CN118221194A - 一种高压脉冲氧化废水处理系统及废水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高压脉冲氧化废水处理系统及废水处理方法，涉及废水处理技术领域。本发明的高压脉冲氧化废水处理系统包括依次连接的预处理单元、氧化反应单元、臭氧破坏单元和TOC在线检测单元；其中氧化反应单元连接有制氧单元和高压脉冲单元；高压脉冲单元包括高压脉冲电源和设置于氧化反应单元内部的电极板，电极板连接至高压脉冲电源；制氧单元通过连接管道连接至氧化反应单元。该系统将制氧单元、高压脉冲单元及氧化反应单元三者有机结合，充分利用高压脉冲能量，在氧化反应单元内部将纯氧电离成臭氧，提高臭氧氧化效率，从而在提高废水处理效率的同时降低能源消耗，有效节约成本，促进高压脉冲协同臭氧氧化技术在大规模废水处理中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种高压脉冲氧化废水处理系统及废水处理方法。
背景技术
随着工业的迅猛发展，工业废水的排放量逐年增加，且大都具有有机物浓度高、生物降解性差等特点，处理难度大。臭氧氧化体系具有较高的废水处理氧化还原电位，能够氧化废水中的大部分有机污染物，被广泛应用于工业废水处理中。
臭氧（O3）是一种具有强氧化性和强消毒性的氧化剂，其处理废水的原理均是建立在其强氧化性的基础上。臭氧氧化处理废水的优势主要包括如下几个方面：（1）降解难降解的大分子及有机物；臭氧可以分解难生物降解的有机物和三致物质，提高污水的可生化性。（2）脱色、除味；臭氧去除污水中的色、嗅、味和酚氯等污染物，增加水中的溶解氧，改善水质。（3）杀菌；臭氧是优良的氧化剂，可以杀灭抗氯性强的病毒和芽孢。（4）降低COD（化学需氧量）和BOD（生物需氧量）。（5）臭氧消毒受废水pH受温度影响较小，且在水中易分解，不易因残留造成二次污染。臭氧氧化反应的机理比较复杂，相比传统的氧化反应，臭氧氧化反应的速率更快，具有高效性和安全性等优点，是一种废水的深度处理技术。
由于臭氧氧化处理效果好，适用范围非常广泛，包括有机物污染物、重金属离子、微生物和毒素等多种废水的处理。但是臭氧氧化能耗大，成本高，限制了其在大规模废水处理中的应用。
发明内容
本发明的发明目的之一在于，针对上述存在的问题，提供一种高压脉冲氧化废水处理系统，该系统充分利用高压脉冲能量，直接在氧化反应单元内部将纯氧转化为臭氧，有效提高氧化反应单元的臭氧浓度，在提高废水处理效率的同时，降低运行能耗，有效节约成本，促进臭氧氧化技术在大规模废水处理中的应用。
本发明的第二发明目的在于，提供一种利用上述高压脉冲氧化废水处理系统处理废水的方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种高压脉冲氧化废水处理系统，其包括依次连接的预处理单元、氧化反应单元、臭氧破坏单元和TOC在线检测单元；其中氧化反应单元连接有制氧单元和高压脉冲单元；所述高压脉冲单元包括高压脉冲电源和设置于所述氧化反应单元内部的电极板，所述电极板连接至所述高压脉冲电源；所述制氧单元通过连接管道连接至所述氧化反应单元。
本发明较佳的实施方案中，所述氧化反应单元为规则的反应容器，包括相对设置的顶部和底部以及连接顶部和底部的周壁；所述电极板设置于顶、底部及周壁形成的内部空间，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板通过铜线分别连接至高压脉冲电源的正极和负极。
本发明较佳的实施方案中，所述高压脉冲单元包括多对成对的阴极板和阳极板，阳极板和阴极交错排列且相互平行设置；所述阳极板和阴极板垂直于所述底部。
本发明较佳的实施方案中，所述阳极板和阴极板与所述底部间隔设置，之间留有间隙。
本发明较佳的实施方案中，所述氧化反应单元底部设置有曝气管，曝气管设置有曝气盘；曝气管通过连接管道与所述制氧单元连接，将制氧单元制备的氧气通过曝气盘分散至所述氧化反应单元；连接管道设置有流量控制阀，用以调节氧气流量。
本发明较佳的实施方案中，所述曝气管设置有多组，多组曝气管之间均匀间隔设置；每组曝气管上均匀间隔设置有多组曝气盘。
本发明较佳的实施方案中，所述预处理单元中包括过滤装置。
本发明较佳的实施方案中，所述TOC在线检测单元设置有连接至所述氧化反应单元的连通管道；所述TOC在线检测单元分别于所述制氧单元和高压脉冲单元之间信号连接。
一种高压脉冲氧化废水处理方法，其包括如下步骤：
将含有COD的废水经预处理单元，过滤除去其中大颗粒杂质，随后输送至氧化反应单元；制氧单元通过分离空气得到高纯度氧气，高纯度氧气被输送至氧化反应单元，在氧化反应单元被高压脉冲产生的强烈电晕电离成臭氧，臭氧与废水中的有机物发生氧化反应，从而去除有机物；经氧化反应单元的废水进入臭氧破坏单元，除去残余臭氧，随后进入TOC在线检测单元；TOC在线检测单元检测出水TOC指标，若TOC指标低于或等于设定值，则判定为合格产水，可排放或进行后续处理；若TOC指标高于设定值，判定为不合格产水，返回氧化反应单元重新处理。
本发明较佳的实施方案中，当出水TOC指标低于设定值20%或高于设定值时，调节高压脉冲参数和/或氧气流量，以保证出水TOC含量不高于设定值且不低于设定值的20%。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明提供的高压脉冲氧化废水处理系统，通过将制氧单元、高压脉冲单元及氧化反应单元三者有机结合，充分利用高压脉冲能量，提高臭氧氧化效率，从而在提高废水处理效率的同时降低能源消耗，有效节约综合成本，促进高压脉冲协同臭氧氧化技术在大规模废水处理中的应用。
（2）本发明以TOC来表示废水中有机物的含量，TOC（Total Organic Carbon）是水中有机物所含碳的总量，相比COD和BOD更能确切表示水中有机污染物。同时，由于COD检测的延后性，本发明的TOC在线检测仪可实时测量数据，从而进行信号反馈，保证出水水质。
（3）本发明可根据实时在线检测出水质量，以调节高压脉冲参数和/或氧气流量，一方面保证出水水质，另一方面进一步节约运行成本。
附图说明
图1为本发明高压脉冲氧化污水处理系统的构成示意和控制逻辑图；
图2为本发明高压脉冲氧化污水处理系统的氧化反应单元内部结构俯视图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
具体实施例
如图1-图2所示，本实施例提供一种高压脉冲氧化废水处理系统，该系统包括依次连接的预处理单元、氧化反应单元、臭氧破坏单元以及TOC在线检测单元。其中，氧化反应单元连接有制氧单元和高压脉冲单元，高压脉冲单元包括高压脉冲电源和设置于氧化反应单元内部的电极板。制氧单元通过连接管道连接至氧化反应单元，以向氧化反应单元中输送制备获得的高纯度氧气。
预处理单元用于对进入氧化反应单元的废水进行预处理，除去其中的悬浮物或大颗粒杂质，以免妨碍臭氧氧化反应。本实施中，预处理单元中设置有过滤装置，具体可以是袋式过滤器或芯式过滤器，也可以是现有技术中任何具有相同或相似作用的其他过滤装置，其滤径可根据所处理废水的实际情况进行调整。经过预处理单元的废水进入氧化反应单元。
氧化反应单元是臭氧氧化处理废水的主要场所。氧化反应单元为规则的反应容器。本实施例中，氧化反应单元设置为长方体形状，包括相对设置的顶部和底部，以及连接顶部和底部的周壁，以及由顶部、底部和周壁形成的内部空间。氧化反应单元底部设置有曝气管，曝气管上设置有曝气盘，优选为微孔曝气盘。本实施例中，曝气管均匀间隔设置有多组，每组曝气管上均匀间隔设置多个曝气盘。
氧化反应单元连接有制氧单元，制氧单元的作用是制备高纯度氧气，制氧单元通过连接管道连接至氧化反应单元的曝气管，并通过曝气盘将制氧单元制备得到的高纯度氧气输送至氧化反应单元。连接管道设置有流量控制阀，用以调节系统的氧气流量。本实施例中，制氧单元可通过现有技技术中的任意方法和设备分离空气中的氧气得到高纯度氧气，如分子筛吸附法及相应设备，离子交换法及相应设备，膜分离法及相应设备，本发明中对此不做限制。
高压脉冲单元包括高压脉冲电源和电极板，电极板包括成对设置的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板通过铜线分别连接至高压脉冲电源的正极和负极。电极板设置于氧化反应单元内部，具体来说设置于氧化反应单元的顶部、底部及周壁形成的内部空间。本实施例中，高压脉冲单元包括多对成对的阳极板和阴极板，阳极板和阴极交错排列且相互平行设置，且与氧化反应单元的底部垂直。阴极板和阳极板与氧化反应单元的底部之间间隔设置，留有空隙，优选地该空隙的距离约10-30cm。
工作过程中，一方面，在高压脉冲电源驱动下，极板之间的强烈电晕将来自于制氧单元并通过曝气盘分散的氧气转换成臭氧，生成的臭氧及时与废水中的有机物进行氧化反应，从而降低废水的有机物含量，此途径为降低有机物含量的最主要途径。另一方面，极板间的液电效应产生的自由基可催化臭氧氧化反应，在一定程度上催化臭氧氧化反应，提高氧化效率。第三方面，在近极板区域，高压脉冲是可以直接作用于废水中的有机物，降低废水中的有机物。但催化氧化和直接氧化的作用均有限，去除废水中的有机物主要还是以臭氧氧化为主。
本发明中，通过制氧单元、高压脉冲单元和氧化反应单元的有机结合，可带来如下技术优势：首先，高压脉冲单元的电极板设置于氧化反应单元内部，阳极板和阴极板之间电晕形成的臭氧直接、瞬间与废水中的有机物反应，不需要经过管道传输，避免因臭氧本身不稳定，在管道传输过程分解损失，从而提高臭氧含量，提高整体氧化效率。其次，本发明中高压脉冲直接作用于氧气得到臭氧，与电离空气相比，显著提升了高压脉冲能量的利用率。电离空气虽然能把空气中的多种成分电离，除臭氧外，还能形成大量氢原子(·H)、氧原子(·O)、氮原子(·N)、羟基(·OH)及大量的自由电子和离子，理论上这些产物均能与废水中的有机物进行反应，但实际上这些产物的寿命都非常短暂，有的存在时间甚至是纳秒级，根本来不及与废水中的有机物反应就已经不复存在，与臭氧氧化相比，这些产物与废水中有机物的氧化反应十分有限。而本发明中高压脉冲直接作用于氧气得到臭氧，一方面显著提高臭氧浓度，提高臭氧氧化效率；另一方面有效提升高压脉冲能量的利用率，在提高废水中有机物去除效率的同时，有效降低能耗。
氧化反应单元连接有臭氧破坏单元，废水经氧化反应单元后进入臭氧破坏单元，臭氧破坏单元的作用主要是除去废水中残余的、未经反应的臭氧，将其转化成无害的氧气后排放，以避免污染大气。本实施例中，可通过现有技术中的任意方法和设备实现臭氧转化为氧气，如在三氧化钨催化下，将臭氧还原为氧气。
臭氧破坏单元连接有TOC在线检测单元，TOC在线检测单元通过连通管道连接至氧化反应单元，且TOC在线检测单元分别与空气制氧单元和高压脉冲单元之间信号连接，信号连接可通过现有技术中成熟应用的技术如比例积分微分控制（PID）技术等方式实现，本发明中不进行赘述。TOC在线检测单元用来检测出水TOC指标，其预设有表征出水水质的TOC设定值，若TOC指标低于或等于设定值，则判定为合格产水，可排放或进行后续处理。若TOC指标高于设定值，判定为不合格产水，通过连通管道将废水输送回氧化反应单元重新处理，同时将信号反馈至制氧单元和高压脉冲单元。当出水TOC低于设定值20%，或高于设定值时，需调节制氧量和/或高压脉冲参数（即电压、电流和/频率），以节约运行成本或保障出水水质。优选地，连通管道为单向流通管道，可通过单向阀或设置高度差实现等方式实现，即废水只能由TOC在线检查单元流向氧化反应单元，不能反向流动。本实施例中，TOC的在线检测方法通过现有技术中的计算机程序（系统）实现，本发明中也不再赘述。
本发明中，优选地，高压脉冲的电压可在5KV~50KV范围内调节，电流可在20-200mA范围内调节，频率可在50-250HZ范围内调节。
本发明提供的高压脉冲氧化废水处理系统处理废水的过程如下：
废水经过预处理单元，去除可能会影响臭氧氧化反应的悬浮物或大颗粒杂质，随后进入氧化反应单元。制氧单元通过分离空气得到高纯度氧气，高纯度氧气被输送至氧化反应单元，在高压脉冲作用下，纯氧被瞬间电离成臭氧，臭氧瞬间与废水中有机物发生氧化反应。经氧化反应单元的废水进入臭氧破坏单元，将残余臭氧转化为无害的氧气后排放，废水随后进入TOC在线检测单元，TOC在线检测单元检测出水TOC指标，判定是否达到预设值，若出水TOC检测指标低于设定值且不低于设定值20%（即检测值为设定值80%-100%），表明出水水质合格，且高压脉冲参数（电压、电流和/或频率）及氧气流量合理，系统正常运行，出水可排放或进行后续处理；若出水TOC检测指标低于设定值20%（即检测值小于设定值的80%）表明系统氧化能力过高，高压脉冲参数和/或纯氧浓度过高，此时无效耗能增加，信号反馈至高压脉冲单元和制氧单元，降低高压脉冲参数和/或纯氧浓度，以在满足系统出水指标的前提下降低能耗；若出水TOC检测指标高于设定值，表明系统氧化能力过低，需调高高压脉冲参数和/或氧气流量，以满足系统出水指标；上述处理过程，高压脉冲氧化废水处理系统始终维持在最经济合理的运行工况范围，并且对与废水中有机物含量变化实现动态适应，整体系统适应性更强，运行能耗更低。
经精密验算，本发明提供的高压脉冲氧化废水处理系统，与现有技术相比，由于无需设置大型臭氧发生器，可节约投资成本约10%。在处理同样的废水（以废水总TOC为10000mg/L算）时，本发明提供的高压脉冲氧化废水处理系统，与现有技术（CN111170496A）相比，由于提高了臭氧的生成浓度，可减少臭氧投放量20%以上。不仅如此，本发明的高压脉冲氧化废水处理系统显著提高了高压脉冲能量的利用率，高压脉冲能量的利用率可达到90%以上，在有效提高氧化效率、提高有机物去除率30%以上的同时，降低运行能耗30%-40%，与现有技术相比，可节约综合成本40%以上。
本发明的高压脉冲氧化废水处理系统建成后进行废水处理：原水为制药废水，经检测，TOC约为8000mg/L，设置高压脉冲电压10KV，电流80mA，频率100HZ，进水氧气流量为40g/h，经系统处理后，测得出水TOC量为200mg/L，低于设定值TOC为500mg/L，且低于设定值60%（测得值仅为设定值的40%），系统氧化能力明显过高，增加了无效耗能。此时将电压将至8.5KV，电流65mA，频率降至75HZ，氧气流量为33g/h，测定出水TOC为455 mg/L，满足出水设定要求，相比调节高压脉冲参数和氧气流量之前，调节后节约运行能耗约35%。
从而本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，其包括依次连接的预处理单元、氧化反应单元、臭氧破坏单元和TOC在线检测单元；其中氧化反应单元连接有制氧单元和高压脉冲单元；所述高压脉冲单元包括高压脉冲电源和设置于所述氧化反应单元内部的电极板，所述电极板连接至所述高压脉冲电源；所述制氧单元通过连接管道连接至所述氧化反应单元。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，所述氧化反应单元为规则的反应容器，包括相对设置的顶部和底部以及连接顶部和底部的周壁；所述电极板设置于顶部、底部及周壁形成的内部空间，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板通过铜线分别连接至高压脉冲电源的正极和负极。
3.根据权利要求2所述的高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，所述高压脉冲单元包括多对成对的阴极板和阳极板，阳极板和阴极交错排列且相互平行设置；所述阳极板和阴极板垂直于所述底部。
4.根据权利要求3所述的高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，所述阳极板和阴极板与所述底部间隔设置，之间留有间隙。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，所述氧化反应单元底部设置有曝气管，曝气管设置有曝气盘；曝气管通过连接管道与所述制氧单元连接，将制氧单元制备的氧气通过曝气盘分散至所述氧化反应单元；连接管道设置有流量控制阀，用以调节氧气流量。
6.根据权利要求5所述的高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，所述曝气管设置有多组，多组曝气管之间均匀间隔设置；每组曝气管上均匀间隔设置有多组曝气盘。
7.根据权利要求1所述的高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，所述预处理单元中包括过滤装置。
8.根据权利要求1所述的高压脉冲氧化废水处理系统，其特征在于，所述TOC在线检测单元设置有连接至所述氧化反应单元的连通管道；所述TOC在线检测单元分别于所述制氧单元和高压脉冲单元之间信号连接。
9.一种高压脉冲氧化废水处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：
将含有COD的废水经预处理单元，过滤除去其中大颗粒杂质，随后输送至氧化反应单元；制氧单元通过分离空气得到高纯度氧气，高纯度氧气被输送至氧化反应单元，在氧化反应单元被高压脉冲产生的强烈电晕电离成臭氧，臭氧与废水中的有机物发生氧化反应，从而去除有机物；经氧化反应单元的废水进入臭氧破坏单元，除去残余臭氧，随后进入TOC在线检测单元；TOC在线检测单元检测出水TOC指标，若TOC指标低于或等于设定值，则判定为合格产水，可排放或进行后续处理；若TOC指标高于设定值，判定为不合格产水，返回氧化反应单元重新处理。
10.根据权利要求9所述的高压脉冲氧化废水处理方法，其特征在于，当出水TOC指标低于设定值20%或高于设定值时，调节高压脉冲参数和/或氧气流量，以保证出水TOC含量不高于设定值且不低于设定值的20%。
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