CN116589074B - 弱旋流气泡分离器及微纳米气泡强化有机污染废水处理系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种弱旋流气泡分离器及其有机污染废水处理系统与方法，包括在弱旋流气泡分离器中产生宏量体相微纳米气泡，大量的微纳米气泡在调控的pH和离子强度环境下收缩湮灭，产生大量羟基自由基，强化有机污染物降解；在弱旋流分离器中未收缩湮灭的微米级以上气泡与纳米气泡分离，微米气泡返回泵前与补充气体混合，再增压溶解；降解后的纳米气泡水进入旋流脱气器，旋流脱气器溢流出口气液混合物进入气液分离器，净化气由气液分离器气相出口排出，从气液分离器液相出口排出的净化水与旋流脱气器底流净化水混合后排放。本发明将旋流分离技术与微纳米气泡调控技术相结合，强化纳米气泡产生羟基自由基的能力，达到加强有机污染废水治理效果。
Description
技术领域
本发明属于环境保护中的水污染控制及水资源利用领域，涉及一种弱旋流气泡分离器及弱旋流筛分微纳米气泡强化有机污染废水处理系统与方法。
背景技术
当前，难降解有机废水主要采用高级氧化技术进行处理，微纳米气泡氧化技术与传统高级氧化技术(如芬顿氧化)相比，具有物耗低、二次污染少等优势，但是微纳米气泡氧化技术也存在氧化效率低的问题，增强微纳米气泡传质及强化微纳米气泡产生羟基自由基是微纳米气泡氧化技术发展的主要趋势。
微纳米气泡是直径小于50微米的气泡，它具有在水中的停留时间长、比表面积大、表面带电、传质效率高、可以在没有动态刺激的条件下，通过收缩湮灭产生羟基自由基等特点，微纳米气泡在收缩湮灭瞬间产生羟基自由基，可降解水中有机污染物。此外，微纳米气泡的高传质效率使氧化性气体对废水进行初步的降解，因而，被视为清洁低碳的污染治理技术。
微纳米气泡粒径对其产生羟基自由基的浓度有着重要影响，大于50微米的气泡通常膨胀至最终破裂，但气泡直径在10～50微米的气泡通常趋向于收缩形成纳米气泡，纳米气泡进而不断收缩最终湮灭产生羟基自由基，因此，溶液中高浓度的直径小于50微米的微米气泡及纳米气泡有利于微纳米气泡产生更多的羟基自由基。同时，溶液pH也会影响微纳米气泡产生羟基自由基的浓度，王婉婷等在Water,Air,&Soil Pollution发表文章证明了pH对空气或氧气微纳米气泡产生羟基自由基对污染物去除的影响，在低pH或高pH的条件下，能促进微纳米气泡对污染物的降解。刘云思等在Environmental Science:WaterResearch&
Technology发表文章证明了高pH条件下能够促进臭氧微纳米气泡对污染物的降解。此外，王婉婷等在Water,Air,&Soil Pollution发表文章证明了离子强度对微纳米气泡产生羟基自由基的影响，发现向微纳米气泡水中加入NaCl后，检测出的荧光强度为不加NaCl的八倍以上。基于以上结论，通过增加微纳米气泡中纳米气泡所占的比例及调控溶液中的pH和离子强度可以提高微纳米气泡产生羟基自由基的浓度，强化微纳米气泡对有机废水的处理效果。
中国发明专利申请公开说明书CN201310426769.5公开的一种利用微米气泡去除印染废水中特征污染物的方法，通过加入零价纳米金属催化剂，催化空气微米气泡产生大量羟基自由基，但使用零价纳米金属催化剂虽然能够促进羟基自由基的产生，但增加了成本和操作难度；专利文献CN201910181589.2公开了一种臭氧微纳米气泡地下水氨氮污染原位修复系统及方法，用溴化钠作为催化剂，使溴化钠与臭氧微纳米气泡水一起注入地下，分解氨氮污染物，而溴化钠并不是一种环保的催化剂，会对地下水造成二次污染；中国发明专利申请公开说明书CN202110909440.9公开了一种微纳米气泡高温类芬顿水处理工艺及其设备，用过高温和微纳米气泡产生羟基自由基来活化芬顿反应对废水进行处理，但高温会增加能耗，同时这种方法会增加药剂的使用量和铁泥的产生。
综上，针对微纳米气泡氧化技术存在气泡收缩湮灭产生羟基自由基不可控、催化氧化成本高、产生二次污染等问题，本发明提出一种强化微纳米气泡收缩湮灭产生羟基自由基氧化降解有机废水处理方法及装置。
发明内容
针对如何强化纳米气泡产生羟基自由基的能力增强对有机废水的处理效果这一问题，本发明提供了一种弱旋流筛分微纳米气泡强化有机污染废水处理方法及装置，其目的在于通过调控并分离微米气泡及纳米气泡，使纳米气泡尽可能多的产生羟基自由基，强化其对含有溶解性有机污染物废水的处理效果。
本发明的技术解决方案如下：
一方面，本发明提供一种弱旋流气泡分离器，包括筒体，在所述筒体的顶端设有气相出口，其特点在于，还包括：
挡板，设置于所述筒体内，用于将所述筒体内腔分为上下两腔，即气液分离腔和旋流分离腔；沿所述筒体的中部切线方向设有与所述旋流分离腔相通的切向入口，沿所述筒体的底部切线方向设有与所述旋流分离腔相通的纳米气泡液出口；
中心管，贯穿所述挡板，用于连通所述气液分离腔和旋流分离腔；
液位控制阀，呈两端大、中间小的形状，其底端位于所述中心管入口处，顶端位于所述气相出口处；
气流脱液单元，固定在所述筒体顶端内侧，中间具有容纳所述液位控制阀的顶部的空间；
当微纳米气泡水从所述切向入口进入所述旋流分离腔内，微纳米气泡水以一定速度在旋流分离腔内旋转，其中，易上浮的微米气泡上浮，携带微米气泡的水通过所述中心管进入气液分离腔，使气液分离腔液位上升，带动所述液位控制阀上升，从而使所述液位控制阀的顶端堵塞所述气相出口，气液分离腔处于密封状态；当微米气泡不断上浮，使气液分离腔内气体增多，导致液位下降，从而使液位控制阀顶端下降，气相出口打开，气体从气相出口逸出，从而维持气液分离腔上层的气相空间，实现气液分离；
稳定的纳米气泡则在所述旋流分离腔中收缩湮灭，并产生羟基自由基，对水中的污染物进行降解后，纳米气泡水从所述纳米气泡液出口流出。
优选的，所述筒体的底部呈锥体状，即旋流分离腔底部为锥体，从而加强微米气泡与纳米气泡的分离。
优选的，所述液位控制阀包括下端的空心浮球、上端活塞和中间的连杆组成。
另一方面，本发明还提供一种采用上述弱旋流气泡分离器的有机污染废水处理系统，其特点在于，还包括气泡发生模块、旋流脱气模块和气液分离模块；
所述气泡发生模块，用于将有机污染废水与氧化性气体混合增压，并降解后的产生粒径小于50微米的微纳米气泡水，输入所述弱旋流气泡分离器；
所述弱旋流气泡分离器，用于将所述粒径小于50微米的微纳米气泡水转化为微米气泡水和纳米气泡水，并将所述纳米气泡水输入所述旋流脱气模块，将所述微米气泡水中的气体输入所述气泡发生模块再次与氧化性气体混合增压；
所述旋流脱气模块，用于将所述纳米气泡水在离心力作用下，净化水从该旋流脱气模块的底流口排出，气体从该旋流脱气模块的上端溢流口排出，溢流口排出的气体仍含有少量的液体，输送至所述气液分离模块；
所述气液分离模块，用于将所述气液混合物进行分离，从该气液分离模块的气相出口排出净化气，从该气液分离模块的液相出口排出的净化水。
进一步，还包括调节罐，用于接收有机污染废水，并调节其pH和离子强度后，传输至所述气泡发生模块。
本发明还提供一种有机污染废水处理方法，其特征点于，包括：
步骤一，有机废水通入调节罐通过调节pH和离子强度，为强化纳米气泡产生羟基自由基提供有利条件；
步骤二，调节后的有机废水和氧化性气体经过溶气泵混合增压，氧化性气体溶解于废水中，对废水中的有机污染物进行初次降解；
步骤三，溶气废水通过气泡发生器在废水中产生微纳米气泡，微纳米气泡水从切向入口进入弱旋流气泡分离器，产生宏量体相微纳米气泡，大量的微纳米气泡在调控的pH和离子强度环境下收缩湮灭，产生大量羟基自由基，强化有机污染物降解；
步骤四，在弱旋流分离器中未收缩湮灭的微米级以上气泡与纳米气泡分离，微米气泡返回泵前与补充气体混合，再增压溶解；
步骤五，降解后的纳米气泡水进入旋流脱气器，旋流脱气器溢流出口气液混合物进入气液分离器，净化气由气液分离器气相出口排出，从气液分离器液相出口排出的净化水与旋流脱气器底流净化水混合后排放。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、将旋流分离与空气微纳米气泡技术相结合，将微米气泡与纳米气泡分离，纳米气泡引入调控区，加快纳米气泡产生羟基自由基的进程。
2、弱旋流气泡分离器分为上下两层结构，将旋流技术运用到微米气泡与纳米气泡的分级中。使未能收缩湮灭的微米气泡进入上层气液分离腔，经浮动式液位控制阀从气相出口返回泵中再细化，将没有反应的氧化性气体循环利用，提高气体利用率，降低能耗；具有更高效的传质及更好的·OH产生能力的纳米气泡留在下层的圆柱形旋流分离腔中与污染物反应，提高污染物的降解效果。
3、弱旋流气泡分离器，其上层的气液分离腔可通过浮动式液位控制阀实现气液混合物高效分离，避免了整个系统中水循环，提高废水处理量。
4、通过调节废水的pH及离子强度，使其达到微纳米气泡产生羟基自由基的最佳条件，从而产生高浓度的羟基自由基，增强了微纳米气泡对污染废水的处理效果。
附图说明
图1是本发明弱旋流气泡分离器的结构示意图。
图2是采用本发明弱旋流气泡分离器的弱旋流筛分微纳米气泡强化有机污染废水处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明弱旋流气泡分离器的结构示意图，如图所示，包括筒体，在所述筒体的顶端设有气相出口，还包括挡板，设置于所述筒体内，用于将所述筒体内腔分为上下两腔，即气液分离腔和旋流分离腔；沿所述筒体的中部切线方向设有与所述旋流分离腔相通的切向入口，沿所述筒体的底部切线方向设有与所述旋流分离腔相通的纳米气泡液出口；中心管，贯穿所述挡板，用于连通所述气液分离腔和旋流分离腔；液位控制阀，呈两端大、中间小的形状，其底部位于所述中心管入口处，顶部位于所述气相出口处；气流脱液单元，固定在所述筒体顶端内侧，中间具有容纳所述液位控制阀的顶部的空间；当微纳米气泡水从所述切向入口进入所述旋流分离腔内，微纳米气泡水以一定速度在旋流分离腔内旋转，其中，易上浮的微米气泡上浮，携带微米气泡的水通过所述中心管进入气液分离腔，使气液分离腔液位上升，带动所述液位控制阀上升，从而使所述液位控制阀的顶端堵塞所述气相出口，气液分离腔处于密封状态；当微米气泡不断上浮，使气液分离腔内气体增多，导致液位下降，从而使液位控制阀顶端下降，气相出口打开，气体从气相出口逸出，从而维持气液分离腔上层的气相空间，实现气液分离；稳定的纳米气泡则在所述旋流分离腔中收缩湮灭，并产生羟基自由基，对水中的污染物进行降解后，纳米气泡水从所述纳米气泡液出口流出。
弱旋流气泡分离器采用竖直安装。下层圆柱形旋流分离腔，具有更高效的传质能力及更好的·OH产生能力的纳米气泡在该腔体中与污染物反应，提高污染物的降解能力；上层气液分离腔，微米气泡由于粒径较大，上浮速度快，在下层圆柱形旋流分离腔中未收缩湮灭的微米气泡进入该腔中，经浮动式液位控制阀从气相出口返回泵中再细化，将没有反应的氧化性气体循环利用，提高气体利用率，降低能耗；其他结构包括气流脱液单元4-2、切向入口、纳米气泡液出口、气相出口、浮动式液位控制阀，底部为向上的锥形结构。
弱旋流气泡分离器为弱旋流器，流体旋转速度慢。
弱旋流气泡分离器切向入口与旋流腔上端相连，纳米气泡液切向出口与旋流腔底部相连。旋流腔底部设置锥台，强化微米气泡与纳米气泡的分离。
弱旋流气泡分离器气液分离腔在旋流分离腔的上方，通过中心管连通。气液分离腔液位通过浮动式液位控制阀控制。
浮动式液位控制阀包括下端的空心浮球、上端活塞和中间的连杆组成。气液分离腔液位上升时使浮球上升，上端活塞堵塞弱旋流气泡分离器上端的气相出口，从而维持气液分离腔上层的气相空间，实现气液分离。
溶气废水经气泡发生器在弱旋流气泡分离器的圆柱形旋流分离腔中产生宏量体相微纳米气泡，在此腔中，纳米气泡及部分微米气泡在调控的pH和离子强度环境下收缩湮灭，产生大量羟基自由基，强化苯并[a]芘的降解，未能收缩湮灭的微米级及以上气泡上浮通过中心管进入气液分离腔4-3，经浮动式液位控制阀4-4从气相出口返回泵前与补充气体混合，再增压溶解；降解后的纳米气泡水通过圆柱形旋流分离腔4-6的纳米气泡液出口进入旋流脱气器。
旋流脱气器溢流出口气液混合物进入气液分离器，净化气由气液分离器气相出口排出，从气液分离器液相出口排出的净化水与旋流脱气器底流净化水混合后排放。
调节罐调节的pH为10.3，离子强度用NaCl进行调整，NaCl浓度为0.05mM。
气泡发生器产生小于50微米的微纳米气泡。
实施例1
将含有苯并[a]芘的废水通入调节罐通过调节pH和离子强度，调节后的废水和臭氧经过溶气泵混合增压，臭氧溶解于废水中，对废水中的苯并[a]芘进行初次降解。
溶气废水经气泡发生器在弱旋流气泡分离器的圆柱形旋流分离腔中产生宏量体相微纳米气泡，在此腔中，纳米气泡及部分微米气泡在调控的pH和离子强度环境下收缩湮灭，产生大量羟基自由基，强化苯并[a]芘的降解，未能收缩湮灭的微米级及以上气泡上浮通过中心管进入气液分离腔，经浮动式液位控制阀从气相出口返回泵前与补充气体混合，再增压溶解；降解后的纳米气泡水通过圆柱形旋流分离腔的纳米气泡液出口进入旋流脱气器。
旋流脱气器溢流出口气液混合物进入气液分离器，净化气由气液分离器气相出口排出，从气液分离器液相出口排出的净化水与旋流脱气器底流净化水混合后排放。
调节罐调节的pH为10.3，离子强度用NaCl进行调整，NaCl浓度为0.05mM。
所述气泡发生器产生小于50微米的微纳米气泡。
经检测，最终从净化水口排出的液相产物苯并[a]芘的浓度较处理前减少了93.52％。
实施例2
将含有亚甲基蓝的废水通入调节罐通过调节pH和离子强度，调节后的废水和空气经过溶气泵混合增压，氧气溶解于废水中，对废水中的亚甲基蓝进行初次降解。
溶气废水经气泡发生器在弱旋流气泡分离器的圆柱形旋流分离腔中产生宏量体相微纳米气泡，在此腔中，纳米气泡及部分微米气泡在调控的pH和离子强度环境下收缩湮灭，产生大量羟基自由基，强化亚甲基蓝的降解，未能收缩湮灭的微米级及以上气泡上浮通过中心管进入气液分离腔，经浮动式液位控制阀从气相出口返回泵前与补充气体混合，再增压溶解；降解后的纳米气泡水通过圆柱形旋流分离腔的纳米气泡液出口进入旋流脱气器。
旋流脱气器溢流出口气液混合物进入气液分离器，净化气由气液分离器气相出口排出，从气液分离器液相出口排出的净化水与旋流脱气器底流净化水混合后排放。
调节罐调节的pH为2.7，离子强度用NaCl进行调整，NaCl浓度为0.05mM。
所述气泡发生器产生小于50微米的微纳米气泡。
经检测，最终从净化水口排出的液相产物亚甲基蓝的浓度较处理前减少了70％左右。
实施例3
将含有苯酚的废水通入调节罐通过调节pH和离子强度，调节后的废水和臭氧经过溶气泵混合增压，臭氧溶解于废水中，对废水中的苯酚进行初次降解。
溶气废水经气泡发生器在弱旋流气泡分离器的圆柱形旋流分离腔中产生宏量体相微纳米气泡，在此腔中，纳米气泡及部分微米气泡在调控的pH和离子强度环境下收缩湮灭，产生大量羟基自由基，强化苯酚的降解，未能收缩湮灭的微米级及以上气泡上浮通过中心管进入气液分离腔，经浮动式液位控制阀从气相出口返回泵前与补充气体混合，再增压溶解；降解后的纳米气泡水通过圆柱形旋流分离腔的纳米气泡液出口进入旋流脱气器。
旋流脱气器溢流出口气液混合物进入气液分离器，净化气由气液分离器气相出口排出，从气液分离器液相出口排出的净化水与旋流脱气器底流净化水混合后排放。
调节罐调节的pH为5，离子强度用NaCl进行调整，NaCl浓度为0.05mM。
所述气泡发生器产生小于50微米的微纳米气泡。
经检测，最终从净化水口排出的液相产物苯酚的浓度较处理前减少了90％以上。
Claims (6)
1.一种弱旋流气泡分离器，包括筒体，在所述筒体的顶端设有气相出口，其特征在于，还包括：
挡板，设置于所述筒体内，用于将所述筒体内腔分为上下两腔，即气液分离腔和旋流分离腔；沿所述筒体的中部切线方向设有与所述旋流分离腔相通的切向入口，沿所述筒体的底部切线方向设有与所述旋流分离腔相通的纳米气泡液出口；
中心管，贯穿所述挡板，用于连通所述气液分离腔和旋流分离腔；
液位控制阀，呈两端大、中间小的形状，其底端位于所述中心管入口处，顶端位于所述气相出口处；
气流脱液单元，固定在所述筒体顶端内侧，中间具有容纳所述液位控制阀的顶部的空间；
当微纳米气泡水从所述切向入口进入所述旋流分离腔内，微纳米气泡水以一定速度在旋流分离腔内旋转，其中，易上浮的微米气泡上浮，携带微米气泡的水通过所述中心管进入气液分离腔，使气液分离腔液位上升，带动所述液位控制阀上升，从而使所述液位控制阀的顶端堵塞所述气相出口，气液分离腔处于密封状态；当微米气泡不断上浮，使气液分离腔内气体增多，导致液位下降，从而使液位控制阀顶端下降，气相出口打开，气体从气相出口逸出，从而维持气液分离腔上层的气相空间，实现气液分离；
稳定的纳米气泡则在所述旋流分离腔中收缩湮灭，并产生羟基自由基，对水中的污染物进行降解后，纳米气泡水从所述纳米气泡液出口流出。
2.根据权利要求1所述的弱旋流气泡分离器，其特征在于，所述筒体的底部呈锥体状，即旋流分离腔底部为锥体，从而加强微米气泡与纳米气泡的分离。
3.根据权利要求1所述的弱旋流气泡分离器，其特征在于，所述液位控制阀由下端的空心浮球、上端活塞和中间的连杆组成。
4.一种采用权利要求1-3任一所述弱旋流气泡分离器的有机污染废水处理系统，其特征在于，还包括气泡发生模块、旋流脱气模块和气液分离模块；
所述气泡发生模块，用于将有机污染废水与氧化性气体混合增压，并降解后产生粒径小于50微米的微纳米气泡水，输入所述弱旋流气泡分离器；
所述弱旋流气泡分离器，用于将所述粒径小于50微米的微纳米气泡水转化为微米气泡水和纳米气泡水，并将所述纳米气泡水输入所述旋流脱气模块，将所述微米气泡水中的气体输入所述气泡发生模块再次与氧化性气体混合增压；
所述旋流脱气模块，用于将所述纳米气泡水在离心力作用下脱气，净化水从该旋流脱气模块的底流口排出，气体从该旋流脱气模块的上端溢流口排出，溢流口排出的气体仍含有少量的液体，输送至所述气液分离模块；
所述气液分离模块，用于将气液混合物进行分离，从该气液分离模块的气相出口排出净化气，从该气液分离模块的液相出口排出净化水。
5.根据权利要求4所述的有机污染废水处理系统，其特征在于，还包括调节罐，用于接收有机污染废水，并调节其pH和离子强度后，传输至所述气泡发生模块。
6.一种有机污染废水处理方法，采用权利要求1-3任一所述的弱旋流气泡分离器，其特征在于，包括：
步骤一，有机废水通入调节罐通过调节pH和离子强度，为强化纳米气泡产生羟基自由基提供有利条件；
步骤二，调节后的有机废水和氧化性气体经过溶气泵混合增压，氧化性气体溶解于废水中，对废水中的有机污染物进行初次降解；
步骤三，溶气废水通过气泡发生器在废水中产生微纳米气泡，微纳米气泡水从切向入口进入弱旋流气泡分离器，产生宏量体相微纳米气泡，大量的微纳米气泡在调控的pH和离子强度环境下收缩湮灭，产生大量羟基自由基，强化有机污染物降解；
步骤四，在弱旋流分离器中未收缩湮灭的微米级以上气泡与纳米气泡分离，微米气泡返回泵前与补充气体混合，再增压溶解；
步骤五，降解后的纳米气泡水进入旋流脱气器，旋流脱气器溢流出口的气液混合物进入气液分离器，净化气由气液分离器气相出口排出，从气液分离器液相出口排出的净化水与旋流脱气器底流净化水混合后排放。
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