CN103910427A - Fenton反应***及利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Fenton反应***及利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法。该Fenton反应***包括，经管路顺序连通的射流器、盘管、反应罐；所述射流器接纳经管路泵入的废水与Fenton试剂后流入所述盘管进行混合反应，再进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应。该处理废水中有机污染物的方法包括：⑴调节废水的pH值，然后泵入管道内，在射流器中分别与Fenton试剂的氧化剂和催化剂溶液混合后，流入螺旋盘管进行混合反应；⑵进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应。⑶反应罐出水用碱液调节pH值、沉淀，污泥排入污泥车间处理，上清液排入生化池。
Description
技术领域
本发明涉及一种Fenton反应***及利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法。
背景技术
1894年H.Fenton发现，过氧化氢和亚铁离子在酸性水溶液中可以有效氧化分解酒石酸。人们将这种试剂称为Fenton试剂，将使用这种试剂的反应称为Fenton反应。Fenton反应过程中能够产生具有强氧化性的OH，其氧化还原电位高达2.8V，可与大多数有机污染物发生反应，无选择性的彻底破坏有机物结构，最终生成CO2、H2O和无机盐，具有反应速度快，无二次污染等优点，广泛用于高浓度难生物降解的有机污染物处理。
传统Fenton反应在实际应用中存在运行成本偏高、反应条件要求严格、容易产生二次污染等问题，其中Fenton试剂使用量大，药剂成本高的问题尤为突出。杨颖采用批次投加Fenton试剂的方式对双酚A环氧树脂生产过程中产生的高盐有机废水进行处理，TOC由2300mg/L降低至150mg/L以下，与200元/吨以上的多效蒸发处理成本相比，药剂投加成本预计为150元/吨。通过改变投加方式及提高反应温度，提高了过氧化氢利用效率和有机污染物的去除率，Fenton氧化效果明显提高。分批投加可以提高Fenton氧化的去除效率的原因在于，一次性投加药剂后，亚铁会通过对自由基竞争和局部自由浓度过高，而发生自消耗反应，从而降低有机物的去除效率。其不足之处在于增加了操作的复杂性。刘尚超等人设计了一种Fenton试剂反应器，通过混合反应管结构设计，解决传统Fenton工艺中人工投加Fenton试剂引起的混合不均问题。李培中等人设计了一种Fenton反应用三相分离器，以气体为动力在导流筒内形成环流，从而达到提高氧化剂与催化剂接触效率的目的。宋岱峰设计的高效Fenton反应器采用盘管加热和曝气混合的方式提高Fenton反应效率。其不足之处在于曝气和加热增加能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少Fenton试剂的使用量，提高Fenton反应效率，减少动力和热能等消耗，从而降低Fenton反应的运行成本，同时简化操作的Fenton反应***。本发明的另一目的是提供一种利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法。
本发明的技术解决方案是所述Fenton反应***，其特殊之处在于：包括经管路顺序连通的射流器、盘管、反应罐；所述射流器接纳经管路泵入的废水与Fenton试剂后流入所述盘管进行混合反应，再进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应。
作为优选：所述反应罐的出水管经T型管分两路，一路连接安全阀而另一路连接压力表并通过针阀连接出水口。
作为优选：所述盘管与所述反应罐的配置方式选用以下的一种：
⑴盘管由横向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管自下向上缠绕在反应罐的外壁，螺旋盘管的进水口位于反应罐的底部，位于反应罐顶部的螺旋盘管出水口经纵向管道向下延伸并与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑵盘管由横向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管自上向下缠绕在反应罐的外壁，螺旋盘管的进水口位于反应罐的上部，位于反应罐底部的螺旋盘管出水口与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑶盘管由纵向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管出水口经管道与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑷盘管由横向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管出水口经管道与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑸盘管由蛇形管构成，所述蛇形管的出水口经管道与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口。
作为优选：所述Fenton试剂包括经管路泵入射流器内的氧化剂和催化剂，所述氧化剂和所述催化剂分别经各自的管路泵入串联的二射流器内。
作为优选：所述Fenton试剂为由计量泵泵入射流器内的氧化剂。
作为优选：所述射流器与所述盘管之间的管路上连接止回阀；所述止回阀与所述射流器之间的管路上连接泄水阀。
作为优选：所述反应罐的底部设有泄水阀。
本发明的另一技术解决方案是所述利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴调节废水的pH 值，然后泵入管道内，在射流器中分别与Fenton试剂的氧化剂和催化剂溶液混合后，流入螺旋盘管进行混合反应；
⑵进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应。
作为优选所述步骤⑵的后面设有步骤⑶反应罐出水用碱液调节pH值、沉淀，污泥排入污泥车间处理，上清液排入生化池。
本发明的再一技术解决方案是所述利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴调节废水的pH 值并与Fenton试剂的催化剂溶液混合，然后泵入管道内，在射流器中再与Fenton试剂的氧化剂溶液混合，流入螺旋盘管进行混合反应；
⑵进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应；
⑶反应罐出水用碱液调节pH值、沉淀，污泥排入污泥车间处理，上清液排入生化池。
与现有技术相比，本发明具有以下的积极效果：
⑴螺旋盘管的混合效率高，动力消耗少。由于螺旋盘管弯曲的几何构型使流体径向上产生二次流，利用二次流对其进行周期性搅拌从而实现高效的混合。盘管内的混合是依靠进水泵提供的动力以及盘管自身的构型实现的，与搅拌机以及曝气设备相比，节省动力消耗，而且混合效果更佳。
⑵Fenton反应时间短，占地面积小。现有Fenton法废水处理设备的停留时间（Fenton反应时间）一般为1～2h。而达到同样处理效果，采用本反应器的处理时间大为缩短，仅需要15～30分钟。Fenton反应时间缩短意味着单位体积反应器处理能力的提高，因此在处理相同流量的废水，本反应器的体积比现有设备更小，能够节省占地面积至少50%。
⑶节省Fenton试剂，降低运行成本。反应***独特的结构设计提高了混合性能和Fenton试剂使用效率，氧化剂过氧化氢的用量比传统Fenton法处理工艺节省40～50%。由于过氧化氢的单价高，用量大，因此，过氧化氢使用量减少能够明显降低Fenton法处理废水的运行成本。同时由于催化剂二价铁盐的用量大幅减少，出水铁含量降低，可显著减轻后续中和处理负担。
⑷具有压力调节功能，进一步提高Fenton反应氧化效率。由于反应器内具有一定的压力，Fenton反应过程中由于过氧化氢分解产生的新生态活性氧在水中溶解的量比常压条件下更多，因此能够增加活性氧与废水中有机污染物接触几率，促进氧化反应，进而提高Fenton反应的氧化分解效率。
⑸结构简单、操作方便、设备材料易得价廉。Fenton反应器涉及的射流器、各种阀门管件均属标准件，无需特殊加工。螺旋盘管作为本发明中主要的混合单元，结构非常简单，无需特殊加工，现场安装容易，对盘管材质的要求不高，可选取具有一定耐温、耐压及耐腐蚀性的常用管材如UPVC、PP、PTFE、不锈钢等。相比现有Fenton流化床采用的导流筒设计，各种形状的布水设计，结构大为简化。
附图说明
图1是本发明Fenton反应***第一种结构示意图。
图2是本发明Fenton反应***第二种结构示意图。
图3是本发明Fenton反应***第三种结构示意图。
图4是本发明Fenton反应***第四种结构示意图。
图5是本发明Fenton反应***立式螺旋盘管结构示意图。
图6是图5的俯视结构示意图。
图7是本发明Fenton反应***卧式螺旋盘管的结构示意图。
图8是图7的俯视结构示意图。
图9是本发明Fenton反应***蛇形盘管的横向结构示意图。
图10是本发明Fenton反应***蛇形盘管的纵向结构示意图。
主要组件符号说明：
进水泵1 、第一射流器21、第二射流器22、第一计量泵31、第二计量泵32、止回阀4 、盘管5、进水口51、出水口52、反应罐6、进水口61、出水口62、泄水阀63、安全阀71、压力表72、针阀73、泄水阀8、T型管91、管道92 、纵向管道93。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
图1、图5、图6示出了本发明Fenton反应***的第一个实施例。
请参阅图1所示，该Fenton反应***包括pH调节到3的废水通过进水泵1泵入管道92内，与所述管道92连通的两个串联在一起的第一射流器21与第二射流器22分别与通过第一计量泵31与第二计量泵32输入的Fenton试剂中的氧化剂H2O2 30%和Fenton试剂中的催化剂FeSO4 120g/L溶液混合后，经管路中的止回阀4流入与止回阀4连通的立式螺旋盘管5进行混合反应，请参阅图5、图6所示，所述螺旋盘管5自下向上缠绕在反应罐6的外壁，螺旋盘管5的进水口51位于反应罐6的底部，位于反应罐6顶部的螺旋盘管出水口52经纵向管道93向下延伸并与反应罐6底部的进水口61连通，废水在反应罐6内进行Fenton反应后，沿反应罐6顶部流入与T型管91连通的出水口62；该出水口62经管道92连通T型管91分两路，一路连接安全阀71而另一路连接压力表72并通过调控反应罐6内压力的针阀73连接出水口。废水在反应***内总停留时间为20min。反应罐6出水用碱液调节pH至8中和沉淀，污泥排入污泥车间处理，上清液排入生化池。所述第二射流器22与所述盘管5之间的管路上连接止回阀4；所述止回阀4与所述第二射流器22之间的管路上连接泄水阀8。所述反应罐6的底部设有泄水阀63。作为替代方案，所述螺旋盘管5还可以是自上向下缠绕在反应罐6的外壁，螺旋盘管5的进水口51位于反应罐6的上部（图中未示）。
该射流器21、22流量范围0.1～50m3/h；螺旋盘管5管径介于10～50mm，长度5～50m；该的反应罐6为圆柱形，高径比在1～2之间，容积0.05～25m3；该压力表72压力调节范围在0～10Mpa；反应罐出水口62安装位置位于反应罐6侧面，距罐体顶部相距50～200mm；反应罐6顶部设有检查口(图中未示)，直径200～500mm。反应罐6和螺旋盘5管材质可采用PTFE、UPVC、PP、不锈钢等；螺旋盘管5安装形式为缠绕在反应罐外部。
所述利用Fenton反应***处理某工业污水处理站乳化液废水电气浮出水的方法，处理水量为60L/h，进水水质如下：CODcr 10000mg/L，pH 7.4，包括以下步骤：
⑴调节废水的pH 值到3，然后泵入管道92内，在第一射流器21、第二射流器22中分别与Fenton试剂的氧化剂30%H2O2和催化剂120g/LFeSO4溶液混合后，流入螺旋盘管5进行混合反应；
⑵再进入反应罐6停留一段时间后流出，通过针阀73调控反应罐6压力并进行Fenton反应，废水在反应器内总停留时间为20min；
⑶反应罐6出水用碱液调节pH至8、沉淀，污泥排入污泥车间(图中未示)处理，上清液排入生化池(图中未示)；测得上清液CODcr 3950mg/L ，计算Fenton试剂投加量，每m3废水消耗12L30%H2O2，120g/L 50LFeSO4溶液，削减COD 6.05kg，而削减这些量的COD所需30%H2O2的理论用量为38.6L，采用本装置节省氧化剂用量68%。
图2、图7、图8示出了本发明Fenton反应***的第二个实施例。
请参阅图2、图7、图8所示，该实施例与上述第一个实施例的区别在于，盘管5由纵向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管出水口52经管道92与反应罐6底部的进水口61连通，反应罐6顶部设有与T型管91连通的出水口62。
图3示出了本发明Fenton反应***的第三个实施例。
请参阅图3所示，该实施例与上述第一个实施例的区别在于，盘管5由横向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管出水口52经管道92与反应罐6底部的进水口61连通，反应罐6顶部设有与T型管91连通的出水口62。
图4示出了本发明Fenton反应***的第四个实施例。
请参阅图4所示，该实施例与上述第一个实施例的区别在于，该Fenton反应***包括pH调节到3并且混合了Fenton试剂中催化剂硫酸亚铁溶液的废水经进水泵1泵入管道92内，与所述管道92连通的射流器31接收由计量泵1泵入Fenton试剂中的氧化剂过氧化氢溶液混合，然后流入螺旋盘管5进行混合反应。
所述利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法，包括以下步骤：
⑴调节废水的pH 值到3并与Fenton试剂的催化剂120g/LFeSO4溶液混合，然后泵入管道92内，在射流器31中再与Fenton试剂的氧化剂30%H2O2溶液混合，流入螺旋盘管5进行混合反应；
⑵进入由针阀73调控压力的反应罐6内进行Fenton反应；
⑶反应罐6出水用碱液调节pH值、沉淀，污泥排入污泥车间(图中未示)处理，上清液排入生化池(图中未示)。
请参阅图9与图10所示，作为替代方案，所述盘管5还可以使用替代的蛇形管。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种Fenton反应***，其特征在于：包括经管路顺序连通的射流器、盘管、反应罐；所述射流器接纳经管路泵入的废水与Fenton试剂后流入所述盘管进行混合反应，再进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应。
2.根据权利要求1所述Fenton反应***，其特征在于：所述反应罐的出水管经T型管分两路，一路连接安全阀而另一路连接压力表并通过针阀连接出水口。
3.根据权利要求2所述Fenton反应***，其特征在于：所述盘管与所述反应罐的配置方式选用以下的一种：
⑴盘管由横向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管自下向上缠绕在反应罐的外壁，螺旋盘管的进水口位于反应罐的底部，位于反应罐顶部的螺旋盘管出水口经纵向管道向下延伸并与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑵盘管由横向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管自上向下缠绕在反应罐的外壁，螺旋盘管的进水口位于反应罐的上部，位于反应罐底部的螺旋盘管出水口与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑶盘管由纵向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管出水口经管道与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑷盘管由横向旋转成型的螺旋盘管构成，所述螺旋盘管出水口经管道与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口；
⑸盘管由蛇形管构成，所述蛇形管的出水口经管道与反应罐底部的进水口连通，反应罐顶部设有与T型管连通的出水口。
4.根据权利要求1所述Fenton反应***，其特征在于：所述Fenton试剂包括经管路泵入射流器内的氧化剂和催化剂，所述氧化剂和所述催化剂分别经各自的管路泵入串联的二射流器内。
5.根据权利要求1所述Fenton反应***，其特征在于：所述Fenton试剂为由计量泵泵入射流器内的氧化剂。
6.根据权利要求1至5任一项所述Fenton反应***，其特征在于：所述射流器与所述盘管之间的管路上连接止回阀；所述止回阀与所述射流器之间的管路上连接泄水阀。
7.根据权利要求1至5任一项所述Fenton反应***，其特征在于：所述反应罐的底部设有泄水阀。
8.根据权利要求1所述利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴调节废水的PH 值，然后泵入管道内，在射流器中分别与Fenton试剂的氧化剂和催化剂溶液混合后，流入螺旋盘管进行混合反应；
⑵进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应。
9.根据权利要求8所述利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法，其特征在于：所述步骤⑵的后面设有步骤⑶反应罐出水用碱液调节pH值、沉淀，污泥排入污泥车间处理，上清液排入生化池。
10.根据权利要求1所述利用Fenton反应***处理废水中有机污染物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴调节废水的pH 值并与Fenton试剂的催化剂溶液混合，然后泵入管道内，在射流器中再与Fenton试剂的氧化剂溶液混合，流入螺旋盘管进行混合反应；
⑵进入由针阀调控压力的反应罐内进行Fenton反应；
⑶反应罐出水用碱液调节pH值、沉淀，污泥排入污泥车间处理，上清液排入生化池。
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