CN103359803B - 一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能够同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法及装置，属于水污染控制领域。本发明是使连续流动状态的重金属-有机复合污染废水流经填充有吸附剂的高压脉冲放电区，利用脉冲放电产生的各种物理化学综合效应降解吸附剂表面及其周围毗邻区域的有机污染物，获得吸附剂表面的活性竞争吸附点位，增加吸附剂对重金属离子的吸附，从而达到同时去除废水中的重金属离子和有机污染物的目的。本发明具有原理简单、操作方便，对重金属离子和有机污染物去除效果都好的优点。适用于重金属离子和有机物复合污染废水的处理。
Description
技术领域
本发明属于水污染控制技术领域。特别涉及一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法及装置。本发明是依据重金属离子与有机污染物在吸附剂上的竞争吸附原理以及脉冲放电等离子体技术对污染物的降解机制，通过脉冲放电产生的各种物理化学综合效应降解吸附剂表面及其周围毗邻区域的有机污染物，获得吸附剂表面的活性竞争吸附点位，增加吸附剂对重金属离子的吸附，从而达到同时去除废水中的重金属离子和有机污染物的目的。
背景技术
水资源的短缺和水环境污染是当前人类面临的重大挑战，也是我国实现可持续发展战略优先考虑的重大问题。随着石油化工、医药、农药和染料等工业的迅速发展，含各种生物难降解有机污染物和重金属废水的排放量不断增多，废水中的有机污染物和重金属的数量与种类与日俱增，由此引起的各种环境问题已成为目前影响人类生存与健康的重大问题。
长期以来水污染控制工程研究大多只注重单一有机污染物或重金属的处理，但是在实际的水环境中有机污染物和重金属都不是截然分开的，而是共同存在于同一污染源或同一环境中。如印染废水就是典型的难降解有机物和重金属离子共存的复合污染型工业废水，未经处理的印染废水中不仅含有大量的高毒性的染料、漂白剂、盐类、酸、碱，还含有镉、铜、锌、铬和铁等重金属元素；炼油废水中也含有多种类型的污染物：多环芳烃、铵盐、硫化物、氰化物、酚类、锌、铬等重金属；其它类似的工业废水如铸造废水、造纸废水、金属加工废水、电镀废水等也普遍存在有机物和重金属复合污染的问题。此外，在一些城市污水和工业废水合并收集、处理的地区、或工业园区集中处理的工业废水处理厂，同样可以看到废水中既含有有毒有害难降解有机物，又含有多种重金属。这类复合污染废水中重金属和有机物的种类、含量及存在形态因不同生产企业而异，其中大多重金属离子浓度较低，有机物含量较高，成份复杂，处理要求又非常严格，因此，如何经济、有效地去除废水中的有机物和重金属已经成为近些年环保领域中的一个重要课题。
目前，对于重金属-有机物复合污染废水，国内外传统处理方法一般分两步进行：首先去除重金属离子，主要方法有：(1)投加化学药剂使其沉淀；(2)采用气浮技术，实现其与水相分离；(3)通过物理吸附(如活性炭、接枝淀粉、沸石、硅藻土等)，去除重金属离子；随后利用生物(如活性污泥法、生物膜法等)、化学氧化等方法降解废水中有机物质。显然传统处理重金属-有机物复合污染废水的方法比较复杂，预处理时加入化学试剂，既增加处理费用，又造成二次污染，并向废水中带入新的污染物；气浮法要通入大量空气，故设备投资和操作费用都大大增加；物理吸附法(如活性炭吸附)虽然能够有效地去除废水中重金属和有机污染物，但吸附剂容易达到饱和，需定期更换吸附剂，并存在如何回收重金属元素等问题，此外吸附法也不能从根本上去除废中的有机污染物，只是将有机污染物转移到吸附剂上。可见治理重金属-有机物复合污染废水的传统方法已不能满足当前日益严峻的水污染形势，并且存在许多弊端。从技术可行性和经济高效性角度出发，研究开发一种低污染、低投资的新型方法，处理上述废水显得尤为重要。
由高压脉冲电源作为外加电源形成的脉冲流光电晕放电等离子体是一种在难降解有机废水处理中应用较多的电晕放电等离子体形式。作为高级氧化水处理技术中的一种，脉冲放电等离子体技术与其它高级氧化技术相比有诸多优点，包括：水溶液中的直接脉冲放电可以在常温常压下操作，整个放电过程中无需加入催化剂就可以在水溶液中产生原位的化学氧化性物种氧化降解有机物，该项技术对低浓度有机物的处理经济且有效；此外，应用脉冲放电等离子体水处理技术的反应器形式可以灵活调整，操作的过程简单，相应的维护费用也比较低。但是长期以来，脉冲放电等离子体体系中污染物降解能量效率低的问题一直是影响其应用的关键问题。为此，许多学者提出将脉冲放电等离子体技术与其它氧化性物种、高级氧化过程或物理作用联合起来降解污染物，从而提高该技术能量效率。不难发现，尽管脉冲放电等离子体技术与其它技术结合可以有效地提高污染物降解的能量效率，但是它们只是针对废水中的有机污染物，而对于重金属-有机物复合污染废水无能为力。鉴于此，以及当前吸附剂在重金属和有机污染废水处理中存在的不足，本发明提出将脉冲放电等离子体技术与吸附剂吸附技术相结合用于废水中重金属离子和有机污染物的同时去除。
发明内容
本发明的目的就是提供一种处理效率高、操作管理方便且不产生二次污染，且能够同时去除废水中金属离子和有机污染物的水处理方法及装置。
本发明的基本思路是：吸附剂是一个浓集中心，在其表面及其周围毗邻区域通过吸附首先创造出高浓度的环境，然后利用脉冲放电过程中形成的各种物理和化学效应降解吸附剂表面及其周围毗邻区域的有机污染物，一方面降低能耗，提高有机污染物的降解效率；另一方面释放吸附剂的活性竞争吸附点位，增加吸附剂对重金属离子的吸附能力，延长吸附剂的使用寿命，最终达到废水中的重金属离子和有机污染物的分离和去除。
本发明的技术解决方案是：
(i)吸附剂(7)为普通市售的活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛或天然黏土。当使用的吸附剂(7)是粒状的活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛或天然黏土时，吸附剂(7)的粒径范围为0.5mm-20mm；当使用的吸附剂(7)是粉末状的活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛或天然黏土时，吸附剂(7)的粒径范围为2目-250目。
(ii)废水中重金属离子和有机污染物同时去除的工艺：
第一步，打开气阀(13)，向反应器(2)中鼓气，然后让含有重金属离子和有机污染物的待处理废水以及吸附剂(7)处于反应器(2)中的放电区，吸附剂(7)体积与待处理废水体积之比的范围为0-0.8，封闭反应器(2)；
第二步，闭合电源开关(18)，调节脉冲电源(1)的频率和输出电压，在针孔电极(3)与板电极(5)之间形成稳定的电晕放电、流光放电或辉光放电，放电时间为0.5min-12h；
第三步，放电结束后，将脉冲电源(1)的输出电压归零，断开开关(18)，打开反应器(2)，将处理完的废水及吸附剂(7)从反应器(2)中取出，处理结束。
本发明所采用的装置主要由脉冲电源(1)、反应器(2)和辅助设备构成。
脉冲电源(1)是指双正、负脉冲电源，正向脉冲电压和负向脉冲电压均可独立调节，脉冲电源(1)的频率调节范围为0Hz-200Hz，脉冲峰值电压调节范围为0kV-500kV，脉冲功率调节范围为0kW-200kW。反应器(2)由针孔电极(3)、金属板(4)、板电极(5)、金属螺杆(6)、进气口(8)和尾气出口(9)构成；当需要让反应器(2)中的待处理废水处于循环状态时，反应器(2)还包括进水口(10)和出水口(11)。针孔电极(3)是孔径为1mm-100mm，长为5mm-500mm的金属针，被固定在厚度为1mm-1000mm，面积为100mm2-10m2的圆形金属板(4)上，每平方厘米金属板(4)上均匀的分布1-3根针孔电极(3)；板电极(5)是厚度为1mm-1000mm，面积为50mm2-8m2金属圆板，通过金属螺杆(6)被固定在反应器(2)顶部，板电极(5)即可以浸没到待处理废水中，也可以置于待处理废水的液面上方，防止板电极(5)腐蚀；板电极(5)与针孔电极(3)针头之间的距离可以通过金属螺杆(6)调节，调节范围为1mm-5m；脉冲电源(1)的高压输出端串联保护电阻(17)连接在金属板(4)上，脉冲电源(1)的低压输出端串联开关(18)与金属螺杆(6)一同接地。
辅助设备根据应用时的工艺来确定。其中包括给电源配套的保护电阻(17)、开关(18)等控制器件。为了让反应器(2)中产生大量的活性物种，需要向反应器(2)中注入气体，因此装置中还需要配备气瓶(12)、气阀(13)和尾气吸收池(14)；气体由气瓶(12)注入，经过气阀(13)，然后通过进气口(8)进入反应器(2)中，最后从尾气出口(9)排出进入尾气吸收池(14)中；由于尾气含有臭氧等大量的活性物种，可将尾气再次注入到反应器(2)中，这样可以达到提高处理效果的目的，同时，又不需要处理尾气的装置，减少了二次污染的产生；向反应器(2)中鼓入的气体为空气、氧气、氮气、臭氧和氩气等气体，其中，空气为0％-100％，氧气为0％-100％，氮气为0％-100％，臭氧为0％-100％，氩气为0％-100％。为了提高反应器(2)的处理负荷和效率，可让反应器(2)中的待处理废水处于循环状态，因此装置中还需要配备储液瓶(15)和蠕动泵(16)；储液瓶(15)中的待处理废水通过蠕动泵(16)经过进水口(10)进入反应器(2)中，然后通过出水口(11)回到储液瓶(15)中，实现废水的循环。
对于本发明中所述的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法，所采用的吸附剂(7)不仅为活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛和天然黏土，还可以是载有TiO2、金属(Ag、Au、Pb、Mn等)催化剂的吸附剂。
对于本发明中所述的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理装置可以将反应器(2)外壳设计制作成正方体或长方体型，此时，金属板(4)和板电极(5)为正方体或长方体型。
关于一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法及装置的运行参数的确定，必须注意以下几个方面的问题：
a.向反应器(2)中注入废水时，首先要向反应器(2)中鼓气，否则，废水会通过针孔电极(3)流到反应器(2)的底部，离开放电区域，达不到处理废水的目的。
b.确保每根针孔电极(3)的针头与板电极(5)的距离一致，如果不一致，会发生局部放电，影响废水的处理效果。
c.缓慢调节脉冲电源(1)的输出电压，在针孔电极(3)和板电极(5)之间，形成稳定的电晕放电、流光放电或辉光放电。
d.需要向反应器(2)中通入气体时，反应器(2)中的气体流速不能太大，否则，会在反应器(2)中形成大的气泡，造成不稳定的放电，同时放电产生的高活性物种没有作用于污染物就被带出反应器(2)，不利于污染物的去除，并且浪费能量。
e.需要让反应器(2)中待处理的废水循环时，废水循环的流速不能太大，否则，会产生不稳定的局部放电，影响污染物的去除效果。
f.避免向反应器(2)中填充吸附剂(7)时堵塞针孔电极(3)的气孔，防止产生不均匀放电。
采用本发明的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法及装置时，注意事项：
(1)检查供电***的正确性和安全性。
(2)要确保反应器(2)的气密性，防止臭氧等尾气的泄漏。
本发明所达到的有益效果和益处是，将近年来快速发展起来的一种新的电工技术一脉冲放电等离子体技术与化工吸附分离工程相结合，应用到重金属-有机物复合污染废水处理中。该方法具有处理效率高、操作管理方便且不产生二次污染等优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法及装置的***示意图。
图2是本发明的圆柱体型反应器(2)的立体示意图。
图3是本发明的圆柱体型反应器(2)中板电极(5)在液面中的主视示意图。
图4是本发明的圆柱体型反应器(2)的俯视示意图。
图5是本发明的正方体型反应器(2)的俯视示意图。
图6是本发明的圆柱体型反应器(2)中板电极(5)在液面上方的主视示意图。
图中：1.脉冲电源，2.反应器，3.针孔电极，4.金属板，5.板电极，6.金属螺杆，7.吸附剂，8.进气口，9.尾气出口，10.进水口，11.出水口，12.气瓶，13.气阀，14.尾气吸收池，15.储液瓶，16.蠕动泵，17.保护电阻，18.开关。
具体实施方式
本示例中所采用的装置如图1所示，脉冲电源(1)采用正向脉冲，频率为24Hz，脉冲峰值电压调节范围为0kV-50kV。反应器(2)外壳由有机玻璃制成，形状是直径为100mm，高为150mm的圆柱体。本示例中板电极(5)是直径为80mm，厚度为5mm的不锈钢圆板，浸没于待处理废水中；针孔电极(3)为7根6#医用针头，均匀的分布在直径为90mm，厚度为3mm的圆形金属板(4)上，两根针孔电极(3)之间的距离为15mm；每根针孔电极(3)的针头与板电极(5)之间的距离为15mm；反应器(2)中通入的气体为空气；所用吸附剂(7)为柱状煤质活性炭，直径为1.5mm，平均长度为3mm，活性炭填装量为2.0g；此外本示例中用到气瓶(12)、带有流量计的气阀(13)、尾气吸收池(14)、储液瓶(15)、蠕动泵(16)、保护电阻(17)和电源开关(18)等辅助设备。
在本示例中，选取市售化学纯的氯化镉和苯酚作为处理对象，配成Cd2+浓度为20mg/L、苯酚浓度为100mg/L的模拟重金属-有机复合污染废水，采用本发明中的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理方法及装置，进行废水中重金属离子和有机污染物去除试验，步骤为：
第一步，检查供电***的正确性和安全性，并确保反应器(2)的气密性。
第二步，放电处理，处理工艺为：
首先，将2.0g活性炭放置于反应器(2)中，封闭反应器(2)，打开气阀(13)，向反应器(2)中鼓入空气，气体流量为6L/min；开启蠕动泵(16)，将储液瓶(15)中含有Cd2+和苯酚的待处理废水注入到反应器(2)中，废水体积为250mL。
其次，闭合电源开关(18)，调节脉冲电源(1)的频率为24Hz，脉冲峰值电压为25.4kV，在针孔电极(3)与板电极(5)之间的废水中形成稳定的电晕放电，放电时间为15min。
最后，处理效果分析，每隔3min从储液瓶(15)中取样，分析废水中的Cd2+和苯酚浓度；检测发现随着放电时间的增加，废水中Cd2+和苯酚浓度逐渐降低。经过15min的处理后，Cd2+的处理效率为18.4％，苯酚的处理效率为49.1％。
第三步，放电结束后，将脉冲电源(1)的输出电压归零，断开开关(18)，然后将处理完的废水通过蠕动泵(16)从反应器(2)中排出，关掉蠕动泵(16)和气阀(13)，打开反应器(2)，取出吸附剂(7)，处理结束。
为了确定苯酚和Cd2+的去除效果主要是由脉冲放电对苯酚的降解作用及其导致吸附剂(7)表面对Cd2+吸附点位增加引起的，又进行了下面试验：
第一，将2.0g活性炭放置于反应器(2)中，封闭反应器(2)，然后打开气阀(13)，向反应器(2)中鼓空气，气体流量为6L/min；开蠕动泵(16)，将储液瓶(15)中含有Cd2+和苯酚的待处理废水注入到反应器(2)中，废水体积为250mL。
第二，分析储液瓶(15)中Cd2+和苯酚浓度，分析结果发现经过15min的吸附后，Cd2+的去除率为5.6％，苯酚的处理效率为19.3％。这说明，废水中苯酚的去除主要是由脉冲放电引起的，Cd2+的去除主要也是脉冲放电降解活性炭上的苯酚，使活性炭表面获得较多的吸附点位，从而增加了活性炭对Cd2+的吸附量，提高了Cd2+的去除率。
Claims (8)
1.一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理装置，其特征在于，由脉冲电源(1)和反应器(2)构成；脉冲电源(1)为双正、负脉冲电源，正向脉冲电压和负向脉冲电压均可独立调节，脉冲电源(1)的频率调节范围为0Hz-200Hz，脉冲峰值电压调节范围为0kV-500kV、脉冲功率调节范围为0kW-200kW；反应器(2)由针孔电极(3)、金属板(4)、板电极(5)、金属螺杆(6)构成，吸附剂置于反应器的放电区；针孔电极(3)是孔径为1mm-100mm，长为5mm-500mm的金属针，被固定在厚度为1mm-1000mm，面积为100mm2-10m2的圆形金属板(4)上；板电极(5)是厚度为1mm-1000mm，面积为50mm2-8m2金属圆板，通过金属螺杆(6)被固定在反应器(2)顶部；板电极(5)与针孔电极(3)针头之间距离的调节范围为1mm-5m；脉冲电源(1)的高压输出端串联保护电阻(17)连接在金属板(4)上，脉冲电源(1)的低压输出端串联开关(18)与金属螺杆(5)一同接地，反应器(2)上下两端对应设置有尾气出口(9)和气体入口(8)，气体入口(8)经过气阀(13)与气瓶(12)连接，尾气出口(9)与尾气吸收池(14)连接，反应器(2)上下两侧对应设置有出水口(11)和进水口(10)，进水口(10)经过蠕动泵(16)与储液瓶(15)连接，出水口(11)与储液瓶(15)连接。
2.根据权利要求1所述的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理装置，其特征在于，板电极(5)浸没到待处理废水中。
3.根据权利要求1所述的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理装置，其特征在于，板电极(5)位于待处理废水液面上方。
4.使用权利要求3所述的一种同时去除废水中重金属离子和有机污染物的水处理装置进行废水处理的方法，其特征在于，脉冲电源(1)输出高压，施加在金属板(4)和板电极(5)之间填充有吸附剂(7)的重金属-有机复合污染废水中，调整板电极(5)与针孔电极(3)针头之间距离、脉冲电源(1)频率和脉冲电源(1)输出电压峰值，使板电极(5)与针孔电极(3)针头之间形成稳定的电晕放电、流光放电或辉光放电；脉冲放电产生的各种物理和化学效应降解吸附剂表面及其周围毗邻区域的有机污染物，获得吸附剂表面的活性竞争吸附点位，增加吸附剂对重金属离子的吸附，达到同时去除废水中的重金属离子和有机污染物的目的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，吸附剂(7)填充到金属板(4)与板电极(5)之间的重金属-有机复合污染废水中，填充的吸附剂(7)为普通市售粒状的活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛或天然黏土；吸附剂的粒径范围为0.5mm-20mm；所添加的吸附剂(7)体积与待处理废水体积之比为0.8。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，吸附剂(7)填充到金属板(4)与板电极(5)之间的重金属-有机复合污染废水中，填充的吸附剂(7)为普通市售粉末状的活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛或天然黏土，吸附剂的粒径范围为2目-250目；所添加的吸附剂(7)体积与待处理废水体积之比为0.8。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，工艺步骤为：
第一步，打开气阀(13)，向反应器(2)中鼓气，然后将含有重金属离子和有机污染物的待处理废水以及吸附剂(7)置于反应器(2)中的放电区，封闭反应器(2)；
第二步，闭合电源开关(18)，调节脉冲电源(1)的频率和输出电压，在针孔电极(3)与板电极(5)之间形成稳定的电晕放电、流光放电或辉光放电，放电时间为0.5min-12h；
第三步，放电结束后，将脉冲电源(1)的输出电压归零，断开开关(18)，打开反应器(2)，将处理完的废水及吸附剂(7)从反应器(2)中取出。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在第一步中，向反应器(2)中鼓入的气体为空气、氧气、氮气、臭氧和氩气，其中，空气为0％-100％，氧气为0％-100％，氮气为0％-100％，臭氧为0％-100％，氩气为0％-100％。
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