申请日2009.03.30
公开(公告)日2009.08.26
IPC分类号C02F9/08; C02F1/72; C02F1/32
摘要
一种基于光化学反应的废水处理系统以及一种水处理方法，该废水处理系统包括至少一个光化学发生器以及光化学反应池，该光化学发生器提供一光助非均相Fenton反应区域，该光化学反应池提供一紫外光辐射区域，该至少一个光化学发生器和该反应池串联，且在光化学发生器和该至少一个光化学反应池之间形成废水循环流动系统，该废水循环流动系统的废水流动路径经过该光化学发生器的光助非均相Fenton反应区域，且经过该光化学反应池的紫外光辐射区域。该水处理方法利用光化学发生器以及光化学反应池循环流动废水，达到对废水进行高效、快速处理的目的。
权利要求书
1.一种基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于，包括至少一个光 化学发生器以及光化学反应池，该光化学发生器提供一光助非均相Fenton反 应区域，该光化学反应池提供一紫外光辐射区域，该至少一个光化学发生器和 该光化学反应池串联，且在光化学发生器和该至少一个光化学反应池之间形成 废水循环流动系统，该废水循环流动系统的废水流动路径经过该光化学发生器 的光助非均相Fenton反应区域，且经过该光化学反应池的紫外光辐射区域。
2.如权利要求1所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 光化学发生器包括一容器本体，在该容器本体内设置有上隔栅和下隔栅，该上 隔栅和该下隔栅限定出一置放光催化剂的区域，该容器本体还设置有用于输入 废水的进水口、用于输入过氧化氢和络合剂的输液口、输出废水至光化学反应 池的出水口、排出污物的排污口、用于控制液面高度的液位控制仪以及用于回 流废水的进水口。
3.如权利要求1所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 光化学发生器还包括一紫外灯，该紫外灯与光化学发生器容器本体内壁的距离 为1-15cm，且该紫外灯至少部分区域位于该上隔栅和该下隔栅之间，且该紫外 灯的该至少部分区域的周围可填充光催化剂。
4.如权利要求2所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 该进水口于该容器本体上的设置位置位于该下隔栅之下的侧壁上，该输液口于 该容器本体上的设置位置位于该下隔栅和上隔栅之间的侧壁上，该排污口于该 容器本体上的设置位置位于容器本体的底壁上，该液位控制仪于该容器本体上 的设置位置位于该上隔栅之上。
5.如权利要求1所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 光化学反应池包括紫外灯、设置于顶部的排气孔、用于安装对处理废水指标进 行监测的检测仪器的测试口、设置于侧壁下部且距离底壁预定距离处的出水 口、用于控制光化学反应池内废水液面高度的液位控制仪、用于使废水流回到 光化学发生器的出水口及与位于光化学反应池底部的排污口。
6.如权利要求3或5所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在 于，所述的紫外灯外套石英玻璃管，且该紫外灯的功率为6W-60W、波长为253.7 nm-380nm。
7.如权利要求3或5所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在 于，所述的紫外灯是一支或由几支紫外灯组成的紫外灯组。
8.如权利要求1所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 该光化学发生器的容器本体的上部和该光化学反应池的上部通过连接管连接， 且二者的下部通过液体泵和连接管连接，从而形成所述废水循环流动系统。
9.如权利要求1所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 多个光化学发生器分别与光化学反应池串联或串联后再与光化学反应池串联。
10.一种水处理方法，其特征在于包括：
步骤1.独立设置光化学发生器和光化学反应池，在光化学发生器中加入 光助非均相Fenton反应试剂，在光化学发生器中输入废水;
步骤2.应用光助非均相Fenton反应处理光化学发生器中的废水，将光 化学发生器中经由光助非均相Fenton反应处理的废水输入到光化学反应池中;
步骤3.光化学反应池中紫外光的辐照使光化学反应持续进行，将在光化 学反应池中经进一步光化学反应处理的废水输入到光化学发生器中;以及
步骤4.循环步骤2-3，直到废水符合排放标准。
11.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 在步骤1中，所述的光助非均相Fenton反应试剂包括含Fe(III)光催化剂、过 氧化氢溶液和络合剂。
12.如权利要求11所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 所述的含Fe(III)光催化剂为Fe(III)-活性碳、Fe(III)-沸石、Fe(III)-粘土、 Fe(III)-硅胶、Fe(III)-坡缕石、Fe(III)-硅藻土、Fe(III)-MCM-41、 Fe(III)-MCM-48、Fe(III)-SBA-15、Fe(III)-HMS和Fe(III)-纳米TiO2中的一种或 几种的混合物。
13.如权利要求11所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 所述的含Fe(III)光催化剂的平均粒径在0.1mm-5mm之间，过氧化氢按照H2O2∶ COD为1∶1至10∶1的重量百分比范围内配置，络合剂是乙二胺四乙酸或草酸， 且按照络合剂：Fe为0.5∶1-5∶1的摩尔比加入。
14.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 在步骤1中，所述的光助非均相Fenton反应的pH范围为5-10。
15.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 在步骤1中，将所述含Fe(III)光催化剂填充在光化学发生器的紫外灯周围。
16.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 所述的紫外灯功率为6W-60W、波长为253.7-380nm。
17.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 在步骤2中，当流入的废水量达到光化学发生器容积的60%-80%时，点亮光化学 发生器的紫外灯。
18.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 在步骤3中，当光化学反应池中废水量达到其容积的60%-80%时，关闭光化学发 生器的进水口，启动光化学反应池中的紫外灯，并通过液体泵将废水回流至光 化学发生器，此时光化学发生器和光化学反应池中的废水循环流动。
19.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 在步骤4中，在废水处理完毕后仍存蓄部分废水在所述光化学反应池中，用于 新进废水的稀释及为其提供光化学反应剂。
20.如权利要求10所述的基于光化学反应的废水处理系统，其特征在于， 在步骤4中，废水经处理完毕后，排放光化学反应池中的废水，直到剩余水量 达到光化学反应池容积的10%-50%。
说明书
基于光化学反应的废水处理系统及水处理方法
技术领域
本发明涉及废水处理系统及水处理方法，尤其涉及基于光化学反应的废水处理 系统及水处理方法，该系统和该方法特别适用于各种难用生物降解的高浓度、高色 度、高化学需氧量有机废水的处理及预处理。
背景技术
随着工农业的迅猛发展，水环境污染日益严重，大量有毒有害的有机污染物正 危害着生态环境和人类的身体健康。对于化学成分越来越复杂的有机废水，传统的 废水处理技术如吸附、过滤、中和、混凝、氧化还原等基本物理方法和化学方法已 难以对其进行深度处理，COD、TOC等指标很难达到国家标准。尽管生化方法处理 废水收到一定成效，但对于大量的生物抑制性污染物，生化法的处理效率明显降低。
近年来，高级化学氧化法处理废水受到越来越多的关注。运用O3/UV、Fenton 试剂和纳米TiO2光催化等先进技术处理废水的优越性被大量的科学实验所证实。 相比之下，Fenton试剂法具有操作简单、反应物易得和成本相对较低等优点，是 目前较易实施的废水处理技术。所存在的问题是该方法需要在酸性条件(通常是 PH≤3)进行，而且铁(II)离子和过氧化氢耗量大，处理后的出水需要大量NaOH 中和，以至产生污泥多，并易造成二次污染。光助非均相Fenton反应的应用则解 决了上述问题：反应pH值范围增大;不需要额外添加铁(II)离子，污泥量大幅 度降低，后续处理程序简化等。应用光助非均相Fenton反应处理废水一般是采用 最基本的方法，即通过简单地将光催化剂、过氧化氢和废水混合于同一容器内，经 过内置或外置的光源照射，产生具有极强氧化性的羟基自由基，氧化水中有机污染 物来达到降解目的的，这类文献如《Langmuir》1999年15卷第185~192页的 文章“以阳离子膜为媒介的无铁溶液中难生物降解偶氮染料Orange II的光 Fenton降解”(J.Fernandez;J.Bandara;A.Lopez;Ph.Buffat;J.Kiwi; Photoassisted Fenton Degradation of Nonbiodegradable Azo Dye(Orange II)in Fe-Free Solutions Mediated by Cation Transfer Membranes); 《Environmental Science&Technology》2004年38卷第1569~1575页的 文章“中性pH及H2O2条件下染料污染物在载铁树脂上的可见光助降解” (Mingming Cheng;Wanhong Ma;Jing Li;Yingping Huang;Jincai Zhao; Yu xiang Wen，and Yiming Xu;Visible-Light-Assisted Degradation of Dye Pollutants over Fe(III)-Loaded Resin in the Presence of H2O2 at Neutral pH Values);《Journal of Hazardous Materials B》2006年137卷第1016~1024 页的文章“UVA辐照下非均相铁氧化物-草酸盐对Orange I的光降解”(Jing Lei; Chengshuai Liu;Fangbai Li;Xiaomin Li;Shungui Zhou;Tongxu Liu;Minghua Gu;Qitang Wu;Photodegradation of Orange I in the Heterogenous Iron Oxide-Oxalate Complex System under UVA Irradiation);《过程工程学报》 2008年8卷第359~365页的文章“铁改性聚丙烯腈纤维光催化剂的制备及其对 活性红MS的降解”(董永春，杜芳，马汉晓，韩振邦，曹亚楠)，公开号WO2008/142724 的PCT专利申请“基于高效非均相光助Fenton过程的废水处理”(Wastewater Treatment by High Efficiency Heterogeneous Photo-Fenton Process)，但目 前尚无对该方法的工业应用报道。因为这一基本处理流程仍然存在不少问题，特别 是对于光透过率极差的高色度、高化学需氧量的有机废水，分散于废水中的光催化 剂难以有效地受到光的照射，光催化剂的耗量大，废水处理效率低，能源浪费严重; 而且光催化剂悬浮需要特定装置，处理后出水需固液分离装置，处理成本高;反应 装置规模不能很大等，这些因素都限制了它的实际推广应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于光化学反应的废水处理系 统，它可持续高效地处理各种废水。
本发明的另一目的在于提供一种基于光化学反应的废水处理系统，它可持 续高效地处理难生物降解的高浓度、高色度、高化学需氧量、高流量的有机废 水，同时具有成本低、结构简单、处理剂便于回收再处理等特点，适于实际水 处理工程应用。
本发明的另一目的是提供一种废水处理方法。
本发明的基于光化学反应的废水处理系统，其特点是包括至少一个光化学 发生器以及光化学反应池，该光化学发生器提供一光助非均相Fenton反应区 域，该光化学反应池提供一紫外光辐射区域，该至少一个光化学发生器和该光 化学反应池串联，且在光化学发生器和该至少一个光化学反应池之间形成废水 循环流动系统，该废水循环流动系统的废水流动路径经过该光化学发生器的光 助非均相Fenton反应区域，且经过该光化学反应池的紫外光辐射区域。
本发明的基于光化学反应的废水处理系统独立设置光化学发生器以及光 化学反应池，废水循环流动系统的废水流动路径经过该光化学发生器的光助非 均相Fenton反应区域，且经过该光化学反应池的紫外光辐射区域，在光化学 发生器中可应用光助非均相Fenton反应处理废水，特别是有机废水，光化学 反应池保证了光化学反应的持续性，且通过循环流动废水，提高了废水的处理 效率。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，光化学发生 器包括一容器本体，在该容器本体内设置有上隔栅和下隔栅，该上隔栅和该下 隔栅限定出一置放光催化剂的区域，该容器本体还设置有用于输入废水的进水 口、用于输入过氧化氢和络合剂的输液口、输出废水至光化学反应池的出水口、 排出污物的排污口、用于控制液面高度的液位控制仪以及用于回流废水的进水 口。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，光化学发生 器还包括一紫外灯，该紫外灯与光化学发生器容器本体内壁的距离为1-15cm， 且该紫外灯至少部分区域位于该上隔栅和该下隔栅之间，且该紫外灯的该至少 部分区域的周围可填充光催化剂。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，该进水口于 该容器本体上的设置位置位于该下隔栅之下的侧壁上，该输液口于该容器本体 上的设置位置位于该下隔栅和上隔栅之间的侧壁上，该排污口于该容器本体上 的设置位置位于容器本体的底壁上，该液位控制仪于该容器本体上的设置位置 位于该上隔栅之上。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，光化学反应 池包括紫外灯、设置于顶部的排气孔、用于安装对处理废水指标进行监测的检 测仪器的测试口、设置于侧壁下部且距离底壁预定距离处的出水口、用于控制 光化学反应池内废水液面高度的液位控制仪、用于使废水流回到光化学发生器 的出水口及与位于光化学反应池底部的排污口。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，所述的紫外 灯外套石英玻璃管，且该紫外灯的功率为6W-60W、波长为253.7-380nm。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，所述的紫外 灯是一支或由几支紫外灯组成的紫外灯组。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，该光化学发 生器的容器本体的上部和该光化学反应池的上部通过连接管连接，且二者的下 部通过液体泵和连接管连接，从而形成所述废水循环流动系统。
所述的基于光化学反应的废水处理系统，其进一步的特点是，多个光化学 发生器分别与光化学反应池串联或串联后再与光化学反应池串联。
本发明的水处理方法，其特点是包括：
步骤1.独立设置光化学发生器和光化学反应池，在光化学发生器中加入 光助非均相Fenton反应试剂，在光化学发生器中输入废水;
步骤2.应用光助非均相Fenton反应处理光化学发生器中的废水，将光 化学发生器中经由光助非均相Fenton反应处理的废水输入到光化学反应池中;
步骤3.光化学反应池中紫外光的辐照使光化学反应持续进行，将在光化 学反应池中经进一步光化学反应处理的废水输入到发生器中;以及
步骤4.循环步骤2-3，直到废水符合排放标准。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，在步骤1中，所述的光助非均相 Fenton反应试剂包括含Fe(III)光催化剂、过氧化氢溶液和络合剂。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，所述的含Fe(III)光催化剂为 Fe(III)-活性碳、Fe(III)-沸石、Fe(III)-粘土、Fe(III)-硅胶、Fe(III)-坡缕石、 Fe(III)-硅藻土、Fe(III)-MCM-41、Fe(III)-MCM-48、Fe(III)-SBA-15、Fe(III)-HMS 和Fe(III)-纳米TiO2中的一种或几种的混合物。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，所述的含Fe(III)光催化剂的平均 粒径在0.1mm-5mm之间，过氧化氢按照H2O2∶COD为1∶1至10∶1的重量百分 比范围内配置，络合剂是乙二胺四乙酸或草酸，且按照络合剂：Fe为0.5∶1-5∶ 1的摩尔比加入。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，在步骤1中，所述的光助非均相 Fenton反应的pH范围为5-10。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，所述的含Fe(III)光催化剂填充在 光化学发生器的紫外灯周围。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，所述的紫外灯功率为6W-60W、 波长为253.7-380nm。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，在步骤2中，当流入的废水量达 到光化学发生器容积的60%-80%时，点亮光化学发生器的紫外灯。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，在步骤3中，当光化学反应池中 废水量达到其容积的60%-80%时，关闭光化学发生器的进水口，启动光化学反 应池中的紫外灯，并通过液体泵将废水回流至光化学发生器，此时光化学发生 器和光化学反应池中的废水循环流动。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，在步骤4中，在废水处理完毕后 仍存蓄部分废水在所述光化学反应池中，用于新进废水的稀释及为其提供光化 学反应剂。
所述的水处理方法，其进一步的特点是，在步骤4中，废水经处理完毕后， 排放光化学反应池中的废水，直到剩余水量达到光化学反应池容积的10%-50%。
本发明的前述系统和方法具有很多的优点：
1.光催化剂围绕紫外灯填充，减小了废水色度对光透过率的影响，光催化 剂容易受到辐照，既节省了光催化剂用量，提高了光催化剂的使用效率和能源 利用率，又缩短了Fenton链反应的启动时间，加快了废水处理速率;
2.光化学反应池中内设紫外灯，保证了光化学反应的持续性，提高了废水 的处理效率;
3.在废水处理后仍存蓄部分废水，用于新进废水的稀释及为其提供光化学 反应剂，既使废水的处理效果显著增强，同时又降低了处理剂成本;
4.后处理中毋须连接固液分离装置，且光催化剂易于回收处理，降低了运 行费用;
5.系统的结构简单、容易操作，易于放大，适用于各种量级的废水处理工 程;
6.本发明的系统和方法适宜处理的废水种类多，特别适用于纺织印染、石 油化工、造纸、医药、食品、机械加工等工业废水、生活废水及垃圾渗滤液的 处理，无二次污染;
7.本发明的系统和方法用途广，既可单独用于废水处理，又可作为常规水 处理流程的预处理或终端处理。