專利名稱：磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種處理有機廢水的方法。
背景技術：
目前，印染、醫(yī)藥、化工、造紙等一些重點行業(yè)高濃度有毒有機廢水是造成我國水體污染加劇的主要原因之一。此類廢水的共性是在環(huán)境中比較難于降解，長時間穩(wěn)定存在，并具有生物累積性，嚴重地影響著人類的身體健康，阻礙了我國經濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，針對高濃度難降解有毒有機廢水的研究和應用是當今廢水處理技術中的一個熱點。
針對高濃度難降解有毒有機廢水，人們開發(fā)了許多高效深度處理工藝，具有代表性的有活性炭吸附、大孔樹脂吸附、各種膜生物反應器、光催化氧化等。其中活性炭吸附、大孔樹脂吸附、臭氧氧化已得到部分推廣，但成本較高，普及化存在一定難度；光催化氧化也取得了階段性進展，但由于成本較高和處理效果等方面的原因，較難實現(xiàn)工業(yè)化。因此有必要開發(fā)高效價廉的新型深度處理工藝。
近年來，采用超聲空化技術處理難降解的有毒有機廢水開始引起了人們的注意。英國Coventry大學的Mason和法國Pual Sabater大學的Luche先后于90年代開展了應用超聲聲化學降解水體難降解有毒有機物研究，并得到了良好的效果。1994年美國Tersere將超聲與臭氧聯(lián)用研究天然有機物質腐殖酸氧化動力學，確定該方案是否能被擴展應用于降解難降解的電解質，結果令人滿意。日本、法國、加拿大和德國等一些大學、實驗室和研究所也紛紛致力于超聲空化降解水體中各種難降解的毒性有機物的研究，進行了大量的工作。研究結果顯示，采用超聲空化技術來降解水體中難降解有毒有機物的效果是明顯的。經計算，其實驗室成本(以電耗計)遠低于臭氧氧化。從1996年起國內也有少數研究機構也開始了此類實驗室研究，但比較局限于采用超聲波與氧化劑(H2O2、O3)等組合工藝來降解幾種難以生物降解的毒性有機物，在這方面也取得了一定程度的進展?？偟膩碚f，目前國內外仍處于實驗室研究階段。
但單一使用超聲空化技術降解有機物的處理效果和能耗并不理想。從理論上來講長時間超聲輻照，廢水中有機物也可達到徹底礦化，但能耗顯然會很大，工程實踐上經濟不能允許，所以多采用超聲組合工藝來考察超聲處理性能。目前主要采用超聲—氧化劑(H2O2、O3)氧化、超聲—光催化氧化二大類組合處理工藝，其效果明顯高于單一超聲空化處理技術。但是，與此同時，第一類組合工藝要使用大量的成本較高的氧化劑，致使運行成本顯著增加，第二類組合工藝也需使用各種人工光源，運行過程中需要大量的電能。實踐證明，在單位時間內二大類組合工藝的運行成本是單一超聲空化技術的二倍，所以目前很難工業(yè)化，是應用于實際工程的主要障礙。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出一種能有效且經濟凈化工業(yè)有機污染物，實現(xiàn)工業(yè)化應用的磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法。
本發(fā)明的技術解決方案一種磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法，其特征在于在水處理反應器中，對工業(yè)有機廢水或生活污水，同時進行超聲波輻照和磁場輻照，超聲波的頻率范圍為16kHz-10MHz，其聲強為0.1-12W/cm2，磁通密度為0.008-2T，協(xié)同輻射時間在5min以上。
本發(fā)明首次將磁化學效應和超聲空化效應有機地結合在一起，大大強化了超聲降解有機物的效果。因為超聲降解有機物的機理就在于產生無選擇性的氧化能力很強的·OH自由基來氧化有機物，而在磁場作用下，可有效防止或減少過程中·OH和·H的復合，提高·OH的濃度，從而大大提高超聲降解有機物的能力。磁場的產生可以采用直流電方式，也可以采用永久磁性物質方式，所以僅消耗少量電能，甚至不需任何能源，并且不添加任何藥劑，與其它超聲空化工藝相比，運行成本大大降低。本發(fā)明的磁場發(fā)生裝置要比氧化劑發(fā)生器或光源發(fā)生裝置簡單，制做方便，成本低廉，因此本發(fā)明裝置的固定成本也大大降低。
本發(fā)明在國內外不但首次提出了一種全新的處理高濃度、難降解、有毒有機廢水的超聲空化與磁化組合工藝，也為磁化學開辟了一個新的應用領域。由于磁場和聲場的產生均為成熟的技術，操作參數與單一超聲工藝和當前超聲組合工藝相比，實際工程中操作方便，易于控制，很容易實現(xiàn)工業(yè)化生產。
本發(fā)明工藝具有高效、低耗處理高濃度難降解有毒有機廢水的優(yōu)點，因而具有較大的推廣應用價值，前景十分廣闊。本發(fā)明可應用于鹵烴類(CH2Cl2、CCl4、CFC系列)、酚類(苯酚、氯酚、對硝基酚)、醇類、聚合物、多苯環(huán)芳香族化合物、馬拉磷農藥、灰黃霉素的降解，這些化合物廣泛存在于國內化工、醫(yī)藥、電子、食品等重點行業(yè)廢水中。
本發(fā)明方法對于其它易降解的有機廢水更為有效。


圖1是本發(fā)明實施例的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的方法是，在水處理反應器中，對工業(yè)有機廢水或生活污水，同時進行超聲波輻照和磁場輻照，超聲波的頻率范圍為16kHz-10MHz，其聲強為0.1-12W/cm2，磁通密度為0.008-2T，協(xié)同輻射時間在5min以上。
對于某一特定有機廢水，上述工藝參數存在最佳值。對于不同種類的有機廢水，由于所含有機物種類不同，空化泡產生和分子極化條件不同，上述工藝參數的最佳值也不同。一般情況下，超聲波的優(yōu)選頻率范圍為20kHz-1MHz，其聲強為0.5-3W/cm2，磁通密度為0.020-1.0T，輻射時間在15min以上。
由于聲場和磁場可以存在于同一空間，所以可以同時對有機廢水進行超聲波和磁場輻照。磁場和聲場的發(fā)生裝置可以是目前市場中的任何一種，也可以根據需要自制。水處理反應器中工業(yè)有機廢水和生活污水的水流運行方式既可以采用靜態(tài)，也可以采用動態(tài)。水流運行方式最好采用動態(tài)。超聲波的實現(xiàn)，可采用各種機電型或機械型中的任何一種方式產生超聲波。超聲聲場最好采用混響場來實現(xiàn)低能耗高強度。磁場的實現(xiàn)，磁場為穩(wěn)定磁場，可以采用穩(wěn)定的電流產生，也可以采用永久磁性物質(如永久磁鐵等)產生磁場，為了使工藝易于控制，磁場最好采用直流電產生穩(wěn)態(tài)磁場。
本發(fā)明方法主要涉及二方面的基本原理超聲空化效應和磁的化學效應。簡述如下超聲空化機理一定頻率和聲強的超聲波輻照溶液時，在聲波負壓相作用下產生空化泡，在隨后聲波正壓相作用下迅速崩潰，整個過程發(fā)生在ns-μs時間內，并使處于正常溫度與壓力的液體環(huán)境中產生異常的高溫(高于5000K)和高壓(高于5×107Pa)，即形成所謂“熱點”。進入空化泡中的水蒸汽在高溫下和高壓下發(fā)生分裂及鏈式反應，反應式如下
空化泡崩潰產生沖擊波和射流，使·OH和H2O2進入整個溶液中，為化學反應提供了一個極特殊的物理化學環(huán)境。自由基由于含有未配對電子，所以其性質活潑，很容易進一步反應變成為穩(wěn)定分子。自由基可在空化氣泡周圍界面重新組合、或與氣相中揮發(fā)性溶質反應、或在氣泡界面區(qū)、甚至在本體溶液與可溶性溶質反應，形成最終產物。在含有機物的多相體系中，由于空化泡崩滅時的強大流體力學剪切力，會使大分子主鏈上碳鍵產生斷裂，產生自由基引發(fā)各種反應。
磁的化學效應磁化學動力學的研究目前主要集中于自由基反應，并相應地建立起了“自由基理論”。在化學反應中，自由基總是成對產生的。初生的一對自由基構成一個“籠”(cage)。在反應過程中，初始自由基還會派生出新的自由基，這些自由基依然可以成對存在，構成新的“籠”。自由基反應在籠內發(fā)生還是在籠外發(fā)生會直接影響反應速度與反應產物。例如，兩個自由基在籠內發(fā)生反應，稱為“重結合”。重結合若發(fā)生在兩個初始自由基上，就意味著反應終止和引發(fā)無效，勢必影響反應速度。一般來說，自由基的籠外反應更有意義，因而在實際研究中總是希望提高籠外反應在總反應中所占的份額。
自由基的重結合只能發(fā)生在單重態(tài)自由基對之間。只要盡可能防止自由基對以單重態(tài)的狀態(tài)存在，自由基對就無法重結合，自由基反應就只能在籠外進行了。要防止或減少自由基對以單重態(tài)的狀態(tài)存在，就要控制自由基對的系間躍遷。而磁場作用恰合可以影響系間躍遷。在某些化學反應中施加一個外加磁場，可以使系間躍遷得到控制，使自由基對盡可能多地保持三重態(tài)，從面增加籠外反應的可能性。磁化學方法的主要作用也就在于此。
基于上述基本原理，利用磁的化學效應，有效地防止或減少超聲空化產生的·OH和·H自由基對的復合，大大強化了超聲處理有機廢水的效果。實際上，超聲—氧化劑氧化的機理也不是氧化劑直接氧化有機物，而是通過捕捉·H來減少·OH的復合，從而提高了·OH的濃度，強化了超聲處理效果，因此與超聲—磁場組合工藝有同工異曲之妙。磁場和聲場的產生可以是任何穩(wěn)態(tài)方式。
實施例，如圖1，本發(fā)明可采用矩形水處理器1，其上、下蓋板2、3上安裝有多個超聲換能器4(市售的機電型超聲換能器)，內填有永磁小球5。超聲換能器4在水處理器1中產生超聲混響場，有機廢水從水處理器1的一側連續(xù)流向另一側，水處理器1的尺寸根據處理水量可大可小，超聲換能器4的功率和數量以及磁性小球5的材質根據處理的水質水量確定。
若被處理的有機廢水為主要含鄰氯苯酚廢水，水量為184m3/d，鄰氯苯酚濃度為1500mg/L，則超聲換能器4的聲場頻率選用32kHz，聲強為2.8W/cm2，磁性小球5產生的磁通密度為80mT，輻照時間為30min，鄰氯苯酚去除率可達到96％以上。
若被處理的有機廢水為易降解的生活污水，水量為1500m3/d，生化耗氧量COD為200mg/L，則超聲換能器4的聲場頻率選用20kHz，聲強為0.12W/cm2，磁性小球5產生的磁通密度為10mT，輻照時間為5min，COD去除率可達到98％以上。
若被處理的有機廢水為難降解的主含萘酚的有機廢水，水量為20m3/d，萘酚濃度為300mg/L，則超聲換能器4的聲場頻率選用8MHz，聲強為10W/cm2，磁性小球5產生的磁通密度為1.8T，輻照時間為45min，萘酚去除率可達到90％以上。
若被處理的有機廢水為主含乙醇的酒精廢水，水量為300m3/d，生化耗氧量COD為800mg/L，則超聲換能器4的聲場頻率選用750kHz，聲強為4.0W/cm2，磁性小球5產生的磁通密度為0.8T，輻照時間為60min，COD去除率可達到99％以上。
若被處理的有機廢水為主含氯代烴的有機廢水，水量為200m3/d，生化耗氧量COD為1100mg/L，則超聲換能器4的聲場頻率選用1MHz，聲強為0.5W/cm2，磁性小球5產生的磁通密度為0.5T，輻照時間為20min，COD去除率可達到95％以上。
權利要求
1.一種磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法，其特征在于在水處理反應器中，對工業(yè)有機廢水或生活污水，同時進行超聲波輻照和磁場輻照，超聲波的頻率范圍為16kHz-10MHz，其聲強為0.1-12W/cm2，磁通密度為0.008-2T，協(xié)同輻射時間在5min以上。
2.按權利要求1所述的磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法，其特征在于超聲波的優(yōu)選頻率范圍為20kHz-1MHz，其聲強為0.5-3W/cm2，磁通密度為0.020-1.0T，輻射時間在15min以上。
3.按權利要求1所述的磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法，其特征在于水處理反應器工業(yè)有機廢水或生活污水的水流運行方式或采用靜態(tài)，或采用動態(tài)。
4.按權利要求1所述的磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法，其特征在于超聲波采用各種機電型或機械型中的任何一種方式來產生超聲波。
5.按權利要求4所述的磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法，其特征在于超聲聲場優(yōu)選混響場。
6.按權利要求1所述的磁場協(xié)同超聲波處理有機廢水的方法，其特征在于磁場為穩(wěn)定磁場，或采用穩(wěn)定的電流產生，或采用永久磁性物質產生。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種處理有機廢水的方法,它在水處理反應器中,對工業(yè)有機廢水或生活污水,同時進行超聲波輻照和磁場輻照,超聲波的頻率范圍為16kHz－10MHz,其聲強為0.1－12W/cm
文檔編號C02F1/36GK1344685SQ0113404
公開日2002年4月17日 申請日期2001年10月15日 優(yōu)先權日2001年10月15日
發(fā)明者靳強, 鄭正, 張全興, 姜偉立, 張勁 申請人:南京大學環(huán)境學院