CN114538681A - 一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，反应器本体内沿水流方向依次设置有第一缓冲室、第一反应室、第二缓冲室和第二反应室和反冲室；反冲室通过抽水管外接有磁力水泵，磁力水泵连接有回流搅拌管，回流搅拌管分流并分别通向第一反应室和第二反应室的底部；两个反应室的底部分别放置有电极组装篮，电极组装篮内等间距竖直安装有成对的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间均竖直安装有紫外灯管，反应器本体的顶部分布安装有电路管，将电源与阳极板、阴极板及紫外灯管相连接。将紫外光与电芬顿系统进行深度耦合，实现高浓度有机废水中难生物降解有机物的去除，并显著提高废水的可生化性。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器及其处理方法。
背景技术
废水中因其含有超过环境所容许的化学物质而造成水环境污染，其中相当部分是有机物引起的。废水来源非常广泛，大体可以分为以下四类：第一类是生活废水生化处理出水或尾水；第二类是高浓度生化性好的废水处理出水；第三类是园区综合废水处理出水；第四类是生物毒性大的工业废水排水。当废水可生化性(BOD5/COD或B/C)小于0.2，仍需继续处理就称为生物难降解有机废水，生物难降解有机废水的高效处理一直是环境治理中的技术瓶颈。
现有生物难降解有机废水的深度处理技术目前主要有活性炭或硅藻土吸附技术、反渗透膜技术、微电解技术、高级氧化技术等。其中，高级氧化技术(Advanced OxidationProcess,AOPs)因具备时间短、操作简单和效率高等技术优势，在高浓度生物难降解有机废水处理领域的应用已取得显著的进展。高级氧化技术是通过产生具备非常高氧化还原电位的高活性自由基团，如羟基自由基(·OH)，无选择性的实现有机物的矿化，最终将有机物转化成CO2和H2O，其中以芬顿反应(Fenton)最具代表性。随着研究的深入，又将电化学和紫外光UV等技术引入芬顿体系，形成了电芬顿(E-Fenton)和光芬顿(UV-Fenton)。但是，电芬顿存在反应有效pH值范围小、产H2O2效率低和阳极损耗大等问题，而光芬顿存在药剂成本大、产泥量大和运行控制难度大等问题，使其在高浓度生物难降解有机废水处理中的应用受限。
目前有将电化学和紫外光技术同时引入芬顿体系的相关报道，例如王春霞等的论文《光电芬顿氧化法深度处理垃圾渗滤液研究》中提到了在电芬顿反应器中引入紫外灯的光电芬顿氧化法。在紫外光的作用下，电芬顿反应由于铁离子的光还原与过氧化氢光辐射分解的协同作用而使有机物高效降解。虽然光电芬顿氧化法已被广泛提及，但相关的反应处理装置还亟需开发，促进芬顿技术在高浓度生物难降解有机废水中的进一步高效应用。
发明内容
本发明提供了一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器及其处理方法，该废水处理反应器将紫外光与电芬顿系统进行深度耦合，多种反应过程协同作用实现高浓度有机废水中难生物降解有机物的去除，并显著提高废水的可生化性。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，包括反应器本体，所述反应器本体上设置有反应器进水口和反应器出水口，所述反应器本体内沿水流方向依次设置有缓冲室、反应室和反冲室，其中缓冲室和反应室均设置有两个，依次为第一缓冲室、第一反应室、第二缓冲室和第二反应室；两个反应室靠近反应器进水口的一面的底部均分布有反应室进水口，两个反应室靠近反应器出水口的一面的顶部均分布有反应室溢流口；所述反冲室通过抽水管外接有磁力水泵，磁力水泵连接有回流搅拌管，回流搅拌管分流并分别通向第一反应室和第二反应室的底部，且回流搅拌管内的回流出水的方向与反应室水流方向相反；
两个反应室的底部分别放置有电极组装篮，电极组装篮上在反应室进水口和反应室溢流口处对应设置有装篮进水口和装篮溢流口；电极组装篮内等间距竖直安装有成对的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板设置有一对以上，所述阳极板和阴极板之间均竖直安装有紫外灯管，反应器本体的顶部分布安装有电路管，电路管内穿设有电线，电线将电源与阳极板、阴极板及紫外灯管相连接。
所述回流搅拌管在两个反应室的阳极板和阴极板之间均分布设置有回流口。
两个反应室的侧面的底部均设置有与外界连通的排空口，排空口上设置有球阀开关。
所述紫外灯管为套有石英管的低压汞灯或中压汞灯。
所述装篮进水口和装篮溢流口在两个电极组装篮的阳极板和阴极板之间均分布设置。
所述阳极板为厚度3～5mm的铁电极板，阴极板为厚度2mm的不锈钢电极板，阴极板和阳极板间隔距离为8～12cm。
所述电极组装篮的两端设置有提手。
本发明还提供了一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器的处理方法，包括以下步骤：(1)在电极组装篮内安装阳极板、阴极板和紫外灯管，将电极组装篮放入两个反应室内，将紫外灯管、阳极板和阴极板和电源接好；
(2)将废水的pH值调节为2～5，并加入硫酸钠和过氧化氢，使废水的电导率≥5.0ms/cm，过氧化氢的浓度为0.1％～1％，混合均匀后，再将废水从反应器进水口引入反应器内；
(3)水路通畅后，开启紫外灯管、阳极板和阴极板的电源，设置阳极板和阴极板的端电压为1～3V；
(4)废水经第一缓冲室，从反应器进水口均匀进入第一反应室的阴极板和阳极板之间进行光电芬顿氧化反应处理，一级处理后的废水经反应室溢流口进入第二缓冲室；
(5)反应后的废水再进入第二反应室进行二级处理；
(6)二级处理后的废水进入反冲室，磁力水泵工作，使其中一部分废水经回流搅拌管回流进入第一反应室和第二反应室的底部；
(7)废水处理完成后，经反冲室从反应器出水口流出。
通过控制电源实现两个反应室单独工作或共同工作。
步骤(6)中的回流水的速率为进水流速的3～5倍，回流水的水量为进水水量的四分之一。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明提供的废水处理反应器将电化学反应与光化学反应进行深度耦合，使两种有机物降解过程在同一个反应室中协同完成。
2、本发明中将阳极板、阴极板和紫外灯管都安装在电极组装篮中，再将电极组装篮放入反应室内，方便阳极板、阴极板和紫外灯管的定期更换和维修，极大降低反应器的维护保养成本。
3、本发明中通过磁力水泵和回流搅拌管道将反冲室中处理后的一部分废水回流到第一反应室和第二反应室中，一方面，回流出水与反应室水流方向相反起反冲洗回流搅拌作用，同时充分再利用回流出水中Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)，延长了阳极板的使用寿命。另一方面，通过回流出水使废水能够在第一反应室和第二反应室中多次降解反应，提高了废水的可生化性。
4、本发明中两个反应室既能分别对废水进行一级处理，也能够同时对废水进行两级处理，同时通过控制废水在反应器中的停留时间，对废水进行多次循环处理，能够适用于不同浓度的废水的处理。
5、本发明提供的废水处理反应器可通过调节进水pH值、电流强度、氧化剂和电解质浓度、回流速率等关键反应参数，使污水中难生物降解有机物在电化学反应和光化学反应的协同作用下达到最高的降解率，充分提高废水的可生化性。
附图说明
图1为本发明提供的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器的整体结构示意图；
图2为本发明中电极组装篮的结构示意图；
图3为实施例1中乳化液废水在废水处理反应器中不同停留时间下COD去除率的变化曲线图；
图4为实施例3中垃圾渗滤液在废水处理反应器中不同停留时间下经一级处理和两级处理后的可生化性变化曲线图；
图中：1-反应器本体，2-反应器进水口，3-反应器出水口，4-第一缓冲室，5-第一反应室，6-第二缓冲室，7-第二反应室，8-反冲室，9-磁力水泵，10-回流搅拌管，11-排空口，12-电极组装篮，13-装篮进水口，14-装篮溢流口，15-阳极板，16-阴极板，17-紫外灯管，1801-阳极板电路管，1802-阴极板电路管，1803-紫外灯管电路管，19-回流口，20-提手。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供了一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，其结构如图1所示，包括反应器本体1，所述反应器本体上设置有反应器进水口2和反应器出水口3，所述反应器本体内沿水流方向依次设置有缓冲室、反应室和反冲室8，其中缓冲室和反应室均设置有两个，依次为第一缓冲室4、第一反应室5、第二缓冲室6和第二反应室7；两个反应室靠近反应器进水口的一面的底部均分布有反应室进水口，两个反应室靠近反应器出水口的一面的顶部均分布有反应室溢流口。
本发明中反冲室通过抽水管外接有磁力水泵9，磁力水泵连接有回流搅拌管10，回流搅拌管分流并分别通向第一反应室和第二反应室的底部。废水经反应器进水口进入第一缓冲室，再经过反应室进水口和反应室溢流口依次进入第一反应室、第二缓冲室、第二反应室和反冲室，其中废水的处理在第一反应室和第二反应室中进行，反冲室中的一部分处理后的出水通过磁力水泵沿回流搅拌管回流进入第一反应室和第二反应室的底部，，且回流搅拌管内的回流出水的方向与反应室水流方向相反。回流出水与反应室水流方向相反，两股水对冲，起反冲洗回流搅拌作用，同时再充分利用回流出水中的Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)，延长了阳极板的使用寿命。另一方面，通过回流出水使废水能够在第一反应室和第二反应室中多次降解反应，提高了废水的可生化性。废水处理完成后经反冲室从反应器出水口流出。
两个反应室的侧面的底部均设置有与外界连通的排空口11，排空口上设置有球阀开关，在反应器闲置时，可用于排空残留污水以及清洗。
本发明中两个反应室的底部分别放置有电极组装篮12，电极组装篮上在反应室进水口和反应室溢流口处对应设置有装篮进水口13和装篮溢流口14，电极组装篮能够从反应室中取出，如图2所示。具体地，电极组装篮的两端设置有提手20，方便电极组装篮的取出和放入。电极组装篮内等间距竖直安装有成对的阳极板15和阴极板16，阳极板和阴极板设置有一对以上，具体地，阳极板为厚度3～5mm的铁电极板，阴极板为厚度2mm的不锈钢电极板，阴极板和阳极板间隔距离为8～12cm，电极材料价格低廉且易得。阴极板和阳极板之间发生电芬顿反应，从而对废水进行处理。
阳极板和阴极板之间均竖直安装有紫外灯管17，紫外灯管为套有高透光率高纯度石英管的低压汞灯或中压汞灯。紫外光可促进Fe(Ⅲ)还原成Fe(Ⅱ)、诱导H2O2光分解生成更多强氧化性活性自由基团，从而强化电芬顿反应的过程的氧化能力和污染物的矿化效率，通过紫外光和电芬顿反应的深度耦合，可有效的降低药剂投加量、减少电极损耗并提高反应器的处理效能。反应器本体的顶部分布安装有电路管，电路管内穿设有电线，电线将电源与阳极板、阴极板及紫外灯管相连接，对应的电路管为阳极板电路管1801、阴极板电路管1802及紫外灯管电路管1803。阳极板、阴极板和紫外灯管均安装于电极组装篮中，可随电极组装篮整体一起取出，便于定期更换和维修，极大降低反应器的保养成本。
具体地，所述装篮进水口和装篮溢流口在两个电极组装篮的阳极板和阴极板之间均分布设置。而且装篮进水口和装篮溢流口对应反应室进水口和反应室溢流口设置，保证废水均匀进入阴极板和阳极板之间。回流搅拌管从两个反应室的装篮溢流口中伸入两个反应室内电极组装篮的底部，并在两个反应室内的阳极板和阴极板之间均分布设置有回流口19，保证回流搅拌均匀，促进紫外光化学反应与电化学反应的充分进行。
本发明中两个反应室串联连接，针对低浓度废水，可控制电源使其中一个反应器单独运行，此时废水经过一级处理；而对于高浓度废水，可控制两个反应室同时运行进行废水的两级处理。
本发明提供的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器的处理方法，包括以下步骤：(1)在电极组装篮内安装阳极板、阴极板和紫外灯管，将电极组装篮放入两个反应室内，将紫外灯管、阳极板和阴极板和电源接好；
(2)将废水的pH值调节为2～5，并加入硫酸钠和过氧化氢，使废水的电导率≥5.0ms/cm，过氧化氢的浓度为0.1％～1％，混合均匀后，再将废水从反应器进水口引入反应器内；废水的前处理可在反应器本体前的调理池中完成；
(3)水路通畅后，开启紫外灯管、阳极板和阴极板的电源，设置阳极板和阴极板的端电压为1～3V；
(4)废水经第一缓冲室，从反应器进水口均匀进入第一反应室的阴极板和阳极板之间进行光电芬顿氧化反应处理，一级处理后的废水经反应室溢流口进入第二缓冲室；
(5)反应后的废水再进入第二反应室进行二级处理；
(6)二级处理后的废水进入反冲室，磁力水泵工作，使其中一部分废水经回流搅拌管回流进入第一反应室和第二反应室的底部；
此时回流水的速率为进水流速的3～5倍，回流水的水量为进水水量的四分之一；
具体地，根据废水的浓度，可设置废水在反应器内的停留时间，在停留时间内，废水可多次回流反应，同时，进水流速也开始变慢，回流速率随废水在反应器中停留时间而变化，在反应器容积不变的情况下，废水停留时间长则流速慢，那么回流水的速率也降低。
(7)废水处理完成后，经反冲室从反应器出水口流出。
将本发明提供的废水处理反应器分别应用于高浓度乳化液废水、高盐有机废水和垃圾渗滤液中，进行有机污染物降解和可生化性提升实验，具体参见实施例1～3。
实施例1
本实施例中将本发明提供的废水处理反应器应用在高浓度乳化液废水中。本实施例中的高浓度乳化液废水为上海市某化工企业的乳化液废水经过震动膜和化学破乳预处理后出水得到，具体预处理后的乳化液废水的水质指标如下表所示。
| 指标 | COD(mg/L) | BOD<sub>5</sub>(mg/L) | pH值 | B/C |
| 数值 | 21975 | 2857 | 7.64 | 0.13 |
鉴于预处理后的乳化液废水中有机物浓度仍较高，故本实施例中控制两个反应室同时运行，进行两级深度处理。进水预先调节pH值为3左右，投加0.1mol/L的硫酸钠作为电解质提高乳化液废水溶液的导电性，使废水的电导率≥5.0ms/cm，反应过程中逐次投加共计0.5％的H2O2提高反应器的处理效果。设置紫外灯管的电源电压为220V，阳极板和阴极板的端电压为3.0V，紫外光波长为185nm，单根紫外灯管功率320W，不同反应时间下取样检测废水COD和BOD5值。不同停留时间下乳化液废水中COD去除率如图3所示，COD去除率随着停留时间延长逐渐上升，120min后乳化液废水COD去除率达到71.3％，120min处理后出水B/C值由原始的0.13提升至0.41，详细数据见下表。
| 停留时间(min) | COD(mg/L) | BOD<sub>5</sub>(mg/L) | B/C |
| 0 | 21975 | 2857.0 | 0.13 |
| 15 | 17404.2 | 2958.7 | 0.17 |
| 30 | 15272.6 | 3207.3 | 0.21 |
| 45 | 9515.2 | 2569.1 | 0.27 |
| 60 | 8042.9 | 2493.3 | 0.31 |
| 75 | 7295.7 | 2480.5 | 0.34 |
| 90 | 6790.3 | 2444.5 | 0.36 |
| 105 | 6438.7 | 2511.1 | 0.39 |
| 120 | 6306.8 | 2585.8 | 0.41 |
由上表可知，乳化液废水中有机物浓度大幅降低，废水可生化性显著提升。
实施例2
本实施例中将本发明提供的废水处理反应器应用在高盐有机废水中。本实施例中的高盐有机废水为宁夏某生物科技企业的高盐高浓度有机废水，该废水成分复杂，含高浓度有机溶剂，毒性大，盐分含量高，可生化性差。
本实施例中控制两个反应室同时运行，进行两级深度处理。进水预先调节pH值为3左右，由于该有机废水盐分含量高，此处不另外投加电解质，反应过程中逐次投加共计0.25％的H2O2提高系统处理效果，设置端紫外灯管电源电压220V，电芬顿电源电压3.0V，紫外光波长185nm，单根紫外灯管功率320W，水力停留时间120min。反应结束后，出水中投加氢氧化钠调节pH值为弱碱性，体系中Fe(II)全部转化成Fe(III)，Fe(III)水解形成氢氧化铁胶体起到絮凝作用，静置后取上清液进行检测。经过上述处理后，高盐高浓度有机废水中TOC为155mg/L，TOC去除率达91.2％，废水中有机物浓度大幅降低，便于后续废水中盐分的回收利用。具体处理前后的水质指标如下表所示。
| 指标 | COD(mg/L) | TOC(mg/L) | pH值 | 含盐量(％) | 甘油(％) |
| 原水 | ≥9000 | 2900 | 12.8 | 19.2 | 3.3 |
| 两级处理后 | - | 155 | 7.45 | - | - |
由上表可知，经反应器处理后，高盐有机废水中有机物浓度大幅降低。
实施例3
本实施例中将本发明提供的废水处理反应器应用在垃圾渗滤液中。本实施例中的垃圾渗滤液为湖北省宜昌市某环保企业的垃圾渗滤液。
本实施例中采用控制两个反应室同时运行和控制两个反应室单独运行两种处理方式。两种处理方式保持条件参数一致，具体如下：进水pH值为3左右、H2O2投加量0.25％，设置端紫外灯管电源电压220V，电芬顿电源电压3.0V，紫外光波长185nm，单根紫外灯管功率320W。不同反应时间下反应结束后，取样投加氢氧化钠调节pH值为弱碱性，体系中Fe(II)全部转化成Fe(III)，Fe(III)水解形成氢氧化铁胶体起到絮凝作用，静置后取上清液进行检测。经过上述处理后，两级处理COD去除率达85.3％，一级处理COD去除率达78.3％。不同停留时间下经一级处理和两级处理后的可生化性变化曲线图如图4所示，水力停留120min，两级处理出水可生化性由0.11提升值0.42，一级处理出水可生化性由0.11提升至0.35，可生化性得到显著提升。处理前后的具体水质指标如下表所示。
| 指标 | 颜色 | pH | TOC(mg/L) | COD(mg/L) | BOD<sub>5</sub>(mg/L) | B/C |
| 原水 | 深褐色 | 7.76 | 486.2 | 3125.2 | 342.7 | 0.11 |
| 一极处理后 | 清澈透明 | 7.81 | - | 678.2 | 237.4 | 0.35 |
| 两级处理后 | 清澈透明 | 7.53 | - | 459.4 | 192.9 | 0.42 |
Claims (10)
1.一种基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，包括反应器本体，所述反应器本体上设置有反应器进水口和反应器出水口，其特征在于：所述反应器本体内沿水流方向依次设置有缓冲室、反应室和反冲室，其中缓冲室和反应室均设置有两个，依次为第一缓冲室、第一反应室、第二缓冲室和第二反应室；两个反应室靠近反应器进水口的一面的底部均分布有反应室进水口，两个反应室靠近反应器出水口的一面的顶部均分布有反应室溢流口；所述反冲室通过抽水管外接有磁力水泵，磁力水泵连接有回流搅拌管，回流搅拌管分流并分别通向第一反应室和第二反应室的底部，且回流搅拌管内的回流出水的方向与反应室水流方向相反；
两个反应室的底部分别放置有电极组装篮，电极组装篮上在反应室进水口和反应室溢流口处对应设置有装篮进水口和装篮溢流口；电极组装篮内等间距竖直安装有成对的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板设置有一对以上，所述阳极板和阴极板之间均竖直安装有紫外灯管，反应器本体的顶部分布安装有电路管，电路管内穿设有电线，电线将电源与阳极板、阴极板及紫外灯管相连接。
2.根据权利要求1所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，其特征在于：所述回流搅拌管在两个反应室的阳极板和阴极板之间均分布设置有回流口。
3.根据权利要求1所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，其特征在于：两个反应室的侧面的底部均设置有与外界连通的排空口，排空口上设置有球阀开关。
4.根据权利要求1所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，其特征在于：所述紫外灯管为套有石英管的低压汞灯或中压汞灯。
5.根据权利要求1所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，其特征在于：所述装篮进水口和装篮溢流口在两个电极组装篮的阳极板和阴极板之间均分布设置。
6.根据权利要求1所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，其特征在于：所述阳极板为厚度3～5mm的铁电极板，阴极板为厚度2mm的不锈钢电极板，阴极板和阳极板间隔距离为8～12cm。
7.根据权利要求1所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器，其特征在于：所述电极组装篮的两端设置有提手。
8.一种根据权利要求1所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器的处理方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在电极组装篮内安装阳极板、阴极板和紫外灯管，将电极组装篮放入两个反应室内，将紫外灯管、阳极板和阴极板和电源接好；
(2)将废水的pH值调节为2～5，加入硫酸钠和过氧化氢，使废水的电导率≥5.0ms/cm，过氧化氢的浓度为0.1％～1％，混合均匀后，再将废水从反应器进水口引入反应器内；
(3)水路通畅后，开启紫外灯管、阳极板和阴极板的电源，设置阳极板和阴极板的端电压为1～3V；
(4)废水经第一缓冲室，从反应器进水口均匀进入第一反应室的阴极板和阳极板之间进行光电芬顿氧化反应处理，一级处理后的废水经反应室溢流口进入第二缓冲室；
(5)反应后的废水再进入第二反应室进行二级处理；
(6)二级处理后的废水进入反冲室，磁力水泵工作，使其中一部分废水经回流搅拌管回流进入第一反应室和第二反应室的底部；
(7)废水处理完成后，经反冲室从反应器出水口流出。
9.根据权利要求8所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器的处理方法，其特征在于：通过控制电源实现两个反应室单独工作或共同工作。
10.根据权利要求8所述的基于光电芬顿氧化法的废水处理反应器的处理方法，其特征在于：步骤(6)中的回流水的速率为进水流速的3～5倍，回流水的水量为进水水量的四分之一。
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