申请日2001.12.27
公开(公告)日2004.09.08
IPC分类号C02F9/12; C02F9/02
摘要
一种耦合场氧化污水处理方法，其工艺为污水先经磁化处理、初次混凝反应、沉淀除去悬浮物后进入第一耦合场氧化池进行氧化，氧化后水再经混凝反应、沉淀然后再次耦合氧化而成。耦合氧化是在磁场、超声波、紫外光中至少两者组合的耦合场，用含有O-、O2、O、O3的混合氧化剂进行氧化。该方法处理效果好，COD、BOD、SS、N、P、色度、异味等去除率高，对难以生物降解有机物和重金属也能降解去除，使用条件宽，且抗冲击能力强。
権利要求書
1.一种氧化污水处理的方法，其特征是将污水在以磁场、紫外光、 超声波中至少两种能量组成的耦合场中进行氧化处理的污水处理方 法;工艺流程为：污水进入第一耦合场氧化池，在磁场、紫外光、 超声波中至少两种能量组成的耦合场中，用混合氧化剂进行氧化， 氧化后的水加混凝剂反应、沉淀，而后再进入第二耦合场氧化池进 二次耦合场氧化;
所述磁场是由永磁场和交变电磁场组成，其磁感强度分 别为0.005～0.01T和0.5～5.0T;紫外光由广谱UV灯提 供;超声波由超声波发生器提供，其频率为(4～10)×104 Hz;所述混合氧化剂为空气高压放电产生的含有O-、O、 O3和O2的气体;
工艺条件为：原污水PH：4～10，COD≤800 0mg/L，水温>0℃、常压下进行。
2.如权利要求1所述的氧化污水处理的方法，其特征是污水在进 入第一次耦合场氧化池前进行磁化处理，其工艺流程为：污水先用 水处理磁化器进行磁化处理，然后加入混凝剂进行反应，经沉淀后 再进行耦合场氧化。
说明书
耦合场氧化污水处理方法
技术领域
本发明属于污水处理技术，特别是在紫外光、超声波、磁场的藕 合作用下用氧、臭氧进行氧化的方法处理污水。
背景技术
我国淡水资源严重缺水，其人均占有量仅为世界平均值的1/4，分 布极不均匀，北方地区严重缺水。我过污水年排放量400余亿吨，处 理率较低，对水体污染非常严重，污水处理任务还很重(国家环保局 中国环境公报2000)。污水处理后达标排放，这是我国环境保护近 期的重要目标;而污水再生回用，实现了污水资源化是解决我国淡水 资源短缺的重要途径之一。目前，污水处理的主流技术还是各种生物 法工艺，各种化学法主要是用于一些高浓度、难降解、有毒、有害废 水处理。污水再生回用的处理工艺主要是以生物处理(二级)的出水 为水源，进行混凝过滤处理(三级)，再根据用水要求采用膜分离技术、 吸附、离子交换、化学氧化等方法进行深度处理。污水再生水的消毒 主要是用氯系列化学氧化消毒，也可以采用臭氧、紫外线、超声波消 毒(汪大珲等，水处理新技术 化学工业出版社，2001.5;张自杰，排 水工程，中国建筑工业出版社，2000.6;严熙世等，给水工程，中国建 筑工业出版社，1995.6)
化学氧化法是研究得最多、最有前途的污水处理方法之一，其中 以湿式空气氧化、超临界氧化、光催化氧化、臭氧氧化等方法，以及 相关的紫外光、磁场、超声波等技术的应用都取得了一些进步。
湿式空气氧化法最初由美学者F.J.Zimmermann于1958年提出， 上世纪70年代先后出现各种高效稳定的催化湿式空气氧化法 (Lee.D.S.Wet Oxidation Micro Reactor System，Paper at Poll，Control FED.Cont.New Orleassiana，Louisiana，1988;杨奇等，国外对污水湿式氧化 处理的研究进展，环境科学进展，1994，15(4);谭亚军等 废水湿 式催化氧化法及其催化剂的研究进展，环境工程，1998，17(4))，近 年来我国在这方面也有较多的研究(唐文伟等，废水处理中湿式氧化 技术研究进展，上海环境科学1999，18(5);雷乐成等，湿式氧化污 水处理高浓度染料废水研究，中国环境科学，1999(1))。该方法适应 于高浓度、难降解、有毒、有害废水处理，处理规模一般较小，污染 物去除得较为彻底，一般有机物、色度、异味去除率可达到90～99%， 但设备投资和运行费用较高，设备投资超过4000元/m3运行费用超过 1.5元/m3。超临界氧化工艺是上世纪80年代中期美国学者Modell提出 的，90年代在发达国家取得较大进展，实现了工程化(庄源益等，废 水处理新技术中超临界水氧化法，城市环境与城市生态，1998(3); Bigda，R.J.，Consider Fenton′s Chemistry for Waste Water Treatment，Chemical Eng.Pro.，Dec.，1995).我国则处于研发阶段(徐中其 等，难降解有机废水处理新技术，江苏环境科技，2000.13(1);林春 绵等，超临界水氧化技术在有机废水处理中的应用，浙江化工，1996.27 (2))。超临界氧化法是利用超临界状态水气匀相的特点进行氧化处理 废水，该法适应于各种高浓度、难降解、有毒、有害废水处理，处理 规模一般较小，污染物去除得更为彻底，一般有机物、色度、异味去 除率可达95～99.9%。但设备投资和运行费用高，设备投资一般超过 6000元/m3，运行费用超过2元/m3。
臭氧氧化应用较早，也较广泛，但选择性较强，氧化效率较低。 更多用了消毒。近年来臭氧氧化大多采用与光催化或其他催化氧化相 结合，提高了氧化效率。臭氧用臭氧发生器高压放电现场制备。臭氧 发生器虽经多年研究改进，提高了效率，降低了运行费用，但该法的 设备投资和运行费用仍然较高，这是制约臭氧氧化法的应用和发展的 主要因素(张彭义等，臭氧水处理的进展，环境科学进展1995(6))。
特定波长的紫外线对特定物质的氧化具有催化作用。1972年富士 岛和本田发现了光照的TiO2单晶电极可以分解水(贺北平等，半导体 光催化氧化有机物的研究现状及发展趋势，环境科学，1994(3))。上 世纪80初学者们开始研究将该现象用于污水处理 (O.Legrini，Photochemical Process for Water Treatment，Chemical Reviews，1993(2)，R.Bauer，The Photo-Fenton Research and TiO2/UV Process，Catalysis Today 1999(53)).我国已经开发出实用的光催化氧化处 理污水的工艺(吴东平等，紫外光催化技术处理有机物的研究动态， 环境工程，1998(3);雷东成等，光助Fenton氧化PVA退浆废水的研 究，环境科学学报，2000(2))。该法适应于各种高浓度、难降解、有 毒、有害废水处理，规模一般较小，一般有机物、色度、异味去除率 可达80～90%，设备投资一般超过3500元/m3，运行费用超过1.2元/m3。
磁化可以改变水中钙镁等离子和胶体的结构，日本开发出磁化循 环混凝工艺，效果比较明显(磁气式水处理器，日特许第774297号)。
化学氧化法污水具有氧化彻底，无二次污染、占地少、操作简单、 适应范围广等优点，但也存在反应速度慢、设备造价和运行费用高的 缺点。技术发展的趋势主要是研发各种高效催化剂和开发各种改善氧 化条件的新工艺。新工艺方面，主要是改善温度、压力等反应条件和 施加能量(波)场，如紫外线、超声波和磁场等，但都是利用单一能 量场，对改善氧化的效果还不能令人满意。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种氧化效率 更高、成本低、易操作，适应于各种高浓度、难降解、有毒、有害污 水处理的技术方法。
本发明的这种方法是耦合场氧化法，其处理工艺如附图1所述， 污水先经磁化处理器进行磁化处理，而后进入初次反应池与混凝剂反 应，经初次沉淀池除去悬浮物。除去了悬浮物的污水进入第一耦合场 氧化池进行氧化反应，氧化后的污水在反应池中与混凝剂反应，再经 过沉淀池沉淀后在第二耦合场氧化池再次氧化反应，二次氧化后水即 可排放或回用。如污水中污染物较少时，可以不经过磁化处理、初次 混凝剂反应、沉淀，而直接进入第一耦合场氧化池进行氧化反应。该 工艺的核心部分是耦合场氧化池中的氧化反应。所述的耦合场是利用 多种能量(波)组成的能量场，以改善氧化条件，其中，耦合场可以 是磁场(永磁场和电磁场)与超声波耦合;也可以是磁场与紫外光耦 合或者是超声波和紫外光耦合，还可以是磁场、超声波和紫外光三种 能量组成耦合场。
在耦合场氧化池中设置的超声波系统。在污水中溶解了多种气体， 存在微气核，微气核在超声波场下不断形成，膨胀扩大、压缩崩灭。 该过程称为超声空化效应，此时形成了空化气泡(空穴)、包围空穴表 面的超热液相层和主体液相三个区域。在空穴形成至崩灭的过程中， 其内部的温度和压力也随之不断变化，温度由常温迅速增加到1900° K以上，压力由负压迅速增加到50Mpa以上。在如此高温高压下，空 穴内部的有机物直接燃烧和热分解。在超热液相层水呈超临界状态， 发生超临界氧化反应，反映在均相中进行，提高了氧化效率。随着空 穴不断地形成和崩灭，空穴、超热液相层和主体液相不断换位，则污 水中的污染物不断被氧化分解，而污水表观上仍然呈常温常压状态。 由于空化效应，水蒸汽可以产生一定量的活化羟基-OH.，OH.具 有极强的氧化能力，可以氧化包括难以生物降解的各种有机物。
在耦合氧化池中设置的磁场，包括永磁场和交变电磁场。磁性是 物质的普遍属性，在磁场作用下，磁矩会发生变化，键长、键角、键 力受其影响也会改变，有些污染物的内能大为降低，创造良好的氧化 反应条件。在磁场作用下，理化性质也发生变化，通过静电作用，笼 化作用等进一步加速氧化反应的进程。在磁场作用下，胶体的性质也 发生了变化，改变了胶体的荷电，压密了反电层，使胶体颗粒更容易 长大脱稳。污水中的重金属在磁场作用下更容易生成络合物，形成胶 体，与其他悬浮物一起混凝沉降而分离。
特定波长的紫外线对特定物质的氧化具有催化作用，在污水中存 在这些物质时，耦合场氧化池中特定波长的紫外线会进一步加强其氧 化作用。
耦合场氧化所用的氧系列气体是通过对空气的高压放电而制得， 是由O-、O2、O、O3组成的混合氧化剂。与臭氧相比有如下特点：
第一，制备条件宽，空气不需净化，对其湿度没有限制;
第二，效率更高，同样采用放电工艺，由于产物是形成臭氧之前 的氧系列混合气体，效率远高于臭氧的制备。
第三，氧化能力更强，氧化范围更广。臭氧的氧化范围较窄，选 择性强，具有较强的杀菌能力。混合气体中有些氧化剂可 以直接与H2O生成H2O2、OH.，效率高，氧化能力强。
耦合场氧化污水处理工艺的核心就是耦合场氧化，耦合场氧 化的整体设备为耦合场氧化池，其主要包括超声波、磁场、紫外 光照射及氧化系列混合氧化剂产生等设备。
混合氧化剂为工业用负离子发生器或臭氧发生器并加大空气 通量，降低臭氧纯度制取。永磁场采用市售不锈钢永磁极板。交 变电场采用多组市售交变电磁极。超声波采用多组市售超声波发 生器。紫外线采用广谱UV灯。另外磁化处理器采用市售水处理 磁化器。
耦合场氧化污水处理工艺的运行条件为：
原水：PH值4～10，COD≤8000mg/L，难生物降解 的有机物比例，有毒有害物比比例、生物抑制物质、重金属含量、 盐度、温度(>0℃)均不受限制。
永磁场：磁感强度0.005～0.01T。
电磁场：磁感强度0.5～5.0T。
超声波频率(4～10)×104Hz。
紫外线波长200～300nm，以250～270nm为主。
混合氧化剂气体通量，根据污水的成分和污染物含量确定，一般 为污水量的0.5～30倍。
耦合场氧化污水处理的工艺方法，有机地将电子放电原理、超声 波空化效应、磁场效应、电化学氧化等物理、化学作用耦合于一体， 利用超声波、永磁、交变电磁场、电子放电，紫外光照射等能量，改 变水分子和污染物的结构，改变化学键结合方式，减少其结合力，降 低活化能，激活污染物，使其成为活化状态;同时形成众多高温高压 空穴，创造了非常好的氧化反应条件，进而在混合氧化剂的作用下， 加速污水中污染物的物理化学反应过程，从而达到了污染物被降解净 化的目的。
经过大量实验，证明本发明与现有技术相比有如下特点：
处理效果好，COD、BOD、SS、N、P、色度、异味去除率均可达 90%以上，100%杀灭所有细菌和病毒，可以去除重金属离子;
应用范围广：不仅可以去除可生物降解有机物，还可以去除难生 物降解的有机物，并去除所含有的磷、氮、重金属，以及能除色、除 味和消毒;
使用条件宽：不受温度、盐度限制，PH适应范围广，重金属及其 他有毒有害物质不影响处理效果;
抗冲击能力强，受水量和水质变化的影响少，可间歇运行，也可 连续运行。