申请日2017.10.20
公开(公告)日2018.02.23
IPC分类号C02F9/06; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置。该装置可以在三种工作模式下运行，利用等离子体‑吸附‑催化协同作用处理废水，针对不同水质参数的废水选择合适的工作模式，解决介质阻挡放电装置处理能耗大、运行成本高、催化剂充填难度大等问题。该装置的高压电极与地电极表面附着催化剂涂层，以阵列方式交叉排列;吸附剂模块放置于相邻两列电极之间，形成等离子体放电区‑吸附区的间隔排布，既可使等离子体放电产生的活性物种与吸附剂上的有机污染物充分接触，使饱和吸附剂模块达到原位再生的目的，也能利用催化剂涂层提高等离子体放电的均匀稳定性，三者协同作用共同提高难降解有机污染物的效率，达到彻底矿化的目的。
权利要求书
1.一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于，由高压电源、高压电极、地电极、催化剂涂层、喷头、蓄水池、出水口、进气口、出气口和壳体组成;
所述的高压电极和地电极由绝缘介质管和插在绝缘介质管内的金属电极构成;所述的绝缘介质管一端开口一端封闭，所述的金属电极从绝缘介质管的开口端延伸出来;所述的金属电极和绝缘介质管的内壁紧密贴合;
所述的壳体的两个相对的侧壁上开有小孔阵列，小孔的直径与绝缘介质管直径对应，小孔的横向间距为1-5mm;
所述的高压电极和地电极各有若干，可拆卸地两端固定在所述的侧壁的小孔上，横向间隔地平行排列，构成若干高压电极列和若干地电极列;所述的高压电极的金属电极延伸端全部从壳体的一个侧壁延伸出壳体并连接高压电源;所述的地电极的金属电极延伸端全部从壳体相对的另一个侧壁延伸出壳体并接地;所述的高压电极列和地电极列的横向间隔全部一致，且横向间距可调，为所述的小孔横向间距的1-10倍;
所述的蓄水池位于高压电极和地电极的下方;所述的喷头固定于所述的壳体的顶壁上，喷洒角度与高压电极和地电极围成横截面积相对应，使废水均匀的通过高压电极和地电极之间的放电间隙;所述的出水口设置在壳体的底部;所述的进气口和出气口，一个设置在壳体的顶壁上，另一个则设置在高压电极和地电极下方，蓄水池上方的侧壁上，气路方向由所通气体的具体性质决定;
所述的催化剂涂层附着在绝缘介质管的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于所述的装置还包括吸附剂模块，所述的吸附剂模块具有透水性，可拆卸地固定在高压电极列与地电极列之间的放电间隙内;或置于所述的蓄水池中。
3.根据权利要求2所述的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于所述的吸附剂模块是直接压制成片的吸附剂，或是填充了粉末状、颗粒状、条状或块状吸附剂的绝缘材料制成的网状盒子;填充的吸附剂为树脂、沸石、活性炭纤维、硅藻土或膨润土中的若干种。
4.根据权利要求1所述的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于所述绝缘介质管为石英玻璃、聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷中任一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于所述的催化剂涂层为TiO2、ZrO2、WO3、CeO2或Al2O3中的若干种;所述的催化剂涂层以冷柜喷涂法、静电喷涂法、热喷涂法或等离子体喷涂法附着在所述的绝缘介质管的外表面。
6.根据权利要求1所述的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于所述的绝缘介质管的封闭端的绝缘介质厚度大于所述的侧壁的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于所述的高压电源为单极性脉冲电源、双极性脉冲电源或交流电源中任一种，电压峰值为4-100kV。
8.根据权利要求2所述的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，其特征在于所述废水处理装置具有三种工作模式，分别为：
(1)低温等离子体结合催化剂模式;
(2)低温等离子体结合催化剂和原位再生的吸附剂模式;
(3)低温等离子体结合催化剂和异位再生的吸附剂模式;
针对不同浓度的难降解有机废水和吸附剂特性，通过选择合适的工作模式，来解决处理难降解有机工业废水。
说明书
一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置
技术领域
本发明属于废水降解领域，具体涉及一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置。
背景技术
近年来，随着石油化工、造纸、合成纤维、焦化、印染等行业的迅速发展，各种含有大量难生物降解的有机污染物的废水相应增多，大量工业废水不达标外排，导致我国出现水资源短缺和水污染严重的双重环境问题。
难降解有机废水的处理是水处理领域的难点和重点。难降解有机物是指被微生物分解时速度很慢，分解不彻底的有机物(也包括某些有机物的代谢产物)，这类污染物易在生物体内富集，也容易成为水体的潜在污染源。难降解有机废水的共同特点是毒性大、成分复杂、浓度高、可生化性差，包括表面活性剂、杂环类化合物、多环芳烃、卤代烃、有机氰化物、有机磷农药和有机染料等有毒有害物质。
难降解有机废水采用传统的物化、生化处理工艺技术，极难对其进行彻底降解。目前该类废水的处理方法主要有以下三种，即：一、吸附法;二、过滤法;三、臭氧催化氧化法。其中，对于吸附法来说，由于吸附剂存在吸附容量有限、寿命短、选择性吸附、成本高且再生困难等缺点，大大限制了该方法的使用;对于过滤法来说，由于滤膜抗污染性能差、机械强度低且极易堵塞，堵塞后再生困难，不得不频繁更换滤膜，以至运行成本高昂，在工业应用中也是受到极大的限制;而对于臭氧催化氧化法来说，以下3方面的因素影响了效率和效果：1)臭氧在常压下，在废水中的溶解度有限，即单位体积废水中溶解的臭氧浓度较低，从而限制了臭氧氧化废水中有机物的速率和效果;2)臭氧曝气头的曝气孔径不能做到足够小，致使曝气气泡直径过大，不能与污水中的有机物充分接触，进而影响其与有机物的反应(目前，耐臭氧氧化的钛合金曝气头的孔径最小可做到：450nm);3)目前生产臭氧的电耗仍然较高，每公斤臭氧约耗20-35度，需要继续改进生产，降低电耗。这些因素导致臭氧催化氧化法对有机工业废水的降解效率和效果难以达到要求，而且仅凭臭氧的催化氧化能力无法降解有机废水中的难降解成分。
由于以上三种方法本身存在的种种缺点，大大制约和限制了它们的推广应用，因此如何低成本、高效地处理难降解有机工业废水业已成为污水处理行业亟待解决的难题。
低温等离子体技术是一种新型的水处理高级氧化技术，它兼具自由基氧化、高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光解和热解等多种效应于一体，能有效去除废水中的各种污染物，尤其是难降解有机污染物，具有处理范围广、处理效率高和无二次污染等优点。催化剂(如TiO2、ZrO2、WO3、CeO2和Al2O3等)在光照下能产生大量的电子空穴和羟基自由基，具有极强的氧化作用，而等离子体放电过程中产生大量紫外线和活性物质，具有较强的氧化还原能力，在有氧环境下还能产生大量的活性自由基，因此大大增强等离子体的处理效率。此外，吸附剂模块(如多孔陶瓷微球、沸石、活性炭纤维、硅藻土等)具有非常好的吸附能力，能够吸附浓缩目标污染物。继而在·OH、O·等活性自由基、O3、UV以及浓缩富集等协同作用下，通过脱甲基作用、脱氨基作用以及开环作用达到对目标物质的降解，这样不仅大分子有机物变成H2O和CO2等小分子物质，而且吸附剂模块也达到再生处理，提高吸附剂模块的吸附寿命和再生性能，从而达到彻底降解有机污染物的目的。因此，低温等离子体技术降解工业有机废水具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，该装置可在三种工作模式下运行，针对不同浓度的难降解有机废水，通过选择合适的工作模式，来解决处理难降解有机工业废水的运行成本高、处理效率低的问题。
本发明提出的一种低温等离子体结合催化剂和吸附剂的废水处理装置，由高压电源、高压电极、地电极、催化剂涂层、喷头、蓄水池、出水口、进气口、出气口和壳体组成;
所述的高压电极和地电极由绝缘介质管和插在绝缘介质管内的金属电极构成;所述的绝缘介质管一端开口一端封闭，所述的金属电极从绝缘介质管的开口端延伸出来;所述的金属电极和绝缘介质管的内壁紧密贴合;
所述的壳体的两个相对的侧壁上开有小孔阵列，小孔的直径与绝缘介质管直径对应，小孔的横向间距为1-5mm;
所述的高压电极和地电极各有若干，可拆卸地两端固定在所述的侧壁的小孔上，横向间隔地平行排列，构成若干高压电极列和若干地电极列;所述的高压电极的金属电极延伸端全部从壳体的一个侧壁延伸出壳体并连接高压电源;所述的地电极的金属电极延伸端全部从壳体相对的另一个侧壁延伸出壳体并接地;所述的高压电极列和地电极列的横向间隔全部一致，且横向间距可调，为所述的小孔横向间距的1-10倍;
所述的蓄水池在高压电极和地电极的下方;所述的喷头固定在所述的壳体的顶壁上，喷洒角度与高压电极和地电极围成横截面积相对应，使废水均匀的通过高压电极和地电极之间的放电间隙;所述的出水口设置在壳体的底部;所述的进气口和出气口，一个设置在壳体的顶壁上，另一个设置在高压电极和地电极下方，蓄水池上方的侧壁上，气路方向由所通气体的具体性质决定;
所述的催化剂涂层附着在绝缘介质管的外表面;
本发明中，所述的装置还包括吸附剂模块，所述的吸附剂模块具有透水性，可拆卸地固定在高压电极列与地电极列之间的放电间隙内;或置于所述的蓄水池中。
本发明中，所述的吸附剂模块是直接压制成片的吸附剂，或是填充了粉末状、颗粒状、条状或块状吸附剂的绝缘材料制成的网状盒子;填充的吸附剂为树脂、沸石、活性炭纤维、硅藻土或膨润土中若干种。
本发明中，所述绝缘介质管为石英玻璃、聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷中任一种制成。
本发明中，所述的催化剂涂层为TiO2、ZrO2、WO3、CeO2或Al2O3等金属价态能达到+3价以上的高价态金属氧化物中的若干种;所述的催化剂涂层以冷柜喷涂法、静电喷涂法、热喷涂法或等离子体喷涂法附着在所述的绝缘介质管的外表面。
本发明中，所述的绝缘介质管的封闭端的绝缘介质厚度大于所述的侧壁的厚度。
本发明中，所述的高压电源为单极性脉冲电源、双极性脉冲电源或交流电源，电压峰值为4-100kV。
本发明中，所述的废水处理装置具有三种工作模式，分别为：
(1)低温等离子体结合催化剂模式;
(2)低温等离子体结合催化剂和原位再生的吸附剂模式;
(3)低温等离子体结合催化剂和异位再生的吸附剂模式;
针对不同浓度的难降解有机废水和吸附剂特性，通过选择合适的工作模式，来解决处理难降解有机工业废水。
本发明的有益效果在于：
(1)装置简单，吸附剂模块可拆卸;
(2)操作灵活，既可将吸附剂模块放置于放电空间，使等离子体放电电场效应增强;也可置于尾端进行深度处理吸附;
(3)降解过程中，不投加化学药剂，不产生二次污染，适合于进一步工业化应用。