CN109052550B - 一种过流式紫外光催化反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种过流式紫外光催化反应装置，包括曝气水箱和紫外光催化反应器，所述紫外光催化反应器内设有紫外灯管，所述曝气水箱底部设有曝气器，所述曝气水箱上设有废水入口I和废水出口I，紫外光催化反应器的两端分别设有废水入口II和废水出口II，所述废水出口I和废水入口II相连通。本发明所述过流式紫外光催化反应装置适用于设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理，一方面利用原废水中催化辅助剂，经光催化反应降解一部分的有机物，并且使COD下降，同时控制和降低VOC的挥发，为之后的治理流程初步改善环境条件。本发明还公开了一种设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外线光催化装置，具体涉及一种过流式紫外光催化反应装置。
背景技术
设备采用水性面漆涂装过程中会产生大量有机废水，例如汽车水性面漆涂装有机废水主要包含高分子有机树脂混合物、易挥发和难挥发性的混合有机溶剂(其中又以低挥发速率的醇类和醚类溶剂为主)、特种添加剂、各种助溶剂、各种颜填料固体等混合污染物，有机类物质包含但不限于以下成分：水溶性丙烯酸树脂，2-丁氧基乙醇，二甘醇一丁醚，石油精，聚丙二醇，四甲基葵二醇，2-丙醇，1-甲基-2-吡咯烷酮，正丁醇，5-氯-2-甲基-3(2H)异噻唑酮，乙二醇单丁醚，二甲氨基乙醇，二甘醇单丁醚，N.N-二甲基乙醇胺，1.2-乙二醇，2-氨基乙醇，一缩二丙二醇一甲醚。在具有代表性的典型汽车制造厂水性面漆涂装工艺末端，从不同批次废水中取样检测的结果，COD值1.9×105-2.9×105mg/l,平均2.4×105mg/l，生化需氧量(BOD5)平均1.52×104mg/l，平均色度6400倍,完全没有透明度并接近紫红色，有机树脂和颜填料固体份平均含量14％，PH平均值8.80，废水粘度平均16.8(涂4#杯25±1℃，不同的储存时间段数据有变化)，溶剂气味刺鼻，微生物毒性高，属于难生化、高浓度有机废水。在2016年8月1日起施行的《国家有机废水名录》中，废物类别确定为HW06废有机溶剂与含有机溶剂废物，行业来源为非特定行业，废物代码包括：900-402-06、900-403-06、900-404-06，以及处理前述废物产生的浮渣和污泥，废物代码：900-409-06，900-410-06。
目前，一间典型汽车制造厂水性面漆涂装工艺车间，每天产生的超高COD浓度有机废水为10吨-20吨，全部委托外运处理，而外运处理带来诸如道路危险品运输、危废处理公司的容量、危废处理公司是否遵守环保法律等风险，实际情况是已经发生过因危废处理公司原因造成了汽车制造厂的停产事故。因此，这是一项目前已建成和正在建设的汽车涂装生产车间急待解决的环保问题。
利用现有技术对汽车水性面漆涂装有机废水进行处理，难度在于有机废水中所含难降解有机树脂及有机溶剂，反映污水可生化降解性功能指标的BOD5/COD＝0.063，而0.3为污水可生化降解的下限。废水原水持续不断的释放VOC气体，并且有可能一直持续到整个危废处理全流程，废水中存在的固体悬浮物，平均粒径几百纳米到十几微米，特别是其中的珠光颜料粒子，从出厂时的粒径状态经过涂料分散、喷涂、清洗到成为废物，粒子更加碎化变得更加细小，属于滤布的穿滤物，在原废水中基本不沉降，如采用絮凝剂(化学絮凝、电絮凝)和机械方法进行固液分离，会产生高含水污泥(约占25％)，还要对污泥进行脱水处理，最后的脱水污泥(约占17-18％)仍然属于危险废物(含有未处理的有机树脂和有机溶剂)，无论是进一步无害化处理还是委外处理，都会付出较高的刚性处理成本。此外，珠光颜料的制造流程也是重金属离子富集的过程，包含游离酸根，亚稳态金属离子等，对环境构成一些未知的影响。
无论是已建成运行或者是在建的汽车制造厂涂装车间，其用于废水处理的工业用地都极为有限，无法进行大型厌氧生化池与好氧生化池的建设，设施高度也被限制。
所谓光催化反应，是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态，发生化学反应生成新的物质，或者变成引发热反应的中间化学产物。光催化氧化技术利用光激发氧化将O2、H2O2等氧化剂与光辐射相结合。所用光主要为紫外光，包括uv-H2O2、uv-O2等工艺，可以用于处理污水包括有机废水难降解物质。当能量高于半导体禁带宽度的光子照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，从价带跃迁到导带，从而产生带正电荷的光致空穴和带负电荷的光生电子。光致空穴的强氧化能力和光生电子的还原能力导致半导体光催化剂引发一系列光催化反应的发生。当TiO2等金属氧化物半导体粒子与水接触时，半导体表面产生高密度的羟基。由于羟基的氧化电位在半导体的价带位置以上，而且又是表面高密度的物种，因此光照射半导体表面产生的空穴首先被表面羟基捕获，产生强氧化性的羟基自由基。光催化氧化技术是在光化学氧化技术的基础上发展起来的。光化学氧化技术是在可见光或紫外光作用下使有机污染物氧化降解的反应过程。但由于反应条件所限，光化学氧化降解往往不够彻底，成为光化学氧化需要克服的问题，而通过和光催化氧化剂的结合，可以显著提高光化学氧的效率。
光催化目前的技术，需要针对处理目标物所适用的催化剂进行研究，合成光催化剂或者购买，需要设计预混、投入等流程装置及工艺，需要专有技术研发、设计能力，装备和人员实施均需要成本支出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种过流式紫外光催化反应装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种过流式紫外光催化反应装置，包括曝气水箱和紫外光催化反应器，所述紫外光催化反应器内设有紫外灯管，所述曝气水箱底部设有曝气器，所述曝气水箱上设有废水入口I和废水出口I，紫外光催化反应器的两端分别设有废水入口II和废水出口II，所述废水出口I和废水入口II相连通。
根据光催化机理的研究，氧气在光催化反应降解有机物的过程中起到重要作用，氧通过与光生电子反应生成超氧离子，一方面抑制了光生电子与光生空穴的复合，另一方面，超氧离子在溶液中通过一系列反应形成臭氧O3，而臭氧再生成羟基自由基-OH，有机物的降解正是利用羟基自由基的强氧化性而进行氧化反应。通过光催化对有机物进行氧化降解反应时，降低多少COD值，也就意味着需要消耗多少当量的氧，仅靠光解水分子产生的氧，将消耗大部分电能，并且在连续化的反应流程中，反应时间相对有限。因此需要及时同步供氧，以保证预期的工程目标。所以，如何在光催化反应时同步供氧，成为影响光催化反应速率的重要因素。本发明设置曝气水箱，可以使废水中的溶解氧达到饱和状态，达到即时同步供氧的目的。
本发明所述过流式紫外光催化反应装置适用于设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理，由于原废水所含有机污染物质中散发出刺鼻的有机溶剂混合气味，在进行后续任何治理流程之前，需要首先减低及控制VOC的挥发。因此本发明设计了废水经密闭管道进入过流式紫外线光催化反应器，而设备涂装水性面漆工艺有机废水中含有固体钛白粉(微米级二氧化钛)和珠光颜料(由云母基覆着纳米级金属氧化物)，可以直接作光催化反应的催化剂，无需在紫外灯管外另外涂覆光催化剂，无需研制专用的催化剂，无需进行催化剂分散、投放及回收的流程设备和人员，节约了设备、耗材、人员操作的成本支出。
本发明所述紫外灯管优选设于所述紫外光催化反应器的中心轴线上。实际应用中，可以根据场地空间、废水处理量和处理能力采用多个过流式紫外光催化反应装置串联或/和并联。
作为本发明所述过流式紫外光催化反应装置的优选实施方式，所述曝气器中的曝气材料为耐溶剂胶管或中空纳米纤维管。
作为本发明所述过流式紫外光催化反应装置的优选实施方式，所述曝气水箱的容积为0.2～1立方米。水箱的容积参数以提供稳定饱和溶解氧数值，并尽量节能为设计依据。在增氧方式和废水流量设定情况下，容积对水箱稳定溶解氧数值影响最为明显。水箱容积足够大，溶解氧数值稳定，需要的电能也多，水箱容积小，溶解氧数值会随着废水流动而降低。综合溶氧值和成本因素，本发明所述曝气水箱的容积优选为0.2～1立方米。
作为本发明所述过流式紫外光催化反应装置的优选实施方式，所述曝气水箱的容积为0.5立方米。
所述废水入口I设于曝气水箱的上部，所述废水出口I设于曝气水箱的下部。
作为本发明所述过流式紫外光催化反应装置的优选实施方式，所述装置包括多个紫外光催化反应器串联和/或并联。
本发明所述过流式紫外光催化反应装置中可以采用多个紫外光催化反应器串联，沿水流方向的前一个紫外光催化反应器的废水出口与后一个紫外光催化反应器的废水入口相连通，也可以将经紫外光催化处理后的废水重新输送至曝气水箱进行循环处理，也可以根据处理量采用多个反应器并联使用，也可以并联和串联联合使用。
作为本发明所述过流式紫外光催化反应装置的优选实施方式，所述紫外光催化反应器的紫外灯管的功率为60～640W。
灯管功率的选择，需要根据废水的有机物浓度、废水悬浮物含量、流量、设备安全运行以及节能等方面进行优选。有机物浓度高，需要的功率就大。悬浮物多，光线被遮蔽，废水接受光子能量就弱，所需要的功率也大。废水流量大，可以及时带走氧化反应放热及紫外灯光热损热量，不会使反应器过热。废水流量小，不能及时带走反应器中的热量，也需要合适灯源功率。本发明处理的目标废水，其特征为高浓度，多悬浮物，总流量相对不大，因此优选为上述紫外灯管功率。
本发明的另一目的还在于提供一种设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法，所述方法包含以下步骤：将设备涂装水性面漆工艺中产生的有机废水通过增氧处理，然后进行紫外光催化处理。
本发明所述设备可以为汽车、轨道车辆、工程车辆、摩托车、自行车等运输设备，可以为家具、乐器、皮革以及通讯设备，也可以是工业机械设备、农业机械设备及矿山机械设备等。
本发明所述有机废水的处理方法针对设备涂装水性面漆工艺有机废水，利用原废水中催化辅助剂，无需投加额外的光催化剂，经光催化反应降解了一部分的有机物，并且使COD下降，同时控制和降低VOC的挥发。
作为本发明所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法的优选实施方式，所述增氧处理为曝气增氧处理，所述增氧处理后的有机废水中的溶解氧为8～14mg/L。
作为本发明所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法的优选实施方式，所述增氧处理后的有机废水中的温度为1～10℃。常温常压下，氧为难溶于水的气体，水温越低，饱和溶解氧越高，因此选择工作水温1～10℃条件下进行，增氧气体使用压缩空气或纯氧，在已建投产的生产线项目中，优选低水温1～5℃，利用低温压缩空气经曝气器供氧，曝气器选用中空纤维管，废水中溶解氧优选为12～14mg/L，从而实现高效的光催化反应速率及废水处理的安全生产和经济性。
作为本发明所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法的优选实施方式，所述紫外光为双波段紫外光，波长分别为185nm和254nm。所述紫外光的波长可以选择波长254nm的紫外线灯或者双波段185nm和254nm紫外线灯，由于双波段185nm和254nm中，185nm波长紫外线会产生臭氧，对形成羟基自由基更加有利，对有机物产生更强的氧化作用，所以优选双波段185nm和254nm紫外光。
作为本发明所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法的优选实施方式，所述增氧处理为在所述有机废水中通入空气、氧气或液氧。优选采用液氧方式供氧，不仅可以保证光催化反应的速率，低温的液氧遇水气化带走热量，不用采取其它强制冷却措施，低温的氧气就可使废水增氧水箱保持低温状态，饱和溶解氧始终保持在14mg/L的数值，因此，采用液氧供氧方式，在技术和经济方面都是优选方案。在汽车水性面漆涂装工艺车间尚未规划建设时，可以预先留出液氧罐储存平面位置。依据国家建筑设计标准，设置危险化学品品地下储罐可以缩小一半的安全距离。所以，对于新建汽车厂水性涂装车间，优选方案是预设液氧地下储罐，储罐容积根据废水处理量需要选定。
理论上，废水在过流式紫外光催化反应装置中的流速越慢越好，可以增加废水照射反应时间。废水的流速可以根据具体的废水处理量和处理效率相结合来确定。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种过流式紫外光催化反应装置，本发明所述过流式紫外光催化反应装置适用于设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理，一方面利用原废水中催化辅助剂，经光催化反应降解一部分的有机物，并且使COD下降，同时控制和降低VOC的挥发，为之后的治理流程初步改善环境条件。本发明还提供了一种设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法。
附图说明
图1为实施例所述过流式紫外光催化反应装置的结构示意图；其中，1、曝气水箱；2、紫外光催化反应器；3、紫外灯管；4、曝气器；5、废水入口I；6、废水出口I；7、废水入口II；8、废水出口II。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述过流式紫外光催化反应装置的一种实施例，结构示意图如图1所示，本实施例所述过流式紫外光催化反应装置包括曝气水箱1和紫外光催化反应器2，所述紫外光催化反应器2内设有紫外灯管3，所述曝气水箱1底部设有曝气器4，所述曝气水箱上设有废水入口I 5和废水出口I 6，紫外光催化反应器的两端分别设有废水入口II 7和废水出口II8，所述废水出口I 6和废水入口II 7相连通；所述废水入口I 5设于曝气水箱的上部，所述废水出口I 6设于曝气水箱1的下部；所述紫外灯管3设于所述紫外光催化反应器2的中心轴线上；所述曝气器4中的曝气材料为耐溶剂胶管或中空纳米纤维管；所述曝气水箱1的容积为0.2～1立方米。
本实施例中，所述过流式紫外光催化反应装置采用3组反应单元串联，每组单元由一个曝气水箱并联3个过流式紫外光催化反应器，9个反应器的规格相同，每个反应器内设4支灯管，每支灯管功率80w，总功率2.88kW，水温控制在5～10℃。废水从预处理箱溢流进入单元1的曝气水箱，达到预设温度后分流流进入单元1的3个反应器，再合流进入单元2的曝气水箱，达到预设温度后分流流进入单元2的3个反应器，再合流进入单元3的曝气水箱，依次至单元3，达到预设温度后分流流进入单元3的3个反应器，最后合流进入下一处理单元。过流式紫外光催化反应器对废水中COD处理效果见表1。从表1可以看出，经过过流式紫外光催化反应器处理后有机废水中的COD有一定程度的下降，由实际操作中可以根据需求降低流速，增加反应单元数。
表1过流式紫外光催化反应器的处理效果
实施例2
本发明所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法的一种实施例，本实施例所述方法包含以下步骤：将设备涂装水性面漆工艺中产生的有机废水通过增氧处理，然后进行紫外光催化处理；所述增氧处理为在所述有机废水中通入液氧，所述增氧处理后的有机废水中的溶解氧为8～14mg/L；所述增氧处理后的有机废水中的温度为1～10℃；所述紫外光为双波段紫外光，波长分别为185nm和254nm。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (11)
1.一种处理设备涂装水性面漆工艺有机废水的过流式紫外光催化反应装置，其特征在于，包括曝气水箱和紫外光催化反应器，所述紫外光催化反应器内设有紫外灯管，所述曝气水箱底部设有曝气器，所述曝气水箱上设有废水入口I和废水出口I，紫外光催化反应器的两端分别设有废水入口II和废水出口II，所述废水出口I和废水入口II相连通；设备涂装水性面漆工艺有机废水中含有固体钛白粉和珠光颜料，直接作光催化反应的催化剂，在紫外灯管外不涂覆光催化剂。
2.如权利要求1所述处理设备涂装水性面漆工艺有机废水的过流式紫外光催化反应装置，其特征在于，所述曝气器中的曝气材料为耐溶剂胶管或中空纳米纤维管。
3.如权利要求1所述处理设备涂装水性面漆工艺有机废水的过流式紫外光催化反应装置，其特征在于，所述曝气水箱的容积为0.2～1立方米。
4.如权利要求1所述处理设备涂装水性面漆工艺有机废水的过流式紫外光催化反应装置，其特征在于，所述曝气水箱的容积为0.5立方米。
5.如权利要求1所述处理设备涂装水性面漆工艺有机废水的过流式紫外光催化反应装置，其特征在于，所述装置包括多个紫外光催化反应器串联和/或并联。
6.如权利要求1所述处理设备涂装水性面漆工艺有机废水的过流式紫外光催化反应装置，其特征在于，所述紫外光催化反应器的紫外灯管的功率为60～640W。
7.一种采用权利要求1～6中任一项所述装置进行设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法，其特征在于，包含以下步骤：将设备涂装水性面漆工艺中产生的有机废水通过增氧处理，然后进行紫外光催化处理。
8.如权利要求7所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法，其特征在于，所述增氧处理为曝气增氧处理，所述增氧处理后的有机废水中的溶解氧为8～14mg/L。
9.如权利要求7所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法，其特征在于，所述增氧处理后的有机废水中的温度为1～10℃。
10.如权利要求7所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法，其特征在于，所述紫外光为双波段紫外光，波长分别为185nm和254nm。
11.如权利要求7所述设备涂装水性面漆工艺有机废水的处理方法，其特征在于，所述增氧处理为在所述有机废水中通入空气、氧气或液氧。
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