CN213680291U - 一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置，目的在于解决针对高浓度难降解废水，现有方法存在臭氧消耗量大、处理效率低的问题，其包括有机物暂存装置、臭氧发生器、溶气泵、微通道反应器、超声波发生器、污水生化处理单元；所述有机物暂存装置、臭氧发生器分别与溶气泵相连，所述溶气泵与微通道反应器相连且溶气泵内混合的气液混合物能进入微通道反应器内进行反应，所述微通道反应器与污水生化处理单元相连。本申请发明人针对高浓度难降解废水处理存在的工艺技术问题，试图提供一种减少投资和运行成本，不产生二次污染的绿色的处理系统，满足用户对这种废水的处理需求。

Description

一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置

技术领域

本发明涉及环保领域，尤其是废水、废气处理领域，具体为一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置。具体地，本申请提供一种用于有机物的高级氧化方法及其装置，尤其适用于高浓度难降解有机物的高级氧化，其能将含长链、杂环、杂链的有机物分解为小分子有机物甚至完全矿化，进而通过其后的生物降解方式予以去除。

背景技术

目前，采用传统工艺进行高浓度难降解废水处理时，存在投资大、运行成本高，反应时间长，占地大等难题，且难于达到规定的排放标准，无法满足相应的排放要求。

针对这一难题，国内外研究者进行了大量探索，研究采用臭氧氧化、芬顿（Fenton）工艺、铁碳电极微电解和电子束辐照等方法处理废水，并取得了一定成效。

例如，中国专利申请CN201610078196.5公开了一种催化臭氧化-类芬顿耦合反应器及有毒难降解废水处理方法，其采用射流器与进水泵的配合实现臭氧与待处理废水的混合，达到射流曝气的效果，可使臭氧以极其细微的气泡均匀分布在废水中，气泡直径的减小能极大地增加气液接触面积，提高臭氧在气相和液相之间的传质效率，从而有效地提高臭氧的利用率，同时提高废水处理效率，由于该耦合反应器中还设置了臭氧回用结构，可对反应罐中臭氧进行有效地回用，臭氧的回用不但能够提高臭氧的利用率、降低臭氧的总消耗量，而且能减小残留臭氧的脱除压力，因此，该耦合反应器具有提高废水处理效率和降低废水处理成本的优势。

中国专利申请CN201610289239.4公开了一种电镀废水除磷的方法，其通过水解酸化作用对去除废水中的有机物，提高废水可生化性，具有很好的效果，后续再增加生化活性污泥法+高级氧化+混凝沉淀，调节合适pH＝6.5～7.5，加快磷的释放，然后用Fenton氧化反应，利用双氧水分解的氢氧根离子(OH^-)强氧化性，将废水残留的非正磷酸盐全部转化成正磷，然后通过化学沉淀法，磷得到彻底去除，磷的浓度达到国家规定的污染物排放标准，稳定达标排放。

中国专利申请CN201611111661.7公开了一种电解诱导臭氧气浮一体化装置，该装置在污水处理设施场站内仅能提供电源的条件下，利用电絮凝反应完成水中胶体、乳化油的脱稳、凝聚；向水中投加过氧化氢与进入水中的Fe²⁺形成芬顿氧化体系，用于氧化降解难降解有机物；利用空气源臭氧发生器和溶气泵产生臭氧加压溶气水进行臭氧催化氧化和臭氧气浮反应，进一步削减氧化降解难降解有机物，同时将不溶性污染物从水中分离、携带至浮渣区；运用排水阀门的启闭实现气浮浮渣的自动排除。

中国专利申请CN201710261276.9公开了一种保险粉废水处理方法，其在一次氧化、酸化和二次氧化的步骤中，采用氧气氧化、硫酸分解以及芬顿试剂（硫酸亚铁和双氧水）进行氧化，将保险粉废水中的含硫有机物和含硫无机物氧化形成硫酸根、亚硫酸根等，然后采用生石灰作为沉淀剂将硫元素沉淀，以降低所述保险粉废水的含硫量，有利于后续的厌氧、好氧反应的进行，有效降低所述保险粉废水的COD和含硫量。

然而，现有的处理方法普遍存在臭氧消耗量大、污泥产生量大、能耗高等缺点，影响了推广应用。

为此，迫切需要一种新的方法和/或装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对高浓度难降解废水，现有方法存在臭氧消耗量大、处理效率低的问题，提供一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置。本申请发明人根据多年的理论研究和工程实践，针对高浓度难降解废水处理存在的工艺技术问题，试图提供一种减少投资和运行成本，不产生二次污染的绿色的处理系统，满足用户对这种废水的处理需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置，包括有机物暂存装置、臭氧发生器、溶气泵、微通道反应器、超声波发生器、污水生化处理单元；

所述有机物暂存装置、臭氧发生器分别与溶气泵相连且有机物暂存装置内的溶液、臭氧发生器产生的臭氧能分别进入溶气泵内并得到第一中间液，所述溶气泵与微通道反应器相连且溶气泵内混合的气液混合物能进入微通道反应器内进行反应，所述微通道反应器与污水生化处理单元相连且经微通道反应器处理得到的第二中间液能经污水生化处理单元进行污水生化处理；

所述超声波发生器设置在微通道反应器的微通道外且超声波发生器产生的超声波能对进入微通道反应器内的第一中间液进行超声处理。

所述有机物暂存装置为含有机物的废水暂存装置；

或所述有机物暂存装置包括用于吸收废气的废气泵、用于盛放水溶液的蓄水池，所述废气泵的出气口与蓄水池相连且废气泵吸收的废气能送入蓄水池的水溶液中并通过水溶液实现对废气中含有机物的污染物的吸收。

所述污水生化处理单元为生物膜生化处理装置、活性污泥生化处理装置中的一种或多种。

所述污水生化处理单元为MBR系统、MBBR系统、A²O等系统中的一种或多种。

所述污水生化处理单元为MBBR系统，其包括生物填料组件、好氧池、氧气输入装置、生物膜反应池、排水装置，所述生物填料组件由至少一个生物填料池构成，所述微通道反应器与生物填料组件相连，所述生物填料组件与好氧池相连且生物填料组件内处理后的物料能送入好氧池进行处理，所述氧气输入装置与好氧池相连且氧气输入装置能向好氧池内输入空气以促进好氧池内好氧反应的进行，所述好氧池与生物膜反应池相连且好氧池内处理后的物料能送入生物膜反应池进行处理，所述生物膜反应池与排水装置相连且生物膜反应池处理后的干净水溶液能经排水装置排出。

还包括污泥处理装置，所述污泥处理装置与生物膜反应池相连且生物膜反应池产生的污泥能送入污泥处理装置进行处理。

所述生物填料组件由至少两个生物填料池依次串联而成且微通道反应器处理后的第二中间液能送入生物填料组件内并经生物填料池逐个进行处理。

还包括曝气管、进气泵，所述曝气管设置在好氧池的底部，所述曝气管与进气泵相连且进气泵吸入的空气能经曝气管上的气孔进入好氧池内。

所述微通道反应器包括进水槽、微通道、中间水槽，所述微通道的两端分别与进水槽、中间水槽相连且经进水槽进入微通道内的溶液在经微通道内反应后能进入中间水槽内，所述进水槽与溶气泵相连且溶气泵内混合的气液混合物能经进水槽进入微通道内，所述中间水槽与生物填料组件相连且中间水槽内的物料能进入生物填料组件内进行处理。

进一步，发明人对本申请的发明原理说明如下。

通常含高浓度有机物的废水中，其内的有机物通常含苯环、杂链等，较难降解。为此，本申请提供一种全新的高级氧化方法及装置。本申请通过超声波、臭氧和微通道结构三者协同作用，能够实现高浓度难降解有机物废水的处理，及含难降解有机物废气的处理，有效提升处理效率，具有显著的进步。同时，本申请在常温下即可进行，反应条件温和。

本申请中，先使臭氧与待处理的废水溶液混合，或先使臭氧与溶解有废气的溶液混合，得到第一中间液。而后将第一中间液送入微通道反应器的微通道内，使第一中间液在微通道内进行反应；第一中间液在微通道内输送的同时，通过超声波发生器对微通道内的第一中间液进行超声处理；待微通道内的第一中间液超声处理完成后，得到第二中间液；该过程中，部分小分子有机物被分解，高浓度难降解有机物中含有的长链、苯环、杂链等发生断裂或分解，进而得到第二中间液。最后，将第二中间液进行污水生化处理，即可。

本申请中，臭氧在水中分解产生的反应主要有如下两类：臭氧在水中分解产生的反应物主要有两类：1）水中OH^-与臭氧反应，生成O^2-和HO₂；2）水中杂质会引发臭氧分解，产生另外一些自由基（O^3-、HO^3-、•OH）。同时，采用微通道反应与超声波处理相结合。本申请中，将频率30kHz以上的超声波输入微通道内的液体中时，液相分子间的吸引力被打破，形成高达5500℃和50～100MPa的空化泡，并在极短时间内被压缩，产生瞬态空化与稳态空化现象。微通道内的气泡或剧烈非线性振荡，或在振荡强烈时，在气泡界面因高速度梯度引发微射流，使H₂O分子(水分子中O-H键能为500kJ/mol)分解为•H和•OH自由基；同时，空化泡辐射扭力引发的微米量级液体环流（即微声流）使气泡表面形成高速度梯度和粘滞应力，从而使大分子主链上碳键产生断裂。本申请基于外场强化，通过外加超声波以实现微通道的通道内空化作用，产生羟基自由基，采用气液双相泡状流型设计，配合微通道反应器的微通道反应，实现对流经液体的微米尺度切割，提高传质、传热、传能效率，确保臭氧、超声产生的自由基与液体充分混合。本申请中，在超声波协同下，臭氧分解产物与液体充分混合、快速反应，进一步提高有机物的矿化、氧化效率和适用范围。基于本申请中超声、臭氧、微通道的协同处理，能实现高浓度难降解有机废水的更经济、高效、安全的处理和利用。

综上所述，本申请提供一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置，该方法集成臭氧、超声波和微通道废水处理技术优点于一体，将高浓度难降解废水中的有机污染物快速、高效氧化分解，再协同组合带有生物填料的膜生物反应器（MBBR），可使含有COD上万级的废水，处理后达到达标排放标准。本申请首次将超声、臭氧和微通道方法相结合，利用超声产生瞬态空化与稳定空化，配合臭氧与微通道处理，实现高浓度难降解废水的高效、快速处理，具有较高的应用价值和环保效益。与现有方法相比，本申请缩短了工艺流程，减少了工程投资和占地，大幅度降低了废水处理的成本。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为实施例1的结构示意图。

图中标记：1、臭氧发生器，2、溶气泵，3、超声波发生器，4、进水槽，5、微通道，6、中间水槽，7、生物填料组件，8、好氧池，9、氧气输入装置，10、生物膜反应池。

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。

本申请实施例采用的装置如图1所示，包括有机物暂存装置、臭氧发生器、溶气泵、微通道反应器、超声波发生器、污水生化处理单元。本实施例中，微通道反应器包括进水槽、微通道、中间水槽，微通道的两端分别与进水槽、中间水槽相连。其中，微通道的数量根据处理量为10⁴-10⁶个。

本申请中，有机物暂存装置、臭氧发生器分别与溶气泵相连，有机物暂存装置可以为含有机物的废水暂存装置。溶气泵与微通道反应器相连，微通道反应器与污水生化处理单元相连，超声波发生器设置在微通道反应器的微通道外。

采用该结构，有机物暂存装置内的溶液、臭氧发生器产生的臭氧能分别进入溶气泵内进行混合，并得到第一中间液；溶气泵内混合的气液混合物（即第一中间液）进入微通道反应器内进行反应，第一中间液在微通道内输送的同时，通过超声波发生器对微通道内的第一中间液进行超声处理，并得到第二中间液；经微通道反应器处理得到的第二中间液再经污水生化处理单元，进行污水生化处理，进而实现对废水中有机物的降解。

当处理含有机物的废气时，有机物暂存装置可以包括用于吸收废气的废气泵、用于盛放水溶液的蓄水池，废气泵的出气口与蓄水池相连；该结构中，废气泵吸收的废气能送入蓄水池的水溶液中，并通过水溶液实现对废气中含有机物的污染物的吸收。

本申请中，污水生化处理单元主要用于处理前端降解后的小分子有机污染物。其可以为生物膜生化处理装置、活性污泥生化处理装置中的一种或多种。

在此，本实施例提供一个具体的实施方案。本实施例中，污水生化处理单元为MBBR系统，其包括生物填料组件、好氧池、氧气输入装置、生物膜反应池、排水装置，生物填料组件由三个生物填料池依次串联而成，微通道反应器与生物填料组件相连，生物填料组件与好氧池相连，氧气输入装置与好氧池相连，好氧池与生物膜反应池相连，生物膜反应池与排水装置相连。更具体地，溶气泵内混合的气液混合物能经进水槽进入微通道内，经进水槽进入微通道内的溶液在经微通道内反应后能进入中间水槽内，而中间水槽内的物料再进入生物填料组件内进行处理。本实施例的MBBR系统还包括曝气管、进气泵，曝气管设置在好氧池的底部，曝气管与进气泵相连，进气泵吸入的空气经曝气管上的气孔进入好氧池内。采用该结构，中间水槽内的物料首先进入生物填料组件内，并依次经三个生物填料池依次进行处理；生物填料组件内处理后的物料再送入好氧池进行处理，氧气输入装置用于向好氧池内输入空气，以促进好氧池内好氧反应的进行；经好氧池处理后的物料再送入生物膜反应池进行处理，生物膜反应池处理后的干净水溶液则经排水装置排出。优选地，本实施例还包括污泥处理装置，污泥处理装置与生物膜反应池相连，生物膜反应池产生的污泥能送入污泥处理装置进行处理。

实施例1

本实施例待处理废水为苯酚废水，其中苯酚浓度为850mg/L。

采用前述装置对待处理废水进行处理，操作如下。

1）溶气泵的进口端分别与有机物暂存装置、臭氧发生器相连，溶气泵的出口端与微通道反应器的进水槽相连。通过溶气泵的混合作用，将待处理的废水溶液与臭氧发生器产生的臭氧混合，得到第一中间液。第一中间液中臭氧的浓度为6mg/L。

2）将第一中间液送入微通道反应器的微通道内，使第一中间液在微通道内进行反应。第一中间液在微通道内输送的同时，通过超声波发生器对微通道内的第一中间液进行超声处理。待微通道内的第一中间液超声处理完成后，得到第二中间液。

该过程中，溶气泵内混合的气液混合物能经进水槽进入微通道内，经进水槽进入微通道内的溶液在微通道内反应后，进入中间水槽内。其中，微通道的内径为200微米，微通道内液体的流速为25ml/min，超声波发生器的功率密度为0.8w/cm²，施加的超声波频率为30kHz。

其中，第一中间液中的部分臭氧与水反应、第一中间液中的部分臭氧受水中杂质催化反应分别生成自由基；通过超声波发生器对微通道内的第一中间液进行超声处理，使液相分子间的吸引力被打破，形成空化泡，并被压缩，实现微通道内空化作用，产生气液两相泡状结构，并在气泡界面引发微射流，使水分子分解为自由基，而空化泡辐射扭力引发的微米量级液体环流则形成使有机物大分子主链上碳链断裂的速度梯度和粘滞应力，使得有机物大分子主链断裂；在超声波发生器对微通道内的第一中间液进行超声处理过程中，空化泡的产生实现了对微通道内流经液体的切割，达到提升传热、传质、传能的效果，促进自由基与流经液体内有机物的反应效率；通过上述臭氧、微通道、超声三者作用的结合，能实现有机物的高级氧化，进而形成小分子和/或短链有机物。

3）将第二中间液进行污水生化处理，即可。本实施例中，将步骤2得到的第二中间液送入MBBR系统进行污水生化处理，处理合格后的水，即可直接排放和/或回用。

本实施例中，经过预处理的高浓度难降解废水由溶气泵吸入臭氧后送入进水槽，并施加超声波；混有臭氧和施加了超声波的废水，进入微通道反应器；在微通道反应器中，产生强烈的氧化反应，使水中的大部分有机物分解或降解；经过微通道反应器处理的废水再送入添加生物填料的膜生物反应器系统深度处理。其中，MBBR系统将生物膜法、活性污泥法和膜过滤技术优点结合为一体，生化处理能力大为增强，根据具体工程项目确定水力停留时间和曝气强度，可得到特定废水的COD去除率。

对第二中间液进行测试，测试结果如下：苯酚浓度为28mg/L。

实施例2

本实施例待处理废水为染料废水，其中含有苯、酚、蒽、醌为母体的氨基物、硝基物，COD为27600mg/L。

其中，第一中间液中臭氧的浓度为15mg/L；步骤2）中，微通道的内径为100微米，微通道内液体的流速为20ml/min，超声波发生器的功率密度为0.8w/cm²，施加的超声波频率为40kHz。其他操作与实施例1相同。

对第二中间液进行测试，测试结果如下：其COD浓度为138mg/L。

实施例3

本实施例待处理废水为有机农药废水，含甲胺磷农药，COD为2380mg/L。

其中，第一中间液中臭氧的浓度为16mg/L；步骤2）中，微通道的内径为100微米，微通道内液体的流速为25ml/min，超声波发生器的功率密度为0.6w/cm²，施加的超声波频率为30kHz。其他操作与实施例1相同。

对第二中间液进行测试，测试结果如下：其COD浓度为174mg/L。

实施例4

本实施例待处理废水为油田含油废水，COD为1240mg/L。

其中，第一中间液中臭氧的浓度为8mg/L；步骤2）中，微通道的内径为200微米，微通道内液体的流速为40ml/min，超声波发生器的功率密度为0.5w/cm²，施加的超声波频率为25kHz。其他操作与实施例1相同。

对第二中间液进行测试，测试结果如下：COD为35mg/L。

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 (8)

1.一种超声、臭氧和微通道高级氧化装置，其特征在于，包括有机物暂存装置、臭氧发生器、溶气泵、微通道反应器、超声波发生器、污水生化处理单元；

所述有机物暂存装置、臭氧发生器分别与溶气泵相连且有机物暂存装置内的溶液、臭氧发生器产生的臭氧能分别进入溶气泵内并得到第一中间液，所述溶气泵与微通道反应器相连且溶气泵内混合的气液混合物能进入微通道反应器内进行反应，所述微通道反应器与污水生化处理单元相连且经微通道反应器处理得到的第二中间液能经污水生化处理单元进行污水生化处理；

所述超声波发生器设置在微通道反应器的微通道外且超声波发生器产生的超声波能对进入微通道反应器内的第一中间液进行超声处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述污水生化处理单元为生物膜生化处理装置、活性污泥生化处理装置中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述污水生化处理单元为MBR系统、MBBR系统、A²O系统中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述污水生化处理单元为MBBR系统，其包括生物填料组件、好氧池、氧气输入装置、生物膜反应池、排水装置，所述生物填料组件由至少一个生物填料池构成，所述微通道反应器与生物填料组件相连，所述生物填料组件与好氧池相连且生物填料组件内处理后的物料能送入好氧池进行处理，所述氧气输入装置与好氧池相连且氧气输入装置能向好氧池内输入空气以促进好氧池内好氧反应的进行，所述好氧池与生物膜反应池相连且好氧池内处理后的物料能送入生物膜反应池进行处理，所述生物膜反应池与排水装置相连且生物膜反应池处理后的干净水溶液能经排水装置排出。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括污泥处理装置，所述污泥处理装置与生物膜反应池相连且生物膜反应池产生的污泥能送入污泥处理装置进行处理。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述生物填料组件由至少两个生物填料池依次串联而成且微通道反应器处理后的第二中间液能送入生物填料组件内并经生物填料池逐个进行处理。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括曝气管、进气泵，所述曝气管设置在好氧池的底部，所述曝气管与进气泵相连且进气泵吸入的空气能经曝气管上的气孔进入好氧池内。

8.根据权利要求1~7任一项所述的装置，其特征在于，所述微通道反应器包括进水槽、微通道、中间水槽，所述微通道的两端分别与进水槽、中间水槽相连且经进水槽进入微通道内的溶液在经微通道内反应后能进入中间水槽内，所述进水槽与溶气泵相连且溶气泵内混合的气液混合物能经进水槽进入微通道内，所述中间水槽与生物填料组件相连且中间水槽内的物料能进入生物填料组件内进行处理。

Images