，包括多介质过滤阶段、膜分离阶段和活性炭催化氧化阶段，具体步骤如下：
1）多介质过滤阶段：将待处理水源进行多介质过滤，除去水中较大粒径的杂质；
2）膜分离阶段：采用微滤膜或超滤膜对水进行精滤，去除粒径较小的颗粒物及胶体粒子；
3）活性炭催化氧化阶段：将步骤2）中得到精滤水通过催化氧化装置的进水口（4）输入壳体（1）中，同时通过过氧化氢进口（5）向壳体（1）中加入30%的过氧化氢溶液，每输入1L精滤水，加入16.0mg 30%的过氧化氢溶液，壳体（1）中的水经催化氧化处理后，再经过壳体（1）上部的活性炭吸附层（10）进一步吸附处理，并对水中残留的过氧化氢进行降解，最后通过出水口（7）引出，即得到干净的饮用水。
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