CN212222678U - 一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，所述装置包括依次连通的铁碳微电解反应池、螯合反应池、氧化反应池和沉淀池，其中：所述铁碳微电解反应池上设有进水管道，所述沉淀池上部设有排水管道，所述排水管道上设有回流管道，所述回流管道与所述进水管道连接且所述回流管道上设有回流泵；所述进水管道和出水管道上分别设有pH调节装置。本实用新型的装置适用于Fe³⁺/CaO₂类芬顿体系，螯合反应池增强了反应效率，减少了Fe³⁺的投入，更好的解决了高毒性、难降解的制药废水不易处理的现状；本装置作为制药废水的预处理系统，一次性投资成本较小，处理后废水能满足后续进入生化工艺系统的要求。

Description

一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置

技术领域

本实用新型涉及废水处理技术领域，具体涉及一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置。

背景技术

随着我国国力、经济社会的不断发展，环境污染问题日益突出，制药废水污染尤为严重。制药废水不仅污染浓度高、排放量大，而且有毒、有害的种类多、降解难度大、可生化性差。而面对这些污染物，传统的物理、化学以及生物处理方法都难以有效的对其进行去除，目前常规的有机废水处理技术是在生化处理前进行预处理，以便提高废水的可生化性，因此高效的预处理技术工艺对于有机废水的达标处理尤为重要。

目前高级氧化技术广泛的用在有机废水的预处理工艺中。在高级氧化技术体系中，其产生的具有强氧化能力的自由基可使难降解的、毒性大的大分子污染物氧化成为毒性小的小分子污染物，其可生化性也随之升高；此技术不仅反应速率快而且对有机污染物的降解无选择性，适用范围非常广，因此应用前景非常广阔。

目前较为常用的高级氧化技术是以芬顿反应为代表的传统高级氧化技术。芬顿反应体系是将过氧化氢与二价铁离子按一定比例混合后，会产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)。虽然该技术降解有机物能力强、适用范围广，但该反应对反应条件要求苛刻，对反应使用的设备要求高。目前，在实际的应用中，适用于芬顿反应的装置在有机废水的预处理工艺中存在渣量大、药剂用量大、处理成本高、对废水中难降解的复杂有机污染物、色度、氨氮去除效果不理想等问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，能够适用于Fe³⁺/CaO₂类芬顿体系，提高了含高难度降解的有机污染物废水的处理效率，对抗生素类、苯类等有毒有害类废水处理效果非常理想。

根据本实用新型的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，包括铁碳微电解反应池、螯合反应池、氧化反应池和沉淀池，所述铁碳微电解反应池与螯合反应池的上端连通，所述螯合反应池与氧化反应池下端连通，所述氧化反应池的上部设有出水管道，所述出水管道向下悬伸至所述沉淀池内部；

所述铁碳微电解反应池上设有进水管道，所述沉淀池上部设有排水管道，所述排水管道上设有回流管道，所述回流管道与所述进水管道连接且所述回流管道上设有回流泵；

所述进水管道和出水管道上分别设有pH调节装置。

根据本实用新型实施例的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，至少具有如下有益效果：该装置实现了铁碳微电解、类芬顿氧化反应的联合，利用了铁碳微电解时产生的Fe²⁺可作为 Fe³⁺/CaO₂类芬顿体系的铁离子的稳定来源，不需额外的Fe³⁺的投入，在使用过程中大大减少了药剂用量，一次性投入较小；该装置中设置有螯合反应池，在铁碳微电解与类芬顿氧化反应之间加入螯合剂进行充分的螯合反应，与Fe³⁺形成稳定的螯合物，此螯合物可以为Fe³⁺通过氧化还原转变为Fe²⁺提供了方便的通道，可以减少Fe³⁺的沉淀析出，增强Fe³⁺与Fe²⁺之间的转换；该装置对制药废水的预处理效果明显，具体表现为CODcr由10000～20000mg/L降至 1500～2000mg/L左右，去除率达到85％以上；与传统制药废水处理工艺及装置相比，该装置在处理过程中渣量少、药剂用量小、处理成本低、对抗生素类、苯类等有毒有害类废水处理更加高效；该装置组件极易在现有环保设施设备基础上，对其进行经济、合理、高效的技术改造，从而达到后续生化处理要求或直接达到排放标准。

根据本实用新型的一些实施例，还包括曝气装置，所述曝气装置通过曝气管道分别与所述铁碳微电解反应池和螯合反应池相连。在铁碳微电解反应池中，通过曝气处理，铁碳微电解填料通过氧化得到铁离子，在螯合反应池中，通过再次曝气处理，将铁碳微电解中部分Fe²⁺通过曝气进一步氧化成Fe³⁺，使氧化更为充分。

优选地，所述曝气管道分别设置于所述铁碳微电解反应池和螯合反应池的底部。

根据本实用新型的一些实施例，所述pH调节装置包括药剂自动投加装置、管道混合器和pH在线检测仪；所述管道混合器设置于进水管道和出水管道上，所述药剂自动投加装置与管道混合器连接，所述pH在线检测仪设置于所述管道混合器的后端。通过(酸/碱)药剂自动投加装置与pH在线检测仪的二联动作用可以控制处理废水中的pH值，在管道中即可完成pH调节控制，节省了时间和空间。

优选地，所述进水管道上的pH调节装置包括浓硫酸自动投加装置、管道混合器一和pH 在线检测仪一；所述出水管道的pH调节装置包括碱液自动投加装置、管道混合器二和pH在线检测仪二。装置进水管道处调节pH为酸性，由于氧化反应只能在酸性条件下进行；装置出水管道处控制pH值在9-10，以便后续在沉淀池进行泥水分离。

根据本实用新型的一些实施例，所述铁碳微电解反应池包括换料口和盛放有铁碳填料的铁碳填料支架；所述换料口位于所述铁碳微电解反应池的顶端；所述铁碳填料支架可活动地安装在所述铁碳微电解反应池内部。活动式的铁碳填料支架在使用过程中更加方便，不会造成浪费，能够节约成本；铁碳微电解反应池上部的换料口，能够使得活动式铁碳填料层的换料过程更为便捷。

优选地，所述铁碳填料支架为方形网格框结构。方形网格框结构能够最大程度地增加铁碳填料的接触面积，更好地发生氧化反应为体系提供Fe³⁺。

进一步优选地，所述铁碳微电解反应池底部设有支撑柱，所述支撑柱用于支撑所述铁碳填料支架。

根据本实用新型的一些实施例，所述螯合反应池包括螯合剂投加装置，所述螯合剂投加装置位于所述螯合反应池顶端。通过螯合反应过程，能够使得螯合剂与Fe³⁺形成稳定的螯合物，从而减少了Fe³⁺的析出，增强Fe³⁺与Fe²⁺之间的转换，从而提高了反应效率。

优选地，所述螯合剂投加装置用于投加L-半胱氨酸。L-半胱氨酸与Fe³⁺螯合物更加稳定，并且L-半胱氨酸本身具有极强的还原性，氧化还原电位约为350mV，有三个活性官能团 (-COOH、-NH₂和-SH)，与三价铁和亚铁离子发生了强烈的相互作用，从而减少了Fe³⁺的析出；另一方面，L-cys作为一种重要的含硫氨基酸，对环境没有负面影响，此外，Fe³⁺/L-cys复合物可以为Fe³⁺通过氧化还原转变为Fe²⁺提供了方便的通道。

根据本实用新型的一些实施例，所述氧化反应池包括氧化剂投加装置和搅拌器；所述氧化剂投加装置位于所述氧化反应池顶端；所述搅拌器设置于所述氧化反应池内部。氧化反应池通过加入氧化剂(过氧化物)与水生成H₂O₂，而前端生成的Fe³⁺与H₂O₂反应产生具有强氧化能力羟基自由基(·OH)，最终达到降解有机污染物的目的。

优选地，所述氧化剂投加装置用于投加CaO₂。CaO₂能与水缓慢的反应生成H₂O₂，反应过程更为安全高效。

根据本实用新型的一些实施例，所述沉淀池底部设有排泥管道。沉淀池的作用主要是将反应装置的出水进行泥水分离，污泥经由排泥管道排出。

优选地，所述排水管道和回流管道上分别设有阀门。排水管道处的阀门便于对处理后的废水进行取样分析检测，如结果符合后续生化处理要求则直接经排水管道排出，若结果不符合后续生化处理要求，则经回流管道排入铁碳微电解池中再次处理。

根据本实用新型的一些实施例，在具体实施过程中，首先将制药废水调节pH值后，经铁碳微电解反应池进行有毒有害物质的预处理，并起到部分提高可生化性的作用，再经过螯合反应池通过曝气处理将水中Fe²⁺氧化成Fe³⁺，随后与投加的L-半胱氨酸发生螯合作用，达到控制废水中游离的Fe³⁺与Fe²⁺浓度，使后续的类芬顿氧化反应稳定持续的作用；然后废水流入氧化反应池，在此阶段投加的CaO₂与水反应生成H₂O₂会与废水中的Fe³⁺反应产生羟基自由基(·OH)，进而对废水中的有机物进一步的氧化去除，最后废水经过pH值的调节进入沉淀池，保证出水满足生化处理的要求，达到预处理的作用。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型的实施例中一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置的结构示意图。

标号说明：

1、进水管道；2、进水泵；3、管式混合器一；4、浓硫酸自动投加装置；5、铁碳微电解反应池；6、活动式铁碳填料层；7、曝气装置；8、曝气管道；9、螯合反应池；10、螯合剂投加装置；11、氧化反应池；12、氧化剂投加装置；13、搅拌器；14、液碱自动投加装置； 15、管式混合器二；16、出水管道；17、沉淀池；18、排水管道；19、阀门；20、回流管道； 21、排泥管道；22、排空口；23、回流泵；24、换料口。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

如图1所示，一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，它包括进水泵2、进水管道1、浓硫酸自动投加装置4、管道混合器一3、pH在线检测仪一、铁碳微电解反应池5、换料口24、活动式铁碳填料层6、曝气装置7、曝气管道8、排空口22、螯合剂(L-半胱氨酸)投加装置 10、螯合反应池9、氧化剂(CaO₂)投加装置12、氧化反应池11、搅拌器13、碱液自动投加装置14、管道混合器二15、pH在线检测仪二、出水管道16、沉淀池17、排泥管道21、排水管道18、回流管道20、回流泵23和阀门19。进水管道将废水通过进水泵泵入至铁碳微电解反应池中，在进水泵与铁碳微电解反应池之间的进水管道上依次设有管道混合器一、浓硫酸自动投加装置和pH在线检测仪一，反应装置内依次设有铁碳微电解反应池、螯合反应池、氧化反应池，反应装置出水口设置在氧化反应池上部，通过出水管道与沉淀池相连。

铁碳微电解反应池顶端设有换料口，铁碳微电解反应池上部设有出水口与螯合反应池相连通，铁碳微电解反应池内部设有活动式铁碳填料层，铁碳填料层下端设有与曝气装置相连的曝气管道，铁碳微电解反应池底部设有排空口。

铁碳微电解反应池的主要作用是可将废水中对微生物有致死作用的物质进行预处理，达到去除有毒有害物质的目的，能部分提高废水可生化性，并且可为后续的类芬顿氧化反应提供Fe³⁺来源。在铁碳微电解反应池中采用的是消融型铁碳微电解填料，其中待处理的废水为制药废水，废水中切勿含有甲醇、乙醇类等自由基猝灭剂物质，废水CODcr控制在2000～20000mg/L，pH调节至2～4，铁碳填料用量为800～1500g/L，曝气时间0.5～1h，曝气量为4-8mg/L，废水的水力停留时间(HRT，Hydraulic Retention Time)为1h。

螯合反应池顶端设有螯合剂(L-半胱氨酸)投加装置，螯合反应池下方设有与曝气装置相连的曝气管道，螯合反应池下端设有出水口与氧化反应池相连通。

螯合反应池的作用主要是将铁碳微电解中部分Fe²⁺通过曝气氧化成Fe³⁺，而后加入L-半胱氨酸可与Fe³⁺形成稳定的螯合物，并且L-半胱氨酸本身具有极强的还原性，氧化还原电位约为350mV，有三个活性官能团(-COOH、-NH₂和-SH)，与三价铁和亚铁离子发生了强烈的相互作用，从而减少了Fe³⁺的析出。另一方面，L-cys作为一种重要的含硫氨基酸，对环境没有负面影响，此外，Fe³⁺/L-cys复合物可以为Fe³⁺通过氧化还原转变为Fe²⁺提供了方便的通道。因此在Fe³⁺/CaO₂类芬顿体系中引入L-半胱氨酸可以减少Fe³⁺的沉淀析出，增强Fe³⁺与Fe²⁺之间的转换。L-半胱氨酸的投加量为1-10mM，曝气时间为20-30min，曝气量为4-8mg/L，废水的HRT为0.5h。

氧化反应池顶端设有氧化剂(CaO₂)投加装置，氧化反应池上部设有出水口，通过反应装置出水管与沉淀池相连，反应装置出水管上依次设有液碱自动投加装置、管道混合器二、 pH在线检测仪二，氧化反应池内部设有搅拌器，氧化反应池底部设有排空口。

氧化反应池的作用主要是加入的CaO₂能与水缓慢的反应生成H₂O₂，而前端生成的Fe³⁺与H₂O₂反应产生具有强氧化能力羟基自由基(·OH)，从而形成L-半胱氨酸/Fe³⁺/CaO₂的类芬顿体系，达到降解有机污染物的目的。装置出水通过液碱自动投加装置与pH在线检测仪二联动作用控制pH值在9-10，以便后续在沉淀池进行泥水分离，CaO₂的投加量为3-30mM，废水的HRT为1h。

沉淀池上方设有排水管道与回流管道，其中排水管道与回流管道上均设有阀门，回流管道上通过回流泵与管式混合器一前端相连接，沉淀池底部设有排泥管道。

沉淀池的作用主要是将反应装置的出水进行泥水分离，污泥经由排泥管道排出，清水先进行取样分析检测，如结果符合后续生化处理要求则直接经排水管道排出，若结果不符合后续生化处理要求，则经回流管道排入铁碳微电解池中再次处理。

在具体实施过程中，首先将制药废水经浓硫酸自动投加装置4和管式混合器一3调节pH 值至2～4后，进入铁碳微电解反应池5进行初步的有毒有害物质去除，并起到部分提高可生化性的作用，再经过螯合反应池9通过曝气处理将水中Fe²⁺氧化成Fe³⁺，随后与经螯合剂投加装置10投加的L-半胱氨酸发生螯合作用，达到控制废水中游离的Fe³⁺与Fe²⁺浓度，使后续的类芬顿氧化反应稳定持续的作用；然后废水流入氧化反应池11，在此阶段经氧化剂投加装置12投加的CaO₂与水反应生成H₂O₂会与废水中的Fe³⁺反应产生羟基自由基(·OH)，进而对废水中的有机物进一步的氧化去除，最后废水经液碱自动投加装置14和管式混合器二15调节pH值至9～10后进入沉淀池，保证出水满足生化处理的要求，达到预处理的作用。

综上所述，本实用新型得到的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其优点有以下几点：

1、该装置实现了铁碳微电解、类芬顿氧化反应的联合，利用了铁碳微电解时产生的Fe²⁺可作为Fe³⁺/CaO₂类芬顿体系的铁离子的稳定来源，不需额外的Fe³⁺的投入，大大减少药剂费用，一次性投入较小。

2、该装置中设置有螯合反应池，在铁碳微电解与类芬顿氧化反应之间加入螯合剂L-半胱氨酸进行充分的螯合反应，与Fe³⁺形成稳定的螯合物，此螯合物可以为Fe³⁺通过氧化还原转变为Fe²⁺提供了方便的通道。因此在Fe³⁺/CaO₂类芬顿体系中引入L-半胱氨酸可以减少Fe³⁺的沉淀析出，增强Fe³⁺与Fe²⁺之间的转换。

3、该装置对制药废水的预处理效果明显，具体表现为CODcr由10000～20000mg/L降至 1500～2000mg/L左右，去除率达到85％以上。

4、与传统制药废水处理工艺相比，该装置在处理过程中渣量少、药剂用量小、处理成本低、对抗生素类、苯类等有毒有害类废水处理更加高效。

5、该装置组件极易在现有环保设施设备基础上，对其进行经济、合理、高效的技术改造，从而达到后续生化处理要求或直接达到排放标准。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：包括铁碳微电解反应池、螯合反应池、氧化反应池和沉淀池，所述铁碳微电解反应池与螯合反应池的上端连通，所述螯合反应池与氧化反应池下端连通，所述氧化反应池的上部设有出水管道，所述出水管道向下悬伸至所述沉淀池内；

所述铁碳微电解反应池上设有进水管道，所述沉淀池上部设有排水管道，所述排水管道上设有回流管道，所述回流管道与所述进水管道连接且所述回流管道上设有回流泵；

所述进水管道和出水管道上分别设有pH调节装置。

2.如权利要求1所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：还包括曝气装置，所述曝气装置通过曝气管道分别与所述铁碳微电解反应池和螯合反应池相连。

3.如权利要求1所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述pH调节装置包括药剂自动投加装置、管道混合器和pH在线检测仪；所述管道混合器设置于进水管道和出水管道上，所述药剂自动投加装置与管道混合器连接，所述pH在线检测仪设置于所述管道混合器的后端。

4.如权利要求1所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述铁碳微电解反应池包括换料口和盛放有铁碳填料的铁碳填料支架；所述换料口位于所述铁碳微电解反应池的顶端；所述铁碳填料支架可活动地安装在所述铁碳微电解反应池内部。

5.如权利要求4所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述铁碳填料支架为方形网格框结构。

6.如权利要求1所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述螯合反应池包括螯合剂投加装置，所述螯合剂投加装置位于所述螯合反应池的顶端。

7.如权利要求6所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述螯合剂投加装置用于投加L-半胱氨酸。

8.如权利要求1所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述氧化反应池包括氧化剂投加装置和搅拌器；所述氧化剂投加装置位于所述氧化反应池的顶端；所述搅拌器设置于所述氧化反应池内部。

9.如权利要求8所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述氧化剂投加装置用于投加CaO₂。

10.如权利要求1所述的基于铁碳微电解的类芬顿反应装置，其特征在于：所述沉淀池底部设有排泥管道。

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