一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統和方法
2023-04-29 08:18:16 1
專利名稱：一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統和方法
技術領域：
本發明屬於水汙染治理領域，特別是涉及一種微波物化處理含磷汙水的系統和方法。
背景技術：
磷是造成水體富營養化的重要影響因素之一。目前去除汙水中磷的方法有生物法和化學法兩種。生物除磷法是使磷被微生物攝取後當做剩餘汙泥排出達到除磷的目的，但微生物攝取磷的能力有限，單純的生物除磷法通常不能滿足磷的排放標準要求。化學除磷法可以有效的除磷，但傳統的化學除磷法由於是在常溫常壓下進行化學反應，必須過量的投加除磷藥劑，而且化學反應耗時長(通常不少於30min)，增加除磷成本， 同時會產生大量的化學汙泥。高溫高壓的條件可以極大的促進除磷反應的進行，可以在較短的反應時間內獲得很高的除磷效率，同時降低除磷藥劑的消耗量、減少後續含磷汙泥的處理成本。微波應用於水汙染治理中，是近幾年來的研究熱點之一。微波可以穿透水體，對水體中的物質具有選擇加熱性，實現水體內部的微觀分子振蕩，從而將微波能轉化為水體的熱能。微波對水體中吸收微波的物質，可以迅速的使其表面點位升高到1000°c以上的高溫，起到一定的促進作用。根據氣蝕和壓力突變原理，在水體中，氣泡的生成和破滅，尤其是在氣泡破滅的瞬間可以產生巨大的衝擊波，由此對水體內部作用的壓力可達140MPa以上。微波可以促進水體中氣泡的破滅，產生巨大的壓力，結合微波選擇性加熱獲得高溫的特點，如此高溫高壓的條件可極大的促進化學除磷反應的進行，使其反應迅速、均勻、徹底。在目前已有公開的中國專利文獻中，多見利用微波作用獲得高溫條件的報導，未見利用微波作用獲得高壓條件促進反應進行的報導，雖然在已公開的中國專利文獻CN102381741A中有報導採用氣泵將空氣通過管道的管口直接噴入微波催化活性炭反應床中，但該專利明確指出其反應是在常壓下進行，且對其送氣的目的未明確，顯然其通過管口直接噴入的氣體是使活性炭處於流化狀態，且噴入的串柱狀的大型氣泡不易破滅，因此不能形成高壓狀態。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種反應時間短且除磷徹底的高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統和方法。為了解決以上技術問題，本發明是通過以下技術方案予以實現的。一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統，該系統由加藥泵、除磷藥劑溶儲罐、管道混合器、微波發生器、提升泵、微波反應器、除磷反應柱、湍流壓力突變器、空氣擴散器、浮選沉澱池、汙泥濃縮池、壓濾機、減壓閥、加壓溶氣水儲罐、空壓機以及加壓泵組成；所述微波反應器中央設有除磷反應柱，所述除磷反應柱內底部設有湍流壓力突變器和空氣擴散器；所述加藥泵的出口連接到管道混合器的進水端，所述管道混合器的出水通過提升泵連接到微波反應器，所述微波反應器的出水連接到浮選沉澱池，所述浮選沉澱池設有出水排放口和汙泥排放口，所述浮選沉澱池的排泥經汙泥排放口連接到汙泥濃縮池，所述汙泥濃縮池的含磷上清液連接到所述管道混合器的進水口，所述汙泥濃縮池的排泥連接到壓濾機，所述壓濾機的含磷壓濾液連接到所述管道混合器的進水口，所述減壓閥的出口連接到除磷反應柱內的空氣擴散器，所述微波發生器通過波導管連接到微波反應器的波導口。進一步的，所述除磷反應柱設置在微波反應器內部。進一步的，所述除磷反應柱貫穿微波反應器並伸出其外。所述空氣擴散器是穿孔曝氣管、微孔曝氣管、曝氣盤、曝氣砂芯、多孔性空氣擴散板、水力衝擊空氣擴散器中的任一種。所述湍流壓力突變器具有與水泵葉輪葉片相同的曲面結構，是合為一體的兩個半
橢球或兩個蝶形或兩個傘形中的任一種。一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的方法，包括以下步驟
(O向含磷汙水投加除磷藥劑，經管道混合器混勻後送入微波反應器內進行除磷反
應；
(2)通過加壓溶氣裝置將空氣加壓溶於水中，通過連接管道及空氣擴散器，送入微波反應器內，釋放出大量的微小氣泡；利用微波選擇性加熱獲得高溫和微波及壓力突變雙重作用促進氣泡破滅產生高壓，使得步驟(I)的除磷反應在高溫高壓條件下進行；
(3)在微波反應器內進行高溫高壓的除磷反應後，混合液進入浮選沉澱池進行固液分離，上清液排放至系統外，汙泥排入汙泥濃縮池，經濃縮、壓濾後得到高磷泥餅外運；
(4)汙泥濃縮池中的含磷上清液和壓濾產生的含磷壓濾液回流至系統進水端，與含磷汙水的進水一起繼續除磷。所述步驟(2)加壓溶氣裝置的工作壓力為O. 2MPa O. 6MPa。所述含磷汙水在上述微波反應器中的停留反應時間為O. 5min 5min。本發明利用微波的穿透性和選擇加熱性，使混勻於含磷汙水中的鋁鐵系金屬鹽類除磷藥劑表面點位的溫度迅速升高獲得高溫，採用加壓溶氣裝置和空氣擴散器獲得持續的安全的微小氣泡的供給，利用微波和壓力突變的雙重作用促進水中微小氣泡破滅的瞬間產生高壓的特點，同時獲得了高溫高壓的反應條件，克服了傳統的常溫常壓化學除磷反應的諸多缺點。本發明與現有技術相比具有如下優點I)在高溫高壓條件下進行化學除磷反應，因此反應迅速、均勻、徹底；2)除磷效率高，能夠將含磷汙水中磷的含量去除到O. 5mg/L以下，達到排放標準要求；3)由於反應均勻、徹底，減少了除磷藥劑投加量，降低了藥劑成本；4)反應時間短，本發明實際的除磷反應時間為O. 5min 5min，遠低於傳統的常溫常壓的化學除磷反應時間(不少於30min)。
圖I是本發明高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統結構示意圖。圖2是本發明高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統另一種結構示意圖。圖中1、加藥泵；2、除磷藥劑溶儲罐；3、管道混合器；4、微波發生器；5、提升泵；6、微波反應器；7、除磷反應柱；8、湍流壓力突變器；9、空氣擴散器；10、浮選沉澱池；11、汙泥濃縮池；12、壓濾機；13、減壓閥；14、加壓溶氣水儲罐；15、空壓機；16、加壓泵。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。如圖I所示，本發明公開了一種高溫高壓微波物化法處理含磷汙水的系統，包括由加藥泵I和除磷藥劑溶儲罐2組成除磷藥劑投加裝置，所述除磷藥劑投加裝置的出口連接到管道混合器3的進水端，所述管道混合器3的出水通過提升泵5連接到微波反應器6 ；所述微波反應器6內部設有過水管，其側面設有進水孔、出水孔、檢修孔和波導口，其內部設有除磷反應柱7，所述除磷反應柱7下部設有進水孔、上部設出水孔、底部設加壓溶氣水進入孔，並分別與所述微波反應器6相應的過水管相連通，所述除磷反應柱7內底部設有湍流壓力突變器8和空氣擴散器9 ;所述微波反應器6的出水連接到浮選沉澱池10，所述浮選沉澱池10設有出水排放口和汙泥排放口，所述浮選沉澱池10的排泥經汙泥排放口連接到汙泥濃縮池11，所述汙泥濃縮池11的含磷上清液連接到管道混合器3的進水口，所述汙泥濃縮池11的排泥連接到壓濾機12，所述壓濾機12的含磷壓濾液連接到所述管道混合器3的進水口 ；由減壓閥13、加壓溶氣水儲罐14、空壓機15、加壓泵16組成加壓溶氣裝置，所述加壓溶氣裝置的出口連接到除磷反應柱7內的空氣擴散器9，所述微波發生器4通過波導管 連接到微波反應器6的波導口。圖2公開了另一種高溫高壓微波物化法處理含磷汙水的系統，該系統與圖I所示的系統區別僅在於除磷反應柱7相對於微波反應器6的位置。如圖I所示，所述除磷反應柱7設置在微波反應器6內部。如圖2所示，所述除磷反應柱7貫穿微波反應器6並伸出到它的外面。實施例I :
採用上述設備，設定基本條件為微波發生器4功率為I. 6KW ;加壓溶氣裝置工作壓力為O. 6MPa，加壓溶於水中的空氣經減壓閥13減壓為O. 4MPa後穩定的送入除磷反應柱7中的空氣擴散器9，其以20 IOOym的微小氣泡的形式釋放出來；除磷藥劑採用聚合氯化鋁，配置濃度為10%。以生活汙水為處理對象，進水含磷量為10mg/L，當除磷藥劑投加量為48mg/L,經管道混合器3混勻後經提升泵5送入微波反應器6中，混合液在微波反應器6中的除磷反應柱7內停留反應Imin時，除磷藥劑及汙水中的吸波物質在微波作用下，其表面點位迅速形成1000°C以上的高溫條件，經空氣擴散器9釋放出來的微小氣泡在微波和壓力突變器8的雙重作用下發生破滅產生上百兆帕的高壓條件，經高溫高壓的物化除磷反應後進入浮選沉澱池10進行固液分離，經檢測，浮選沉澱池出水含磷量降至O. 2mg/L,優於《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB18918-2002)中一級A的規定。對比傳統的常溫常壓的化學除磷，當除磷藥劑投加量為65mg/L,混合反應30min時，出水含磷量降至O. 5mg/L。實施例2
採用上述設備，設定基本條件為微波發生器4功率為I. 6KW ;加壓溶氣裝置工作壓力為O. 6MPa，加壓溶於水中的空氣經減壓閥13減壓為O. 4MPa後穩定的送入除磷反應柱7中的空氣擴散器9，其以20 IOOym的微小氣泡的形式釋放出來；除磷藥劑採用聚合氯化鋁，配置濃度為10%。以城市生活汙水經氧化溝工藝處理後的沉澱池的出水為處理對象，進水含磷量為3. 2mg/L,當除磷藥劑投加量為17mg/L，混合液在微波反應器內的停留反應
O.5min時，浮選沉澱池出水含磷量降至O. 18mg/L，優於《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB18918-2002)中一級A的規定。對比傳統的常溫常壓的化學除磷，當除磷藥劑投加量為25mg/L,混合反應30min時，出水含磷量降至O. 4mg/L。實施例3
採用上述設備，設定基本條件為微波發生器4功率為I. 6KW ;加壓溶氣裝置工作壓力為O. 6MPa，加壓溶於水中的空氣經減壓閥13減壓為O. 5MPa後穩定的送入除磷反應柱7中的空氣擴散器9，其以20 IOOym的微小氣泡的形式釋放出來；除磷藥劑採用聚合氯化鋁，配置濃度為10%。以某化工企業生產磷肥的含磷廢水為處理對象，進水平均含磷量為80mg/L,當除磷藥劑投加量為310mg/L,混合液在微波反應器內的停留反應3min時,浮選沉澱池出水含磷量降至O. 3mg/L。對比傳統的常溫常壓的化學除磷，當除磷藥劑投加量為400mg/L,混合反應30min時，出水含磷量降至O. 5mg/L。·從以上實施例可見，本發明公開的一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的方法和設備相對於現有技術效果顯著、優勢明顯。本申請人在長期的研究中發現常見的鋁鐵系金屬鹽類除磷藥劑具有強烈的吸收微波輻射的能力，經微波輻射能夠在其表面點位迅速形成1000°C以上的高溫條件。微波還可促進水中氣泡的破滅，氣泡直徑的大小對其破滅的頻率有直接影響，氣泡越小，氣泡破滅的頻率就越快，原因在於，在相同能量的微波輻照條件下，越小的氣泡升溫越快，體積急劇膨脹造成破滅。獲得微小氣泡的方法有兩種一種是採用鼓風機和空氣擴散器直接供氣到水體中，產生的氣泡大小由空氣擴散器的孔徑決定，通常在O. 5 3_範圍；另一種是採用加壓溶氣裝置，將空氣加壓溶於水中，當由加壓狀態變為常壓時，溶於水中的氣體經空氣擴散器以微小氣泡(氣泡直徑為20 100 μ m)的形式釋放出來。但前一種方法產生的氣泡直徑遠大於後一種方法，不易破滅獲得高壓條件，且當空氣擴散器堵塞或者排氣不暢時，容易形成密閉的氣體條件，在持續的微波輻照下有大團氣體急劇膨脹造成爆炸的危險，輕則破壞管路、空氣擴散器，重則破壞整個微波反應器，因此限制了使用。作為一種優選方案，後一種方法由於管路及空氣擴散器中為加壓狀態的溶氣水，持續的微波輻照的結果僅是水溫升高，故可持續的安全的獲得微小氣泡，且氣泡直徑非常小，只有20 100 μ m,更易在微波作用下破滅獲得高壓條件。另一方面，在湍流水體中，含氣泡水在遇有壓力突變，由低壓區流至高壓區時，流速增加，水壓增加，也會加快氣泡破滅的頻率。利用微波選擇性加熱獲得高溫和微波及壓力突變雙重作用促進氣泡破滅產生高壓的特點，所獲得的高溫高壓的條件必然極大的促進化學除磷反應的進行，使其反應迅速、均勻、徹底。本發明獨到的工作原理是利用鋁鐵等金屬鹽類除磷藥劑及汙水中的吸波物質在微波作用下其表面點位迅速形成1000°c以上的高溫條件，利用微波和壓力突變器的雙重作用促進氣泡的破滅，尤其是促進本發明所述獲得的微小氣泡的破滅，破滅瞬間產生上百兆帕的高壓條件，所獲得的高溫高壓的條件極大的促進了化學除磷反應的進行，使其反應迅速、均勻、徹底。儘管上述結合附圖和實施例對本發明進行了清晰的舉例描述，但本發明並非局限於上述的幾種具體實施方式
，對於本領域的普通技術人員來講，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該發明相似的方法和設備，均應落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統，其特徵在於，該系統由加藥泵[I]、除磷藥劑溶儲罐[2]、管道混合器[3]、微波發生器[4]、提升泵[5]、微波反應器[6]、除磷反應柱[7]、湍流壓力突變器[8]、空氣擴散器[9]、浮選沉澱池[10]、汙泥濃縮池[11]、壓濾機[12]、減壓閥[13]、加壓溶氣水儲罐[14]、空壓機[15]以及加壓泵[16]組成； 所述微波反應器[6]中央設有除磷反應柱[7]，所述除磷反應柱[7]內底部設有湍流壓力突變器[8]和空氣擴散器[9]； 所述加藥泵[I]的出口連接到管道混合器[3]的進水端，所述管道混合器[3]的出水通過提升泵[5]連接到微波反應器[6]，所述微波反應器[6]的出水連接到浮選沉澱池[10]，所述浮選沉澱池[10]設有出水排放口和汙泥排放口，所述浮選沉澱池[10]的排泥經汙泥排放口連接到汙泥濃縮池[11]，所述汙泥濃縮池[11]的含磷上清液連接到所述管道混合器[3]的進水口，所述汙泥濃縮池[11]的排泥連接到壓濾機[12]，所述壓濾機[12]的含磷壓濾液連接到所述管道混合器[3]的進水口，所述減壓閥[13]的出口連接到所述除磷反應柱[7]內的空氣擴散器[9]，所述微波發生器[4]通過波導管連接到微波反應器[6]的波導口。
2.如權利要求I所述的高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統，其特徵在於，所述除磷反應柱[7]設置在微波反應器[6]內部。
3.如權利要求I所述的高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統，其特徵在於，所述除磷反應柱[7]貫穿微波反應器[6]並伸出其外。
4.如權利要求2或3所述的高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統，其特徵在於，所述空氣擴散器[9]是穿孔曝氣管、微孔曝氣管、曝氣盤、曝氣砂芯、多孔性空氣擴散板以及水力衝擊空氣擴散器中的任一種。
5.如權利要求2或3所述的高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統，其特徵在於，所述湍流壓力突變器[8]是合為一體的兩個半橢球或兩個蝶形或兩個傘形中的任一種。
6.一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的方法，其特徵在於包括以下步驟 (O向含磷汙水投加除磷藥劑，經管道混合器混勻後送入微波反應器內進行除磷反應； (2)通過加壓溶氣裝置將空氣加壓溶於水中，通過連接管道及空氣擴散器，送入微波反應器內，釋放出大量的微小氣泡；利用微波選擇性加熱獲得高溫和微波及壓力突變雙重作用促進氣泡破滅產生高壓，使得步驟(I)的除磷反應在高溫高壓條件下進行； (3)在微波反應器內進行高溫高壓的除磷反應後，混合液進入浮選沉澱池進行固液分離，上清液排放至系統外，汙泥排入汙泥濃縮池，經濃縮、壓濾後得到高磷泥餅外運； (4)汙泥濃縮池中的含磷上清液和壓濾產生的含磷壓濾液回流至系統進水端，與含磷汙水的進水一起繼續除磷。
7.根據權利要求6所述的高溫高壓微波物化處理含磷汙水的方法，其特徵在於，所述步驟(2)加壓溶氣裝置的工作壓力為O. 2MPa O. 6MPa。
8.根據權利要求6所述的高溫高壓微波物化處理含磷汙水的方法，其特徵在於含磷汙水在所述微波反應器中的停留反應時間為O. 5min 5min。
全文摘要
本發明公開了一種高溫高壓微波物化處理含磷汙水的系統和方法，屬於水汙染治理領域。該系統由加藥泵、除磷藥劑溶儲罐、管道混合器、微波發生器、提升泵、微波反應器、除磷反應柱、湍流壓力突變器、空氣擴散器、浮選沉澱池、汙泥濃縮池、壓濾機、減壓閥、加壓溶氣水儲罐、空壓機以及加壓泵組成。本發明利用微波選擇性加熱獲得高溫，利用微波和壓力突變的雙重作用促進氣泡破滅的瞬間產生高壓的特點，獲得了高溫高壓的化學除磷反應的條件。與傳統的常溫常壓的化學除磷法相比，本發明具有除磷效率高、反應時間短，節省除磷藥劑成本等優點，有助於降低水體磷的富營養化汙染，具有顯著的經濟效益和環境效益。
文檔編號C02F11/12GK102849889SQ20121039806
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者劉再亮, 孟海玲, 戴波 申請人:安徽工業大學