TWI663129B - 具揮發性有機物的廢水處理方法及採用此方法的廢水處理系統 - Google Patents

Abstract

一種具揮發性有機物的廢水處理方法，其包括：對廢水進行機械蒸氣再壓縮處理以形成一第一濃縮液與一第一冷凝液；對第一濃縮液進行乾燥處理以形成一固體廢棄物與一第二冷凝液；對第一冷凝液與第二冷凝液進行逆滲透處理以形成一過濾液與一第二濃縮液；對第二濃縮液進行芬頓氧化反應處理以形成一氧化液；以及對氧化液依序進行如前所述的機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理。此外，可對過濾液進行活性碳吸附處理以形成一再過濾液。

Description

具揮發性有機物的廢水處理方法及採用此方法的廢水處理系統

本發明關於一種廢水處理方法及採用此方法的廢水處理系統，且特別攸關一種具揮發性有機物的廢水處理方法及採用此方法的廢水處理系統。

具揮發性有機物(volatile organic compound，VOC)的廢水易呈氣體形式逸散至環境中。一旦人體大量吸入將會對健康產生重大危害，如引發呼吸道相關疾病或心血管疾病，故其處理過程須相當謹慎。

中華民國發明專利申請號第100125183號提出一種用於減少流體中污染物含量的過濾介質，其包括選自下述至少一種形態的鐵及銅：含有大部分鐵基粉末與小部分銅基粉末的混合物、鐵銅粉末合金、及含銅的鐵基多孔與可滲透複合物。美國發明專利申請號第13/388493號提出一種用於處理污染流體的多孔可透複合材料，其包含鐵粒子體及以游離形式分佈鎖定於鐵體孔隙與空穴中的功能成分，功能成分選自含碳化合物、含鈣化合物、含鈉化合物、含鐵化合物、含鈦化合物、或含鋁化合物，鐵粒子具有10微米至10毫米的細微性範圍。然而，此等專利前案僅能吸附特定種 類的揮發性有機物，而無法吸附所有種類的揮發性有機物，這將使未吸附的揮發性有機物逸散至環境中造成後續影響。

中華民國發明專利申請號第102126680號提出一種用於清除存在於一污染介質中之苯或萘的方法，其包括：使用瓊氏不動桿菌(Acinetobacter junii)DS44或其繼代培養後代處理污染介質，使得瓊氏不動桿菌DS44或其繼代培養後代降解污染介質中的苯或萘。中華民國發明專利申請號第103141045號提出一種廢水處理方法，其特徵在於每公升廢水包含重量比1：0.2：0.2至1：100：50的脫氮假單孢菌(Pseudomonas denitrificans)PD1、酚類化合物及無機硫化合物但不含培養液，廢水的pH值為5.5至10，而於含有硫代硫酸根基團的無機硫化合物或其鹽類存在下，分解廢水中的酚類化合物。然而，此些專利前案均採用微生物進行降解特定種類的揮發性有機物，但顯然其他種類的揮發性有機物並無法降解，因此這些無法降解的揮發性有機物仍會擴散至環境中同樣會造成後續影響。

綜上，目前業界確實需要一種新穎的廢水處理方式，其幾乎能達到無揮發性有機物質逸散至環境中的效果。

本發明之目的在於提出一種新穎的廢水處理流程，其可使廢水中的揮發性有機物轉變為不具揮發性，從而可進行後續處理而以固體廢棄物的方式生成，藉此幾乎無揮發性有機物質逸散至環境中。

於是，本發明揭示一種廢水處理方法，此廢水含有揮發性有機物，而此方法包括：對廢水進行機械蒸氣再壓縮(mechanical vapor recompression，MVR)處理以形成一第一濃縮液與一第一冷凝液；對第一濃縮液進行乾燥處理以形成一固體廢棄物與一第二冷凝液；對第一冷凝液與第二冷凝液進行逆滲透處理以形成一過濾液與一第二濃縮液；對第二濃縮液進行芬頓氧化反應(Fenton reaction)處理以形成一氧化液；以及對氧化液依序進行如前所述的機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理。

於本發明之範圍內另提出一種廢水處理系統，其包括：一機械蒸氣再壓縮單元、一乾燥單元、一逆滲透單元、及一芬頓氧化反應單元；其中，機械蒸氣再壓縮單元用以對含有揮發性有機物的廢水進行機械蒸氣再壓縮處理以形成一第一濃縮液與一第一冷凝液；乾燥單元為連接機械蒸氣再壓縮單元，用以接收第一濃縮液並對第一濃縮液進行乾燥處理以形成一固體廢棄物與一第二冷凝液；逆滲透單元為連接機械蒸氣再壓縮單元與乾燥單元，用以接收第一冷凝液與第二冷凝液並對第一冷凝液與第二冷凝液進行逆滲透處理以形成一過濾液與一第二濃縮液；芬頓氧化反應單元為連接逆滲透單元，用以接收第二濃縮液並對第二濃縮液進行芬頓氧化反應處理以形成一氧化液，且為連接機械蒸氣再壓縮單元用以傳送氧化液至機械蒸氣再壓縮單元並對氧化液依序進行如前所述的機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理。

依本發明，乾燥處理可將第一濃縮液分成固體廢棄物與第二冷凝液，而第二冷凝液含有部分揮發性有機物(剩餘於第一冷凝液)，故固體廢棄物幾乎無任何揮發性有機物。如此一來，固體廢棄物進行掩埋後， 則無揮發性有機物逸散至環境的問題。另一方面，過濾液因含極低化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)、總溶解固體(total dissolved solids，TDS)、與氨氮，故可直接用於如馬桶沖洗、植栽灌溉、洗車、揚塵抑制等非人體直接接觸的日常應用。再一方面，第二濃縮液含大量揮發性有機物，故透過芬頓氧化反應處理可使揮發性有機物轉變成非揮發性產物，使氧化液含有非揮發性產物。如此一來，後續對氧化液進行機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理後，非揮發性產物則可存在於另一固體廢棄物，同樣無揮發性有機物逸散至環境的問題。

(S1)‧‧‧機械蒸氣再壓縮處理

(S2)‧‧‧乾燥處理

(S3)‧‧‧逆滲透處理

(S4)‧‧‧芬頓氧化反應處理

(S4’)‧‧‧活性碳吸附處理

(1)‧‧‧機械蒸氣再壓縮單元

(2)‧‧‧乾燥單元

(3)‧‧‧逆滲透單元

(4)‧‧‧芬頓氧化反應單元

(5)‧‧‧活性碳吸附單元

圖1為一流程圖，說明本發明一實施方式之廢水處理方法。

圖2為一方塊圖，說明採用上述方法的系統。

為讓本發明上述及/或其他目的、功效、特徵更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，作詳細說明於下：如圖1所示，說明本發明一實施方式之廢水處理方法，而此廢水含有揮發性有機物。一般而言，本實施方式的方法適用於具高揮發性有機物的廢水或具低揮發性有機物的廢水，尤其高揮發性有機物因易揮發處理上確實有難度，因此本實施方式的方法確實帶給環境保護產業助益。而，廢水的實例可為但不限於垃圾滲出水(leachate)或工業廢水，關於本實施方式之方法的詳細步驟如下所述： 首先，進行機械蒸氣再壓縮處理步驟(S1)，為對廢水進行機械蒸氣再壓縮處理以形成一第一濃縮液與一第一冷凝液。「機械蒸氣再壓縮」為一種低溫位的蒸汽經壓縮，並藉由溫度、壓力提高與熱焓增加，以充分利用蒸汽潛熱的蒸發技術，其具有節能與設備佔地空間小等優點，經濟效益優於多效蒸發技術，目前已廣泛運用於如化工、食品、造紙、及藥品製造的濃縮過程以及純水回收再利用。依本實施方式，機械蒸氣再壓縮處理可對廢水加壓加熱，因廢水中大部分的化學需氧量與總溶解固體於低溫下為非揮發性的，故於機械蒸氣再壓縮處理後這些非揮發性物質會存在於第一濃縮液。此外，廢水中的氨氮(NH₃-N)因不穩定而易轉變為氨氣並汽化至環境中。為解決此問題，於進行機械蒸氣再壓縮處理前可添加酸類至廢水中以降低廢水的pH值來穩定氨氮，如：可添加硫酸至廢水中，使氨氮與硫酸反應成硫酸銨((NH₄)₂SO₄)並存在於第一濃縮液。另外，於機械蒸氣再壓縮處理後多數揮發性有機物則會揮發至第一冷凝液中。於本實施方式，機械蒸氣再壓縮處理的條件本發明所屬技術領域之人士可視廢水種類、組成等條件決定，較佳地為加熱溫度70至80℃、蒸發負壓-0.45至-0.55kg/cm²。

其次，進行乾燥處理步驟(S2)，為對第一濃縮液進行乾燥處理以形成一固體廢棄物與一第二冷凝液。由於第一濃縮液含有微量揮發性有機物，因此乾燥處理後這些揮發性有機物存在於第二冷凝液。換言之，固體廢棄物幾乎無任何揮發性有機物，一旦進行掩埋則無揮發性有機物逸散至環境的問題，而其成分可為但不限於氯化鈉、氯化鈣、硫酸鈣、與硫 酸銨。於本實施方式，乾燥處理可為但不限於加熱處理，加熱處理的條件本發明所屬技術領域之人士可視實際條件決定，較佳地為加熱溫度120至130℃。

接著，進行逆滲透處理步驟(S3)，為對第一冷凝液與第二冷凝液進行逆滲透處理以形成一過濾液與一第二濃縮液。「逆滲透」為一種利用壓力為驅動力量，並藉助薄膜的選擇性截留作用，使液體中的溶質(如雜質)與溶劑(如水)分離的技術。依本實施方式，逆滲透處理可將第一冷凝液與第二冷凝液分離成過濾液與第二濃縮液。而，過濾液相當於「溶劑」，主要成分為水且幾乎無揮發性有機物；第二濃縮液相當於「溶質」，揮發性有機物存在於其中。另外，過濾液含極低化學需氧量、總溶解固體、與氨氮，而可直接用於如馬桶沖洗、植栽灌溉、洗車、揚塵抑制等非人體直接接觸的日常應用。

然後，進行芬頓氧化反應處理步驟(S4)，為對第二濃縮液進行芬頓氧化反應處理以形成一氧化液。「芬頓氧化反應」為一種利用亞鐵離子(Fe²⁺)作為過氧化氫的催化劑，以反應產生高氧化能力的自由基(．OH)來對有機物進行氧化斷鍵。於本實施方式，芬頓氧化反應處理可為但不限於電解還原-芬頓氧化反應處理，其優點在於亞鐵離子反應生成的鐵離子(Fe³⁺)會回復至亞鐵離子重複利用並減少氫氧化鐵(Fe(OH)₃)的生成。依本實施方式，由於第二濃縮液含有揮發性有機物，透過芬頓氧化反應處理產生之高氧化能力的自由基對其發生氧化斷鍵，可使揮發性有機物轉變成為非揮發性產物。如此一來，氧化液含有由揮發性有機物透過芬頓氧化 反應處理形成的非揮發性產物，而可對氧化液依序進行如前所述的機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理以致無揮發性有機物逸散至環境的問題。此外，由於氧化液含有芬頓氧化反應處理所生成的氫氧化鐵，因此經後續對氧化液進行機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理後，氫氧化鐵會存在於另一固體廢棄物中以掩埋。

另外，於逆滲透處理步驟(S3)後可進行活性碳吸附處理步驟(S4’)，為對過濾液進行活性碳吸附處理以形成一再過濾液。「活性碳吸附」為一種利用活性碳吸附水中難分解或難溶解的物質以淨化水質。依本實施方式，過濾液雖然含極低化學需氧量、總溶解固體、與氨氮，但仍無法用於人體直接接觸的日常應用。為此，逆滲透處理所得的再過濾液含有更低化學需氧量、總溶解固體、與氨氮，而可用於如盥洗、洗碗等人體直接接觸的日常應用。於本實施方式，活性碳吸附處理可為但不限於顆粒狀活性碳吸附處理。

請另參照圖2，繪示一種可採用上述方法的系統，其包含：一機械蒸氣再壓縮單元(1)、一乾燥單元(2)、一逆滲透單元(3)、一芬頓氧化反應單元(4)、及一活性碳吸附單元(5)。

機械蒸氣再壓縮單元(1)可執行上述的機械蒸氣再壓縮處理步驟。

乾燥單元(2)為連接機械蒸氣再壓縮單元(1)，而可接收機械蒸氣再壓縮處理步驟得到的第一濃縮液並執行上述的乾燥處理步驟。

逆滲透單元(3)為連接機械蒸氣再壓縮單元(1)與乾燥單元(2)，並可接收機械蒸氣再壓縮處理步驟得到的第一冷凝液與乾燥處理步驟得到的第二冷凝液及執行上述的逆滲透處理步驟。

芬頓氧化反應單元(4)為連接逆滲透單元(3)與機械蒸氣再壓縮單元(1)。其與逆滲透單元(3)的連接可接收逆滲透處理步驟得到的第二濃縮液並執行上述的芬頓氧化反應處理步驟；而其與機械蒸氣再壓縮單元(1)的連接可對芬頓氧化反應處理步驟得到之氧化液依序進行如前所述的機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理。須說明的是，由於芬頓氧化反應處理會生成氫氧化鐵，習用的芬頓氧化反應裝置須配置沉澱池與脫水機來進一步處理氫氧化鐵。於本實施方式，由於氧化液含有氫氧化鐵，且後續對氧化液進行機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理後，氫氧化鐵會存在於另一固體廢棄物中，故本實施方式的芬頓氧化反應單元(4)無設置沉澱池與脫水機的必要。

活性碳吸附單元(5)為連接逆滲透單元(3)，而可接收逆滲透處理步驟得到的過濾液並執行上述的活性碳吸附處理步驟。

為驗證本實施方式的功效，本申請人特別取樣混合A廢水與B廢水並經上述的方法處理。此外，處理時，同時取樣每一步驟的產物進行分析，分析結果如表1。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，但不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效改變與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (9)

1. 一種廢水處理方法，該廢水含有揮發性有機物，而該方法係包括：對該廢水進行機械蒸氣再壓縮(mechanical vapor recompression，MVR)處理以形成一第一濃縮液與一第一冷凝液；對該第一濃縮液進行乾燥處理以形成一固體廢棄物與一第二冷凝液；對該第一冷凝液與該第二冷凝液進行逆滲透處理以形成一過濾液與一第二濃縮液；對該第二濃縮液進行芬頓氧化反應(Fenton reaction)處理以形成一氧化液；以及對該氧化液依序進行如前所述的機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理。
2. 如請求項第1項所述之處理方法，於該逆滲透處理步驟後更包括：對該過濾液進行活性碳吸附處理以形成一再過濾液。
3. 如請求項第1項所述之處理方法，於該機械蒸氣再壓縮處理步驟前更包括：添加硫酸至該廢水中。
4. 如請求項第1項所述之處理方法，其中該芬頓氧化反應處理為電解還原-芬頓氧化反應處理。
5. 如請求項第1項所述之處理方法，其中該機械蒸氣再壓縮處理的加熱溫度為70至80℃、蒸發負壓為-0.45至-0.55kg/cm²。
6. 如請求項第1項所述之處理方法，其中該乾燥處理的加熱溫度為120至130℃。
7. 一種廢水處理系統，該廢水含有揮發性有機物，而該系統係包括：一機械蒸氣再壓縮單元，係用以對該廢水進行機械蒸氣再壓縮處理以形成一第一濃縮液與一第一冷凝液；一乾燥單元，係連接該機械蒸氣再壓縮單元，用以接收該第一濃縮液並對該第一濃縮液進行乾燥處理以形成一固體廢棄物與一第二冷凝液；一逆滲透單元，係連接該機械蒸氣再壓縮單元與該乾燥單元，用以接收該第一冷凝液與該第二冷凝液並對該第一冷凝液與該第二冷凝液進行逆滲透處理以形成一過濾液與一第二濃縮液；以及一芬頓氧化反應單元，係連接該逆滲透單元，用以接收該第二濃縮液並對該第二濃縮液進行芬頓氧化反應處理以形成一氧化液，並連接該機械蒸氣再壓縮單元用以傳送該氧化液至該機械蒸氣再壓縮單元並對該氧化液依序進行如前所述的機械蒸氣再壓縮處理、乾燥處理、逆滲透處理、與芬頓氧化反應處理。
8. 如請求項第7項所述之處理系統，更包括：一活性碳吸附單元，係連接該逆滲透單元，用以接收該過濾液並對該過濾液進行活性碳吸附處理以形成一再過濾液。
9. 如請求項第7項所述之處理系統，其中該芬頓氧化反應單元未包含：沉澱池與脫水機。