CN109179569A - 一种处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，包括贮水箱、气液混合泵、射流器、管道静态混合器、反应器、气液分离器。反应器内设置若干结构单元，所述结构单元为内外套筒型式，内筒外壁缠绕紫外灯带，内筒轴线位置设紫外灯，内筒内壁与紫外灯之间设静态混合构件，内筒一端设超声波清洗探头，另一端设气体扩散器。反应器内各结构单元平行设置，使水流呈S型，结构单元之间设管道静态混合器，设置两个并联的过滤器。反应过程中，反应器内产生羟基自由基或活化反应物，高效节能地处理难降解有机废水。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程难降解有机废水处理技术领域，尤其涉及一种处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，及所述装置在废水处理中的应用。
背景技术
随着社会工业发展和人类生活水平提高，工业有机废水和生活污水的种类和排放量日益增多，成份也更加复杂。有些废水很难降解，比如石化企业、煤化工企业排放的废水，垃圾处理企业产生的反渗透浓水，城镇污水处理厂亟待提标的尾水，氯碱企业产生的高含盐废水。一方面这类废水含盐量高，限制了很多工艺的使用及效能发挥；另一方面其中有机物属于杂环、稠环、长链，现有工艺难以处理。
目前，关于难降解废水处理的研究较多，所采用的技术主要包括物理法、化学法、生化法。大多方法需要外加能源，能耗成本较高，并且单一技术效率较低。针对难降解有机废水，常规的物理化学方法对污染物去除效果不佳、操作繁琐、处理成本昂贵。比如：Fenton氧化法虽然性能较好，但受pH影响较大，而且产生的大量铁泥固体废弃物很难处理；湿式氧化法操作条件苛刻，带有一定的安全风险，而且处理成本偏高；蒸发浓缩法只是将污染物与水分离，没有真正去除污染物，而且产生的残渣要填埋或焚烧；活性碳吸附法的材料吸附容量有限，活性炭再生困难且成本高。具有协同作用的集成方法是水处理领域研究的热点，利用紫外光与氧化剂协调作用催化氧化处理难降解有机废水的现有技术较多，但只是对废水处理工艺做了相应改进并没有对反应器内部结构做更深层次研究,有机物去除效果不佳，氧化剂消耗量较大。因此，迫切需要开发一种高效光催化氧化反应器，解决现有工艺存在的普遍技术缺陷，高效率低能耗地去除废水中难降解有机物。
发明内容
为解决现有技术对废水有机污染物去除效果不佳、氧化剂消耗量大的问题，本发明提供一种处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，能够高效率低成本地去除难降解有机物，使处理后的废水达到排放标准。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，包括贮水箱、反应器、气液分离器及连接管道和阀门，反应器内设置至少两个结构单元，结构单元内部设置紫外灯，结构单元一端与氧化剂管路接通；各结构单元平行设置，进口端和出口端分别位于同侧，一个结构单元的出口连通至下一个结构单元的进口，贮水箱出口与首个结构单元进口接通，最后一个结构单元出口与气液分离器入口接通；气液分离器上设有尾气管道、出水管道、与贮水箱接通的回流液管道。
目前，利用紫外光与氧化剂协同作用催化氧化废水中有机物的现有技术较多，但只是在废水处理氧化反应器中增加了紫外灯，并没有对反应器具体结构做进一步细化，存在一些不足之处。反应效率低，氧化剂消耗量大，导致处理废水所需能耗增加但是效果不佳。
本发明对反应器的内部结构做了深层次研究，反应器内设置多个结构单元，结构单元个数可根据废水处理量增减，有利于控制氧化剂用量。进一步地，处理废水时让水流呈S型，让气态氧化剂的停留时间GRT等于废水的停留时间HRT，大大延长了气态氧化剂与废水的接触时间，能够充分利用气态氧化剂，从而降低气态氧化剂的消耗量。
出水管道上设有与贮水箱接通的回流液管道支路，经检测达标的废水从出水管道直接排放，另一部分未达标的废水经回流液管道通入贮水箱进一步处理。
作为上述方案的优选，所述结构单元为内外套筒型式，内筒外壁缠绕紫外灯带，内筒轴线位置设紫外灯，内筒内壁与紫外灯之间设有表面镀金红石型纳米二氧化钛的静态混合构件。
结构单元内设置静态混合构件，目的之一是实现水的径向混合以便均匀接收紫外光，目的之二是造成紊流来水力冲洗紫外灯套管以保证紫外灯的透光率，目的之三是实现气与水的再混合以利于充分利用气态氧化剂。内筒内壁与紫外灯之间设置的静态混合构件表面镀粒径为5～15nm的金红石型纳米二氧化钛，可以提高混合构件的耐腐蚀性和硬度，延长混合构件使用寿命。
作为上述方案的优选，贮水箱出口与反应器进口之间的连通管路上依次设置有气液混合泵、射流器、管道静态混合器。
本发明在废水进入反应器前的管路上设置气液混合泵、射流器、管道静态混合器，氧化剂采用气态和液态氧化剂分批次通入，既能够保证废水与氧化剂充分混合，又有利于控制氧化剂与废水的投料比例，从而提高反应效率、减少氧化剂消耗量，实现高效节能地去除废水有机物。
作为上述方案的优选，反应器的结构单元内筒一端设超声波清洗探头，用于清理附着在紫外灯套管上的污垢，使内筒石英玻璃管的表面保持良好的透光性，以保证紫外灯的透光率；另一端设气体扩散器或者在靠近内筒内壁处设曝气棒，使气态氧化剂与废水及紫外光混合均匀，从而利用紫外光与气态氧化剂协同作用对废水进行光催化氧化反应。
作为上述方案的优选，每两个结构单元之间的连通管路上设有管道静态混合器，使废水与注入反应器的气态或液态氧化剂充分混合，提高反应效率。进一步地，每两个结构单元之间的连通管路上还设置两个并联的过滤器，一用一备。以便及时将反应过程产生的沉淀物排出反应器，避免玷污紫外灯管而降低透光率，备用过滤器既方便操作又保证处理工艺的连续性，高效节能。
进一步地，结构单元的外筒材质为SUS 316，外筒内壁抛光处理以便反射紫外线，内筒材质为透射紫外光的石英玻璃，充分利用紫外光，节约能量。
采用本发明所述装置处理难降解有机废水的方法，包括以下步骤：贮水箱内的废水与气态氧化剂经气液混合泵混合后进入射流器，于此与吸入射流器的气态或液态氧化剂混合后进入管道静态混合器，再次与注入管道静态混合器的氧化剂混合后进入反应器，在反应器内废水与气态或液态氧化剂通过各结构单元之间的管道静态混合器混合，反应过程中产生的沉淀物通过过滤器排出反应器，反应物经过气液分离器排出尾气和处理后废水，回流液进入贮水箱进行再次处理。
作为上述方案的优选，所述气态氧化剂采用臭氧、氯气和二氧化氯，液态氧化剂采用双氧水和/或次氯酸钠溶液；气态氧化剂与废水的混合方式采用气液混合泵、射流器、管道静态混合器、端部曝气盘或者底部曝气棒等微米级气体扩散器；液态氧化剂与废水的混合方式采用管道静态混合器。
作为上述方案的优选，所述处理难降解有机废水的方法，工艺参数如下：紫外灯为230～320W，紫外线强度70～80ms/cm2，波长200～380nm；超声波为20～100KHz；臭氧发生量为0～100g/h；水力停留时间为10～60min。
上述反应器内发挥了紫外光、氧化剂和光催化剂的联合作用，能够产生高活性的羟基自由基或者降低反应物活化能的活化物。对于长链脂肪族大分子和稠环芳香族大分子化学键的活化过程，活化能降低后便于开环、断链，直到彻底矿化。不仅臭氧会对紫外光有强烈吸收，而且长链脂肪族大分子和稠环芳香族大分子中的不饱和键对紫外光也有强烈吸收，可认为紫外光能够活化整个反应体系，从而起到强化作用。因此，紫外光能够强化氧化剂与长链脂肪族大分子和稠环芳香族大分子的氧化分解反应。
本发明具有以下有益效果：
1.对反应器内部结构做了细化改进，反应器内设置多个结构单元，各结构单元平行设置，使水流呈S型走向，气态氧化剂在反应器内的停留时间明显延长，气态氧化剂利用率显著提高。
2.反应器的结构单元内设置静态混合构件，使得反应物在径向充分混合，且有利于反应物均匀接受紫外光，从而提高氧化剂和紫外光的利用率，运行成本明显降低。
3.本发明所述装置的管路上设置多个混合装置，气态和液态氧化剂分批次注入体系，废水与氧化剂混合更均匀，氧化剂利用率明显提高。
4.采用本发明所述装置处理难降解有机废水，氧化剂投加量明显减少，例如，加入到废水中的臭氧与废水COD的质量比为0.5～1.0，而常规比例为4～6。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2是利用本发明处理难降解有机废水的方法示意图。
附图标注：1-贮水箱、2-气液混合泵、3-射流器、4-管道静态混合器、5-反应器、6-结构单元、7-紫外灯带、8-静态混合构件、9-超声波清洗探头、10-紫外灯、11-气体扩散器、12-过滤器、13-管道静态混合器、14-气液分离器、15-出水管道、16-尾气管道、17-回流液管道
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，一种处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，包括贮水箱1、反应器5、气液分离器14及连接管道和阀门，反应器5内设置至少两个结构单元6，结构单元6内部设置紫外灯10，结构单元6一端与氧化剂管路接通；各结构单元6平行设置，进口端和出口端分别位于同侧，一个结构单元的出口连通至下一个结构单元的进口，贮水箱1出口与首个结构单元进口接通，最后一个结构单元出口与气液分离器14入口接通；气液分离器14上设有尾气管道16、出水管道15、与贮水箱1接通的回流液管道17。
打开贮水箱1出水管路上的阀门、氧化剂管路上的阀门，废水与氧化剂进入反应器5,启动紫外灯10的电源。废水从一个结构单元6的进口进入，流经结构单元6的内筒，从出口端流出，然后进入下一个结构单元6的进口，如此依次流经反应器5内并排排列的各个结构单元6。废水与氧化剂在反应器5内充分反应，然后进入气液分离器14，经检测达标的废水从出水管道15直接排放，另一部分未达标的废水经回流液管道17通入贮水箱1进一步处理。
反应器内设置多个结构单元，各个结构单元从上到下并排水平横放，也可以从左到右并排竖直放置，结构单元个数可根据废水处理量增减，水流从一个结构单元进口端进入，从该结构单元出口端出来后进入下一个结构单元进口端，让水流呈S型。这样使气态氧化剂的停留时间GRT等于废水的停留时间HRT，大大延长了气态氧化剂与废水的接触时间，能够充分利用气态氧化剂，从而降低气态氧化剂的消耗量。
作为上述实施例的优选，所述结构单元为内外套筒型式，内筒外壁缠绕紫外灯带7，内筒轴线位置设紫外灯10，内筒内壁与紫外灯之间设有静态混合构件8。静态混合构件8表面镀金红石型纳米二氧化钛，粒径为5～15nm，可以提高混合构件的耐腐蚀性和硬度，延长混合构件使用寿命。
作为上述实施例的优选，贮水箱1出口与反应器5进口之间的连通管路上依次设置有气液混合泵2、射流器3、管道静态混合器4。
打开贮水箱1出水管路上的阀门、氧化剂管路上的阀门，废水和气态氧化剂进入气液混合泵2进行混合，将气态或液态氧化剂通入射流器3、管道静态混合器4，废水与氧化剂通过气液混合泵2、射流器3、管道静态混合器4进行充分混合，然后进入反应器5。氧化剂采用气态和液态氧化剂分批次通入，既能够保证废水与氧化剂充分混合，又有利于控制氧化剂与废水的投料比例，从而提高反应效率、减少氧化剂消耗量，实现高效节能地去除废水有机物。
作为上述实施例的优选，为了清理附着在紫外灯套管上的污垢，内筒一端设超声波清洗探头9，用以清洗结构单元6内筒内壁的污垢，使内筒石英玻璃管的表面保持良好的透光性，以保证紫外灯的透光率。另外，内筒另一端设气体扩散器11或者在靠近内筒内壁处设曝气棒，废水进入反应器5后，气态氧化剂通过气体扩散器11进入结构单元6，使气态氧化剂与废水及紫外光混合均匀，有利于紫外光与气态氧化剂协同作用对废水进行光催化氧化反应。
作为上述实施例的优选，反应器内结构单元之间设有管道静态混合器13，使废水与注入反应器的气态或液态氧化剂充分混合，提高反应效率。进一步地，结构单元之间还设置过滤器12，并且过滤器一用一备，以便及时将反应过程产生的沉淀物排出反应器，避免玷污紫外灯管而降低透光率。去除反应残渣时利用备用过滤器更换在用过滤器，清理干净后的过滤器做备用，既方便操作又保证处理工艺的连续性，高效节能。
作为上述实施例的优选，结构单元6的外筒材质为SUS 316，内壁抛光处理以便反射紫外光，内筒材质为透射紫外光的石英玻璃。
实施例2：
如图2所示，一种氧化剂协同光催化氧化处理难降解有机废水的方法，包括以下步骤：贮水箱1内的废水与气态氧化剂经气液混合泵2混合后进入射流器3，于此与吸入射流器的气态或液态氧化剂混合后进入管道静态混合器4，再次与注入管道静态混合器的氧化剂混合后进入反应器5，在反应器内废水与气态或液态氧化剂通过管道静态混合器13混合，累积的固体残渣通过过滤器12排出反应器，反应物经过气液分离器14排出尾气和处理后废水，回流液进入贮水箱1。
通过气液混合泵2、射流器3、管道静态混合器4分批次通入气态和/或液态氧化剂，废水与氧化剂在进入反应器5前进行充分混合。结构单元6一端设有气体扩散器11，每两个结构单元6之间设置管道静态混合器13，氧化剂分批通入并与废水多次混合。既能够保证废水与氧化剂充分混合，又有利于控制氧化剂与废水的投料比例，从而提高反应效率、减少氧化剂消耗量。
反应器5内设置多个结构单元，各个结构单元6从上到下并排水平横放，结构单元6的个数可根据废水处理量增减，水流从一个结构单元进口端进入，从该结构单元出口端出来后进入下一个结构单元进口端，如此依次通过各个结构单元6，让水流呈S型。这样使气态氧化剂的停留时间GRT等于废水的停留时间HRT，大大延长了气态氧化剂与废水的接触时间，能够充分利用气态氧化剂，从而降低气态氧化剂的消耗量。
进一步地，气态氧化剂可用臭氧、氯气和二氧化氯，液态氧化剂可用双氧水和/或次氯酸钠溶液；气态氧化剂与废水的混合方式可用气液混合泵、射流器、管道静态混合器、端部曝气盘或者底部曝气棒等微米级气体扩散器；液态氧化剂与废水的混合方式可用管道静态混合器。
优选地，各工艺参数如下：紫外灯为230～320W，紫外线强度70～80ms/cm2，寿命13000h，波长200～380nm；超声波为20～100KHz；臭氧发生量为0～100g/h；水力停留时间为10～60min。
Claims (10)
1.一种处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，其特征在于，包括贮水箱(1)、反应器(5)、气液分离器(14)及连接管道和阀门，反应器(5)内设置至少两个结构单元(6)，结构单元(6)内部设置紫外灯(10)，结构单元(6)一端与氧化剂管路接通；各结构单元(6)平行设置，进口端和出口端分别位于同侧，一个结构单元的出口连通至下一个结构单元的进口，贮水箱(1)出口与首个结构单元进口接通，最后一个结构单元出口与气液分离器(14)入口接通；气液分离器(14)上设有尾气管道(16)、出水管道(15)、与贮水箱(1)接通的回流液管道(17)。
2.根据权利要求1所述的处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，其特征在于，所述结构单元为内外套筒型式，内筒外壁缠绕紫外灯带(7)，内筒轴线位置设紫外灯(10)，内筒内壁与紫外灯之间设有表面镀金红石型纳米二氧化钛的静态混合构件(8)。
3.根据权利要求1所述的处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，其特征在于，贮水箱(1)出口与反应器(5)进口之间的连通管路上依次设置有气液混合泵(2)、射流器(3)、管道静态混合器(4)。
4.根据权利要求2所述的处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，其特征在于，结构单元(6)的内筒一端设超声波清洗探头(9)，内筒另一端设气体扩散器(11)或者在靠近内筒内壁处设曝气棒。
5.根据权利要求1所述的处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，其特征在于，每两个结构单元(6)之间的连通管路上设有管道静态混合器(13)。
6.根据权利要求1所述的处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，其特征在于，每两个结构单元(6)之间的连通管路上还设有两个并联的过滤器(12)。
7.根据权利要求2所述的处理难降解有机废水氧化剂协同光催化氧化反应装置，其特征在于，结构单元(6)的外筒材质为SUS 316，内壁抛光处理，结构单元(6)的内筒材质为透射紫外光的石英玻璃。
8.一种氧化剂协同光催化氧化处理难降解有机废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：贮水箱(1)内的废水与气态氧化剂经气液混合泵(2)混合后进入射流器(3)，于此与吸入射流器的气态或液态氧化剂混合后进入管道静态混合器(4)，再次与注入管道静态混合器的氧化剂混合后进入反应器(5)，在反应器内废水与气态或液态氧化剂通过管道静态混合器(13)混合，累积的固体残渣通过过滤器(12)排出反应器，反应物经过气液分离器(14)排出尾气和达标废水，回流液进入贮水箱(1)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，气态氧化剂采用臭氧、氯气、二氧化氯，液态氧化剂采用双氧水和/或次氯酸钠溶液；气态氧化剂与废水的混合方式采用气液混合泵、射流器、管道静态混合器、端部曝气盘或者底部曝气棒等微米级气体扩散器；液态氧化剂与废水的混合方式采用管道静态混合器。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，各工艺参数如下：紫外灯为230～320W，紫外光强度70～80ms/cm2，波长200～380nm；超声波为20～100KHz；臭氧发生量为0～100g/h；水力停留时间为10～60min。
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