CN114716079A - 一种双频超声波耦合过硫酸盐处理pfas废水的装置及方法 - Google Patents

一种双频超声波耦合过硫酸盐处理pfas废水的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置及方法，装置包括双频超声波反应部件、智能控制组件、过滤沉淀部件，隔离板将反应池分隔为双频超声波反应部件与过滤沉淀部件，隔离板下部安装有连通双频超声波反应部件和过滤沉淀部件的连通阀门，智能控制组件安装在双频超声波反应部件内部。本发明操作简单易行，可大大提高废水中PFAS的去除率和脱氟率，无噪声污染、且无有害物质排放。

Description

一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的装置及方法
技术领域
本发明涉及PFAS废水处理技术领域，尤其涉及一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置及方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，城市化和工农业化过程中造成的有机污染问题日趋严重，包括持久性有机污染物(POPs)、农药、有机卤化物、石油烃(TPH)等。其中，2009年5月，被POPs公约第四次缔约方大会列入新增POPs名单中的全氟辛烷磺酸(PFOS)及其盐类(PFOSA)和全氟辛基磺酰氟(PFOSF)，都属于全氟化合物(PFAS)。这是水成膜泡沫灭火剂(AFFF)的主要成分，是一系列氢原子全部被氟原子取代、带有不同功能基团、人工合成的烷基化合物(4-14个碳原子)的总称。由于氟原子的极高电负性(-4.0)，导致该物质中碳-氟(C-F)键的键能极高(460KJ/mol)，从而表现出高稳定性和难降解性，自然条件下很难被降解，且容易在环境、食物链、食物网、野生动物和人体内富集。目前已经成为全球性的环境污染物，在土壤、大气、沉积物、水等不同的环境介质，人体及野生动物体内均检测到。目前针对全氟化合物(PFAS)降解的方法有很多，但效果都不理想。因此，开发一种高效、适用性较广的全氟化合物(PFAS)降解技术，具有十分重要的意义。
在PFAS的降解研究方面，国内外学者在高级氧化、生物修复和高温焚烧等技术上开展了较多实验研究。在这些技术中，生物修复对PFAS降解的能力非常有限，因此微生物几乎无法降解PFAS。焚烧作为一种热处理技术，如果操作不当，可能会产生有毒的副产物。也有一些学者已经报道了应用高级氧化技术处理PFAS的实验研究，包括芬顿反应、光催化、电化学处理和过硫酸盐氧化，但降解效果均不佳，尤其脱氟率较低(＜90％)。在这些方法中，过硫酸盐由于其使用寿命较长、稳定性较高、成本低且无二次污染等特点，近年来被越来越多地应用于环境修复领域。在众多过硫酸盐的活化方法中，超声波技术作为一种快速高效、绿色、无污染的新型工艺，具有广阔的应用前景，可以通过空化作用和其引起的热效应活化过硫酸盐生成氧化性更强的硫酸根自由基和羟基自由基等作为强氧化剂。
因此，开发一种绿色高效、无二次污染的超声波耦合过硫酸盐处理全氟化合物(PFAS)废水的一体化装置，对有机污染物降解技术的应用和发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置及方法，能够具有双频协同的工作模式，为PFAS的降解提供一种高效的、环保的一体化处理装置。
本发明采用如下技术方案：
一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，包括双频超声波反应部件、智能控制组件、过滤沉淀部件。隔离板将反应池分隔为双频超声波反应部件与过滤沉淀部件，隔离板下部安装有连通双频超声波反应部件和过滤沉淀部件的连通阀门。智能控制组件安装在双频超声波反应部件内部。
在双频超声波反应部件的底部内置有10×10矩阵式振子的100个自下而上垂直方向的振子超声波换能器。在双频超声波反应部件的顶部安装有1个自上而下垂直方向的探头式超声波换能器。
振子超声波换能器、探头式超声波换能器均与智能控制组件内部模块连接，并由智能控制组件内部模块控制。组成智能控制组件的模块包括温度显示器、时间控制器、探头超声波发生器、振子超声波发生器。探头式超声波换能器、振子超声波换能器实现将不同频率的超声波传至双频超声波反应部件中的PFAS废水中。
进一步的是，探头超声波发生器的最大功率为0-2000W，产生20KHz频率的超声波。振子超声波发生器的最大功率为0-6000W，产生40KHz频率的超声波。
进一步的是，反应池顶部安装有反应池顶盖，安装在双频超声波反应部件顶部的探头式超声波换能器和反应池顶盖一体，通过反应池顶盖的打开与关闭，实现探头式超声波换能器与液面的分离和接触。
进一步的是，振子超声波换能器内置于双频超声波反应部件底板内，振子超声波换能器接受40KHz频率的超声波信号。反应池顶盖与反应池连接处安装有密封圈，在反应池顶盖上安装有拉手，反应池外壁采用双层不锈钢材质，在两层不锈钢材质之间填充有纤维填料。双频超声波反应部件的下部一侧安装有放空口。
进一步的是，时间控制器，控制反应时间的范围是0-6h。
进一步的是，过滤沉淀部件内安装有搅拌器，转速为1-1000r/min，过滤沉淀部件底部安装有排泥口。过滤沉淀部件内还布置有可随液面移动的三角形滤水器，集水槽布置在三角形滤水器两侧。集水槽与出水口相连通。
在过滤沉淀部件的顶部一侧安装过滤沉淀装置进料口。
在双频超声波反应部件左侧设置反应部件进药口，进水管的浮球阀进水口布置在反应部件进药口内，进水管另一端连接水泵，水泵进水口安装有格栅。
双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的方法，包括：
步骤1.利用水泵抽吸，使废水通过格栅，经过水泵加压进入反应池。
步骤2.通过反应部件进药口添加一定量的硫酸盐，由于浮球阀进水口布置在反应部件进药口内，过硫酸盐通过进入废水的冲刷溶解实现同步进入。
步骤3.打开智能控制组件，开启探头超声波发生器、振子超声波发生器，通过时间控制器设置反应时间，通过温度显示器显示当前废水温度，废水加入量为100-500L，过硫酸盐投加浓度比0.5-2.0g/L，反应时间为0-6h。
步骤4.反应完成后，废水通过连通阀门进入另一侧的过滤沉淀部件，利用过滤沉淀部件进料口添加定量的Ca(OH)2和CaCl，再通过搅拌器的搅拌，实现充分混合反应；
步骤5.上层的清液通过三角形滤水器过滤后，进入集水槽汇集，再通过出水口排水，下层底泥通过过滤沉淀部件底部的排泥口排出。
进一步的是，当废水加入量为450L，过硫酸盐投加浓度为1.0g/L,反应时间为3h，探头超声波发生器功率为2000W，振子超声波发生器为6000W。
本发明的有益效果：
(1).本发明利用两个超声波发生器分别在水平和垂直方向上，形成两种不同频率的超声波辐射网，底部的振子超声波换能器由10×10矩阵式振子构成，自下而上，保证波长一致，频率相同；顶部的探头式超声波换能器以点状形式发生，形成圆弧扩散，就实现了两种高低频的超声波在水平和垂直方向复合叠加，可实现比同一方向单一频率的超声波具有更显著的空化效应和机械强度，处理单位废水本发明能耗更低，又可以降低超声波对本发明装置的空蚀和破坏作用。
(2)双频超声波以两个独立的频率同时生成了两种空腔，有效的保证了过硫酸盐的耦合协同作用，可以活化过硫酸盐生成更多的硫酸根自由基和羟基自由基等强氧化性活性物质；不同频率的两种超声波同时作用时也可以生成更多空化微气泡，促进了空化效应的增强，空化效应伴随的高温高压形成的空化能量随之增强，使反应体系产生更强的湍流和热效应，湍流增强了反应体系中的物质传输从而促进了反应速率的提升；热效应的增强也促进了反应的快速提升及部分过硫酸盐的热活化过程。综上，可实现PFAS废水这一难降解污水的高效降解，大大提高了其可生化性。
(3)双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置结构设计合理，增大了超声波的有效辐照面积，增强了反应混合液中空化气泡密度，污染物降解速率快，且增加了过滤沉淀部件，降低了处理后废水和底泥的污染。
附图说明
图1为本发明的工作结构示意图；
图2为底板内置超声波换能器结构示意图；
图3为过滤沉淀装置内部示意图。
图中：1-双频超声波反应部件、2-智能控制组件、3-过滤沉淀部件、4-振子超声波换能器、5-放空口、6-格栅、7-水泵、8-纤维填料、9-浮球阀进水口、10-反应部件进药口、11-探头式超声波换能器、12-拉手、13-探头超声波发生器、14-温度显示器、15-时间控制器、16-振子超声波发生器、17-过滤沉淀装置进料口、18-出水口、19-搅拌器、20-排泥口、21-连通阀门、22-10×10矩阵式振子、23-集水槽、24-三角形滤水器。
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，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明的一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，包括双频超声波反应部件1、智能控制组件2、过滤沉淀部件3。隔离板将反应池分隔为双频超声波反应部件1与过滤沉淀部件3，隔离板下部安装有连通双频超声波反应部件1和过滤沉淀部件3的连通阀门21。智能控制组件2安装在双频超声波反应部件1内部。
双频超声波反应部件1为不锈钢制成。在双频超声波反应部件1的底部内置有10×10矩阵式振子22的100个振子超声波换能器4。在双频超声波反应部件1的顶部安装有1个自上而下垂直方向的探头式超声波换能器11。
振子超声波换能器4、探头式超声波换能器11均与智能控制组件2连接，并由智能控制组件2控制。智能控制组件2中由温度显示器14、时间控制器15、探头超声波发生器13、振子超声波发生器16组成。探头式超声波换能器11、振子超声波换能器4实现将不同频率的超声波传至双频超声波反应部件1中的PFAS废水中。探头超声波发生器13的最大功率为2000W，可以产生20KHz频率的超声波。振子超声波发生器16的最大功率为6000W，可以产生40KHz频率的超声波。
反应池顶部安装有反应池顶盖，安装在双频超声波反应部件1顶部的探头式超声波换能器11和反应池顶盖一体，通过反应池顶盖的打开与关闭，可以实现探头式超声波换能器11与液面的分离和接触。
振子超声波换能器4内置于双频超声波反应部件1底板内，振子超声波换能器4可以接受40KHz频率的超声波信号。反应池顶盖与反应池连接处安装有密封圈，在反应池顶盖上安装有拉手12，反应池外壁采用双层不锈钢材质，在两层不锈钢材质之间填充有纤维填料8，可有效的隔绝噪音。双频超声波反应部件1的下部一侧安装有放空口5。
时间控制器15，控制反应时间的范围是0-6h。
过滤沉淀部件3内安装有搅拌器19，转速为1-1000r/min，过滤沉淀部件3底部安装有排泥口20，该过滤沉淀部件中Ca(OH)2和CaCl的添加用于去除反应过程中生成的硫酸根和氟离子，调节废水pH至中性，可以实现污染物零排放。过滤沉淀部件3内还布置有三角形滤水器24，集水槽23布置在三角形滤水器24两侧。集水槽23与出水口18相连通。
在过滤沉淀部件3的顶部一侧安装过滤沉淀装置进料口17，用于加入Ca(OH)2和CaCl，去除反应过程中生成的硫酸根和氟离子，调节废水pH至中性。
在双频超声波反应部件1左侧设置反应部件进药口10，进水管的浮球阀进水口9布置在反应部件进药口10内，通过浮球阀进水口9控制废水的自动供给，进水管另一端连接水泵7，水泵7进水口安装有格栅6，可以保证进入反应池的废水中不含有大体积的悬浮物。
双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的方法，包括：
步骤1.利用水泵7抽吸，使废水通过格栅6，经过水泵7加压进入反应池。
步骤2.通过反应部件进药口10添加一定量的硫酸盐，由于浮球阀进水口9布置在反应部件进药口10内，过硫酸盐可通过进入废水的冲刷溶解实现同步进入。
步骤3.打开智能控制组件2，开启探头超声波发生器13、振子超声波发生器16，通过时间控制器15设置反应时间，通过温度显示器14显示当前废水温度。此时两种频率的超声波同时开始工作，不同频率的超声波叠加混响产生的合成波的波幅大于两个单频超声波的波幅。因此，双频超声波能产生更多的空穴生长，引起更强烈的空化塌陷并产生更多的气泡，从而增强空化效应。这种增强的空化效应可以为PFAS的末端功能集团提供更多的高能量，从而克服吉布斯自由能垒并激活、引发PFAS降解。随后增强的空化效应进而活化过硫酸盐生成更多的硫酸根自由基和羟基自由基，从而将PFAS氧化降解。
步骤4.反应完成后，废水通过连通阀门21进入另一侧的过滤沉淀部件3，利用过滤沉淀部件进料口17添加定量的Ca(OH)2和CaCl，再通过搅拌器19的搅拌，实现充分混合反应；
步骤5.上层的清液通过三角形滤水器24过滤后，进入集水槽23汇集，再通过出水口18排水，下层底泥通过过滤沉淀部件3底部的排泥口20排出。
实施例
本实施例的一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的方法，它是按照以下步骤进行：
步骤1.水泵7抽吸100L PFAS(主要污染物为全氟辛酸(PFOA))废水进入反应池。
步骤2.按照1g/L用量通过进药口添加过硫酸钠。
步骤3.同时开启探头超声波发生器13(功率设置为1500W)和振子超声波发生器16(功率设置为3000W)，双频超声波同时工作处理废水2小时，此时温度显示器14显示废水温度为71℃，同时关闭两种超声波发生器，关闭电源。
步骤4.打开连通阀门21，使废水流入过滤沉淀部件3，向过滤沉淀部件3添加0.5g/L的Ca(OH)2和0.6g/L的CaCl，开启搅拌器19搅拌10分钟；
步骤5.打开三角形滤水器24,废水经过滤后进入集水槽23汇集，后经出水口18排出，下层底泥通过过滤沉淀部件3底部的排泥口排出。
土壤修复效果为：处理后废水中不含PFAS，废水pH值为6.23。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，包括双频超声波反应部件、智能控制组件、过滤沉淀部件，隔离板将反应池分隔为双频超声波反应部件与过滤沉淀部件，隔离板下部安装有连通双频超声波反应部件和过滤沉淀部件的连通阀门，智能控制组件安装在双频超声波反应部件内部；
在双频超声波反应部件的底部内置有10×10矩阵式振子的100个自下而上垂直方向的振子超声波换能器，在双频超声波反应部件的顶部安装有1个自上而下垂直方向的探头式超声波换能器；
振子超声波换能器、探头式超声波换能器均与智能控制组件内部模块连接，并由智能控制组件内部模块控制，组成智能控制组件的模块包括温度显示器、时间控制器、探头超声波发生器、振子超声波发生器，探头式超声波换能器、振子超声波换能器实现将不同频率的超声波传至双频超声波反应部件中的PFAS废水中。
2.根据权利要求1所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，探头超声波发生器的最大功率为0-2000W，产生20KHz频率的超声波，振子超声波发生器的最大功率为0-6000W，产生40KHz频率的超声波。
3.根据权利要求1所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，反应池顶部安装有反应池顶盖，安装在双频超声波反应部件顶部的探头式超声波换能器和反应池顶盖一体，通过反应池顶盖的打开与关闭，实现探头式超声波换能器与液面的分离和接触。
4.根据权利要求1所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，振子超声波换能器内置于双频超声波反应部件底板内，振子超声波换能器接受40KHz频率的超声波信号；反应池顶盖与反应池连接处安装有密封圈，在反应池顶盖上安装有拉手，反应池外壁采用双层不锈钢材质，在两层不锈钢材质之间填充有纤维填料；双频超声波反应部件的下部一侧安装有放空口。
5.根据权利要求1所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，时间控制器，控制反应时间的范围是0-6h。
6.根据权利要求1所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，过滤沉淀部件内安装有搅拌器，转速为1-1000r/min，过滤沉淀部件底部安装有排泥口，过滤沉淀部件内还布置有随液面移动的三角形滤水器，集水槽布置在三角形滤水器两侧，集水槽与出水口相连通。
7.根据权利要求1所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，在过滤沉淀部件的顶部一侧安装过滤沉淀装置进料口。
8.根据权利要求1所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的一体化装置，其特征在于，在双频超声波反应部件左侧设置反应部件进药口，进水管的浮球阀进水口布置在反应部件进药口内，进水管另一端连接水泵，水泵进水口安装有格栅。
9.双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的方法，其特征在于，包括：
步骤1.利用水泵抽吸，使废水通过格栅，经过水泵加压进入反应池；
步骤2.通过反应部件进药口添加一定量的硫酸盐，由于浮球阀进水口布置在反应部件进药口内，过硫酸盐通过进入废水的冲刷溶解实现同步进入；
步骤3.打开智能控制组件，开启探头超声波发生器、振子超声波发生器，通过时间控制器设置反应时间，通过温度显示器显示当前废水温度，废水加入量为100-500L，过硫酸盐投加量为0.5-2.0g/L，反应时间为0-6h；
步骤4.反应完成后，废水通过连通阀门进入另一侧的过滤沉淀部件，利用过滤沉淀部件进料口添加0.3-1.0g/L的Ca(OH)2和0.1-0.8g/L的CaCl，再通过搅拌器的搅拌，实现充分混合反应；
步骤5.上层的清液通过三角形滤水器过滤后，进入集水槽汇集，再通过出水口排水，下层底泥通过过滤沉淀部件底部的排泥口排出。
10.根据权利要求9所述的双频超声波耦合过硫酸盐处理PFAS废水的方法，其特征在于，当废水加入量为450L，过硫酸盐投加浓度为1.0g/L,反应时间为3h，探头超声波发生器功率为2000W，振子超声波发生器功率为6000W。
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雷永佳: ""双频超声波耦合过硫酸盐降解土壤中全氟烷基化合物和石油烃的效能与机制研究"", 《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *

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