申请日2016.10.17
公开(公告)日2017.02.22
IPC分类号C02F9/06
摘要
本发明提供一种力空化耦合催化氧化法处理废水的装置和方法，本发明提供了一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，包括进水泵、预处理系统、电化学废水处理系统、加压泵、水力空化‑Fenton耦合装置、沉淀池和自控系统;采用水力空化器联合Fenton反应处理废水，可大大提高Fenton反应效率，缩短反应时间，减少反应所需药剂量，产生的污泥量也会随之减少。
摘要附图
权利要求书
1.一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：包括预处理系统、电化学废水处理系统、水力空化-Fenton耦合装置、沉淀池和自控系统;进水管一端连接进水泵，另一端与一级管道混合器相连，所述一级管道混合器内设有加酸管，一级管道混合器下游设有在线pH计，所述一级管道混合器与电化学废水处理系统进水管相接，所述电化学废水处理系统出水管连接有二级管道混合器，所述二级管道混合器入口处设有H2O2加药管，出口通过加压泵与水力空化-Fenton耦合装置连接，所述水力空化-Fenton耦合装置出口通过盘管与三级管道混合器相连，所述三级管道混合器入口处设有加碱管，出口处设有在线pH计，出口与沉淀池相接。
2.如权利要求1所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述预处理系统包括进水管、一级管道混合器、加酸管、在线pH计Ⅰ，进水管与管道混合器相连，在管道混合器内设有加酸管，加酸管嘴方向与水流方向相反，管道混合器出口安装有pH计Ⅰ，加酸管和pH计Ⅰ均由自控系统控制，通过自控系统实时调节加酸量使进水pH达到设定值。
3.如权利要求1所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述电化学废水处理系统包括可溶性铁阳电极、钛阴极、电解管、电解电源和电解管壳体;所述电化学废水处理系统由多个电解管组成，所述电解管壳体为圆柱状，上方安装有圆台形集气罩，集气罩末端连接有尾气处理装置。
4.如权利要求3所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述电化学废水处理系统阳极采用可溶性铁电极，所述阳极为圆柱状置于电解管中心，阳极底端与电解管底部连接处设有螺口，可以进行替换;所述电化学废水处理系统阴极采用环形钛极板，置于电解管内壁。
5.如权利要求书1所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述水力空化-Fenton耦合装置包括二级管道混合器、加压泵、多孔板水力空化器和盘管;电化学废水处理系统的电解管出口与所述二级管道混合器入口相连，所述的二级管道混合器靠近进水口处设有H2O2加药管，H2O2加药管与加压泵连接，自控系统通过控制加压泵流量定量投加H2O2。
6.如权利要求书5所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述水力空化器的多孔板由法兰固定在管道上，所述多孔板开孔率在0.05～0.09，厚度为5～8mm。
7.如权利要求书5所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述加压泵扬程40～60m，所述多孔板水力空化器下游压强为120～150kpa。
8.如权利要求书5所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述盘管进水口与水力空化器出水口相连，管内压强为120～150kpa。
9.如权利要求书1所述的一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，其特征在于：所述盘管出口处与所述三级管道混合器入口相连，靠近混合器入口处设有加碱管，加碱管嘴方向与水流方向相反，管道混合器出口安装有pH计Ⅱ，加碱管和pH计Ⅱ均由自控系统控制，通过自控系统实时调节加碱量使进水pH达到设定值。
10.一种水力空化-催化氧化联合处理废水的方法，具体包括如下步骤：
第一步，废水经过预处理系统，加药泵开始工作，在一级管道混合器内酸与废水迅速混合，pH计向自控系统给出信号从而调节加药泵流量，使进水pH达到3～4;
第二步，废水经过预处理后送入电化学废水处理系统，所述电化学废水处理系统的阳极为可溶性铁电极，在电极氧化作用下对废水进行降解的同时产生大量Fe2+，电解过程中通过调节电流密度控制可溶性铁极板Fe2+生成量;
第三步，电解出水进入二级管道混合器与H2O2混和进行Fenton催化氧化反应，所述Fenton催化氧化反应H2O2与废水COD质量比为1:1～1:0.8，H2O2与Fe2+摩尔比为10～20，通过自控系统调节电流密度及H2O2加药泵流量，精确控制H2O2与Fe2+反应比例;
电流密度j与COD浓度之间的关系为：
K—系数(K=50-150)
S—可溶性铁极板面积(m2)
Q—电解管内流量(m3/s)
第四步，采用加压泵使二级管道混合器内催化氧化混合液通过多孔板水力空化器，保持进水压力在0.3～0.6MPa，孔前流速为4～5m，孔板下游压力为120～150kpa，在水力空化作用下加剧催化氧化反应，可以使Fe2+与H2O2充分混合，提高催化氧化反应效率，水力空化作用下产生的局部高温、高压、冲击波极端物理条件能有效降解废水中的有机物;
第五步，所述水力空化器出水进入盘管继续进行Fenton反应，使盘管内压力保持在120～150kpa，加强H2O2的氧化效果;
第六步，盘管的出水进入三级管道混合器，三级管道混合器出水口处的在线pH计将pH值反馈给自控系统，自控系统通过调节加药泵流量向所述盘管出水加入NaOH调节pH至8～9后送入沉淀池，在沉淀池内进行混凝沉淀后排出上清液。
说明书
一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置和方法
技术领域
本发明属于废水高级氧化处理领域，主要涉及一种水力空化耦合催化氧化法处理废水的装置和方法。
背景技术
Fenton高级氧化技术具有氧化性强、反应效率高、副产物少、运行稳定、操控简单等优点，是处理高浓度有机废水的常用方法，但是仍存在有运行费用高、氧化剂H2O2利用效率低、氧化剂与催化剂无法实现动态调整等问题。近年来，人们不断的对Fenton技术进行改造和研究，创造出了很多以Fenton氧化技术为基础的类Fenton氧化法。
中国专利号：201010107539.9“一种处理生化难降解有机废水的工艺方法”公开了一种超声波空化协同Fenton试剂处理有机废水的方法，但超声空化存在设备复杂、能量利用率低、难以实现工业化操作的缺点。水力空化技术是一种新型的水处理方法，利用液体通过收缩装置时的压力变化，产生大量空化气泡，空话气泡破裂的瞬间会形成微射流、冲击波释放出巨大的能量。这种局部的高能量作用下液体会裂解为O·、OH·等具有强氧化性能的活性自由基，可以有效降解复杂的有机物，且具有不产生二次污染，反应条件容易控制、设备简单的优点。将Fenton氧化技术与水力空化技术联合处理高浓度有机废水，可以实现二者的优势互补，提高催化氧化氧化效率。
发明内容
根据现有技术的不足，即Fenton反应运行成本高、反应时间长，会产生大量污泥等问题，本发明的目的是提供一种水力空化-Fenton联合处理废水的装置和方法，通过电解池预处理、水力空化和Fenton氧化的联合作用，实现难降解有机废水的处理，出水可达二级排放标准。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水力空化耦合Fenton法处理废水的装置，包括预处理系统、电化学废水处理系统、水力空化-Fenton耦合装置、沉淀池和自控系统;进水管一端连接进水泵，另一端与一级管道混合器相连，所述一级管道混合器内设有加酸管，一级管道混合器下游设有在线pH计，所述一级管道混合器与电化学废水处理系统进水管相接，所述电化学废水处理系统出水管连接有二级管道混合器，所述二级管道混合器入口处设有H2O2加药管，出口通过加压泵与水力空化-Fenton耦合装置连接，所述水力空化-Fenton耦合装置出口通过盘管与三级管道混合器相连，所述三级管道混合器入口处设有加碱管，出口处设有在线pH计，出口与沉淀池相接。
为了进一步准确调节废水的pH值，所述预处理系统包括进水管、一级管道混合器、加酸管、在线pH计Ⅰ，进水管与管道混合器相连，在管道混合器内设有加酸管，加酸管嘴方向与水流方向相反，管道混合器出口安装有pH计Ⅰ，加酸管和pH计Ⅰ均由自控系统控制，通过自控系统实时调节加酸量使进水pH达到设定值。
所述电化学废水处理系统包括可溶性铁阳电极、钛阴极、电解管、电解电源和电解管壳体;所述电化学废水处理系统由多个电解管组成，所述电解管壳体为圆柱状，上方安装有圆台形集气罩，集气罩末端连接有尾气处理装置。在电极氧化作用下对废水进行降解的同时产生大量Fe2+，电解过程中通过调节电流密度控制可溶性铁极板Fe2+生成量。
所述电化学废水处理系统阳极采用可溶性铁电极，所述阳极为圆柱状置于电解管中心，阳极底端与电解管底部连接处设有螺口，可以进行替换;所述电化学废水处理系统阴极采用环形钛极板，置于电解管内壁。
所述水力空化-Fenton耦合装置包括二级管道混合器、加压泵、多孔板水力空化器和盘管;电化学废水处理系统的电解管出口与所述二级管道混合器入口相连，所述的二级管道混合器靠近进水口处设有H2O2加药管，H2O2加药管与加压泵连接，自控系统通过控制加压泵流量定量投加H2O2。
所述水力空化器的多孔板由法兰固定在管道上，所述多孔板开孔率在0.05～0.09，厚度为5～8mm。所述加压泵扬程40～60m，所述多孔板水力空化器下游压强为120～150kpa。在水力空化作用下加剧催化氧化反应，可以使Fe2+与H2O2充分混合，提高催化氧化反应效率，水力空化作用下产生的局部高温、高压、冲击波极端物理条件能有效降解废水中的有机物;
所述盘管出口处与所述三级管道混合器入口相连，靠近混合器入口处设有加碱管，加碱管嘴方向与水流方向相反，管道混合器出口安装有pH计Ⅱ，加碱管和pH计Ⅱ均由自控系统控制，通过自控系统实时调节加碱量使进水pH达到设定值。
一种水力空化-催化氧化联合处理废水的方法，具体包括如下步骤：
第一步，废水经过预处理系统，加药泵开始工作，在一级管道混合器内酸与废水迅速混合，pH计向自控系统给出信号从而调节加药泵流量，使进水pH达到3～4;
第二步，废水经过预处理后送入电化学废水处理系统，所述电化学废水处理系统的阳极为可溶性铁电极，在电极氧化作用下对废水进行降解的同时产生大量Fe2+，电解过程中通过调节电流密度控制可溶性铁极板Fe2+生成量;
可溶性铁电极反应在电解管内反应为：
Fe-2e-→Fe2+
按照一项化学反应速度的表示方法，电极反应速度为
ν—异相反应速度(mol/(s·m2))
根据法拉第定律，电极反应速度用电流密度表示为
F—法拉第常数(F=96500C)
n—每生成一个R分子需消耗电子数
当电极反应达到稳定状态时，外电流将全部消耗于电极反应，因此实验测得的外电流密度值就代表了电极反应速度。
据此可以通过控制电流密度j和废水在电解管内流量Q来调节电解废水中Fe2+浓度，Fenton催化氧化反应H2O2与废水COD质量比为1:1～1:0.8，H2O2与Fe2+摩尔比为10～20，可得电流密度与COD浓度之间的关系为：
K—系数(K=50-150)
S—可溶性铁极板面积(m2)
Q—电解管内流量(m3/s)
第三步，电解出水进入二级管道混合器与H2O2混和进行Fenton催化氧化反应，通过自控系统调节电流密度及H2O2加药泵流量，精确控制H2O2与Fe2+反应比例;
第四步，采用加压泵使二级管道混合器内催化氧化混合液通过多孔板水力空化器，保持进水压力在0.3～0.6MPa，孔前流速为4～5m，孔板下游压力为120～150kpa，在水力空化作用下加剧催化氧化反应，可以使Fe2+与H2O2充分混合，提高催化氧化反应效率，水力空化作用下产生的局部高温、高压、冲击波极端物理条件能有效降解废水中的有机物;
第五步，所述水力空化器出水进入盘管继续进行Fenton反应，使盘管内压力保持在120～150kpa，加强H2O2的氧化效果;
第六步，盘管的出水进入三级管道混合器，三级管道混合器出水口处的在线pH计将pH值反馈给自控系统，自控系统通过调节加药泵流量向所述盘管出水加入NaOH调节pH至8～9后送入沉淀池，在沉淀池内进行混凝沉淀后排出上清液。
本发明的有益效果为：
(1)高浓度有机废水首先在电解池内进行处理，在电化学氧化以及电解产生的OH·等强氧化剂的作用下可将难降解的大分子有机物被氧化为小分子物质;
(2)电解池阳极采用可溶性铁极板，可以通过调节电流密度较为精确的实时控制反应器内Fe2+的浓度，使催化氧化反应中的Fe2+与H2O2一直处于最佳反应比例，在达到最佳处理效果的同时减少污泥产生量;
(3)采用水力空化器联合Fenton反应处理废水，可大大提高Fenton反应效率，缩短反应时间，减少反应所需药剂量，产生的污泥量也会随之减少;
(4)本发明废水处理过程均在管道内进行，采用管道混合器可使氧化剂与废水充分混合，设备占地面积小，且可根据地势、处理水量灵活布置反应器。