專利名稱：耦合場(chǎng)氧化污水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)，特別是在紫外光、超聲波、磁場(chǎng)的藕合作用下用氧、臭氧進(jìn)行氧化的方法處理污水。
濕式空氣氧化法最初由美學(xué)者F.J.Zimmermann于1958年提出，上世紀(jì)70年代先后出現(xiàn)各種高效穩(wěn)定的催化濕式空氣氧化法(Lee.D.S.Wet Oxidation Micro Reactor System，Paper at Poll，ControlFED.Cont.New Orleassiana，Louisiana，1988；楊奇等，國(guó)外對(duì)污水濕式氧化處理的研究進(jìn)展，環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1994，15(4)；譚亞軍等 廢水濕式催化氧化法及其催化劑的研究進(jìn)展，環(huán)境工程，1998，17(4))，近年來(lái)我國(guó)在這方面也有較多的研究(唐文偉等，廢水處理中濕式氧化技術(shù)研究進(jìn)展，上海環(huán)境科學(xué)1999，18(5)；雷樂(lè)成等，濕式氧化污水處理高濃度染料廢水研究，中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1999(1))。該方法適應(yīng)于高濃度、難降解、有毒、有害廢水處理，處理規(guī)模一般較小，污染物去除得較為徹底，一般有機(jī)物、色度、異味去除率可達(dá)到90～99％，但設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，設(shè)備投資超過(guò)4000元/m3，運(yùn)行費(fèi)用超過(guò)1.5元/m3。超臨界氧化工藝是上世紀(jì)80年代中期美國(guó)學(xué)者M(jìn)odell提出的，90年代在發(fā)達(dá)國(guó)家取得較大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了工程化(莊源益等，廢水處理新技術(shù)中超臨界水氧化法，城市環(huán)境與城市生態(tài)，1998(3)；Bigda，R.J.，Consider Fenton′s Chemistry for Waste WaterTreatment，Chemical Eng.Pro.，Dec.，1995).我國(guó)則處于研發(fā)階段(徐中其等，難降解有機(jī)廢水處理新技術(shù)，江蘇環(huán)境科技，2000.13(1)；林春綿等，超臨界水氧化技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用，浙江化工，1996.27(2))。超臨界氧化法是利用超臨界狀態(tài)水氣勻相的特點(diǎn)進(jìn)行氧化處理廢水，該法適應(yīng)于各種高濃度、難降解、有毒、有害廢水處理，處理規(guī)模一般較小，污染物去除得更為徹底，一般有機(jī)物、色度、異味去除率可達(dá)95～99.9％。但設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備投資一般超過(guò)6000元/m3，運(yùn)行費(fèi)用超過(guò)2元/m3。
臭氧氧化應(yīng)用較早，也較廣泛，但選擇性較強(qiáng)，氧化效率較低。更多用了消毒。近年來(lái)臭氧氧化大多采用與光催化或其他催化氧化相結(jié)合，提高了氧化效率。臭氧用臭氧發(fā)生器高壓放電現(xiàn)場(chǎng)制備。臭氧發(fā)生器雖經(jīng)多年研究改進(jìn)，提高了效率，降低了運(yùn)行費(fèi)用，但該法的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用仍然較高，這是制約臭氧氧化法的應(yīng)用和發(fā)展的主要因素(張彭義等，臭氧水處理的進(jìn)展，環(huán)境科學(xué)進(jìn)展 1995(6))。
特定波長(zhǎng)的紫外線對(duì)特定物質(zhì)的氧化具有催化作用。1972年富士島和本田發(fā)現(xiàn)了光照的TiO2單晶電極可以分解水(賀北平等，半導(dǎo)體光催化氧化有機(jī)物的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，環(huán)境科學(xué)，1994(3))。上世紀(jì)80初學(xué)者們開(kāi)始研究將該現(xiàn)象用于污水處理(O.Legrini，Photochemical Process for Water Treatment，ChemicalReviews，1993(2)，R.Bauer，The Photo-Fenton Research and TiO2/UVProcess，Catalysis Today 1999(53)).我國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出實(shí)用的光催化氧化處理污水的工藝(吳東平等，紫外光催化技術(shù)處理有機(jī)物的研究動(dòng)態(tài)，環(huán)境工程，1998(3)；雷東成等，光助Fenton氧化PVA退漿廢水的研究，環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2000(2))。該法適應(yīng)于各種高濃度、難降解、有毒、有害廢水處理，規(guī)模一般較小，一般有機(jī)物、色度、異味去除率可達(dá)80～90％，設(shè)備投資一般超過(guò)3500元/m3，運(yùn)行費(fèi)用超過(guò)1.2元/m3。
磁化可以改變水中鈣鎂等離子和膠體的結(jié)構(gòu)，日本開(kāi)發(fā)出磁化循環(huán)混凝工藝，效果比較明顯(磁氣式水處理器，日特許第774297號(hào))。
化學(xué)氧化法污水具有氧化徹底，無(wú)二次污染、占地少、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但也存在反應(yīng)速度慢、設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用高的缺點(diǎn)。技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)主要是研發(fā)各種高效催化劑和開(kāi)發(fā)各種改善氧化條件的新工藝。新工藝方面，主要是改善溫度、壓力等反應(yīng)條件和施加能量(波)場(chǎng)，如紫外線、超聲波和磁場(chǎng)等，但都是利用單一能量場(chǎng)，對(duì)改善氧化的效果還不能令人滿意。
本發(fā)明的這種方法是耦合場(chǎng)氧化法，其處理工藝如附

圖1所述，污水先經(jīng)磁化處理器進(jìn)行磁化處理，而后進(jìn)入初次反應(yīng)池與混凝劑反應(yīng)，經(jīng)初次沉淀池除去懸浮物。除去了懸浮物的污水進(jìn)入第一耦合場(chǎng)氧化池進(jìn)行氧化反應(yīng)，氧化后的污水在反應(yīng)池中與混凝劑反應(yīng)，再經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀后在第二耦合場(chǎng)氧化池再次氧化反應(yīng)，二次氧化后水即可排放或回用。如污水中污染物較少時(shí)，可以不經(jīng)過(guò)磁化處理、初次混凝劑反應(yīng)、沉淀，而直接進(jìn)入第一耦合場(chǎng)氧化池進(jìn)行氧化反應(yīng)。該工藝的核心部分是耦合場(chǎng)氧化池中的氧化反應(yīng)。所述的耦合場(chǎng)是利用多種能量(波)組成的能量場(chǎng)，以改善氧化條件。耦合場(chǎng)可以是磁場(chǎng)(永磁場(chǎng)和電磁場(chǎng))與超聲波耦合；也可以是磁場(chǎng)與紫外光耦合或者是超聲波和紫外光耦合，還可以是磁場(chǎng)、超聲波和紫外光三種能量組成耦合場(chǎng)。
在耦合場(chǎng)氧化池中設(shè)置的超聲波系統(tǒng)。在污水中溶解了多種氣體，存在微氣核，微氣核在超聲波場(chǎng)下不斷形成，膨脹擴(kuò)大、壓縮崩滅。該過(guò)程稱為超聲空化效應(yīng)，此時(shí)形成了空化氣泡(空穴)、包圍空穴表面的超熱液相層和主體液相三個(gè)區(qū)域。在空穴形成至崩滅的過(guò)程中，其內(nèi)部的溫度和壓力也隨之不斷變化，溫度由常溫迅速增加到1900°K以上，壓力由負(fù)壓迅速增加到50Mpa以上。在如此高溫高壓下，空穴內(nèi)部的有機(jī)物直接燃燒和熱分解。在超熱液相層水呈超臨界狀態(tài)，發(fā)生超臨界氧化反應(yīng)，反映在均相中進(jìn)行，提高了氧化效率。隨著空穴不斷地形成和崩滅，空穴、超熱液相層和主體液相不斷換位，則污水中的污染物不斷被氧化分解，而污水表觀上仍然呈常溫常壓狀態(tài)。由于空化效應(yīng)，水蒸汽可以產(chǎn)生一定量的活化羥基-OH·，OH·具有極強(qiáng)的氧化能力，可以氧化包括難以生物降解的各種有機(jī)物。
在耦合氧化池中設(shè)置的磁場(chǎng)，包括永磁場(chǎng)和交變電磁場(chǎng)。磁性是物質(zhì)的普遍屬性，在磁場(chǎng)作用下，磁矩會(huì)發(fā)生變化，鍵長(zhǎng)、鍵角、鍵力受其影響也會(huì)改變，有些污染物的內(nèi)能大為降低，創(chuàng)造良好的氧化反應(yīng)條件。在磁場(chǎng)作用下，理化性質(zhì)也發(fā)生變化，通過(guò)靜電作用，籠化作用等進(jìn)一步加速氧化反應(yīng)的進(jìn)程。在磁場(chǎng)作用下，膠體的性質(zhì)也發(fā)生了變化，改變了膠體的荷電，壓密了反電層，使膠體顆粒更容易長(zhǎng)大脫穩(wěn)。污水中的重金屬在磁場(chǎng)作用下更容易生成絡(luò)合物，形成膠體，與其他懸浮物一起混凝沉降而分離。
特定波長(zhǎng)的紫外線對(duì)特定物質(zhì)的氧化具有催化作用，在污水中存在這些物質(zhì)時(shí)，耦合場(chǎng)氧化池中特定波長(zhǎng)的紫外線會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)其氧化作用。
耦合場(chǎng)氧化所用的氧系列氣體是通過(guò)對(duì)空氣的高壓放電而制得，是由O-、O2、O、O3組成的混合氧化劑。與臭氧相比有如下特點(diǎn)第一，制備條件寬，空氣不需凈化，對(duì)其濕度沒(méi)有限制；第二，效率更高，同樣采用放電工藝，由于產(chǎn)物是形成臭氧之前的氧系列混合氣體，效率遠(yuǎn)高于臭氧的制備。
第三，氧化能力更強(qiáng)，氧化范圍更廣。臭氧的氧化范圍較窄，選擇性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的殺菌能力?；旌蠚怏w中有些氧化劑可以直接與H2O生成H2O2、OH·，效率高，氧化能力強(qiáng)。
耦合場(chǎng)氧化污水處理工藝的核心就是耦合場(chǎng)氧化，耦合場(chǎng)氧化的整體設(shè)備為耦合場(chǎng)氧化池，其主要包括超聲波、磁場(chǎng)、紫外光照射及氧化系列混合氧化劑產(chǎn)生等設(shè)備。
混合氧化劑為工業(yè)用負(fù)離子發(fā)生器或臭氧發(fā)生器并加大空氣通量，降低臭氧純度制取。永磁場(chǎng)采用市售不銹鋼永磁極板。交變電場(chǎng)采用多組市售交變電磁極。超聲波采用多組市售超聲波發(fā)生器。紫外線采用廣譜UV燈。另外磁化處理器采用市售水處理磁化器。
耦合場(chǎng)氧化污水處理工藝的運(yùn)行條件為原水PH值4～10，COD≤8000mg/L，難生物降解的有機(jī)物比例，有毒有害物比比例、生物抑制物質(zhì)、重金屬含量、鹽度、溫度(＞0℃)均不受限制。
永磁場(chǎng)磁感強(qiáng)度0.005～0.01T。
電磁場(chǎng)磁感強(qiáng)度0.5～5.0T。
超聲波頻率4～10×104Hz。
紫外線波長(zhǎng)200～300nm，以250～270nm為主。
混合氧化劑氣體通量，根據(jù)污水的成分和污染物含量確定，一般為污水量的0.5～30倍。
耦合場(chǎng)氧化污水處理的工藝方法，有機(jī)地將電子放電原理、超聲波空化效應(yīng)、磁場(chǎng)效應(yīng)、電化學(xué)氧化等物理、化學(xué)作用耦合于一體，利用超聲波、永磁、交變電磁場(chǎng)、電子放電，紫外光照射等能量，改變水分子和污染物的結(jié)構(gòu)，改變化學(xué)鍵結(jié)合方式，減少其結(jié)合力，降低活化能，激活污染物，使其成為活化狀態(tài)；同時(shí)形成眾多高溫高壓空穴，創(chuàng)造了非常好的氧化反應(yīng)條件，進(jìn)而在混合氧化劑的作用下，加速污水中污染物的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，從而達(dá)到了污染物被降解凈化的目的。
經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，證明本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下特點(diǎn)處理效果好，COD、BOD、SS、N、P、色度、異味去除率均可達(dá)90％以上，100％殺滅所有細(xì)菌和病毒，可以去除重金屬離子；應(yīng)用范圍廣不僅可以去除可生物降解有機(jī)物，還可以去除難生物降解的有機(jī)物，并去除所含有的磷、氮、重金屬，以及能除色、除味和消毒；使用條件寬不受溫度、鹽度限制，PH適應(yīng)范圍廣，重金屬及其他有毒有害物質(zhì)不影響處理效果；抗沖擊能力強(qiáng)，受水量和水質(zhì)變化的影響少，可間歇運(yùn)行，也可連續(xù)運(yùn)行。
污水采用水產(chǎn)加工廢水添家苯酚、柴油、艷紅染料人工配制，各項(xiàng)指標(biāo)如下COD2832mg/L、BOD826mg/L、SS860mg/L、油類120mg/L、苯酚80mg/L、色度600倍、PH7.4、Cl-1400mg/L不同反應(yīng)時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果示于表1，表中反應(yīng)時(shí)間是總反應(yīng)時(shí)間，其中混凝反應(yīng)時(shí)間各5min，沉淀時(shí)間各25min。
實(shí)施例2實(shí)施例2的耦合場(chǎng)氧化采用磁場(chǎng)和紫外線耦合，紫外線采用廣譜UV燈，波長(zhǎng)200-280nm，其他條件完全同實(shí)施例1。運(yùn)行結(jié)果示于表1。
實(shí)施例3實(shí)施例3的耦合場(chǎng)氧化采用超聲波和紫外線耦合，紫外線采用廣譜UV燈，波長(zhǎng)200-280nm，其他條件完全同實(shí)施例1。運(yùn)行結(jié)果示于表1。
實(shí)施例4實(shí)施例4的耦合場(chǎng)氧化采用磁場(chǎng)、超聲波和紫外線耦合，紫外線采用UV燈，波長(zhǎng)200-280nm，其他條件完全同實(shí)施例1。運(yùn)行結(jié)果示于表1。
為了比較實(shí)施例1-4的效果，進(jìn)行了只加磁場(chǎng)、只加超聲波、只加紫外線、單獨(dú)臭氧氧化對(duì)比。單獨(dú)臭氧氧化采用相同型號(hào)的臭氧發(fā)生器，但通常壓空氣。其他條件與實(shí)施例相同。運(yùn)行結(jié)果示于表1。
實(shí)施例5實(shí)施例5的工藝流程如附圖2所示。耦合場(chǎng)氧化采用磁場(chǎng)和超聲波耦合，永磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、超聲波、混合氧化劑同實(shí)施例1。
污水生活污水添加苯酚、柴油、CuSO4人工配制，各項(xiàng)指標(biāo)如下COD286mg/L、BOD113mg/L、SS139mg/L、油類30mg/L、苯酚20mg/L、Cu2+200mg/L、PH6.9、Cl-110mg/L。不同反應(yīng)時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果示于表2，表中反應(yīng)時(shí)間是總反應(yīng)時(shí)間，其中混凝反應(yīng)時(shí)間5min，沉淀時(shí)間25min。
實(shí)施例6實(shí)施例6的耦合場(chǎng)氧化采用磁場(chǎng)和紫外線耦合，紫外線采用廣譜UV燈，波長(zhǎng)，200-280nm，其他條件完全同實(shí)施例5。運(yùn)行結(jié)果示于表2。
實(shí)施例7實(shí)施例7的耦合場(chǎng)氧化采用超聲波和紫外線耦合，紫外線采用廣譜UV燈，波長(zhǎng)200-280nm，其他條件完全同實(shí)施例5。運(yùn)行結(jié)果示于表2。
實(shí)施例8實(shí)施例8的耦合場(chǎng)氧化采用磁場(chǎng)、超聲波和紫外線耦合，紫外線采用廣譜UV燈，波長(zhǎng)200-280nm，其他條件完全同實(shí)施例5。運(yùn)行結(jié)果示于表2。
為了比較實(shí)施例5-8的效果，進(jìn)行了只加磁場(chǎng)、只加超聲波、只加紫外線、單獨(dú)臭氧氧化對(duì)比。單獨(dú)臭氧氧化采用相同型號(hào)的臭氧發(fā)生器，但通常壓空氣。其他條件與實(shí)施例相同。運(yùn)行結(jié)果示于表2。
表1

表2

權(quán)利要求
1.一種氧化污水處理的方法，其特征是以多種能量耦合場(chǎng)氧化為主的污水處理方法；工藝流程為污水進(jìn)入耦合場(chǎng)氧化池，在磁場(chǎng)、紫外光、超聲波中至少兩種能量組成的耦合場(chǎng)中，用混合氧化劑進(jìn)行氧化，氧化后的水加混凝劑反應(yīng)、沉淀，而后再進(jìn)入耦合場(chǎng)氧化池進(jìn)二次耦合場(chǎng)氧化；所述磁場(chǎng)是由永磁場(chǎng)和交變電磁場(chǎng)組成，其磁感強(qiáng)度分別為0.005～0.01T和0.5～5.0T；紫外光由廣譜UV燈提供；超聲波由超聲波發(fā)生器提供，其頻率為4～10×104Hz；所述混合氧化劑為空氣高壓放電產(chǎn)生的含有O-、O、O3和O2的氣體；工藝條件為原污水PH4～10，COD≤8000mg/L，水溫＞0°、常壓下進(jìn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化污水處理的方法，其特征是污水在進(jìn)入第一次耦合場(chǎng)氧化池前進(jìn)行磁化處理，其工藝流程為污水先用水處理磁化器進(jìn)行磁化處理，然后加入混凝劑進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)沉淀后再行耦合場(chǎng)氧化。
3.如權(quán)利要求1，或2所述耦合場(chǎng)氧化處理污水的方法，其特征是耦合場(chǎng)是由磁場(chǎng)、超聲波、紫外光三者組成。
全文摘要
一種耦合場(chǎng)氧化污水處理方法，其工藝為污水先經(jīng)磁化處理、初次混凝反應(yīng)、沉淀除去懸浮物后進(jìn)入第一耦合場(chǎng)氧化池進(jìn)行氧化，氧化后水再經(jīng)混凝反應(yīng)、沉淀然后再次耦合氧化而成。耦合氧化是在磁場(chǎng)、超聲波、紫外光中至少兩者組合的耦合場(chǎng)，用含有O
文檔編號(hào)C02F9/02GK1428302SQ0114525
公開(kāi)日2003年7月9日 申請(qǐng)日期2001年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月27日
發(fā)明者陳曦 申請(qǐng)人:陳曦