CN115367978A

CN115367978A - 一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法与装置

Info

Publication number: CN115367978A
Application number: CN202211116459.9A
Authority: CN
Inventors: 石烜; 金鹏康; 许路; 白雪; 金鑫
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2022-11-22

Abstract

本发明提供了一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法与装置，所述方法将超声与臭氧氧化技术有机结合。超声、臭氧以破坏污泥结构及微生物细胞膜，使污泥胞内外物质转移至液相，实现污泥减量；超声极大地改善非均相界面的传质和传热效果，利用声波形成的机械震荡强化臭氧传质，利用超声空化作用强化·OH产生，进而实现石油烃的降解去除。所述装置包括臭氧投加装置、降解仓、搅拌系统、超声系统及自动控制系统，实现超声波及臭氧的自动投加。相较主流的生物化学修复，本发明能同时实现含油污泥的减量化与无害化，且具有稳定性强，修复周期短，成本低，效率高的优势。

Description

一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法与装置

技术领域

本发明属于含油污泥有机污染物降解技术领域，特别涉及一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法与装置。

背景技术

石油烃是环境中广泛存在的有机污染物之一，包括汽油、煤油、柴油、润滑油、石蜡和沥青等，是多种烃类(正烷烃、支链烷烃、环烷烃、芳烃)和少量其它有机物，如硫化物、氮化物、环烷酸类等的混合物。随着经济的发展，人类对能源的需求不断扩大，石油已成为人类最主要的能源之一。在石油的开采、加工和利用过程中，越来越多的石油可能会进入土壤环境从而引起土壤环境的污染和破坏。过量的总石油烃一旦进入土壤将很难予以排除，将给社会、经济和人类造成严重的危害。

微生物修复是现行土壤石油烃去除的主要途径，长期以来，国内外将高活性、持久性和兼容性专性微生物的选育作为研究重点并已发现了200多种可降解石油烃的微生物。但生物修复难以避免的存在修复周期长，修复环境严苛，污染物专一性强等问题。

超声波辐射具有的化学效应首先由美国学者Richards在70年前发现。在进行二甲基硫酸酯的水解和亚硫酸还原碘化钾反应过程中引入超声波能够加速反应进行，但未引起化学家重视。近几年超声波技术有了长足的发展，其在工业上的应用日益广泛，它的物理化学效应在90年代才逐渐为研究人员重视，开始在合成化学和聚合物化学(降解或共聚)中应用超声波技术提高化学反应活性，基于此国外很多大学和研究所开始致力于超声波降解有机物的研究。超声波促进化学反应的原理从声学角度解释，主动力是超声空化(UltrasonicCavitation)作用。利用超声波在液体传播，强度超过该液体“空化阈”，液体内部产生大量气泡，在超声作用下气泡(空穴)在破灭瞬间产生高温高压，并且气泡周围液体高速冲入气泡而形成强烈的局部激波。

超声波处理含油污泥主要是利用空化、机械振荡和热化学作用是油泥中使油破乳，实现油、泥分开。超声法作为一种深度氧化技术前景广阔。但其降解效率低、能耗高、反应器设计困难等问题限制了在更大范围应用。超声与其他技术联用提高降解效率降低能耗的关键。

臭氧由于具有高的氧化还原电位，具有极强的氧化能力，在水处理中被用来杀死水中的细菌和病毒，除去水中的异味，同时还能氧化降解去除水中的有机和无机污染物，降低水中的BOD和COD。但由于在固相中的传质困难，臭氧氧化技术在含油污泥降解中的应用受到限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法与装置，将超声及臭氧氧化有机结合，充分利用二者优势，实现含油污泥石油烃的高效快速降解。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法，向待处理的含油污泥中以微泡形式投加臭氧，同时向含油污泥中输入超声波，实现超声/微泡臭氧协同降解。

在一个实施例中，所述含油污泥在投加臭氧之前先进行调质均化。

在一个实施例中，在投加臭氧之前，先通过控制变量实验确定臭氧的最佳投加量，之后以该最佳投加量投加臭氧；所述控制变量实验具体步骤如下：取含油污泥30g，测定石油烃含量后等量分成6份，梯度添加臭氧，体积比分别为0.5％，1％，2％，5％，10％，15％，反应30min后测定各组剩余石油烃，含量最低者即为最佳投加量。

在一个实施例中，所述超声波的频率为40KHz，功率为4000W；所述微泡的直径在0.1mm左右。

本发明还提供了一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的装置，包括降解仓、臭氧投加装置和超声装置；

所述降解仓用于装载待处理的含油污泥；所述臭氧投加装置包括臭氧发生器，所述臭氧发生器(连接位于降解仓中的管式微孔曝气器；所述超声装置包括若干置于降解仓内的超声震动棒。

在一个实施例中，所述降解仓的仓体做防腐处理，仓顶开进料检修口一和进料检修口二，仓底部设置有出料螺旋。

在一个实施例中，所述降解仓仓中设有搅拌装置，

在一个实施例中，所述搅拌装置为卧式双螺旋搅拌器，所述超声震动棒固定于卧式双螺旋搅拌器的搅拌叶片上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用声波形成的机械震荡作用强化臭氧传质，利用超声空化作用强化·OH产生，具有极强氧化能力的自由基·OH通过与有机化合物间的加合取代、电子转移、断键等，使含油污泥中的大分子有机物迅速降解。具有稳定性强，修复周期短，成本低，效率高的优势。

附图说明

图1是本发明结构示意图(主视图)。

图2是本发明结构示意图(侧视图)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明提供了一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法，向待处理的含油污泥中投加臭氧，同时输入超声波，实现超声/微泡臭氧协同降解，其中臭氧以微泡形式投加。

超声、臭氧能够破坏污泥结构及微生物细胞膜，使污泥胞内外物质转移至液相，实现污泥减量；同时，超声还可以极大地改善非均相界面的传质和传热效果，利用声波形成的机械震荡强化臭氧传质，利用超声空化作用强化·OH产生，进而实现石油烃的降解去除。相较主流的生物化学修复，本发明能同时实现含油污泥的减量化与无害化，且具有稳定性强，修复周期短，成本低，效率高的优势。

示例地，本发明的含油污泥在投加臭氧之前可先进行调质均化。臭氧的投加量通过控制变量实验确定。步骤如下：取含油污泥30g，测定石油烃含量后等量分成6份，梯度添加臭氧，体积比分别为0.5％，1％，2％，5％，10％，15％，反应30min后测定各组剩余石油烃，含量最低者即为最佳投加量。臭氧以该最佳投加量投加。

示例地，本发明超声波的参数为：

频率：40KHz

功率：4000W，功率：0～100％可调

本发明的“微泡”，其直径在0.1mm左右。

本发明超声强化臭氧氧化(US/O₃)降解是利用超声辐照与臭氧氧化相结合产生一项超声催化臭氧氧化技术，其处理有机物效果更加明显。超声技术与化学氧化技术相结合，不仅可以发挥超声本身的降解能力，而且其机械效应可以用来强化其他降解技术的降解效果，特别在非均相体系中，超声可以极大地改善非均相界面的传质和传热效果。超声强化臭氧氧化作用主要表现在二个方面：(1)促进了臭氧的分解和传质系数。超声波的纵波通过液体介质向四周传播。传播过程中当声强增加到一定值，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核，空化核的寿命约为0.1微秒。这些空化核可分为两种类型，一种为含气型，一种为真空型。对于真空型气泡，压缩过程产生强烈冲击力的微射流，产生了超声的机械粉碎作用促使臭氧气泡粉碎成微气泡，超声波可将直径为0.5mm～l.0cm的含O₃气泡粉碎成直径为0.2～0.3μm的“微气泡”，总表面积比O₃气泡增大103～104倍，使O₃与水的接触面积增大，提高了臭氧的溶解速度，增加单位时间内臭氧的浓度，加速了单位时间内水中污染物的降解速率。(2)超声强化臭氧分解成更有活力的自由基。超声空化效应形成的含气型空化核。气泡内含有少量的气体或水汽，后者近乎真空。这些气泡在声场的膨胀相位内形成并长大，其半径分布在几百个nm至几十个μm之间。在声场交变为压缩相位时，气泡被急速压缩。由于压缩过程发生在数毫秒至数微秒之间，对于含气型的空化核，压缩过程可视为绝热压缩过程，气泡内的气体被压缩后急剧升温，可以产生大约5200K和100Mpa的局部高温高压环境，加热和冷却速率大于109K/S，超声空化效应产生局部区域高温高压条件，促使臭氧空化泡中的臭氧直接快速的分解，在溶液中产生了更多的具有活性的·OH自由基并且加快了向溶液中的传播速率，产生的自由基伴随着空化泡崩溃的冲击波进入水中，由于·OH自由基氧化性极强，染物被迅速氧化降解。在超声作用下，不管空化泡内的气体组成如何，臭氧均会迅速分解，产生H₂O₂和·OH，使反应速率得到提高。

如图1和图2所示，本发明进一步提供了相应的超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的装置，其主要包括降解仓8、臭氧投加装置和超声装置。

降解仓8用于装载待处理的含油污泥，其可架设于基座10上，以基座10支撑整个降解仓8。降解仓8的仓体做防腐处理，仓顶开进料检修口一1-1、进料检修口二1-2和排气口4，仓底部设置有出料螺旋9和出料口11，由螺旋插板阀控制。示例地，进料检修口一1-1和进料检修口二1-2具体可位于降解仓8的顶部偏下位置。

臭氧投加装置主要包括臭氧发生器13，臭氧发生器13连接位于降解仓8中的管式微孔曝气器2，并在连接管路上设置流量泵14。管式微孔曝气器2连接超微气泡发生器。

超声装置包括若干置于降解仓8内的超声震动棒7。本发明可在降解仓8仓中设置搅拌装置，示例地，搅拌装置为卧式双螺旋搅拌器6，其连接有搅拌电机5。此时，可将超声震动棒7固定于卧式双螺旋搅拌器6的搅拌叶片上。

超声震动棒7的直径64mm，长度240mm，其工作参数如下：

频率：40KHz

功率：4000W，功率：0～100％可调

在本发明的一个具体实施例中，含油污泥取自姬塬油田，基本理化性质见表1。

表1姬塬油田含油污泥基本理化性质

含油污泥石油族组分见表2。

表2姬塬油田含油污泥石油族组分分析

通过控制变量实验确定臭氧最佳投加量为0.2gO₃/gTS，按照该投加量，采用本发明方法处理后，测定石油烃降解率为90.17％。

Claims

1.一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法，其特征在于，向待处理的含油污泥中以微泡形式投加臭氧，同时向含油污泥中输入超声波，实现超声/微泡臭氧协同降解。

2.根据权利要求1所述超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法，其特征在于，所述含油污泥在投加臭氧之前先进行调质均化。

3.根据权利要求1所述超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法，其特征在于，在投加臭氧之前，先通过控制变量实验确定臭氧的最佳投加量，之后以该最佳投加量投加臭氧；所述控制变量实验具体步骤如下：取含油污泥30g，测定石油烃含量后等量分成6份，梯度添加臭氧，体积比分别为0.5％，1％，2％，5％，10％，15％，反应30min后测定各组剩余石油烃，含量最低者即为最佳投加量。

4.根据权利要求1所述超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的方法，其特征在于，所述超声波的频率为40KHz，功率为4000W；所述微泡的直径在0.1mm左右。

5.一种超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的装置，其特征在于，包括降解仓(8)、臭氧投加装置和超声装置；

所述降解仓(8)用于装载待处理的含油污泥；所述臭氧投加装置包括臭氧发生器(13)，所述臭氧发生器(13)连接位于降解仓(8)中的管式微孔曝气器(2)；所述超声装置包括若干置于降解仓(8)内的超声震动棒(7)。

6.根据权利要求5所述超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的装置，其特征在于，所述降解仓(8)的仓体做防腐处理，仓顶开进料检修口一(1-1)和进料检修口二(1-2)，仓底部设置有出料螺旋(9)。

7.根据权利要求5所述超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的装置，其特征在于，所述降解仓(8)仓中设有搅拌装置。

8.根据权利要求5所述超声/微泡臭氧化协同降解含油污泥的装置，其特征在于，所述搅拌装置为卧式双螺旋搅拌器(6)，所述超声震动棒(7)固定于卧式双螺旋搅拌器(6)的搅拌叶片上。