CN111087110A - 一种污水中持久性有机污染物的处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种污水中持久性有机污染物的处理装置及处理方法，该装置包括反应器，所述反应器从下至上依次分为污水流经区、泡沫富集区和气体逸出区；在所述反应器上设有进水口、出水口、鼓气口和排气口，在所述反应器内设有用于放置放射源的放射源通道，所述放射源通道为透明通道。通过所述进水口向所述反应器内通入含有持久性有机污染物的污水；并通过所述鼓气口向所述反应器内鼓气，以在污水的液面上形成富含持久性有机污染物的泡沫层；利用所述放射源对所述泡沫层进行辐照，以降解所述泡沫层中富集的持久性有机污染物，本发明可以显著提高持久性有机污染物的处理效率。

Description

一种污水中持久性有机污染物的处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，更具体地，涉及一种污水中持久性有机污染物的处理装置及处理方法。

背景技术

持久性有机污染物是指长期存在于环境中，具有长期残留性、生物富集性和毒性，对人类健康和环境具有严重危害的有机污染物，如全氟表面活性剂、溴代阻燃剂等。其在各种工业生产和日常生活中广泛使用，会通过污水排放、产品废弃等途径进入环境中。

目前针对水体中持久性有机污染物的处理方式主要分为两类：一类是利用物理过程对持久性有机污染物进行分离，包括吸附、膜分离、离子交换、泡沫分离等方式。物理过程虽然可以将持久性有机污染物从水体中去除，但普遍需要后续的处理工艺实现污染物的彻底降解。另一类方式是通过生物、化学等过程直接对含有持久性有机污染物的污水进行处理，从而将表面活性剂降解、乃至矿化从而去除污水中的持久性有机污染物，常见的处理方法有微生物降解、超声降解、光化学降解、辐照降解和直接化学氧化等。

伽马射线辐照水溶液可以产生羟基自由基、水合电子等具有极强氧化还原性的活性物质，在无需加入任何化学试剂的情况下，有效地降解持久性有机污染物。但伽马射线辐照降解过程遵循准一级动力学，在处理实际水体中持久性有机污染物时，由于污染物的浓度相对较低，处理效率不尽如人意。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提供了一种污水中持久性有机污染物的处理装置及处理方法。

第一方面，本发明提供了一种污水中持久性有机污染物的处理装置，包括：反应器，所述反应器从下至上依次分为污水流经区、泡沫富集区和气体逸出区；

在所述反应器上设有用于进污水的进水口、用于排出污水的出水口、用于向反应器内鼓气的鼓气口和用于排气的排气口，在所述反应器内设有用于放置放射源的放射源通道，所述放射源通道为透明通道。

优选地，所述排气口设置在所述气体逸出区；所述进水口、出水口和鼓气口均设置在所述污水流经区；优选地，所述排气口设置在所述反应器的顶端，与所述气体逸出区连通；所述进水口与所述排气口的垂直距离小于所述出水口与所述排气口的垂直距离，所述鼓气口与所述排气口的垂直距离大于所述进水口与所述排气口的垂直距离。

优选地，所述反应器底部设有放射源进口，所述放射源通道的底部与所述放射源进口连通，所述放射源通道的顶部延伸至所述泡沫富集区，所述放射源放置在放射源通道的顶部内，优选地，所述放射源为伽马射线源；所述进水口连接有进水管道、所述出水口连接有排水管道以及所述鼓气口连接有导气管，所述进水管道上设有进水流量调节阀，所述排水管道上设有出水流量调节阀，所述导气管上设有气体流量调节阀，所述鼓气口通过气管与设置在反应器内的气体分散装置连接，所述气体分散装置设置在污水流经区内，优选地，所述气体分散装置为不锈钢或陶瓷材质的致密多孔结构，孔径为2～20μm。

优选地，所述排气口与所述气体流量调节阀的进气口连通。在使用惰性气体(例如氮气)时，排气口排出的气体可由气泵重新输送至鼓气口，以减少惰性气体的使用量，节约成本。

进一步优选地，所述反应器为圆柱形反应器，所述反应器的直径为180mm，高度为500mm，所述污水流经区容积为3L，所述放射源通道设置在所述反应器的内部且与所述反应器同轴设置，所述放射源通道的直径为100mm，所述放射源通道的高度为450mm，伽马射线源强度为3～10Gy/min，优选5Gy/min，所述气体分散装置的孔径为2μm。

第二方面，本发明提供了一种基于所述的污水中持久性有机污染物的处理装置的污水中持久性有机污染物的处理方法，包括：

通过所述进水口向所述反应器内通入含有持久性有机污染物的污水；

通过所述鼓气口向所述反应器内鼓气，以在污水的液面上形成富含持久性有机污染物的泡沫层；以及

利用所述放射源对所述泡沫层进行辐照，降解所述泡沫层中的持久性有机污染物。

作为一种优选的实施方式，通过所述进水口向所述反应器内通入含有持久性有机污染物的污水，包括：打开出水口，通过所述进水流量调节阀调节进水流量，并通过所述出水流量调节阀调节出水流量，以使污水流经区的污水水位保持稳定，优选地，所述进水流量和所述出水流量相等。

作为一种优选的实施方式，通过所述鼓气口向所述反应器内鼓气，包括：通过所述气体流量调节阀调整气体流量，以在污水的液面上形成具有稳定高度的泡沫层，优选地，所述气体流量为1.0L/min。

作为一种优选的实施方式，所述含有持久性有机污染物的污水为含全氟表面活性剂的污水，污水的水力停留时间为90～130min，优选地，所述全氟表面活性剂为全氟磺酸化合物和/或全氟羧酸化合物，污水的水力停留时间为120min。

作为一种优选的实施方式，鼓入所述反应器内的气体为空气或惰性气体，例如可以为氮气。

申请人在研究中发现，持久性有机污染物如全氟表面活性剂具有表面活性，倾向于分布于气液、固液界面，可以利用泡沫分离技术进行富集。本发明提供的污水中持久性有机污染物的处理装置以及污水中持久性有机污染物的处理方法，正是利用持久性有机污染物的这一特性，通过向污水中通气鼓泡，可以将具有表面活性的持久性有机污染物富集至溶液顶部的泡沫及毗邻溶液中，富集因子可达1-2数量级。随后，利用伽马源针对性地辐照泡沫层中经过浓缩富集的持久性有机污染物，可以显著提高处理效率。具体操作为：首先通过泡沫富集，将污水中所含的持久性有机污染物富集到泡沫层中，得到泡沫富集层，之后再利用伽马射线辐照富含持久性有机污染物的泡沫富集层，来降解泡沫层内富集的持久性有机污染物。采用全氟辛磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)分别进行了试验，获得了预料不到的技术效果，例如在水力停留时间为120min的情况下，采用本发明方法相较于直接对污水进行照射，对污水中PFOS的降解效果提高了22.9倍。

附图说明

图1为本发明一实施例的污水中持久性有机污染物的处理装置的结构示意图；

图2为试验例1得到的反应器内气体分散装置21孔径与鼓气口4气体流量对泡沫层9高度的影响曲线图；

图3为试验例1得到的泡沫富集与辐照降解联合处理对PFOS的去除效果曲线图；

图4为试验例2得到的反应器内气体分散装置21孔径与鼓气口4气体流量对泡沫层9高度的影响曲线图；

图5为试验例2得到的泡沫富集与辐照降解联合处理对PFOA的去除效果曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一些持久性有机污染物，如全氟表面活性剂具有表面活性，倾向于分布于气液、固液界面，可以利用泡沫分离技术进行富集。

如图1所示，为本发明提供的一种污水中持久性有机污染物的处理装置，包括：反应器1，反应器1的内部从下至上依次分为污水流经区A、泡沫富集区B和气体逸出区C；在反应器1上设有用于进污水的进水口2、用于排出污水的出水口3、用于向反应器1内鼓气的鼓气口4和用于排气的排气口5，在反应器1内设有用于放置放射源7的放射源通道6，所述放射源通道6为透明通道。

利用本发明上述实施例所述的污水中持久性有机污染物的处理装置进行污水中持久性有机污染物的处理方法为：通过所述进水口2向所述反应器1内通入含有持久性有机污染物的污水8，污水8的水位达到污水流经区A的最上端，即充满污水流经区A，通过所述鼓气口4向所述反应器1内鼓气，以在污水8的液面上形成含有持久性有机污染物的泡沫层9，泡沫层9位于泡沫富集区B；利用所述放射源7对所述泡沫层9进行辐照，以降解所述泡沫层9中的持久性有机污染物。

作为一种优选实施例，所述排气口5设置在所述反应器1的顶端，即所述排气口5设置在所述气体逸出区C，与所述气体逸出区C连通，所述进水口2、出水口3和鼓气口4均设置在所述污水流经区A；所述进水口2与所述排气口5的垂直距离小于所述出水口3与所述排气口5的垂直距离，一般所述进水口2的位置低于污水流经区A最上端设置，且靠近污水流经区最上端，出水口3设置位置略高于反应器1底面，一般进水口2设置在反应器1的中部侧壁上，所述出水口3也设置在反应器1的侧壁上，且在远离进水口2的一侧；所述鼓气口4与所述排气口5的垂直距离大于所述进水口2与所述排气口5的垂直距离，即鼓气口4低于进水口2设置，一般是靠近所述反应器1底面设置。

作为一种优选实施例，所述反应器1底部设有放射源进口，所述放射源通道6的底部与所述放射源进口连通，可供放射源7从放射源进口进入反应器1，所述放射源通道6的顶部延伸至所述泡沫富集区B，所述放射源7放置在放射源通道6的顶部内，用于辐照所述泡沫富集区B，优选地，所述放射源7为伽马射线源。放射源7的强度依据反应器1污水的实际体积来选取。反应器1的高度直径比可根据实际需求，在一定范围(1～3)内调整。

作为一种优选实施例，进水口2连接有进水管道、所述出水口3连接有排水管道以及所述鼓气口4连接有导气管；所述进水管道上设有进水流量调节阀，用以调整进水的开闭状态和流量大小，所述排水管道上设有出水流量调节阀，用以调整出水的开闭状态和流量大小。所述导气管上设有气体流量调节阀，用以调整气流的开闭状态和流量大小。

作为一种优选实施例，所述鼓气口4通过气管与设置在反应器1内的气体分散装置21连接，所述气体分散装置21设置在污水流经区内，优选靠近反应器1底面设置，优选地，所述气体分散装置21为不锈钢或陶瓷材质的致密多孔结构，其孔径可以在2～20μm范围内选择。采用多孔结构的气体分散结构，可以使鼓入的气体分散成小的气泡，有利于在污水表面形成泡沫层。

作为一种优选实施例，所述排气口5与所述气体流量调节阀的进气口连通。值得说明的是，在排气口5与所述气体流量调节阀的连接通道上设置气泵等抽气装置。在使用惰性气体(例如氮气)进行鼓气时，排气口5排出的气体可由气泵重新输送至鼓气口4，减少惰性气体的使用量，节约成本。

作为一种更优选的实施例，所述反应器为圆柱形反应器，所述反应器1的直径为180mm，高度为500mm，所述污水流经区容积为3L，所述放射源通道6设置在反应器1内且与反应器1同轴设置，放射源通道6的直径为100mm，所述放射源通道6的高度为450mm，伽马射线源7放置在放射源通道6的顶端，高于污水流经区A的上液面，伽马射线源7强度为3～10Gy/min，优选5Gy/min，采用⁶⁰Co或¹³⁷Cs等能够发射高能伽马射线的放射源。所述气体分散装置的孔径为2μm。

采用以上装置，以含PFOS和含PFOA的污水为例，进行了试验，具体如下。

试验例1

以含PFOS的污水为处理对象，处理方法包括：

S1、关闭出水口3，通过进水口2向反应器1内通入含PFOS污水；

值得说明的是，在本步骤之前，需要清洁反应器内部；污水也进行预处理：将污水(含PFOS，20mg/L)经过静置沉淀、过滤去除悬浮颗粒物后，由进水口2通入反应器1中。

S2、当反应器1内污水的水位达到污水流经区A最顶部高度时，打开出水口3，通过进水管道上设置的进水流量调节阀、排水管道上设置的出水流量调节阀，来调整进水和出水量，使污水在反应器内的液面保持稳定，基本与污水流经区A的最顶部持平，之后通过所述鼓气口4向所述反应器1内鼓气，鼓入的气体通过气体分散装置21分散，产生丰富的气泡，以在污水的液面上形成泡沫层，可以理解的是，鼓入的气体可以是空气或惰性气体，如氮气。与鼓气口4连接导气管，导气管上设有气体流量调节阀，用以调整气流的流量大小。当污水上部形成了厚度稳定的泡沫层9后，准备伽马射线辐照处理。

通过所述进水流量调节阀调节进水流量，并通过所述出水流量调节阀调节出水流量，以使所述进水流量和所述出水流量相等，一方面可使得反应器的液位保持稳定，这样也可以保证泡沫层9的高度稳定；另一方面，可通过调节进水流量调节阀和出水流量调节阀对水力停留时间进行调整，可使得水力停留时间保持恒定。

S3、利用所述放射源7对所述泡沫层9进行辐照，以降解所述泡沫层9中的持久性有机污染物PFOS。

值得说明的是，首次运行时，为了保证持久性有机污染物尽可能多的富集到泡沫层中，一般先通过鼓气口4向污水内通气一定时间，在污水上形成一定厚度的泡沫层后，再经放射源通道将放射源放入反应器以对泡沫层进行针对性的辐照，对其中的富集的持久性有机污染物进行辐照降解。

图2为本试验得到的反应器内气体分散装置21孔径与鼓气口4气体流量对泡沫层9高度的影响曲线图。其中，污水中含PFOS的浓度为20mg/L；温度：20℃。试验发现，当气体分散装置21孔径为2μm、鼓气口4气体流量为1.0L/min时，泡沫层9的高度最高且稳定，说明在该条件下富集效果最好。标准偏差由10次重复实验的结果计算而得。

图3为泡沫富集与辐照降解联合处理对PFOS的去除效果曲线图，与只采用辐照降解污水的效果进行了比较。其中，污水中含PFOS的浓度为20mg/L；鼓气口4鼓入气体的气体流量为1.0L/min，采用的气体分散装置21孔径为2μm；温度：20℃。标准偏差由2次重复实验的结果计算而得。由图3发现，在水力停留时间(HRT)达到30min时，污水中PFOS的浓度急剧下降，说明PFOS得到了有效降解。水力停留时间为120min时，PFOS的去除率达83.5％，相较于直接辐照降解，处理效果提高了22.9倍。

一般来说，每1L待处理污水约需要配置强度为1-20Gy/min的放射源。本试验例反应器的外形尺寸为Φ180mm×500mm，污水流经区容积为3L，放射源通道6的直径为100mm，所述放射源通道6的高度为450mm，伽马射线源7强度为5Gy/min，采用⁶⁰Co放射源。

试验例2

参照试验例1，以含PFOA的污水为处理对象，进行了试验。

图4为得到的反应器1内气体分散装置21孔径与鼓气口4气体流量对泡沫层9高度的影响曲线图。气体分散装置21孔径为2μm、鼓气口4气体流量为1.0L/min时，泡沫层9的高度最高且稳定，说明在该条件下富集效果最好。标准偏差由10次重复实验的结果计算而得。

图5为泡沫富集与辐照降解对PFOA的去除效果曲线图，与只采用辐照降解污水的效果进行了比较。其中，污水中含PFOA的浓度为20mg/L；鼓气口4鼓入气体的气体流量为1.0L/min，采用的气体分散装置21孔径为2μm；温度：20℃。标准偏差由2次重复实验的结果计算而得。由图5发现，在水力停留时间(HRT)达到30min时，污水中PFOA的浓度急剧下降，说明PFOA得到了有效降解。水力停留时间为120min时，PFOA的去除率相较于直接辐照降解有了显著的提高。本试验例反应器的外形尺寸为Φ180mm×500mm，污水流经区容积为3L，放射源通道6的直径为100mm，所述放射源通道6的高度为450mm，伽马射线源7强度为5Gy/min，采用⁶⁰Co放射源。

通过以上试验例说明，采用本发明提供的泡沫富集加伽马辐照联合处理的装置及方法，可以快速有效的对含有具有表面活性的持久性有机污染物的工业污水或地下水等水体进行降解处理，使其中的所含的持久性有机污染物得到快速降解。通过泡沫富集与辐照降解的耦合，显著提高了辐照降解效率，从而显著提高持久性有机污染物的去除效果。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种污水中持久性有机污染物的处理装置，其特征在于，包括：反应器，所述反应器从下至上依次分为污水流经区、泡沫富集区和气体逸出区；

在所述反应器上设有用于进污水的进水口、用于排出污水的出水口、用于向反应器内鼓气的鼓气口和用于排气的排气口，在所述反应器内设有用于放置放射源的放射源通道，所述放射源通道为透明通道。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排气口设置在所述气体逸出区；所述进水口、出水口和鼓气口均设置在所述污水流经区；优选地，所述排气口设置在所述反应器的顶端，与所述气体逸出区连通；所述进水口与所述排气口的垂直距离小于所述出水口与所述排气口的垂直距离，所述鼓气口与所述排气口的垂直距离大于所述进水口与所述排气口的垂直距离。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反应器底部设有放射源进口，所述放射源通道的底部与所述放射源进口连通，所述放射源通道的顶部延伸至所述泡沫富集区，所述放射源放置在放射源通道的顶部内，优选地，所述放射源为伽马射线源；所述进水口连接有进水管道、所述出水口连接有排水管道以及所述鼓气口连接有导气管，所述进水管道上设有进水流量调节阀，所述排水管道上设有出水流量调节阀，所述导气管上设有气体流量调节阀，所述鼓气口通过气管与设置在反应器内的气体分散装置连接，所述气体分散装置设置在污水流经区内，优选地，所述气体分散装置为不锈钢或陶瓷材质的致密多孔结构，孔径为2～20μm。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述排气口与所述气体流量调节阀的进气口连通。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述反应器为圆柱形反应器，所述反应器的直径为180mm，高度为500mm，所述污水流经区容积为3L，所述放射源通道设置在所述反应器的内部且与所述反应器同轴设置，所述放射源通道的直径为100mm，所述放射源通道的高度为450mm，伽马射线源强度为3～10Gy/min，优选5Gy/min，所述气体分散装置的孔径为2μm。

6.一种基于权利要求1-5任一所述的污水中持久性有机污染物的处理装置的污水中持久性有机污染物的处理方法，其特征在于，包括：

通过所述进水口向所述反应器内通入含有持久性有机污染物的污水；

通过所述鼓气口向所述反应器内鼓气，以在污水的液面上形成富含持久性有机污染物的泡沫层；以及

利用所述放射源对所述泡沫层进行辐照，降解所述泡沫层中的持久性有机污染物。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过所述进水口向所述反应器内通入含有持久性有机污染物的污水，包括：打开出水口，通过所述进水流量调节阀调节进水流量，并通过所述出水流量调节阀调节出水流量，以使污水流经区的污水水位保持稳定，优选地，所述进水流量和所述出水流量相等。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过所述鼓气口向所述反应器内鼓气，包括：通过所述气体流量调节阀调整气体流量，以在污水的液面上形成具有稳定高度的泡沫层，优选地，所述气体流量为1.0L/min。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述含有持久性有机污染物的污水为含全氟表面活性剂的污水，污水的水力停留时间为90～130min，优选地，所述全氟表面活性剂为全氟磺酸化合物和/或全氟羧酸化合物，污水的水力停留时间为120min。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，鼓入所述反应器内的气体为空气或惰性气体。

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