CN112919700A - 一种以多级光电管深度处理高盐有机废水的反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以多级光电管深度处理工业废水的方法，属于环保水处理技术领域。具体来说是一种以多级多孔形式实现光电催化降解水中有机污染物的水处理装置。该反应装置主要由大孔金属丝网、微孔缺陷态金属氧化物阴极、纳米孔贵金属阳极、紫外灯光源、直流电源、壳体等构成。此装置不仅利用阳极的氧化作用、空气氧电极阴极的还原作用，而且利用电场所产生的·OH、H2O2等活性基团与悬浮颗粒物及污染物发生协同作用。该反应器设计合理，处理效率高，适合高盐度、高悬浮物、高COD、高氨氮废水的处理，不产生二次污染，也可将多个反应装置串联使用，机动灵活。
Description
技术领域
本发明涉及一种以多级光电管深度处理高盐有机工业废水的反应器，属于环保水处理技术领域。
背景技术
高盐有机废水特指含有较高COD浓度有机物和至少3.5％的总溶解固体物(TDS)的废水。该类废水来源广泛，主要来源于化工、制药、石油、造纸、奶制品加工、食品罐装等多种工业的生产过程中，水中不但含有很多高浓度的有机污染物，同时还有大量钙、钠、氯、硫酸根以及重金属离子。
高盐有机废水一般是水处理领域的难点和重点。当含盐原水COD浓度在5g/L以下且对结晶盐质量没有要求时，一般是将含盐原水经过加药气浮处理后，再进入蒸发结晶系统。蒸发结晶法需耗费大量能源，同时结晶盐质差，只能作为固废填埋；另一种较为有效的处理技术是Fenton法。Fenton法借助H2O2和Fe2+的催化反应，对废水中有机污染物具有很强的氧化能力，且反应速度快，出水经沉淀净化后可实现预处理目的。但Fenton以及类Fenton催化氧化工艺要求反应的pH值较低，而且反应结束后，需进行脱铁操作，产生较多的含铁污泥。当COD浓度在10000mg/L以上时，Fenton法的经济性较差；此外还有以臭氧为强氧化剂的复合处理工艺。臭氧具有较强的氧化能力，可使废水中的环链和长链断开，提高废水的可生化性。同时破坏废水中的胶体、发色团、发臭团等，但不能去除盐份和较多的氨氮。虽然臭氧氧化在反应形式上比Fenton工艺简单，但氧化深度较低，去除COD效率不高，而且臭氧工艺需要较为复杂的臭氧发生器和反应器，投资和运行费用较高。
电催化反应器的传统实施方式是以平板对电极的形式实现的，但平板电极的最大问题在于，电催化剂仅存在于平板电极表面，无法迁移至废水内部，因此电化学过程中产生的氧化性自由基和污染物无法充分接触，水力和电力的分布也不够均匀，无法实现电流效率的最大化。针对以上技术的缺陷，本发明提供了一种弥补了电催化平板反应器缺陷的多级光电管反应器。该反应器利用高盐有机废水中的悬浮颗粒物和电聚合产生的颗粒物本身作为流化颗粒，既能解决电催化剂与废水接触与交换困难的问题，同时利用流化颗粒的剧烈扰动使溶液浓度趋于均匀，颗粒表面的传质膜厚度得到有效降低，从而提供巨大的电极活化面积和传质速率以提高电催化的量子效率。同时多孔阴极还原反应产生的活性基团与氧化物阳极氧化反应产生的·OH相互作用，使其氧化能力得到进一步强化。该反应装置结构简单，高效灵活、适合高盐度、高悬浮物、高COD的有机废水，特别是含高毒性废水的深度处理。
发明内容
本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，其特征在于，该反应器主要由反应器壳体(1)、进水口(11)、出水口(12)、上压帽(13)、下顶盖(14)、垫圈(15)、大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)、紫外反应区(5)、石英反应管(51)、UV-C紫外灯(52)、紫外灯电源(53)、直流电源(6)、回流泵(7)、分流阀(8)构成。
壳体(1)、大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)、紫外反应区(5)由外向内形成多级套筒结构，反应过程中，废水由进水口进入系统，逐次穿过大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)，经过多级过滤和处理，最终进入紫外反应区(5)：在壳体(1)与大孔金属丝网(2)之前构成初级隔离区，用来去除大颗粒悬浮物和油脂；在大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)构成次级隔离区，用来去除水中残余的细颗粒物和电解产生的微气泡，同时水中的细颗粒物和微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)相互作用，可以产生双氧水等氧化剂，用于易降解有机物的分解；在微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)和纳米孔贵金属阳极(4)之间构成初级氧化区，可激活次级隔离区产生的双氧水等氧化剂，进而产生氧化能力更强的羟基自由基等活性氧自由基，用于废水中有机物的深度降解；在纳米孔贵金属阳极(4)和紫外反应区(5)之间构成次级氧化区，用于消减水中残余的有机污染物和初级氧化区产生的电聚合浮渣，并消除水中的氧化副产物，彻底净化后的废水经出水口(12)排出，一部分废水经回流泵(7)回流至进水口(11)再次进行处理，另一部分废水经过分流阀(8)排出。
在本发明的技术方案中，进一步限定，微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)由热压法加工而成，纳米孔贵金属阳极(4)由失蜡法加工而成，成分为Pt、Ru、Ir、Ta之一种，颗粒度在0.1μm至1μm之间，孔径在1nm至5nm之间；UV-C紫外灯(52)特指主波长为253.7nm的低压汞灯。
本发明的多级光电管反应器，在处理过程中，分别利用了多级过滤原理、限域自由基强化原理、缺陷态电极高级氧化原理、“超级气泡”原理、电催化氧还原原理、贵金属电催化臭氧氧化原理等，其中微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)用于激活水中的细颗粒物悬浮物，使之实现氧还原功能，产生双氧水等中强度氧化剂，同时在初级氧化区内颗粒物剧烈冲击下，可以实现污染物的均匀分散和高效激活；纳米孔贵金属阳极(4)是产生强氧化性自由基和激活双氧水等中强度氧化剂的关键活性催化剂，可以实现难降解有机污染物的深度处理；UV-C紫外灯(52)可产生大量的短波紫外光子，具有极强的均裂共价键的能力，可以弥补纳米孔贵金属阳极(4)只能实现亲电加成氧化之不足，并最终实现高强度氧化剂的进一步激活和强化，实现废水中复杂的高浓度污染物的分级、分次、分阶段地彻底净化。
本发明的有益效果在于：
1、本发明以简单的套管结构实现了高盐度、高COD、高浊度污废水的逐级分离，结构简单，可操作性强；
2、本发明通过多层多反应区域逐级强化反应模式，逐步强化氧化能力和氧化深度，可以选择性地先易后难地实现污染物的去除，实现了能量的有效利用；
3、本发明对悬浮颗粒物的分级高效控制，一方面可以避免颗粒物对氧化性自由基的猝灭效应，另一方面可以利用颗粒物自身作为三维电极的载体，起到强化流化效应的作用。
附图说明
为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。
图1为多级光电管深度处理高盐有机工业废水的反应器的结构示意图。
附图标记说明如下：1-反应器壳体、11-进水口、12-出水口、13-上压帽、14-下顶盖、15-垫圈、2-大孔金属丝网、3-微孔缺陷态金属氧化物阴极、4-纳米孔贵金属阳极、5-紫外反应区、51-石英反应管、52-UV-C紫外灯、53-紫外灯电源、6-直流电源、7-回流泵、8-分流阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面，结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。
实施例1
如图1所示，该反应器主要由反应器壳体(1)、进水口(11)、出水口(12)、上压帽(13)、下顶盖(14)、垫圈(15)、大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)、紫外反应区(5)、石英反应管(51)、UV-C紫外灯(52)、紫外灯电源(53)、直流电源(6)、回流泵(7)、分流阀(8)构成；
壳体(1)、大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)、紫外反应区(5)由外向内形成多级套筒结构，反应过程中，废水由进水口进入系统，逐次穿过大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)，经过多级过滤和处理，最终进入紫外反应区(5)：在壳体(1)与大孔金属丝网(2)之前构成初级隔离区，用来去除大颗粒悬浮物和油脂；在大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)构成次级隔离区，用来去除水中残余的细颗粒物和电解产生的微气泡，同时水中的细颗粒物和微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)相互作用，可以产生双氧水等氧化剂，用于易降解有机物的分解；在微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)和纳米孔贵金属阳极(4)之间构成初级氧化区，可激活次级隔离区产生的双氧水等氧化剂，进而产生氧化能力更强的羟基自由基等活性氧自由基，用于废水中有机物的深度降解；在纳米孔贵金属阳极(4)和紫外反应区(5)之间构成次级氧化区，用于消减水中残余的有机污染物和初级氧化区产生的电聚合浮渣，并消除水中的氧化副产物，彻底净化后的废水经出水口(12)排出，一部分废水经回流泵(7)回流至进水口(11)再次进行处理，另一部分废水经过分流阀(8)排出。
实施例2
以实施例1中所述的设备对高浓度印染废水进行处理，效果如下：
| 污染物浓度 | COD<sub>Cr</sub>(mg/L) | NH<sub>3</sub>-N(mg/L) | SS(mg/L) | 色度 |
| 处理前 | 65000 | 750 | 80 | >1000 |
| 处理后 | 12000 | 146 | 0 | 2 |
实施例3
以实施例1中所述的设备对印染废水反渗透浓水进行处理，效果如下：
| 污染物浓度 | COD<sub>Cr</sub>(mg/L) | NH<sub>3</sub>-N(mg/L) | SS(mg/L) | TDS |
| 处理前 | 450 | 16 | 18 | 6520 |
| 处理后 | 50 | 2 | 0 | 4515 |
实施例4
以实施例1中所述的设备对垃圾渗滤液陈液进行处理，效果如下：
| 污染物浓度 | COD<sub>Cr</sub>(mg/L) | NH<sub>3</sub>-N(mg/L) | SS(mg/L) | 色度 |
| 处理前 | 5400 | 1500 | 535 | >1000 |
| 处理后 | 40 | 46.2 | 10 | 5.5 |
实施例5
以实施例1中所述的设备对电镀废水进行处理，效果如下：
| 污染物浓度 | COD<sub>Cr</sub>(mg/L) | NH<sub>3</sub>-N(mg/L) | SS(mg/L) | Ni<sup>2+</sup>(mg/L) |
| 处理前 | 3500 | 0 | 1250 | 525 |
| 处理后 | 1280 | 0 | 25.4 | 42.9 |
以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种以多级光电管深度处理高盐有机废水的反应器，其特征在于，该反应器主要由反应器壳体(1)、进水口(11)、出水口(12)、上压帽(13)、下顶盖(14)、垫圈(15)、大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)、紫外反应区(5)、石英反应管(51)、UV-C紫外灯(52)、紫外灯电源(53)、直流电源(6)、回流泵(7)、分流阀(8)构成；
壳体(1)、大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)、紫外反应区(5)由外向内形成多级套筒结构，反应过程中，废水由进水口进入系统，逐次穿过大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)、纳米孔贵金属阳极(4)，经过多级过滤和处理，最终进入紫外反应区(5)：在壳体(1)与大孔金属丝网(2)之前构成初级隔离区，用来去除大颗粒悬浮物和油脂；在大孔金属丝网(2)、微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)构成次级隔离区，用来去除水中残余的细颗粒物和电解产生的微气泡，同时水中的细颗粒物和微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)相互作用，可以产生双氧水等氧化剂，用于易降解有机物的分解；在微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)和纳米孔贵金属阳极(4)之间构成初级氧化区，可激活次级隔离区产生的双氧水等氧化剂，进而产生氧化能力更强的羟基自由基等活性氧自由基，用于废水中有机物的深度降解；在纳米孔贵金属阳极(4)和紫外反应区(5)之间构成次级氧化区，用于消减水中残余的有机污染物和初级氧化区产生的电聚合浮渣，并消除水中的氧化副产物，彻底净化后的废水经出水口(12)排出，一部分废水经回流泵(7)回流至进水口(11)再次进行处理，另一部分废水经过分流阀(8)排出。
2.如权利要求1中所述的一种以多级光电管深度处理高盐有机废水的反应器，其特征在于微孔缺陷态金属氧化物阴极(3)由热压法加工而成，由缺陷态金属氧化物颗粒构成，颗粒度在5μm至20μm之间，孔径在1μm至10μm之间。
3.如权利要求1中所述的一种以多级光电管深度处理高盐有机废水的反应器，其特征在于纳米孔贵金属阳极(4)由失蜡法加工而成，成分为Pt、Ru、Ir、Ta之一种，颗粒度在0.1μm至1μm之间，孔径在1nm至5nm之间。
4.如权利要求1中所述的一种以多级光电管深度处理高盐有机废水的反应器，其特征在于UV-C紫外灯(52)特指主波长为253.7nm的低压汞灯。
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