CN109231416A - 一种煤气化废水深度处理装置及方法 - Google Patents

一种煤气化废水深度处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种煤气化废水深度处理装置和方法，属于污水处理技术领域，该装置包括储水池、深度处理反应器、臭氧发生器、气体清洗罐和清水池，所述深度处理反应器的底部设置微孔钛曝气头，深度处理反应器内部填充复合催化剂。本发明采用微孔臭氧曝气结合一种自制新型高效催化剂处理煤气化废水生化出水，实现煤气化废水达标排放。本发明所制催化剂具有高效催化性能，易回收，煤气化废水处理工艺流程简单，反应能耗低，处理装置占地面积小。

Description

一种煤气化废水深度处理装置及方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体为一种煤气化废水深度处理装置及方法。
背景技术
煤炭的气化过程是在高温条件下，以煤为原料，以载氧的气化剂作为气化介质，在气化炉中通过一系列的物理和化学反应将煤从高分子固态物质转化为小分子气体的过程。煤气化废水水质成分异常复杂，主要包括酚类化合物，长链烷烃、芳香烃、多环芳烃、含氮杂环类化合物，氨氮，氰根和硫氰根等物质，属于典型的高浓度难降解工业废水，其可生化性较差，常规生物处理虽对其具有一定的处理能力，但生化处理出水仍然不能达到排放或回用标准，水中仍然有一些难降解的污染物存在，直接排放将导致严重环境污染事件的发生，因此需要对煤化工废水生化出水进行深度处理。
臭氧具有极强的氧化性，能将废水中的有机物彻底矿化为CO2和H2O，反应速度快，不产生污泥，无二次污染，能够起到脱色、除臭、杀菌等作用，但是臭氧氧化反应具有一定的选择性，若单独使用臭氧氧化处理废水，投资成本高，其传质效能、反应效率及利用效率都比较低，且不能有效去除多环芳烃类和含氮杂环化合物等难降解有机物。
发明内容
为解决现有臭氧处理废水存在的上述问题，本发明提出一种煤气化废水深度处理装置及方法。本发明采用微孔臭氧曝气结合一种自制新型高效催化剂处理煤气化废水生化出水，实现煤气化废水达标排放。本发明所制催化剂具有高效催化性能，易回收，煤气化废水处理工艺流程简单，反应能耗低，处理装置占地面积小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种煤气化废水深度处理装置，包括储水池、深度处理反应器、臭氧发生器、气体清洗罐和清水池，其中，储水池与深度处理反应器通过进水管连通，臭氧发生器的进气口连接氧气罐，所述深度处理反应器的底部设置微孔钛曝气头，臭氧发生器的出气口通过进气管与微孔钛曝气头连接，深度处理反应器内部填充复合催化剂，深度处理反应器的顶部设置挡板、滤网，滤网在挡板的上方，深度处理反应器的挡板、滤网之间设置出水口，出水口通过排水管与清水池连接，深度处理反应器的顶部设有残余气体出气口，残余气体出气口通过排气管与气体清洗罐连接。
作为本发明优选的，所述复合催化剂为纳米Fe3O4/活性炭复合物。其中，纳米Fe3O4/活性炭复合物的制备过程包括：
S101：活性炭载体的制备：将粒径为7~8mm的废弃椰壳经去离子水清洗后在60℃下烘干，烘干后的椰壳与质量分数为98%的磷酸混合，在105℃下浸泡2h，之后将浸泡后的椰壳放入坩埚中，置于气氛炉内热解，并向气氛炉内通入氮气，以10℃/min的升温速度升温至240℃炭化2h，然后800℃下活化1h，将活化后的椰壳清洗烘干制得；
S102：纳米Fe3O4/活性炭复合物的制备：取S101制得的活性炭载体加入去离子水中，向其内通入氮气，90℃水浴加热，并向其内加入FeSO4•7H2O，取NaOH和NaNO3混合溶液并用蠕动泵（10mL/min）加入反应器中，在90℃水浴下反应1h，之后冷却至室温，用去离子水超声清洗，超声清洗后置于真空干燥箱中50~60℃烘干，制得Nano-Fe3O4并负载于活性炭载体得到复合催化剂。
作为本发明优选的，所述气体清洗罐内盛放的液体为质量分数为20%的碘化钾溶液。
作为本发明优选的，所述臭氧发生器包括电流显示屏、电流调节按钮、转子流量计。
作为本发明优选的，所述微孔钛曝气头的孔径为0.45um。
作为本发明优选的，所述挡板上均匀分布导流孔，开孔率50%~55%，滤网上的网孔直径0.5mm。
作为本发明优选的，所述深度处理反应器的顶部还设有检验口，检验口设置在挡板下方深度处理反应器的侧壁上。
一种煤气化废水深度处理方法，包括以下步骤：
第一步，生化处理后的煤气化废水进入储水池内，经进水管进入深度处理反应器内；
第二步，臭氧发生器开始工作，氧气罐内的氧气稳定流入到臭氧发生器内，调节臭氧发生器工作电流和臭氧曝气量；
第三步，深度处理反应器内填装复合催化剂纳米Fe3O4/活性炭，在臭氧曝气下呈悬浮状态做往返绕动，纳米Fe3O4可高效催化载体表面臭氧产生强氧化性·OH，进而在催化剂表面和溶液中发生自由基链式反应，废水在深度处理反应器内水力停留时间为20min，反应结束后，将处理水通过排水管进入清水池，反应后的气体经过滤网通入气体清洗罐，清洗后排出。
作为本发明优选的，所述第三步中，复合催化剂投加量为2g/L。
作为本发明优选的，所述第二步中，臭氧发生器工作电流为500mA，调节臭氧曝气量为160mg/h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明装置底部设置微孔曝气装置，曝气孔径为0.45μm，由于气泡直径较小，提供了较大的气液接触面积，使得比表面积较大，另外由于表面张力的作用，存在于水中的微气泡在上升过程中气泡尺寸会不断减小，其自增压效应使得气泡内部压力增加，从而增大气体传质速率，提高臭氧利用率，微孔气泡表面破裂发生湮灭时可产生大量的强氧化性·OH，显著提高废水处理效果。
2、本发明采用特殊方法制备高效催化剂纳米Fe3O4（Nano-Fe3O4）/活性炭，其载体有良好的孔隙结构和发达的比表面积，具有高效吸附性能，且Nano-Fe3O4可高效催化载体表面臭氧产生强氧化性·OH，进而在催化剂表面和溶液中发生自由基链式反应，处理效果更加优异。
3、本发明煤气化废水深度处理方法采用臭氧催化氧化，反应时间短，运行管理方便，催化效率高，且反应具有环境良好属性，不会产生二次污染，清洁环保，本发明实验用水COD1000~1300mg/L，总酚300~400mg/L，氨氮20~30mg/L，色度120~160度，反应出水COD为30~40mg/L，氨氮小于15 mg/L，苯酚小于0.3mg/L，色度小于30度，满足《污水综合排放标准》（GB8978-1996）（一级标准）的排放要求。
4、本发明煤气化废水深度处理装置具有占地面积小，反应速度快，催化剂易回收、可重复利用，处理效果好等优势，反应产物稳定，具有良好的发展前景与推广价值。
附图说明
图1为本发明煤气化废水深度处理装置的结构示意图；
图中，1、储水池，2、进水管，3、水泵，4、进水阀门，5、深度处理反应器，6、复合催化剂，7、微孔钛曝气头，8、挡板，9、滤网，10、臭氧发生器，11、转子流量计，12、进气管，13、电流显示屏，14、电流调节按钮，15、氧气罐，16、阀门，17、压力稳定器，18、清水池，19、排水管，20、排水阀门，21、检验口，22、排气管，23、气体清洗罐，24、碘化钾溶液。
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。
实施例1
图1示出了本实施例的煤气化废水深度处理装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括储水池1、深度处理反应器5、臭氧发生器10、气体清洗罐23和清水池18，其中，储水池1与深度处理反应器5通过进水管2连通，进水管2上安装有水泵3并设置有进水阀门4，打开水泵3和进水阀门4，储水池1中的废水就可以通过进水管2经深度处理反应器5的底部进入深度处理反应器5内；臭氧发生器10的进气口连接氧气罐15，氧气罐15上设置有阀门16和压力稳定器17，打开阀门16，氧气罐15内的氧气进入臭氧发生器10内，产生臭氧；深度处理反应器5的底部设置微孔钛曝气头7，臭氧发生器10的出气口通过进气管12与微孔钛曝气头7连接，深度处理反应器5内部填充复合催化剂6，深度处理反应器5的顶部设置挡板8、滤网9、检验口21，滤网9在挡板8的上方，在挡板8下方深度处理反应器5的侧壁上设置检验口21，用以抽取深度处理反应器5内的废水进行检验；深度处理反应器5的挡板8、滤网9之间设置出水口，出水口通过排水管19与清水池18连接，排水管19上设置有排水阀门20；深度处理反应器5的顶部设有残余气体出气口，残余气体出气口通过排气管22与气体清洗罐23连接。储水池1中的废水进入深度处理反应器5内经处理后通过挡板8后经排水管19进入清水池18，深度处理反应器5内剩余气体经过滤网9通过排气管22通入气体清洗罐23内，将剩余气体清洗后排放。
本实施例中，复合催化剂6为纳米Fe3O4（Nano-Fe3O4）/活性炭复合物，其中，活性炭载体的制备方法为：将粒径为7~8mm的废弃椰壳经去离子水清洗后在60℃下烘干，烘干后的椰壳与质量分数为98%的磷酸以1:1.5的质量比混合，在105℃下浸泡2h，之后将浸泡后的椰壳放入坩埚中，置于气氛炉内热解，并向气氛炉内通入氮气，以10℃/min的升温速度升温至240℃炭化2h，然后800℃下活化1h，将活化后的椰壳清洗烘干制得。复合催化剂6采用共沉淀法制得，具体的制备方法为：取5.0g上述制得的活性炭载体加入去离子水中，向其内通入氮气（直至反应结束），90℃水浴加热，并向其内加入27.81gFeSO4•7H2O，取8gNaOH和8gNaNO3溶于250ml蒸馏水并用蠕动泵（10mL/min）加入反应器中，在90℃水浴下反应1h，之后冷却至室温，用去离子水超声清洗，超声清洗后置于真空干燥箱中50~60℃烘干，制得Nano-Fe3O4并负载于活性炭载体得到复合催化剂6。上述方法制备的高效催化剂以活性炭为载体具有良好的孔隙结构和发达的比表面积，比表面积可达942~1285m2/g，具有高效的吸附性能，以小颗粒形式填充于深度处理反应器5的内部，在臭氧曝气下呈悬浮状态做往返绕动与微孔臭氧气泡充分接触反应，活性炭载体负载的Nano-Fe3O4可高效催化载体表面臭氧产生强氧化性·OH，进而在催化剂表面和溶液中发生自由基链式反应，处理效果更加优异，可达到高效去除污染物的目的，且反应高效、清洁，反应过程不会产生二次污染，装置处理出水满足国家排放标准《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）（一级标准）的排放要求。
本实施例中，气体清洗罐23内盛放的液体为质量分数为20%的碘化钾溶液24，盛装不满，残余臭氧清洗后经顶部管道排出。
本实施例中，臭氧发生器10包括电流显示屏13、电流调节按钮14、转子流量计11，转子流量计11用以调节臭氧曝气量。
本实施例中，所用微孔钛曝气头7的孔径为0.45um，直径为50mm，高50mm，接口为6mm。这种微孔径的曝气头产生的微孔气泡直径较小，提供了较大的气液接触面积，使得比表面积较大且可增大气体传质速率，上升过程中气泡表面破裂发生湮灭时可产生大量的·OH。
本实施例中，挡板8上均匀分布导流孔，开孔率50%~55%，滤网9上的网孔直径0.5mm。
本发明煤气化废水深度处理方法为：
第一步，生化处理后的煤气化废水进入储水池1内，常温下通过水泵3从储水池1抽水经进水管2进入深度处理反应器5内；
第二步，同时臭氧发生器10开始工作，打开氧气罐15的阀门16，利用压力稳定器17保证氧气稳定流入到臭氧发生器10内，调节电流调节按钮14使电流显示屏13读数为500mA，此时臭氧发生器10产生的臭氧通过与进气管12连接的微孔钛曝气头7从深度处理反应器5的底部进入反应器内，调节臭氧曝气量为160mg/h，由于气泡直径较小，提供了较大的气液接触面积，使得比表面积较大，另外由于表面张力的作用，存在于水中的微气泡在上升过程中气泡尺寸会不断减小，其自增压效应使得气泡内部压力增加，从而增大气体传质速率，随着直径减小，气泡表面张力作用逐渐增强，最终达到极限时气泡表面破裂发生湮灭产生大量的·OH；
第三步，深度处理反应器5内填装复合催化剂纳米Fe3O4/活性炭，复合催化剂投加量为2g/L，高效催化剂以活性炭为载体具有良好的孔隙结构和发达的比表面积，有高效吸附性能，以小颗粒形式填充于反应器内部，在臭氧曝气下呈悬浮状态做往返绕动，Nano-Fe3O4可高效催化载体表面臭氧产生强氧化性·OH，进而在催化剂表面和溶液中发生自由基链式反应，处理效果更加优异，废水在深度处理反应器5内水力停留时间为20min，反应结束后经臭氧协同复合催化剂6催化反应后通过挡板8，处理水通过排水管19进入清水池18，反应后的气体经过滤网9随着排气管22通入气体清洗罐23，清洗后排出。
通过本发明煤气化废水深度处理装置和方法处理后，清水池18内出水水质达到COD小于60mg/L，悬浮物小于70mg/L，色度小于50度，挥发酚小于0.5mg/L，总氰化物小于0.5mg/L，氨氮小于15mg/L，苯胺小于1.0mg/L，硝基苯小于2.0mg/L，苯酚小于0.3mg/L，磷酸盐小于0.5mg/L，阴离子表面活性剂小于5.0mg/L，满足国家《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）（一级标准）排放要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种煤气化废水深度处理装置，包括储水池、深度处理反应器、臭氧发生器、气体清洗罐和清水池，其中，储水池与深度处理反应器通过进水管连通，臭氧发生器的进气口连接氧气罐，其特征在于，所述深度处理反应器的底部设置微孔钛曝气头，臭氧发生器的出气口通过进气管与微孔钛曝气头连接，深度处理反应器内部填充复合催化剂，深度处理反应器的顶部设置挡板、滤网，滤网在挡板的上方，深度处理反应器的挡板、滤网之间设置出水口，出水口通过排水管与清水池连接，深度处理反应器的顶部设有残余气体出气口，残余气体出气口通过排气管与气体清洗罐连接。
2.根据权利要求1所述的煤气化废水深度处理装置，其特征在于，所述复合催化剂为纳米Fe3O4/活性炭复合物。
3.根据权利要求1所述的煤气化废水深度处理装置，其特征在于，所述气体清洗罐内盛放的液体为质量分数为20%的碘化钾溶液。
4.根据权利要求1所述的煤气化废水深度处理装置，其特征在于，所述臭氧发生器包括电流显示屏、电流调节按钮、转子流量计。
5.根据权利要求1所述的煤气化废水深度处理装置，其特征在于，所述微孔钛曝气头的孔径为0.45um。
6.根据权利要求1所述的煤气化废水深度处理装置，其特征在于，所述挡板上均匀分布导流孔，开孔率50%~55%，滤网上的网孔直径0.5mm。
7.根据权利要求1所述的煤气化废水深度处理装置，其特征在于，所述深度处理反应器的顶部还设有检验口，检验口设置在挡板下方深度处理反应器的侧壁上。
8.一种煤气化废水深度处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，生化处理后的煤气化废水进入储水池内，经进水管进入深度处理反应器内；
第二步，臭氧发生器开始工作，氧气罐内的氧气稳定流入到臭氧发生器内，调节臭氧发生器工作电流和臭氧曝气量；
第三步，深度处理反应器内填装复合催化剂纳米Fe3O4/活性炭，在臭氧曝气下呈悬浮状态做往返绕动，纳米Fe3O4可高效催化载体表面臭氧产生强氧化性·OH，进而在催化剂表面和溶液中发生自由基链式反应，废水在深度处理反应器内水力停留时间为20min，反应结束后，将处理水通过排水管进入清水池，反应后的气体经过滤网通入气体清洗罐，清洗后排出。
9.根据权利要求8所述的煤气化废水深度处理方法，其特征在于，所述第三步中，复合催化剂投加量为2g/L。
10.根据权利要求8所述的煤气化废水深度处理方法，其特征在于，所述第二步中，臭氧发生器工作电流为500mA，调节臭氧曝气量为160mg/h。
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