專利名稱：一種光電磁集成的廢水高級氧化方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廢水處理方法及其裝置，尤其是一種采用光電磁集成處理高濃度有機廢水的高級氧化方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟的高度發(fā)展，人類社會的工業(yè)化和城市化日益加劇，水污染現(xiàn)象日趨嚴重。特別是代表高濃度有機廢水的城市生活垃圾填埋場或垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生的的垃圾滲濾液，滲濾液成分極其廣泛、復雜、多變，污染物濃度可相差幾個數(shù)量級，其特點是污染物濃度高、水質(zhì)變化大、帶有強烈惡臭，呈黃褐色或灰褐色。垃圾填埋場的主要污染物是有機污染物、氨氮、磷、重金屬等，CODCr可達幾千至上萬mg/L，pH值一般在6.5～7.8間。垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生的垃圾滲濾液其COD約40000～80000mg/L，揮發(fā)出的氣體帶有強烈惡臭，對人體有危害，能使人產(chǎn)生惡心、尿血、頭暈等癥狀。通過質(zhì)譜分析，垃圾滲濾液中有機物種類高達百余種，其中大多為腐殖類高分子碳水化合物和中等分子量的灰黃霉酸類物質(zhì)。
根據(jù)我國垃圾處理″無害化、減量化、資源化″的原則，將有一大批生活垃圾衛(wèi)生填埋場或垃圾焚燒發(fā)電廠得到新建。而垃圾滲濾液是否能達標排放是衡量一個填埋場或垃圾焚燒發(fā)電廠能否得到審批的重要指標之一。作為一種高濃度有機廢水，滲濾液的處理近幾年得到了廣大研究人員的關(guān)注，進行了大量的試驗研究，取得了不少成果。
2000年以后，由于經(jīng)濟的飛速發(fā)展，新建的滲濾液處理廠一般遠離城區(qū)，滲濾液沒有條件排入城市廢水管網(wǎng)，因此處理要求也相應提高，一般需要處理到二級甚至一級排放標準。但是普遍滲濾液的COD中將近有500～600mg/L無法用生物處理。此時的滲濾液若僅靠生物處理無法達到處理要求，一般采取生物處理+深度處理的方法。代表性的工程實例有廣州新豐、重慶長生橋等。廣州新豐滲濾液處理廠采用的是UASB+SBR+反滲透處理工藝，處理規(guī)模為500m3/d，工程投資約6000萬，處理成本約25元/m3。重慶長勝橋滲濾液處理廠采用的是反滲透的處理工藝，處理規(guī)模500m3/d，工程投資約3700萬，處理成本約10元/m3。該滲濾液處理系統(tǒng)從2003年10月10日起正式投入商業(yè)運營，至今運行狀況良好。經(jīng)過詳細深入的調(diào)查，目前發(fā)生的直接費用為6.19元/噸；含膜片的綜合費用為16.33元/噸；含折舊的整體費用為21.76元/噸。
作為我國第一個利用反滲透技術(shù)處理垃圾滲濾液的填埋場，重慶長生橋受到國內(nèi)同行的廣泛關(guān)注。長期以來，人們普遍認為，用反滲透技術(shù)處理滲濾液，處理效果無需懷疑，可以達到國家最嚴格的環(huán)保標準甚至中水回用標準，然而，設(shè)備投資、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運行費用、系統(tǒng)所產(chǎn)生約30％的濃液如何處理等等問題卻是國內(nèi)該行業(yè)和專家關(guān)注的焦點。
目前正在對垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液處理技術(shù)進行研究或運用的有以下幾種1)回噴法在西方發(fā)達國家，由于垃圾中廚余物少，熱值高，滲濾液產(chǎn)量少，一般采用將滲濾液回噴焚燒爐進行高溫氧化處理?；貒姺ㄟm合于滲濾液產(chǎn)量少、垃圾熱值高的場合，對于熱值較低的垃圾則不適合，否則會造成焚燒爐爐膛溫度過低、甚至熄火的狀況。經(jīng)計算，對于熱值為1223kcal/kg、含水率為48％的城市生活垃圾，理論上滲濾液最大回噴量為垃圾焚燒量的3.19％。但中國垃圾的含水率太高，滲濾液產(chǎn)量大，回噴法顯然不適用于中國，目前中國所建的眾多垃圾焚燒廠均沒有采用回噴法處理滲濾液。
2)反滲透法處理反滲透法處理高濃度、高鹽份廢水已得到廣泛應用，在城市生活垃圾填埋場滲濾液的處理中也已有成熟的運行經(jīng)驗，目前國內(nèi)有公司嘗試引進德國技術(shù)運用于中國垃圾焚燒廠滲濾液處理。但焚燒廠垃圾滲濾液與填埋場滲濾液不同，其有機物和懸浮物的含量要高得多，反滲透濃縮液量也要比填埋場滲濾液大得多。一般來說二級RO系統(tǒng)處理填埋場滲濾液的濃縮比可達到10％，而運用于滲濾液處理時，經(jīng)實驗證明濃縮比最高只有50％，反滲透膜也極易污染中毒，膜組件更換頻繁，而且預處理系統(tǒng)要復雜得多。反滲透法產(chǎn)生的濃縮液的處理是一個難點，填埋場滲濾液的濃縮液可以采用回灌填埋區(qū)進行處理，利用已填埋的垃圾吸附降解濃縮液中的重金屬及有機物，而焚燒廠滲濾液用反滲透法處理產(chǎn)生的濃縮液還有50％以上，由于沒有填埋場回灌的便利條件，回噴焚燒爐水量又太大，因此用膜處理法處理滲濾液的前提是必須解決濃縮液的處理問題。
3)生化處理以生化處理方法去除滲濾液中主要污染物的工藝目前研究較多的是氨吹脫+UASB+SBR，以及在此基礎(chǔ)上增加臭氧氧化、混凝等工藝，較典型的是采用改進的填埋場滲濾液工藝——混凝+氨吹脫+pH回調(diào)+厭氧濾池+SBR+臭氧消毒，但從眾多研究結(jié)果來看，以生化法為主的工藝對滲濾液處理效果很差，微生物對滲濾液中高濃度污染物的降解能力很低，而吹脫出的氨又會帶來二次污染。
4)化學氧化處理某垃圾焚燒廠曾采用Feton試劑氧化+氨吹脫+混凝沉淀+厭氧+SBR+ClO2氧化+活性炭吸附工藝處理滲濾液，該工藝實際主要是依靠化學氧化劑及活性炭吸附去除污染物，從運行結(jié)果來看，加藥正常時出水可以達到國家三級排放標準，但運行費用高達120元/噸以上。
5)其他處理工藝目前我國垃圾滲濾液處理工藝的關(guān)鍵主要集中在滲濾液深度處理技術(shù)。對于滲濾液的COD中將近有500～600mg/L無法用生物處理，因此，必須采用以物化為主的深度處理技術(shù)處理。深度處理技術(shù)一般有深度氧化法，如臭氧氧化、臭氧+光催化氧化、臭氧催化氧化，以及膜處理技術(shù)等。國內(nèi)曾進行了用負鈦型TiO2作為催化劑進行光催化氧化的研究。國外對滲濾液的深度處理研究頗多，主要集中在光催化氧化和反滲透，A.Wenzel等人通過用鼓泡塔+薄膜光反應器對比UV/H2O2、UV/H2O2/O3、UV/O3等方法處理垃圾滲濾液的研究表明從運行成本和去除效率來考慮，采用UV/O3方法處理滲濾液是最為有效的方法。由于高級的處理技術(shù)意味著較高的投資和運行費用，如何找到一種廉價的處理方式，成為人們關(guān)注的問題。
滲濾液作為一種特殊廢水，其處理的投資、運行成本遠遠高于一般城市工業(yè)廢水，這主要是由于滲濾液氨氮濃度很高、有機物濃度高，導致處理工藝復雜，設(shè)備繁多。滲濾液由于在垃圾體已經(jīng)經(jīng)歷了厭氧過程，其生化性相對較差，生物處理的停留時間較長，導致設(shè)施、設(shè)備的投資較大。而處理量一般相對較小，導致折舊、維修費較高。這也是垃圾滲濾液處理工作難以推進的重要原因之一。
《光催化水質(zhì)凈化設(shè)備》(中國專利號ZL03224054.6，申請日2003年3月5日)、《納米二氧化鈦溶膠涂料及其制法和用途》(中國專利申請?zhí)?3126532.4，申請日2003年5月7日)、《一種廢水凈化方法及其磁化混凝器集成設(shè)備》(中國專利申請?zhí)?00310117654.4，申請日2003年12月31日)，《磁化光催化集成污水再生利用裝置》(中國專利號ZL200520056849.7，申請日2005年4月12日)，雖然對光催化、磁力混凝、臭氧氧化、UF超濾、污泥自動脫水等工藝合成的方法和設(shè)備有技術(shù)公開，但是其針對高濃度有機廢水-垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液進行預處理或深度處理的方法或技術(shù)參數(shù)沒有研究公開。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服目前現(xiàn)有滲濾液深度處理中所存在的上述缺陷，提供一種環(huán)保、低成本、高效率、能夠?qū)Ω邼舛扔袡C廢水-垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液進行預處理或深度處理的方法及其設(shè)備。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種光電磁集成的廢水高級氧化方法，包含以下步驟A.對廢水進行強磁化處理；B.對經(jīng)磁化的廢水進行光催化氧化凈化處理；C.最后過濾去除廢水中的懸浮物質(zhì)；在步驟A之前先采用酸堿度為1-3之酸性物對廢水進行酸化預處理；在步驟A和步驟B之間還設(shè)有微電解步驟，其是將磁化處理后的廢水置于至少一個由內(nèi)裝電極材料的鐵炭管組成的微型電解槽中，對其廢水中難降解的物質(zhì)在空氣、臭氧和雙氧水曝氣以及外加低電壓弱電流的條件下進行吸附和電化學還原反應。
其中微電解反應中，外加低電壓為50-80V、弱電流為50-200mA，酸堿度為1-3。
一種光電磁集成的廢水氧化裝置，包括依序連通之光催化箱、微電解反應器及過濾器，光催化箱進水通道上裝有磁化器，其進水管連通進行酸化預處理之有機廢水池，光催化箱內(nèi)排列有若干可對有機廢水進行光催化處理之紫外光燈；微電解反應器內(nèi)排列有若干鐵炭管及微孔曝氣頭，設(shè)置在反應器箱體上；過濾器中內(nèi)依序設(shè)有混凝槽和沉淀箱，出水槽設(shè)于過濾器殼體上。
其中磁化器磁場強度為12000-20000高斯，采用鐵氧體或釹鐵硼制作。
其中光催化器中所排列的各排紫外光燈之間設(shè)有隔板，光催化器箱體內(nèi)壁和隔板上均附有光催化劑膜，水流沿其隔板平行繞行來回流動。
其中微電解反應器內(nèi)置至少一塊與外接電源負極相連的金屬板，固于微電解反應器箱體上，形成使液體在反應器內(nèi)平行往復流動的隔斷，每兩塊金屬板之間底層設(shè)有微孔曝氣頭，微孔曝氣頭上層設(shè)有支架，支架下端接外加電源正極；鐵炭管置裝于支架上方；微電解反應器在微孔曝氣頭下端的空間設(shè)有沉淀槽以及排污口。
其中微電解反應器內(nèi)設(shè)有與外加電源負極相接且可將反應器分為上下腔體之隔板，鐵炭管底部開口并固定在隔板上部，隔板對應于鐵炭管底部開口部位設(shè)有與下腔體連通之圓孔，上腔體側(cè)壁靠近隔板處開設(shè)有排污口；下腔體側(cè)壁設(shè)有進水管和曝氣頭，進水管和曝氣頭上方隔板下方之間設(shè)接外加電源正極的金屬板。
其中微電解反應器的頂端設(shè)有與排污口連通的懸浮物收集槽和與過濾器相連的上清液出水槽。
其中鐵炭管包含穿孔中心管、穿孔外套管、置于中心管和外套管之間的電極材料、固定外套管和電極材料的上緊固座和下緊固座。
其中電極材料為套設(shè)于穿孔中心管外的螺旋鑄鐵和填充于螺旋鑄鐵每一個螺紋之間的鐵炭混合物。
其中鐵炭混合物為活性碳纖維或活性碳顆粒材料和金屬鐵的混合物。
其中電極材料為套設(shè)于穿孔中心管外的交錯疊加的鐵塊和活性炭塊。
其中穿孔中心管和穿孔外套管為不銹鋼管或PVC管。
其中光催化箱和微電解反應器為圓形或方形，采用金屬材料、PVC材料或混凝土制作。
由于采用上述技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果1.適用性廣。本發(fā)明不受廢水水質(zhì)的限制，應用范圍廣，可用于各類含有機物工業(yè)廢水的處理，特別適用于處理組分復雜、濃度變化大、一般常規(guī)方法難以處理的廢水。
2.處理效果優(yōu)異。本發(fā)明集光、電、磁高級氧化處理方式于一體，廢水處理過程中，既包括有機物被羥基自由基氧化分解的過程，又存在有吸附、絮凝沉淀與氣浮等多種物理化學過程，可使廢水得到較為徹底的處理。
3.氧化反應瞬間完成，時間短，處理效率高。本發(fā)明處理過程中可將有機物大分子氧化降解成小分子，再進一步分解為二氧化碳和水，污泥和浮渣量少，無二次污染，是一種清潔的水處理方法。
4.本發(fā)明所設(shè)計的裝置設(shè)備簡單，占地面積少，操作管理方便，操作一般是在常溫常壓下進行。
5.投資省，運轉(zhuǎn)費用較低。本發(fā)明電極與電能的消耗都很低；鐵炭管具有價格低、耐水力沖刷、自然耗損率低的特點。經(jīng)連續(xù)運行30天的小試證實，采用本發(fā)明對垃圾滲濾液等高濃度有機廢水的預處理或深度處理，其噸水投資為5000-8000元人民幣，是反滲透膜處理的六分之一，綜合運行總成本為6-7元人民幣/噸，是反滲透膜處理的二分之一，大大節(jié)約了處理成本。
本發(fā)明可成功運用于制藥、印染、制漆、電鍍、皮革、垃圾滲濾液等難生化的廢水處理，具有廣闊的應用前景。

圖1為本發(fā)明平流往復進水型大型模塊化裝置結(jié)構(gòu)俯視圖2為圖1的A-A剖面圖；圖3為本發(fā)明微電解反應器內(nèi)置鐵炭管結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明底部進水型大型模塊化裝置結(jié)構(gòu)俯視圖；圖5為圖4的B-B剖面圖；圖6為本發(fā)明疊加型鐵炭管結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明小型一體化裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖8為本發(fā)明小型一體化裝置結(jié)構(gòu)剖面圖。
其中1-光催化箱 2-微電解反應器 203-金屬負極板11-光催化箱進水管201-反應器進水管204-反應器出水管111-磁化器 202-鐵炭管 205-法蘭12-隔板 2021-穿孔中心管 206-微孔曝氣頭13-紫外光燈 2022-螺旋鑄鐵 207-沉淀槽131-燈管座 2023-鐵炭混合物 208-懸浮槽132-石英套管 2024-穿孔外套管 209-排污口14-光催化箱出水管2025-上緊固座 210-支架15-微孔曝氣頭2026-下緊固座 211-隔板3-過濾器 2027-活性炭塊 212-正極金屬板31-過濾器進水管 2028-鐵塊 213-引導槽32-硅藻土混凝槽33-溢流板34-出水槽35-沉淀箱具體實施方式本發(fā)明采用酸化、磁化、光催化、微電解和硅藻土過濾等工藝集成對高濃度有機廢水進行氧化處理采用光催化和微電解反應對經(jīng)酸化及磁化的高濃度有機廢水進行預處理或深度凈化處理，最后施以硅藻土過濾或者超濾使廢水達標排放或回用，可使有機廢水得到較為徹底的處理，符合國家標準的要求。
其酸化處理中，酸性物可采用工業(yè)級的硫酸或硝酸或鹽酸。優(yōu)選為硫酸，屬于一種價廉物美的物質(zhì)。酸化時廢水的PH值調(diào)至1-3，酸化的作用在于將廢水的大分子有機物變化為小分子有機物，另外在酸性條件下不但可使光催化氧化的效率得到提高，而且可為下一步的微電解提供必要的條件。
在磁化處理過程中，磁化器所產(chǎn)生的磁場強度在12000-20000高斯之間。當磁力線與有機廢水水流垂直正交，水在外力作用下以一定的流速通過磁場，作切割磁力線運動時，水中會產(chǎn)生電荷和使電荷運動的電動勢，于是廢水就產(chǎn)生了電流、電位差等物理變化，產(chǎn)生形成了電能。這時廢水中有了電荷、電位，就會改變水本身以及包含在水中的其它物質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)，這種磁化水就有了與其相接觸的管壁、容器壁產(chǎn)生物理變化和電化學變化的能量。在高濃度廢水中，不同程度地溶有鹽、堿、酸等成份的雜質(zhì)，廢水有一定的酸度，同時也不同程度地懸浮著不溶解的固體雜質(zhì)和微量的金屬、非金屬元素，這些雜質(zhì)和其它元素具有一定導電性能的非絕緣物質(zhì)，不同程度地都可以被磁化，廢水中的鈣和鐵等雜物也同時會產(chǎn)生帶正電和負電的離子。離子由于正負電的關(guān)系而相互吸引，使懸浮雜物凝聚，體積增大，完成廢水磁化混凝過程。
經(jīng)酸化磁化的廢水在平流往復流向設(shè)計的光催化箱箱體中流動，箱體和隔板上附有光催化劑膜，在受到光波為185nm-254nm的紫外線照射下，其光催化劑膜禁帶上的電子吸收光能而被激發(fā)到導帶上產(chǎn)生帶有很強負電的高活性電子，同時在禁帶上產(chǎn)生帶正電的空穴(h+)，從而產(chǎn)生具有很強活性的電子一一空穴對，半導體光催化劑(TiO2)光生空穴的氧化電位以標準氫電位計為3.0V，比臭氧的2.07V和氯氣的1.36V高出許多，具有很強的氧化性，高活性的光生空穴具有很強的氧化能力，可以將吸附在半導體表面的OH-和H2O進行氧化，生成具有強氧化性·OH自由基。即這些電子一一空穴對遷移到光催化劑薄膜表面后與溶解氧及水發(fā)生作用，最終產(chǎn)生具有高度化學氧化活性的羥基自由基(·OH)和超氧化物離子，從常用幾種強氧化劑的氧化電位大小順序(F2＞·OH＞O3＞H2O2＞HO2·＞MnO4_＞HClO＞Cl2＞Cr2O72-＞·ClO2)可以看出·OH自由基具有很高的氧化電位，是一種強氧化基團，能氧化大多數(shù)的有機污染物及部分無機污染物，將各種細菌和病毒殺滅，并可將有機物完全氧化為二氧化碳和水。同時，空穴本身也可奪取吸附在半導體表面的有機污染物中的電子，使原本不吸光的物質(zhì)被直接氧化分解，且對氧化物的氧化作用具有廣譜性，OH自由基的電子親和能力可達到569.3kj，容易攻擊高電子云密度的有機分子部位，更進一步氧化中間產(chǎn)物，形成氧化還原體系。在光催化反應體系中，這兩種氧化方式協(xié)同作用，同時完成更高級的光催化氧化凈化處理過程。另一方面，電子受體可直接接受光生半導體表面產(chǎn)生的高活性電子而被還原，水體中某些特定污染物--有毒金屬，如Hg2+、Ag1+、Cr6+、Cu2+等也能接受光生半導體表面產(chǎn)生的高活性電子而被還原成無毒的金屬分子。在工作中通過微孔曝氣頭分布加入的臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)，使經(jīng)酸化及磁化的高濃度有機廢水在紫外光(UV)、臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)的協(xié)同工作下進行光催化氧化反應，可將廢水中絕大部分的污染物氧化為二氧化碳和水，或?qū)⒁恍╇y降解物質(zhì)的分子鏈打斷，以便提高后續(xù)微電解處理效果。
微電解反應在微電解反應器中進行。微電解反應器中設(shè)置有多個活性碳纖維(ACF)或活性碳顆粒材料卷包的電極材料組成的鐵炭管。每一個獨立的鐵炭管就是一個獨立的微電解單元，鐵炭管內(nèi)的鐵炭混合物，或交叉疊加的鑄鐵和活性炭，不僅導電、吸附力強，而且其比表面積非常大，表面帶電，在酸性條件和外加低電壓(50～80V)、弱電流(50～200mA)的作用下，多個鐵炭管就組成了無數(shù)的微型電解槽對廢水發(fā)生電化學反應。在電化學反應過程中通過微孔曝氣頭分布加入的空氣或臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)協(xié)同工作，對經(jīng)光催化處理過后一些分子鏈雖被打斷，但還來不及降解的難降解物質(zhì)進行吸附、電化學氧化還原反應，進而達到脫除COD、色度、除臭、殺菌的目的。將常規(guī)電解槽微型化，利用導體-電介質(zhì)混合填料組成無數(shù)的微型電解槽，可以使被電解物的泳移距離大大縮短，電解電壓大大減小，能耗與停留時間大大降低，解決了傳統(tǒng)的鐵炭床填料“結(jié)疤”“鈍化”問題。本發(fā)明采用了有效的鐵炭管內(nèi)電解技術(shù)，成功地解決了“結(jié)疤”和“鈍化”難題，提高了高濃度廢水預處理及低濃度廢水深度處理的效率。
當污水通過含鐵和炭的鐵炭管，鐵成為陽極，碳成為陰極，并有微電流流動，形成了千千萬萬個微小電池，產(chǎn)生“內(nèi)電解”，發(fā)生腐蝕，也就是氧化還原反應。當發(fā)生“內(nèi)電解”氧化還原反應的同時，加入適量的臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)的協(xié)同工作，可加速提高氧化還原反應的效率。
陽極反應Fe-2e-Fe2+E0(Fe2+/Fe)＝-0.44V陰極反應2H++2e→H2↑E0(H+/H2)＝0.00V當有氧氣時O2+4H++4e→2H2O E0(O2)＝1.23VO2+2H2O+4e→4OH-E0(O2/OH-)＝0.40V當有臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)時E0(O2)＝1.51V(可逆反應)
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OHFe2++·OH→Fe3++OH-H2O2+·OH→HO2·+H2OFe2++HO2·→Fe3++HO2-上述反應在酸性和充氧的情況下腐蝕最佳，并具試驗證實了的功能由于有機物參予陰極的還原反應，使官能團發(fā)生了變化改變了原有機物性質(zhì)，降低了色度，改善了B/C值；一些無機物也參予反應生成沉淀得以去除，如Fe2+S2-→FeS↓；廢水的膠體粒子和微小分散的污染物受電場作用，產(chǎn)生電泳現(xiàn)象，向相反電荷的電極移動，并聚集在電極上使水澄清；陽極生成的新生態(tài)Fe2+經(jīng)中和生成Fe(OH)3，有極強的吸附能力，使水得以澄清；陰極生成的氫氣，具有氣浮效應。
經(jīng)過酸化、磁化、光催化氧化、微電解等工藝處理過的廢水在通過硅藻土混凝進水管流向過濾器時，基本上COD、BOD、SS、氨氮、色度等已經(jīng)去除90％以上。最后以硅藻土過濾或者超濾去除廢水中的懸浮物質(zhì)，便可達到廢水達標排放或回用的目的。根據(jù)上述處理方法，本發(fā)明設(shè)計了一種光電磁集成的廢水氧化裝置，下面根據(jù)實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明結(jié)構(gòu)做進一步描述實施例一圖1和圖2展示了每小時處理量大于2噸的模塊化光電磁集成的廢水氧化裝置的應用實施例。如圖所示，其包括光催化箱1、微電解反應器2及過濾器3，三者依序連通，所述光催化箱1外端連通有光催化箱進水管11和光催化箱出水管14，其光催化箱進水管11連通有機廢水池(圖中省略)，可將已進行酸化預處理之有機廢水引入，以進行光催化處理。光催化箱進水管11外套有磁化器111，磁化器磁場強度為12000-20000高斯，可采用鐵氧體或釹鐵硼制作，光催化箱出水管14連接微電解反應器2，反應器出水管204接過濾器進水管31。
所述光催化箱1內(nèi)，裝有多組紫外光燈13，紫外光燈13可發(fā)出波長為185nm-254nm的紫外光，作為光催化劑激發(fā)光。紫外光燈13之間的間距為10-20厘米；紫外光燈13外套有透光率大于或等于85％的石英套管132，石英套管132與燈管座131相連接，燈管座131與光催化器1箱體相連接；紫外光燈13之間的底層裝有微孔曝氣頭15。在光催化箱1內(nèi)，還設(shè)置有若干平行排列的隔板12，各隔板12之間的間距為5-10厘米。紫外光燈13位于相鄰隔板12之間，與隔板12交叉間隔排列，每行設(shè)置有多個。隔板12表層及光催化箱1內(nèi)壁上均鍍有光觸媒薄膜，作為光觸媒劑，光觸媒劑由紫外光無影膠水(UV膠)和二氧化鈦粉末所組成，其中各組分的重量百分比如下紫外光無影膠水60％-99.5％；二氧化鈦粉末 0.5％-40％。
二氧化鈦粉末的粒徑為3-30nm，有效成份大于98％，采用親水或疏水表面處理。
由于設(shè)置有隔板12，水流可在光催化箱1內(nèi)沿其隔板12形成的平行通道繞行作來回流動，在光觸媒劑和紫外光燈13的作用下，產(chǎn)生光催化反應。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以在較小的箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)實現(xiàn)較長時間的光催化反應，其反應過程完全、充分，具有較好的處理效果。
所述微電解應器2是采用混凝土倒制或不銹鋼材質(zhì)的平流往復式流向設(shè)計容器，內(nèi)有多塊金屬負極板203，其間距為40-80厘米。金屬負極板203上端接外加電源的負極，金屬負極板203左右及底部通過插槽與微電解反應器2的內(nèi)壁連接，兩個金屬負極板中間底層裝有微孔曝氣頭206，其上層裝有支架210，支架210上填裝多個由活性碳纖維(ACF)或活性碳顆粒材料卷包的電極材料組成的鐵炭管202，支架210下面通過防水電纜連接外加電源正極的正極金屬板212，由此可組成無數(shù)的微型電解槽。
所述過濾器3包括依次連接的過濾器進水管31，硅藻土混凝糟32，沉淀箱35和出水槽34，另跟據(jù)水位不同流向不同而設(shè)置溢流板33，出水槽34因為最靠近過濾器3邊部而設(shè)于過濾器3殼體上。微電解反應器2通過微電解出水管上的法蘭205連接過濾器3，從而構(gòu)成了光、電、磁模塊化集成的高級氧化裝置。光催化箱2和微電解反應器3的前后位置可跟據(jù)水質(zhì)的不同而換位，以應用于高濃度廢水的預處理或深度處理回用等。
圖3展示了鐵炭管202的結(jié)構(gòu)示意圖，所述鐵炭管202的主要組件是螺旋鑄鐵2022、中心含有不銹鋼或PVC材料的穿孔中心管2021，螺旋鑄鐵2022每一個螺紋之間填充滿活性炭纖維或活性炭顆粒等鐵炭混合物2023，其外套裝不銹鋼或PVC材料的穿孔外套管2024，穿孔外套管2024和內(nèi)填的鐵炭混合物2023通過上緊固座2025和下緊固座2026固定。
本發(fā)明的工作過程廢水經(jīng)過硫酸作用，其PH調(diào)整至1-3，以將廢水的大分子有機物變化為小分子有機物，長鏈變?yōu)槎替?，另外在酸性條件下使光催化氧化的效率得到提高。經(jīng)酸化后的廢水以適當?shù)牧魉倭鹘?jīng)經(jīng)光催化箱進水管11時，在磁化器111作用下光催化箱進水管11管內(nèi)能夠產(chǎn)生12000-20000高斯的磁場對水進行磁化處理，改變水本身以及包含在水中其它物質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)，產(chǎn)生物理變化和電化學變化的能量，使懸浮雜物凝聚、體積增大，完成廢水磁化混凝過程。
經(jīng)酸化和磁化的廢水流入光催化箱1后，在隔板12之間往復流動。此時，紫外光燈13發(fā)出波長為185nm-254nm的紫外光，微型曝氣孔15加入臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)，光催化箱1內(nèi)壁和隔板12表層負載的光觸媒薄膜在紫外光照射和臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)曝氣的作用下對廢水進行光催化氧化反應，可將廢水中絕大部分的污染物氧化為二氧化碳和水，或?qū)⒁恍╇y降解物質(zhì)的分子鏈打斷，以便提高后續(xù)微電解處理效果。
經(jīng)過光催化氧化的酸性廢水由光催化箱出水管14進入微電解反應器2，微電解反應器2是混凝土倒制或不銹鋼材質(zhì)的平流往復式流向設(shè)計容器，內(nèi)有多塊金屬負極板203，經(jīng)過光催化氧化過程的廢水在多塊金屬負極板203之間往復式流動。由于微電解反應器2中的鐵炭管202內(nèi)外均采用穿孔套管的結(jié)構(gòu)，廢水可以在其中自由流動，與鐵炭混合物2023充分接觸。金屬負極板203上端接外加電源的負極，支架210下端通過防水電纜連接外加電源正極，再外加低電壓(50～80V)、弱電流(50～200mA)，由多個鐵炭管202而組成無數(shù)的微型電解槽在酸性條件下對廢水發(fā)生電化學反應。在電化學反應過程中通過微孔曝氣頭206分布加入的空氣或臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)協(xié)同工作，對經(jīng)光催化處理過后一些分子鏈雖被打斷，但還來不及降解的難降解物質(zhì)進行吸附、電化學氧化還原反應，進而達到脫除COD、色度、除臭、殺菌的目的。在發(fā)生電化學氧化還原反應的過程中，廢水產(chǎn)生很多懸浮物，可以通過曝氣將懸浮物帶出，送到懸浮槽208，并通過引導槽213沉淀到沉淀槽207，由排污口209排放。上清液通過反應器出水管204流向過濾器3。
經(jīng)過酸化、磁化、光催化氧化、微電解等工藝處理過的廢水在通過過濾器進水管31流向過濾器3時，基本上COD、BOD、SS、氨氮、色度等已經(jīng)去除90％以上，在硅藻土混凝糟32加入硅藻土和混凝劑(如聚合氯化鋁或聚丙烯酰氨)時，懸浮物沉淀到沉淀箱35，上清液通過溢流板33流向出水槽34，而完成整個光、電、磁高級氧化過程。
實施例二作為本發(fā)明的另一種實施方式，實施例一中的微電解反應器2還可以采用以下底部進水的結(jié)構(gòu)本實施例中光催化箱1及過濾器3結(jié)構(gòu)與實施例一基本相同，而微電解反應器2內(nèi)設(shè)有將其分為上下腔體的隔板211，如圖4和圖5所示，隔板211連接外界電源的負極，上下腔體通過隔板上的圓孔連通。上腔體在隔板圓孔處設(shè)置有內(nèi)裝電極材料的鐵炭管202，鐵炭管結(jié)構(gòu)可與實施一例相同。下腔體設(shè)有反應器進水管201和微孔曝氣頭206，并有一連接外加電源正極的正極金屬板212。隔板211、多個鐵炭管202和正極金屬板212構(gòu)成了無數(shù)的微型電解槽。
經(jīng)光催化氧化的廢水經(jīng)反應器進水管201流入微電解反應器2的下腔體，與微孔曝氣頭206加入的空氣、臭氧和雙氧水混合，經(jīng)隔板211上的圓孔流入內(nèi)外均為穿孔套管的鐵炭管202，與其中的電極材料充分接觸，在外加低電壓(50～80V)、弱電流(50～200mA)和酸性條件下，對經(jīng)光催化處理過后一些分子鏈雖被打斷，但還來不及降解的難降解物質(zhì)進行吸附、電化學氧化還原反應，進而達到脫除COD、色度、除臭、殺菌的目的。在發(fā)生電化學氧化還原反應的過程中，廢水產(chǎn)生很多懸浮物，通過曝氣將懸浮物帶出，送到微電解反應器2上方的懸浮槽208，通過引導槽213沉淀到上腔體底部，由上腔體下端的排污口209排放。上清液通過微型電解器2上方的反應器出水管204流向過濾器3。
作為本發(fā)明之進一步，鐵炭管202還可以采用以下結(jié)構(gòu)如圖6所示，鐵炭管202的主要組件是不銹鋼或PVC材料的穿孔中心管2021、交錯疊加套設(shè)在其上的鐵塊2028和活性炭塊2027、最外層的不銹鋼或PVC材料的穿孔外套管2024，穿孔外套管2024和內(nèi)填的鐵塊2028和活性炭2027通過上緊固座2025和下緊固座2026固定。下緊固座2026中心開孔，穿孔中心管2021通過該孔外延與外部連通。與前述鐵炭管結(jié)構(gòu)相比，應用于底部進水型微電解反應器時，本結(jié)構(gòu)能夠強制廢水及空氣、臭氧和雙氧水混合體通過穿孔中心管2021流向交錯疊加套設(shè)在其上的鐵塊2028和活性炭塊2027之間的間隙，并且以氣水流速對交錯疊加套設(shè)在其上的鐵塊2028和活性炭塊2027進行沖刷，防止鐵塊2028上積聚過厚的氧化膜發(fā)生鈍化而影響微電解反應較果。
實施例三圖7和圖8展示了一個每小時處理量小于2噸的一體化裝置應用實施例。如圖所示，它由上箱體光催化箱1和下箱體微電解反應器2集成構(gòu)成。光催化箱1內(nèi)設(shè)置有隔板12，隔板12之間裝有多組紫外光燈13，紫外光燈13之間的底層可以選擇是否安裝微孔曝氣頭(過小的裝置可以不安裝)，紫外光燈13外套有石英套管132。光催化箱1外端連通有光催化箱進水管11和光催化箱出水管14，光催化箱進水管11外套設(shè)磁化器111，光催化箱出水管14通過反應器進水管201與微電解反應器2相連。微電解反應器2采用不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)有多塊金屬負極板203，金屬負極板203上端接外加電源的負極，金屬負極板左右及底部通過插槽與反應器箱體內(nèi)壁連接，兩個金屬負極板中間底層裝有微孔曝氣頭206，微孔曝氣頭上層裝有支架210，支架上填裝由多個鐵炭管202，支架210下面通過防水電纜連接外加電源正極，從而組成無數(shù)的微型電解槽，構(gòu)成了光、電、磁集成的高級氧化裝置。微電解反應中產(chǎn)生的沉淀物沉淀至微型電解器2下端的沉淀槽207，由排污口209排出，上清液通過上端的反應器出水管204進入過濾器3。
申請人已制作了一臺每天處理量為1000升的全自動運行的一體化裝置，該裝置設(shè)計參數(shù)為設(shè)計處理量1000L/d；設(shè)計總功率340W；設(shè)計進水水質(zhì)COD≤600mg/l；設(shè)計裝置出水COD≤120mg/l；設(shè)計硅藻土沉淀出水COD≤50mg/l；設(shè)計總運行成本≤8元人民幣。2006年12月10日在深圳市清水河下坪垃圾填埋場污水廠內(nèi)安裝，于2006年12月13日開始正式運行。每天取樣監(jiān)測，經(jīng)過連續(xù)30天的試驗，總結(jié)得其最佳反應條件為酸堿度為1-3，反應時間為2-3小時，此時出水酸堿度自動上升為5-7。試驗監(jiān)測的數(shù)據(jù)如下(下表為2006年12月13日至2007年1月15日小試數(shù)據(jù)，進水COD為500-600mg/l，由污水廠實驗室監(jiān)測)
研究結(jié)果表明，如果以2006年12月13日至12月15日的試驗，(O3)及(H2O2)投加量按設(shè)計標準投加，則可以達到預期設(shè)計效果。按臭氧(O3)及雙氧水(H2O2)投加量不同，外加電量不同，其反應歷程就不相同，表現(xiàn)出不同的反應級數(shù)。
前述實施例中的光催化箱和微電解反應器為圓形或方形，可采用金屬材料、PVC材料或混凝土制作。但實施例三中的光催化箱和微電解反應器因為體積較小且為一體化裝置，可采用金屬材料、PVC材料制作，不適合用混凝土制作。
以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1.一種光電磁集成的廢水高級氧化方法，包含以下步驟A.對廢水進行強磁化處理；B.對經(jīng)磁化的廢水進行光催化氧化凈化處理；C.最后過濾去除廢水中的懸浮物質(zhì)；其特征在于在所述步驟A之前先采用酸堿度為1-3之酸性物對廢水進行酸化預處理；在所述步驟A和步驟B之間還設(shè)有微電解步驟，其是將磁化處理后的廢水置于至少一個由內(nèi)裝電極材料的鐵炭管組成的微型電解槽中，對其廢水中難降解的物質(zhì)在空氣、臭氧和雙氧水曝氣以及外加低電壓弱電流的條件下進行吸附和電化學還原反應。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光電磁集成的廢水氧化方法，其特征在于所述微電解反應中，外加低電壓為50-80V、弱電流為50-200mA，酸堿度為1-3。
3.一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于包括依序連通之光催化箱、微電解反應器及過濾器，所述光催化箱進水通道上裝有磁化器，其進水管連通進行酸化預處理之有機廢水池，光催化箱內(nèi)排列有若干可對有機廢水進行光催化處理之紫外光燈；所述微電解反應器內(nèi)排列有若干鐵炭管及微孔曝氣頭，設(shè)置在反應器箱體上；所述過濾器中內(nèi)依序設(shè)有混凝槽和沉淀箱，出水槽設(shè)于過濾器殼體上。
4.如權(quán)利要求3所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述磁化器磁場強度為12000-20000高斯，采用鐵氧體或釹鐵硼制作。
5.如權(quán)利要求3所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述光催化器中所排列的各排紫外光燈之間設(shè)有隔板，光催化器箱體內(nèi)壁和隔板上均附有光催化劑膜，水流沿其隔板平行繞行來回流動。
6.如權(quán)利要求3所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述微電解反應器內(nèi)置至少一塊與外接電源負極相連的金屬板，固于微電解反應器箱體上，形成使液體在反應器內(nèi)平行往復流動的隔斷，每兩塊金屬板之間底層設(shè)有微孔曝氣頭，微孔曝氣頭上層設(shè)有支架，支架下端接外加電源正極；鐵炭管置裝于支架上方；所述微電解反應器在微孔曝氣頭下端的空間設(shè)有沉淀槽以及排污口。
7.如權(quán)利要求3所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述微電解反應器內(nèi)設(shè)有與外加電源負極相接且可將反應器分為上下腔體之隔板，所述鐵炭管底部開口并固定在隔板上部，隔板對應于鐵炭管底部開口部位設(shè)有與下腔體連通之圓孔，上腔體側(cè)壁靠近所述隔板處開設(shè)有排污口；下腔體側(cè)壁設(shè)有進水管和曝氣頭，進水管和曝氣頭上方隔板下方之間設(shè)接外加電源正極的金屬板。
8.如權(quán)利要求6或7所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述微電解反應器的頂端設(shè)有與排污口連通的懸浮物收集槽和與過濾器相連的上清液出水槽。
9.如權(quán)利要求3或6或7所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述鐵炭管包含穿孔中心管、穿孔外套管、置于中心管和外套管之間的電極材料、固定外套管和電極材料的上緊固座和下緊固座。
10.如權(quán)利要求9所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述電極材料為套設(shè)于穿孔中心管外的螺旋鑄鐵和填充于螺旋鑄鐵每一個螺紋之間的鐵炭混合物。
11如權(quán)利要求10所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述鐵炭混合物為活性碳纖維或活性碳顆粒材料和金屬鐵的混合物。
12.如權(quán)利要求9所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述電極材料為套設(shè)于穿孔中心管外的交錯疊加的鐵塊和活性炭塊。
13.如權(quán)利要求9任一所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述穿孔中心管和穿孔外套管為不銹鋼管或PVC管。
14.如權(quán)利要求5所述的一種光電磁集成的廢水氧化裝置，其特征在于所述光催化箱和微電解反應器為圓形或方形，采用金屬材料、PVC材料或混凝土制作。
全文摘要
一種光電磁集成的廢水高級氧化方法及其裝置，首先對廢水進行酸化；隨后在進行光催化氧化之前在進水管外套磁化器的作用下對廢水進行強磁化，使廢水產(chǎn)生物理變化和電化學變化的能量；然后進入光催化箱，在光催化劑、紫外光和臭氧、雙氧水的共同作用下將絕大部分的污染物氧化為二氧化碳和水，或?qū)⒁恍╇y降解物質(zhì)的分子鏈打斷；隨后對廢水進行微電解反應，在外加低電壓弱電流和空氣、臭氧和雙氧水的協(xié)同作用下對難降解物質(zhì)進行吸附和還原反應，達到脫除COD、色度、除臭和殺菌的目的，最后經(jīng)過硅藻土過濾去除懸浮物，使廢水達標排放或回用。本發(fā)明成本低效率高，具有廣闊的應用前景。
文檔編號C02F1/461GK101033105SQ20071007316
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月1日
發(fā)明者彭云龍, 陳兆勇, 覃廣海, 高興齋, 劉輝, 袁銀, 彭景文, 唐鋒 申請人:彭云龍