申请日2012.10.23
公开(公告)日2013.01.09
IPC分类号C02F9/08
摘要
本发明提供的一体化处理难降解有机废水的设备，包括反应装置、紫外/臭氧发生扩散装置、电化学催化装置、超声装置和电源;所述反应装置下部设有进水口、上部设有出水口;所述紫外/臭氧发生扩散装置包括依次连接的内部设有紫外灯管的石英套管、气体泵和气体扩散器，所述气体扩散器设于反应装置底部;所述石英套管设于反应装置内，其一端设有进气管，另一端设有出气管并与气体泵连接;所述电化学催化装置及超声装置设于反应装置内;所述紫外灯管、电化学催化装置及超声装置分别与电源连接。该设备结构简单紧凑、占地面积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，净化水质的效果好、处理效率高。
权利要求书
1.一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：包括反应装置(1)、紫外/臭 氧发生扩散装置(2)、电化学催化装置(3)、超声装置(4)和电源(5);所述反应 装置(1)下部设有进水口(11)、上部设有出水口(12);所述紫外/臭氧发生扩散装 置(2)包括依次连接的内部设有紫外灯管(22)的石英套管(21)、气体泵(23) 和气体扩散器(24)，所述气体扩散器(24)设于反应装置(1)底部;所述石英套 管(21)设于反应装置(1)内，其一端设有进气管，另一端设有出气管并与气体泵 (23)连接;所述电化学催化装置(3)及超声装置(4)设于反应装置(1)内;所 述紫外灯管(22)、电化学催化装置(3)及超声装置(4)分别与电源(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：还包 括前处理装置(6)，所述前处理装置(6)的出水口与反应装置(1)上的进水口(11) 连接，所述前处理装置(6)包括过滤装置、气浮装置、混凝沉淀装置或生物处理装 置中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：还包 括气液分离器(7)，所述气液分离器(7)上设有进水管、出水管和出气管，其进水 管与反应装置(1)上的出水口(12)连接。
4.根据权利要求3所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：还包 括臭氧尾气破坏器(71)，所述臭氧尾气破坏器(71)与气液分离器(7)出气管连 接;还包括残余氧化物检测仪(74)，所述残余氧化物检测仪(74)与气液分离器(7) 出水管连接。
5.根据权利要求4所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：所述 紫外/臭氧发生扩散装置(2)还包括依次连接的气相臭氧浓度检测器(25)、止回阀 (26)，所述气相臭氧浓度检测器(25)和止回阀(26)依次设于气体泵(23)和气 体扩散器(24)之间。
6.根据权利要求5所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：还包 括自控单元(8)、盐度/温度传感器(9)和pH传感器(10);所述自控单元(8)分 别与电源(5)、盐度/温度传感器(9)、pH传感器(10)、气相臭氧浓度检测器(25) 以及残余氧化物检测仪(74)连接，所述盐度/温度传感器(9)、pH传感器(10)、 气相臭氧浓度检测器(25)和残余氧化物检测仪(74)输出检测信号至自控单元(8)， 所述自控单元(8)输出控制信号至电源(5)。
7.根据权利要求1所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：所述 超声装置(4)为震子式超声发生器或震杆式超声发生器，频率为20-60KHz，功率 密度为0.3W/cm2以上;所述紫外灯管(22)为产臭氧型低压或中压汞灯，功率为 8-3000W;所述气相臭氧浓度检测器(25)可对气体流量和臭氧浓度进行监测;所 述气体扩散器(24)为多孔曝气板、水射流器或中空纤维膜。
8.根据权利要求1所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：所述 电化学催化装置(3)包括多功能阳极(31)和多功能阴极(32)，所述多功能阳极 (31)和多功能阴极(32)分别与电源(5)连接;所述的多功能阳极(31)表面载 有二氧化钛粒子或二氧化钛纳米管;所述的多功能阴极(32)表层为活性炭纤维或 碳纳米管，表面载有金属或金属氧化物。
9.根据权利要求1所述的一种一体化处理难降解有机废水的设备，其特征在于：还包 括前处理装置(6)，所述气体扩散器(24)为水射流器，所述水射流器的进水口与 前处理装置(6)连接。
10.一种利用权利要求1至9任一项所述的一体化处理难降解有机废水的设备处理难降 解有机废水的方法，包括以下步骤：
(1)利用前处理装置将待净化水进行前处理，得初级净化水;
(2)将初级净化水通入一体化处理难降解有机废水的设备中，同步利用吸附催化结 合声、光、电耦合强化催化臭氧化处理，即得净化水。
说明书
一种一体化处理难降解有机废水的设备及方法
技术领域
本发明属于有机废水处理设备领域，特别涉及一种一体化处理难降解有机废水的设 备，还涉及利用该设备处理有机废水中难降解有机污染物的方法。
背景技术
随着现代工业的不断发展，大量的有机化合物被广泛地应用于人类的生产和生活， 各种含有难生物降解的有机污染物的废水也随之增多。这些废水普遍具有污染物浓度 高、毒性大、可生化性差的特点，对水环境造成了严重污染，直接威胁着人类的健康。
目前，对于此类难降解有机废水的处理常采用物化法、化学法、生化法等，但由于 水质的特殊性，常规处理技术很难达到满意的效果。因此，难降解有机废水的处理研究 一直是国内外水处理工作中的一个难点和研究热点。
高级氧化技术(AOPs)是以促进产生高活性的羟基自由基(·OH)为目的的氧化 技术。羟基自由基是一种很强的氧化剂，它能与有机分子结合生成二氧化碳和水及其他 无机物，从而最终实现污染物的无害化处置。高级氧化技术作为一种有效的废水处理手 段，近年来引起了越来越多的关注。其中，尤以臭氧法、光催化法、超声催化法和电化 学催化法等因其良好的可操控性以及与环境有着较好的兼容性而受到人们的青睐。臭氧 具有很强的氧化能力，能有效除臭、脱色、杀菌、降解有机物，温度和压力等反应条件 温和，清洁无污染;但是臭氧与有机物的反应具有较强的选择性，且单纯臭氧氧化处理 废水的效率低，处理成本高，需要探索催化臭氧氧化、臭氧联用等新技术。光催化、电 化学催化和超声催化技术是最近发展起来的新型高级氧化技术，均具有设备简单、条件 温和、易于自动控制，并且不会带来二次污染等优点，被誉为“环境友好”的水处理技 术。然而，单一的超声处理很难有效降解有机污染物;光催化处理能力强，但效率较低; 同时由于水电解点位窗口的限制等因素，电化学催化技术需要寻求高性能的电极和合适 的协同耦合技术。因此，寻求建立一种可以在常温常压下进行，并且有高效性和广谱性 的高级氧化耦合技术，使各反应之间协同互补，提高处理效果，设计出一体化的反应装 置简化工艺并缩小体积是有效解决难降解有机废水处理及推动该技术能够实际应用的 关键。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供了一种效率高、成本低的处理难降解有机废水的设 备以及利用该设备处理难降解有机废水的方法。
技术方案：本发明提供的一体化处理难降解有机废水的设备，包括反应装置、紫外/ 臭氧发生扩散装置、电化学催化装置、超声装置和电源;所述反应装置下部设有进水口、 上部设有出水口;所述紫外/臭氧发生扩散装置包括依次连接的内部设有紫外灯管的石英 套管、气体泵和气体扩散器，所述气体扩散器设于反应装置底部;所述石英套管设于反 应装置内，其一端设有进气管，另一端设有出气管并与气体泵连接;所述电化学催化装 置及超声装置设于反应装置内;所述紫外灯管、电化学催化装置及超声装置分别与电源 连接。
其中，反应装置可为圆筒形或长方体形，制备材料可为金属、有机玻璃、塑料等; 气体泵可将石英套管腔体中的气体抽送至气体扩散器;电源为直流型或脉冲型，可同时 满足紫外灯管、电化学催化和超声发生要求，并具备输出可调，信号反馈、远程可控等 功能。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的一种改进，还包括前处理装置，所 述前处理装置的出水口与反应装置上的进水口连接，所述前处理装置包括过滤装置、气 浮装置、混凝沉淀装置或生物处理装置中的一种或几种;从而利用过滤、气浮、混凝沉 淀或生物处理等方法对难降解有机废水前处理，提高该装置的处理效率及处理效果。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的进一步改进，还包括第一液体控制 阀，所述第一液体控制阀设于前处理装置的出水口和反应装置上的进水口之间;从而方 便控制处理水量及处理时间，提高处理效果，保证出水水质。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种改进，还包括气液分离器， 所述气液分离器上设有进水管、出水管和出气管，其进水管与反应装置上的出水口连接; 利用气液分离器分离处理后水中未反应的臭氧及其他气体，从而提高处理效果，保证出 水水质。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的进一步改进，还包括第二液体控制 阀，所述第二液体控制阀设于气液分离器与反应装置上的出水口之间;从而方便控制处 理水量及处理时间，提高处理效果，保证出水水质。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种改进，还包括臭氧尾气破坏 器，所述臭氧尾气破坏器与气液分离器出气管连接;所述臭氧尾气破坏器为化学吸收型 臭氧尾气破坏器或催化反应型臭氧尾气破坏器;利用臭氧尾气破坏器处理分离的未反应 的臭氧，从而避免对环境造成污染。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的进一步改进，还包括第二气体控制 阀，所述第二气体控制阀与臭氧尾气破坏器连接。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种改进，还包括残余氧化物检 测仪，所述残余氧化物检测仪与气液分离器出水管连接;利用残余氧化物检测仪在线监 测出水中残余氧化物，从而便于随时根据出水中残余氧化物的量实时调整设备参数，使 设备方便操作，提高出水水质。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的进一步改进，所述紫外/臭氧发生扩 散装置还包括依次连接的气相臭氧浓度检测器和止回阀，所述气相臭氧浓度检测器和止 回阀设于气体泵和气体扩散器之间;利用气相臭氧浓度检测器在线监测臭氧的浓度及流 量，从而使设备反应参数设置更准确，进而提高出水水质，降低处理成本;利用止回阀 防止无气体通入时水体逆流。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种改进，还包括自控单元、盐 度/温度传感器和pH传感器;所述自控单元分别与电源、盐度/温度传感器、pH传感器、 气相臭氧浓度检测器以及残余氧化物检测仪连接，所述盐度/温度传感器、pH传感器、 气相臭氧浓度检测器和残余氧化物检测仪输出检测信号至自控单元，所述自控单元输出 控制信号至电源。所述自控单元可进行软件编程，信号采集，信号分析，模拟计算，自 动调控，错误报警，数据记录等功能，从而实现参数设定、调节、故障反馈、报警与记 录等功能的智能化操作，提高了该设备的实用性。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的一种优选，所述超声装置为震子式 超声发生器或震杆式超声发生器，频率为20-60KHz，功率密度为0.3W/cm2以上。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种优选，所述紫外灯管为产臭 氧型低压或中压汞灯，功率为8-3000W;所述气相臭氧浓度检测器可对气体流量和臭氧 浓度进行监测。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种优选，所述气体扩散器为多 孔曝气材料、水射流器或中空纤维膜。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种改进，所述电化学催化装置 包括多功能阳极和多功能阴极，所述多功能阳极和多功能阴极分别与电源连接;所述的 多功能阳极表面载有二氧化钛粒子或二氧化钛纳米管;所述的多功能阴极表层为活性炭 纤维或碳纳米管，表面载有金属或金属氧化物。
作为本发明一体化处理难降解有机废水的设备的另一种改进，还包括前处理装置， 所述气体扩散器为水射流器，所述水射流器的进水口与前处理装置出水口连接;从而使 臭氧气体与待处理水以气水混合形式进入反应装置内，提高了处理效率，减少了反应时 间，降低了处理成本，提高了出水水质。
本发明还提供了一种利用上述一体化处理难降解有机废水的设备处理难降解有机废 水的方法，包括以下步骤：
(1)利用前处理装置将待净化水进行前处理，得初级净化水;
(2)将初级净化水通入一体化处理难降解有机废水的设备中，同步利用吸附催化结
合声、光、电耦合强化催化臭氧化处理，即得净化水。
有益效果：本发明提供的一体化处理难降解有机废水的设备结构简单紧凑、占地面 积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，利用物理吸附、电化学催化、臭氧以及超 声的复合耦合作用有效处理水中的有机污染物，实现较好的净化水质的效果，处理效果 好、处理效率高。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
一、利用电化学催化、声化学催化、光催化、催化臭氧化等技术之间存在的耦合协 同作用，可显著提高处理效果，实现单一工艺、分级工艺或其他现有一般工艺难以达到 的降解效果，复合协同工艺的应用亦可降低处理成本，具有广阔的市场前景。
本发明利用特定紫外波段辐射的光催化和产臭氧性能，在同一反应区间实现电化学 催化、声化学催化、光催化和催化臭氧化等技术的耦合，能够显著提高废水中难降解有 机物的处理率：超声能够有效强化水体和臭氧传质，同时超声导致气泡崩塌产生的高温 高压有利于复合体系中自由基的形成加快有机物的降解，此外还可以清洗电极及紫外系 统的石英管壁;电场作用下能够改变反应液体的特性，进一步加速了臭氧化反应;紫外 辐射能够大大提高臭氧化效率，并且产生光电催化效应。
采用分段、分级工艺处理废水中难降解有机物时，不但不能同时利用几种技术之间 的协同作用，而且由于反应存在先后顺序，反应物的变化和中间产物的生成均会影响水 质和体系特性，从而降低了各工艺的处理效率及效果：光电催化或臭氧/光催化能较单一 技术时效率提高，然而存在紫外系统的清洗和臭氧利用率低下等问题;超声与臭氧耦合 能够起到强化臭氧传质的作用，然而却无法改变反应液体的特性;而电化学与臭氧耦合 可改变反应液体特性，加速臭氧分解，然而却易受臭氧传质和扩散的限制;因此，均难 以有效提高废水中难降解有机物的处理率。
二、利用多功能电极，可在同一反应区间实现物理吸附降解、电化学催化降解、光 催化降解、催化臭氧化降解、声化学降解等多种反应及他们之间的协同效应，使反应器 结构紧凑，提高处理效果的同时显著缩小反应器体积。
化学反应的耦合受反应条件的严格限制，简单地采用超声、电化学催化、光催化和 臭氧等工艺复合并不能获得最佳的处理效果。本发明利用表面具有不同载体的电极，将 物理吸附反应引入反应体系，从而形成物理/化学耦合反应体系。当这几种工艺在同一反 应区间时，在原有基础上还增加了物理吸附降解、吸附/催化臭氧化耦合降解、吸附/电 化学催化耦合降解等三大反应，从而真正实现了一体化高效的水处理，减小了设备体积， 降低了处理成本，带来了简单工艺复合所不具备的特殊效果。
三、利用超声技术不但实现多种协同降解反应，同时可加强水体传质，清洗电极、 石英管壁和反应器壁，避免污垢沉积，使之能够长期有效运行，管理方便。
四、利用特定波段的紫外辐射，同步实现光化学反应和产臭氧，将产生的臭氧抽送 至反应体系中，不但有利于紫外系统的冷却，提高紫外线穿透效率，而且实现了多种工 艺的耦合协同降解。
五、通过自控单元与各部件相连接以及传感器数据反馈，可实现处理过程的全自动、 智能化控制。
六、采用耦合高级氧化工艺，并设置自动监控装置和尾气处理单元，对污水进行彻 底净化处理，避免产生二次污染，环保可靠。
本发明提供的难降解有机废水的处理方法工艺简单、处理效率高，能够有效、经济、 环保、一体化的通过吸附催化结合声、光、电耦合强化催化臭氧化处理难降解有机废水。 该“一体化”即在同一反应区间实现各工艺的协同耦合作用，使其互补互促，克服各自 单一作用时的缺点，显著提高处理效果并降低能耗，优化反应器结构，缩小占地面积。
该方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)利用过滤、气浮、混凝沉淀或生物法等前处理可对污水进行初步净化，去除 一些杂质及部分有机质，提高后续处理能力;
(2)臭氧氧化、电化学催化、超声化学本身均具备一定的污染物降解能力，通过 巧妙的工艺构思，在一体化的水处理反应器中同步利用吸附催化结合声电耦合强化催化 臭氧化，实现多种工艺的协同作用，互补互促，从而能够降解一般工艺难以处理的难降 解有机废水，同时较各自单独处理或两两结合时在处理效果上显著提高，降低处理成本， 拓展了广谱性，具备实际可行性和适用性。