TWI706919B - 混成式有機廢水處理設備 - Google Patents
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Abstract
一種混成式有機廢水處理設備,包含氧化劑供應裝置、觸媒反應槽、廢氣處理裝置及廢水處理裝置。觸媒反應槽包含第一輸入端、第二輸入端、鐵基觸媒、反應槽體、廢氣輸出端及廢水輸出端。第一輸入端輸入未處理有機廢水。第二輸入端連接氧化劑供應裝置,以輸入氧化劑。反應槽體連接第一輸入端及第二輸入端,以通入未處理有機廢水及氧化劑。鐵基觸媒設置於反應槽體中,將氧化劑催化反應產生氫氧自由基,加速對未處理有機廢水進行氧化反應。透過鐵基觸媒催化氧化劑為氧化性更強的氫氧自由基,加快了整體的反應速率,有效解決處理速率過慢、並減少能源消耗量的問題。
Description
本申請案涉及廢棄物處理領域,尤其是一種混成式有機廢水處理設備。
傳統有機廢水的處理,是目前廢水處理領域最大的問題。由於有機廢水容易揮發、且其產生的氣體易燃燒、有機物又可能還有含氮物質,容易產生水體優養化,並傷害人體健康。
目前傳統技術上,常透過生物處理裝置,利用透過微生物的反應來碳化、去氮。然而,微生物對於生長所需的環境條件較為嚴苛,必須控制適當的酸鹼值、溶氧量、氮磷等微量元素的含量,且不能有過量的毒害物質存在,而影響了微生物的生成。此外,採用生物處理裝置所需的微生物,往往因為不同的有機廢水含有不同種類的有機物,而須經過長時間的馴養(Acclimation),存在不確定性高、且耐衝擊性較差及恢復期長等缺點。
生物處理裝置最大的問題在於反應的速度緩慢,難以大量地進行廢水處理。而其他的廢水處理方式,例如,吹脫法,加速廢水中的有機質揮發,在後續透過燃燒或是電漿處理等,來清除氣態的揮發性有機物(Volatile Organic Compounds,VOC),則有大量耗能的問題。
在此,提供一種混成式有機廢水處理設備。混成式有機廢水處理設備包含氧化劑供應裝置、觸媒反應槽、廢氣處理裝置及廢水處理裝置。氧化劑供應裝置提供氧化劑。觸媒反應槽包含第一輸入端、第二輸入端、鐵基觸媒、反應槽體、廢氣輸出端、以及廢水輸出端。第一輸入端輸入未處理有機廢水。第二輸入端連接氧化劑供應裝置,以輸入氧化劑。反應槽體連接第一輸入端及第二輸入端,以通入未處理有機廢水及氧化劑。鐵基觸媒設置於反應槽體中,將氧化劑催化反應產生氫氧自由基,而加速對未處理有機廢水進行氧化反應。廢氣輸出端及廢水輸出端分別連接反應槽,用以輸出反應廢氣及反應廢水。廢氣處理裝置連接廢氣輸出端,以對反應廢氣處理後排出。廢水處理裝置連接廢水輸出端,將反應廢水處理後排出。
在一些實施例中,混成式有機廢水處理設備進一步包含生物處理裝置。生物處理裝置連接廢水輸出端及廢水處理裝置,生物處理裝置透過微生物對反應廢水中的有機分子進行礦化反應、氨化反應、硝化反應、或脫硝反應,產生生物汙泥及處理水,並將反應後的處理水排出至廢水處理裝置。
進一步地,在一些實施例中,混成式有機廢水處理設備更包含氧化反應槽。氧化反應槽設置於觸媒反應槽與生物處理裝置之間,氧化反應槽包含第三輸入端、第一輸出端、及第二輸出端,第三輸入端連接廢水輸出端,接收反應廢水。反應廢水進入氧化反應槽水進一步進行氧化反應而產生氧化反應廢水及殘留廢氣。第一輸出端連接生物處理裝置,將氧化反應廢水輸入至生物處理裝置中進行礦化反應、氨化反應、硝化反應、或脫硝反應。第二輸出端連接廢氣處理裝置,將殘留廢氣通入廢氣處理裝置進行處理。
更詳細地,在一些實施例中,氧化反應槽為曝氣槽。
更詳細地,在一些實施例中,該氧化反應槽更通入第二氧化劑,第二氧化劑的溶解度大於氧化劑的溶解度。
更詳細地,在一些實施例中,第二氧化劑係選自過氧化氫、次氯酸所構成之群組。
在一些實施例中,氧化劑係選自臭氧、過氧化氫、次氯酸、以及氯氣所構成之群組。
在一些實施例中,混成式有機廢水處理設備進一步包含生物處理裝置,生物處理裝置設置於觸媒反應槽之前,接收未處理有機廢水,生物處理裝置透過其中的複數個微生物將未處理廢水中的有機分子進行礦化反應、氨化反應、硝化反應、或脫硝反應,而產生生物汙泥及處理水,並將反應後的處理水通入觸媒反應槽中,進一步進行氧化劑催化反應。
在一些實施例中,廢氣處理裝置為觸媒氧化裝置。進一步地,觸媒氧化裝置至少包含鐵基觸媒。
進一步地,在一些實施例中,混成式有機廢水處理設備更包含脫水預熱裝置。脫水預熱裝置連接廢氣輸出端及廢氣處理裝置,以對反應廢氣加熱至40至150度C。
在上述實施例中,混成式有機廢水處理設備是透過鐵基觸媒催化氧化劑為氧化性更強的氫氧自由基,並吸附有機分子於其表面進行反應,加快了整體的反應速率,加速分解未處理廢水中的各種有機物質,有效解決處理速率過慢、或能源消耗量過大的問題。
應當理解,當諸如元件被稱為「連接到」另一元件時,其可以表示元件直接在另一元件上,或者可以也存中間元件,透過中間元件連接元件與另一元件。相反地,當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接到另一元件」時,可以理解的是,此時明確定義了不存在中間元件。
應當理解,儘管術語「第一」、「第二」、「第三」等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域、或部分,但是這些元件、部件、區域、及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開。因此,下面討論的「第一元件」、「第一部件」、「第一區域」、或「第一部分」可以被解釋為「第二元件」、「第二部件」、「第二區域」、或「第二部分」而不脫離本文的教導。
圖1為第一實施例之混成式有機廢水處理設備的方塊圖。如圖1所示,第一實施例的混成式有機廢水處理設備1包含氧化劑供應裝置10、觸媒反應槽20、廢氣處理裝置30及廢水處理裝置40。
氧化劑供應裝置10提供氧化劑O
X。在此,氧化劑供應裝置10是以提供較高氧化電位的氧化劑為主,氧化劑供應裝置10可以為臭氧(O
3)、過氧化氫(H
2O
2)、次氯酸(HClO)、氯氣(Cl
2)等。然而,以上僅為示例,而非限於此。觸媒反應槽20包含第一輸入端21、第二輸入端22、反應槽體23、鐵基觸媒24、廢氣輸出端25、以及廢水輸出端26。第一輸入端21輸入未處理有機廢水L
W。第二輸入端22連接氧化劑供應裝置10,以輸入氧化劑O
X。反應槽體23連接第一輸入端21及第二輸入端22,以通入未處理有機廢水L
W及氧化劑O
X。鐵基觸媒24設置於反應槽體中,將氧化劑O
X催化反應產生氫氧自由基,而加速對未處理有機廢水L
W進行氧化反應。廢氣輸出端25及廢水輸出端26分別連接反應槽體23,用以輸出反應廢氣G
R及反應廢水L
R。廢氣處理裝置30連接廢氣輸出端25,以對反應廢氣G
R處理後排出處理氣體G。廢水處理裝置40連接廢水輸出端26,將反應廢水L
R處理後排出放流水L。
在此,以氧化劑O
X為過氧化氫(H
2O
2)為例,鐵基觸媒24的催化反應,如化學反應式(1)所示;而以氧化劑O
X為臭氧(O
3)為例,鐵基觸媒24的催化反應,如化學反應式(2)、(3)所示。
化學反應式(1):
,
化學反應式(2):
,
化學反應式(3):
,其中M可以為二價鐵離子或三價鐵離子,OH•表示氫氧自由基。
以下表1來比較各種常見氧化劑的氧化電位。
表1
氧化劑類別 | 氫氧自由基 (OH․) | 臭氧 (O 3) | 過氧化氫 (H 2O 2) | 次氯酸 (HOCl) | 氯氣 (Cl 2) |
氧化電位(V) | 2.8 | 2.07 | 1.78 | 1.49 | 1.36 |
因此,可以理解的是,在氧化劑的種類中,臭氧是目前氧化電位最高的氧化劑,然而,臭氧對於一般水溶液的溶解度非常差,而使得水溶劑中的有機物質,並無法被達到氧化的功效。在本實施例中,鐵基觸媒24是採用固態的觸媒,例如,氫氧化鐵(FeOOH),顆粒大小為 3-10 mm圓柱狀,BET表面積1- 20 m
2/g,比重1.1 g/cm
3。鐵基觸媒24能吸附未處理有機廢水L
W中的有機分子於其表面,並透過催化反應使得臭氧反應成氫氧自由基。在鐵基觸媒24上能保持較高濃度氫氧自由基和有機分子,除了氫氧自由基的氧化電位更高外,能使得臭氧及其氫氧自由基較不易與溶液中無機鹽結合,加速氧化反應速率也同時降低氧化反應的活化能。
在未處理有機廢水L
W中可能含有各種的有機分子,以下將說明氫氧自由基對於有機分子的氧化反應,如化學反應式(4)至(8)所示,其中化學反應式(7)、(8)包含連續的子反應。
化學反應式(4):
,
化學反應式(5):
,
化學反應式(6):
化學反應式(7):
化學反應式(7-1):
化學反應式(7-2):
化學反應式(7-3):
化學反應式(8):
化學反應式(8-1):
化學反應式(8-2):
。
另外,對於含氮的有機分子,在此所述的氧化反應更至少包含有機氮的氨化反應、以及氨氮的硝化反應。更進一步地,請參考表2,表2臭氧與氫氧自由基對於各種有機分子反應速率的比較,可以理解的是,氫氧自由基與有機分子的反應速率遠大於臭氧與有機分子的反應速率。
在一些實施例中,廢氣處理裝置30可以為觸媒氧化裝置。然而,這僅為示例,實際上只要能分解殘留的有機分子,殘留的氧化劑、淨化氣體、減少固態粒子的裝置均可以使用、或組合使用。例如電漿處理裝置、燃燒塔、洗滌塔、靜電吸附裝置等。在一些實施例中,觸媒氧化裝置所使用的觸媒,可以採用鐵基觸媒,其主要應用於含有水氣的氣體,鐵基觸媒不易受到水氣造成觸媒毒化的現象,而能保持廢氣處理裝置30的處理效率。
表2
反應速率(M -1sec -1) 有機分子 | 臭氧 (O 3) | 氫氧自由基 (OH․) |
氯烯類 (chlorinated alkenes) | 0.1 ~ 1,000 | 10 9~11 |
酚類 (phenols) | 1,000 | 10 9~10 |
胺類 (amides) | 10 ~ 100 | 10 8~10 |
苯類 (aromatics) | 1 ~ 100 | 10 8~10 |
酮類 (ketones) | 1~10 | 10 9~10 |
醇類 (alcohols) | 0.01 ~ 1 | 10 8~9 |
烷類 (alkanes) | 0.01 | 10 6~9 |
另外,再次參見圖1,另一些實施例中,混成式有機廢水處理設備,更包含脫水預熱裝置35。脫水預熱裝置35連接廢氣輸出端25及廢氣處理裝置30,以對反應廢氣G
R加熱至40至150度C,如此以透過溫度加熱,脫除反應廢氣G
R中的水分、同時提升鐵基觸媒的反應效率。
圖2為第二實施例之混成式有機廢水處理設備的方塊圖。如圖2所示,第二實施例的混成式有機廢水處理設備2除了第一實施例的氧化劑供應裝置10、觸媒反應槽20、廢氣處理裝置30及廢水處理裝置40外,更包含生物處理裝置50。第二實施例中,生物處理裝置50連接廢水輸出端26及廢水處理裝置40。生物處理裝置50接收反應廢水L
R,透過微生物對反應廢水L
R中的有機分子先進行礦化反應、氨化反應、硝化反應、或脫硝反應,產生生物汙泥S
B及處理水L
T,並將反應後的處理水L
T排出至廢水處理裝置40。
在此,生物處理裝置50可以透過各種微生物,例如,芽孢菌、瘤根菌、枯草桿菌等,配合其需要的環境,例如,好氧環境、厭氧環境、兼
氧環境等,加速微生物的反應,來達到礦化、硝化、及脫硝的功效。觸媒反應槽20可以先將有機氮轉換為氨、再將氨氮轉換為亞硝酸鹽氮或硝酸鹽氮,而無需整個反應過程都由微生物來完成,大幅提升了處理的效率。
再次參閱圖2,在一些實施例中,混成式有機廢水處理設備2更包含氧化反應槽60。氧化反應槽60設置於觸媒反應槽20與生物處理裝置50之間,氧化反應槽60包含第三輸入端61、第一輸出端63、及第二輸出端65。第三輸入端61連接廢水輸出端26,接收反應廢水L
R。反應廢水L
R進入氧化反應槽60中進行氧化反應而產生氧化反應廢水L
O及殘留廢氣G
O。第一輸出端63連接生物處理裝置50,此時,將氧化反應廢水L
O輸入至生物處理裝置50中進行礦化反應、氨化反應、硝化反應、或脫硝反應。第二輸出端63連接廢氣處理裝置30,將殘留廢氣G
O通入廢氣處理裝置30進行處理。
在一些實施例中,氧化反應槽60除了進行氧化反應,也用以配合生物處理裝置50營造利於後續微生物生長及反應的環境,例如,氧化反應槽60可以為曝氣槽。然而,這僅為示例,而非用以限制。
在另一些實施例中,氧化反應槽60也可以通入第二氧化劑O
X2,用以進一步對反應廢水L
R中有機分子進行氧化反應。在此,選用的第二氧化劑O
X2的溶解度大於氧化劑O
X的溶解度,其目的在於雖然不需要非常高的氧化電位,但能透過充分溶解於液相的第二氧化劑O
X2,而氧化殘留的有機分子。在此,第二氧化劑O
X2可以為過氧化氫(H
2O
2)或次氯酸(HOCl)。
圖3為第三實施例之混成式有機廢水處理設備的方塊圖。如圖3所示,相較於第一實施例及第二實施例,第三實施例的混成式有機廢水處理設備3是將生物處理裝置50設置於觸媒反應槽20之前,接收未處理有機廢水L
W,生物處理裝置50透過其中的複數個微生物將未處理有機廢水L
W中的有機分子進行礦化反應、氨化反應、硝化反應、或脫硝反應,而產生生物汙泥及處理水L
T。此時,處理水L
T中可能含有微生物難以處理有機分子、或是微生物未能完全反應代謝的有機分子。生物處理裝置50連接觸媒反應槽20的第一輸入端21,將反應後的處理水L
T通入觸媒反應槽20中,再進行氧化劑催化反應,以去除該些有機分子。
藉此,可以將觸媒反應槽20裝設於現有的生物處理裝置50後,以促進整體的反應速率,並透過觸媒反應槽20的氧化劑催化反應促進有機分子能充分地被反應分解,而達到放流的標準。換言之,觸媒反應槽20可以如同第二實施例,先以氧化劑催化反應促進有機分子分解,加速生物處理裝置50的處理效率,也可以如同第三實施例,來進一步分解生物處理裝置50未能完全分解的有機分子。
以下將以圖1所述之實施例,並搭配生物處理裝置為實驗例,與單純通入臭氧的比較例進行比較。實驗條件如下:槽體pH值為 9.0- 9.5,氣相臭氧注入量660g、測試廢水樣體積為20L、實驗例的觸媒使用量為 50 g、反應時間為 15 分鐘。
表3
污染指標 | 比較例 (臭氧系統) | 實驗例 (臭氧-觸媒系統) |
溶解COD削減量(g) | 30 | 1452 |
NH 3-N削減量(g) | 6 | 60 |
如表3所示,實驗例對於汙染指標的COD及NH3-N能處理的量均大幅地提升,若依據推算,實驗例的臭氧-觸媒系統化每公斤的觸媒可處理COD約1.27至2.20 kg,有效促進水中有機物分解以及有機氮的氨化反應及氨氮的硝化反應。更進一步地,以生物氨氮硝化負荷為F/M~ 0.01 d
-1、MLVSS 4000 mg/L進行估算,廢水量1 CMD,投入臭氧 33 kg/d的情況下,能降低活性污泥池有效容積大於74 m
3,並進一步降低生物汙泥的產量,實現了電子產業難處理高濃度有機廢水的環保與經濟問題。
綜上所述,混成式有機廢水處理設備1、2是透過鐵基觸媒24催化氧化劑O
X為氧化性更強的氫氧自由基,並吸附有機分子於其表面進行反應,加快了整體的反應速率,加速分解未處理有機廢水L
W中的各種有機物質,有效解決處理速率過慢、或能源消耗量過大的問題。
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾,皆應涵蓋於本發明的範疇內,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:混成式有機廢水處理設備
2:混成式有機廢水處理設備
3:混成式有機廢水處理設備
10:氧化劑供應裝置
20:觸媒反應槽
21:第一輸入端
22:第二輸入端
23:反應槽體
24:鐵基觸媒
25:廢氣輸出端
26:廢水輸出端
30:廢氣處理裝置
35:脫水預熱裝置
40:廢水處理裝置
50:生物處理裝置
60:氧化反應槽
61:第三輸入端
63:第一輸出端
65:第二輸出端
G:處理氣體
GO:殘留廢氣
GR:反應廢氣
L:放流水
LO:氧化反應廢水
LR:反應廢水
LW:未處理有機廢水
LT:處理水
OX:氧化劑
OX2:第二氧化劑
SB:生物汙泥
圖1為第一實施例之混成式有機廢水處理設備的方塊圖。
圖2為第二實施例之混成式有機廢水處理設備的方塊圖。
圖3為第三實施例之混成式有機廢水處理設備的方塊圖。
1:混成式有機廢水處理設備
10:氧化劑供應裝置
20:觸媒反應槽
21:第一輸入端
22:第二輸入端
23:反應槽體
24:鐵基觸媒
25:廢氣輸出端
26:廢水輸出端
30:廢氣處理裝置
40:廢水處理裝置
G:處理氣體
GR:反應廢氣
L:放流水
LR:反應廢水
LW:未處理有機廢水
OX:氧化劑
Claims (10)
- 一種混成式有機廢水處理設備,包含:一氧化劑供應裝置,提供一氧化劑;一觸媒反應槽,包含一第一輸入端、一第二輸入端、一鐵基觸媒、一反應槽體、一廢氣輸出端、以及一廢水輸出端,其中該第一輸入端輸入一未處理有機廢水、該第二輸入端連接該氧化劑供應裝置,以輸入該氧化劑,該反應槽體連接該第一輸入端及該第二輸入端,以通入該未處理有機廢水及該氧化劑,該鐵基觸媒設置於該反應槽體中,將該氧化劑催化反應產生一氫氧自由基,而加速對該未處理有機廢水進行氧化反應,該廢氣輸出端及該廢水輸出端分別連接該反應槽體,用以輸出一反應廢氣及一反應廢水;一廢氣處理裝置,為一觸媒氧化裝置,連接該廢氣輸出端,以對該反應廢氣處理後排出;以及一廢水處理裝置,連接該廢水輸出端,將該反應廢水處理後排出。
- 如請求項1所述之混成式有機廢水處理設備,進一步包含一生物處理裝置,該生物處理裝置連接該廢水輸出端及該廢水處理裝置,該生物處理裝置透過其中的複數個微生物將該反應廢水中的有機分子進行一礦化反應、一氨化反應、一硝化反應、或一脫硝反應,而產生一生物汙泥及一處理水,並將反應後的該處理水排出至該廢水處理裝置。
- 如請求項2所述之混成式有機廢水處理設備,更包含一氧化反應槽,該氧化反應槽設置於該觸媒反應槽與該生物處理裝置之間,該氧化反應槽包含一第三輸入端、一第一輸出端、及一第二輸出端,該第 三輸入端連接該廢水輸出端,接收該反應廢水,該反應廢水進入該氧化反應槽中進行一氧化反應而產生一氧化反應廢水及一殘留廢氣,該第一輸出端連接該生物處理裝置進行該礦化反應、該氨化反應、該硝化反應、或該脫硝反應,將該氧化反應廢水輸入至該生物處理裝置中,該第二輸出端連接該廢氣處理裝置,將該殘留廢氣通入該廢氣處理裝置進行處理。
- 如請求項3所述之混成式有機廢水處理設備,其中該氧化反應槽為一曝氣槽。
- 如請求項3所述之混成式有機廢水處理設備,其中該氧化反應槽更通入一第二氧化劑,該第二氧化劑的溶解度大於該氧化劑的溶解度。
- 如請求項5所述之混成式有機廢水處理設備,其中該第二氧化劑係選自過氧化氫、以及次氯酸所構成之群組。
- 如請求項1所述之混成式有機廢水處理設備,進一步包含一生物處理裝置,該生物處理裝置設置於該觸媒反應槽之前,接收該未處理有機廢水,該生物處理裝置透過其中的複數個微生物將該未處理廢水中的有機分子進行一礦化反應、一氨化反應、一硝化反應、或一脫硝反應,而產生一生物汙泥及一處理水,並將反應後的該處理水通入該觸媒反應槽中,進一步進行該氧化劑催化反應。
- 如請求項1所述之混成式有機廢水處理設備,其中該氧化劑係選自臭氧、過氧化氫、次氯酸、以及氯氣所構成之群組。
- 如請求項1所述之混成式有機廢水處理設備,其中該觸媒氧化裝置至少包含一鐵基觸媒。
- 如請求項1所述之混成式有機廢水處理設備,更包含一脫水預熱裝置,該脫水預熱裝置連接該廢氣輸出端及該廢氣處理裝置,以對該反應廢氣加熱至40至150度C。
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TWI706919B true TWI706919B (zh) | 2020-10-11 |
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TW108132332A TWI706919B (zh) | 2019-09-06 | 2019-09-06 | 混成式有機廢水處理設備 |
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
TWM310216U (en) * | 2006-08-23 | 2007-04-21 | Applied Catalyst Technology In | Apparatus for treatment of cooking gas and wastewater |
CN204384955U (zh) * | 2014-12-31 | 2015-06-10 | 北京斯凯特达科技开发有限公司 | 一种污水生物脱氮处理设备 |
-
2019
- 2019-09-06 TW TW108132332A patent/TWI706919B/zh active
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TWM310216U (en) * | 2006-08-23 | 2007-04-21 | Applied Catalyst Technology In | Apparatus for treatment of cooking gas and wastewater |
CN204384955U (zh) * | 2014-12-31 | 2015-06-10 | 北京斯凯特达科技开发有限公司 | 一种污水生物脱氮处理设备 |
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