申请日2013.07.22
公开(公告)日2013.12.04
IPC分类号C02F1/30
摘要
本发明公开了一种微波下催化连续处理难降解废水的方法及其实施装置，颗粒状催化剂填充于石英管内构成石英管催化剂柱，石英管催化剂柱以其轴向与辐照微波方向交角不小于45°置入微波场内构成催化剂固定床，待处理废水连续地流过催化剂固定床层，在微波与颗粒状催化剂的复合作用下脱除废水中的污染物，处理后的水和废水处理过程中产生的气体排放，所述颗粒状催化剂为经炭化、粉碎、粘结成型、二氧化碳活化处理制成的果壳类颗粒活性炭。采用本发明可以实现连续工业化对难降解废水进行降解处理，操作简单，易于自动控制，可通过增减石英管催化剂柱的数量适用不同的废水处理量，投资和运行成本低，去除效率高。
权利要求书
1.一种微波下催化连续处理难降解 废水的方法，其特征在于，颗粒状催 化剂填充于石英管内构成石英管催化剂柱，石英管催化剂柱以其轴向 与辐照微波方向交角不小于45°置入微波场内构成催化剂固定床，待 处理废水连续地流过催化剂固定床层，在微波与颗粒状催化剂的复合 作用下脱除废水中的污染物，处理后的水和废水处理过程中产生的气 体排放，所述颗粒状催化剂为经炭化、粉碎、粘结成型、活化和负载 处理制成的果壳类颗粒活性炭。
2.根据权利要求1所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征 在于，石英管催化剂柱以垂直于微波方向和地面设置在微波场内，待 处理的废水从上向下连续流过石英管内的果壳类颗粒活性炭催化剂。
3.根据权利要求1所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征 在于，当待处理的废水为有机难降解废水，所述果壳颗粒活性炭为掺 杂有重量含量为1%-15%金属氧化物的果壳颗粒活性炭。
4.根据权利要求3所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征 在于，所述金属氧化物选自V2O5、Fe2O3、Ni2O3和MnO2。
5.根据权利要求1至4之一所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法 ，其特征在于，石英管催化剂柱截面沿微波方向的尺寸不大于50mm。
6.根据权利要求1至4之一所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法 ，其特征在于，待处理废水流过单根圆柱形石英管催化剂柱的流速为 20-500mL/min。
7.根据权利要求5所述的微波下催化连续处理难降解废水的方法，其特征 在于，待处理废水流过石英管内果壳类颗粒活性炭催化剂的流速为1- 50mm/min。
8.实施权利要求1至7之一所述微波下催化连续处理难降解废水方法的装 置，其特征包括装置壳架、安装在装置壳架上的微波装置和设置在壳 架内由石英管催化剂柱构成的催化剂固定床，所述石英管催化剂柱由 载有金属氧化物的果壳类颗粒活性炭催化剂填充于石英管内构成，以 其轴向与辐照微波方向交角不小于 45°设置，构成石英管催化 剂柱的石英管设计有待处理废水进口、处理水出口和废水处理过程中 产生的气体出口。
9.根据权利要求8所述的微波下催化连续处理难降解废水方法的装置，其 特征在于，石英管催化剂柱以垂直于微波方向和地面的方式设置在装 置壳架内。
10.根据权利要求8所述的微波下催化连续处理难降解废水方法的装置，其 特征在于，所述石英管为圆柱形石英管。
说明书
微波下催化连续处理难降解废水的方法及其实施装置
技术领域
本发明涉及废水净化处理技术，更为具体地说，是涉及一种利用微波 和催化剂固定床连续处理难降解废水的工艺方法以及实施装置。
背景技术
生活和生产过程中产生的废水，特别是难于降解处理的废水，严重污 染人们生活的环境，对人们的身体健康带来了极大的危害，因此如何 处理净化人们在生活和生产过程中产生的废水，一直是人们面临的重 大生存的课题。
高浓度氨氮废水属于难降解废水中的一种，现在工业上多采用吹脱工 艺来处理氨氮废水，效果明显，但该方法的实施设备庞大，运行需消 耗大量的蒸汽，运行成本高。有研究者开始利用微波辐照处理废水， 如林莉等于2009在《Journal of Hazardous Materials 168(200 9)》公开的《用微波直接辐射处理焦化厂氨氮废水》，在他们的研究 中，氨氮去除率最好可达85%。但该方法的不足之处是，氨氮去除效 率低，生产成本高。
对于难降解的有机废水，如焦化废水、垃圾渗滤液、染料废水等高浓 度、难以生化降解的工业废水，普通的处理方法难以破坏其中有机物 的稳定结构。有些学者利用活性炭和微波处理难降解有机废水，一般 是采用活性炭吸附、微波再生吸附饱和的活性炭，再将活性炭用于吸 附，或采用将改性后的活性炭与废水混合后放入微波场中辐射3-15分 钟，有机物去除效果明显，有些甚至能达到100%去除。但是，间歇式 的反应使工艺的处理量小(每次50-200ml)，操作复杂，需要控制的 参数多，同时微波辐照时间过长(8-30分钟)，造成单位体积污水处 理电耗高。
碳单质在微波场中具有较快的升温速率，短时间内(3分钟)能达到很 高的温度(900℃)。根据这个特点，湘潭大学于2010年提出申请的、 专利公开号为CN102001721-A、名称为一种氨氮废水的处理方法，公开 了以活性炭粉末与微波辐照结合进行脱除氨氮，氨氮脱除过程为间隙 操作，氨氮脱除反应结束后进行固液分离。该方法与传统加热吹脱法 相比，氨氮去除效率高(最高达99%)，也更加节能。 但由于该方法所采用的活性炭是粉体活性炭，带来了固液分离困难、 活性炭在微波场中使用寿命短、间歇式操作反应时间长(4-15分钟) 、废水处理能力低(15ml/min)等缺点，使之不具有实际工程应用的 前景。
发明内容
针对现有技术利用微波和炭基催化剂处理难降解废水存在的不足，本 发明的第一个目的是提供一种微波下催化连续处理难降解废水的方法 ，本发明的第二个目的是提供一种微波下催化连续处理难降解废水的 实施装置，以解决现有技术处理难降解废水存在的固液分离困难、处 理水量小、催化剂使用寿命短等问题。
针对本发明的第一个目的，本发明提供的微波下催化连续处理难降解 废水的方法，其内容主要包括，颗粒状催化剂填充于石英管内构成石 英管催化剂柱，石英管催化剂柱以其轴向与辐照微波方向交角不小于 45°置入微波场内构成催化剂固定床，待处理废水连续地流过催化剂 固定床层，在微波与颗粒状催化剂的复合作用下脱除废水中的污染物 ，处理后的水和废水处理过程中产生的气体排放，所述颗粒状催化剂 为经炭化、粉碎、粘结成型、二氧化碳活化处理制成的负载有金属氧 化物的果壳类颗粒活性炭。
在上述技术方案中，为了取得更好的微波辐照处理效果，更有利于废 水处理的操作，所述石英管催化剂柱最好以其轴线垂直于微波方向和 地面设置在微波场内,待处理的废水从上向下连续流过石英管内的果壳 类颗粒活性炭催化剂。
在上述技术方案中，当待处理的废水为有机难降解废水，所述果壳颗 粒活性炭最好采用掺杂有重量含量为1%-15%金属氧化物的果壳颗粒活 性炭。所述金属氧化物优先选自V2O5、Fe2O3、Ni2O3和MnO2等，可以 是它们中的一种或几种。
在上述技术方案中，石英管催化剂柱高度，即颗粒催化剂填充于石英 管内的高度，与废水的处理难度、废水处理量等有关。石英管催化剂 柱的截面沿微波方向的尺寸，即石英管内腔截面沿微波方向的尺寸， 与废水的处理难度、微波强度、颗粒活性炭柱的轴线与微波方向的交 角等有关，石英管内腔截面沿微波方向的尺寸最好不大于50mm。
在上述技术方案中，待处理废水流过单根石英管催化剂柱的流速，与 石英管催化剂柱的断面大小、石英管催化剂柱的高度、废水处理难度 和处理要求等多种因素有关。对于圆柱形石英管催化剂柱，可以根据 微波场的大小设置多根石英管催化剂 柱，排布方向应垂直于微波发射方向。待处理废水流过石英管内果壳 类颗粒活性炭催化剂的流速最好控制在1-50mm/min。
针对本发明的第二个发明目的，本发明提供的微波下催化连续处理难 降解废水工艺方法的装置，其结构包括装置壳架、安装在装置壳架上 的微波装置和设置在壳架内由石英管催化剂柱构成的催化剂固定床， 所述石英管催化剂柱由果壳类颗粒活性炭催化剂填充于石英管内构成 ，以其轴向与辐照微波方向交角不小于45°设置，构成石英管催化剂 柱的石英管设计有待处理废水进口、处理水出口和废水处理过程中产 生的气体出口。
在上述处理装置中，构成催化剂固定床的石英管催化剂柱最好以垂直 于微波方向和地面的方式设置在装置壳架内。
本发明以石英管作为填充颗粒活性炭的管体，微波既可穿透石英管作 用于作为吸波剂和催化剂的颗粒活性炭，又能承受微波作用于颗粒活 性炭产生的高温，提高了装置使用可靠性。
在上述处理装置中，石英管催化剂柱数量可以根据微波场大小调整。 微波场宜为扁平状，辐照方向深度较小，而长宽较大，便于布置更多 的石英管催化剂柱以提高污水处理量。
本发明是基于发明人对载有金属氧化物的颗粒活性炭与微波联合处理 废水具有的特别性能深刻认识所完成的。载有金属氧化物的颗粒活性 炭在微波场中除了具有碳材料的快速升温性能，还具有很好的催化性 能，同时颗粒活性炭的多孔表面比光滑表面的换热系数高6-17倍，因 而还能实现多孔表面强化沸腾传热和产生具有氧化作用的羟基自由基 。微波通过作为吸波剂和催化剂的颗粒活性炭，将微波施加的热量以 普通活性炭粉末传热2-10倍的速度传递给周围的液体，污水被快速加 热并在活性炭表面由液体变成气体，体积瞬间膨胀数十倍，形成微射 流。于此同时，在孔隙处微小局部的高温高压能够产生具有强氧化作 用的羟基自由基，将污水中的难降解有机物分解与催化氧化。本发明 正是利用了颗粒活性炭在微波场中的这些性能对难降解废水进行处理 ，因此本发明的方法相较于粉末活性炭与微波结合的方法，能更加有 效地使废水中难降解的有机物分解与氧化，而固定床连续流的处理方 式能大大提高了废水的处理效率和能力，可用作处理难降解废水的方 法。
本发明利用微波场中的负载金属氧化物的颗粒活性炭催化处理难降解 废水，充分利用了颗粒活性炭与微波联合使用产生的特性(多孔强化 传热、产生羟基自由基、 催化降解)，大大提高了废水中的溶解性有机物或其他难以生化处理 的污染物处理效率，连续流使整个工艺的处理量大为增加，且整个处 理过程不需曝气，处理后的出水易于固液分离，可显著降低催化剂使 用成本，节约能源。采用本发明连续处理难降解废水，具有处理量大 、低能耗、易操作、效果稳定的特点，处理工艺方法科学合理，能实 现对多种污染物的同时处理，操作简单易于自动控制，可通过增减石 英管催化剂柱的数量和微波功率适用不同的废水处理量，投资和运行 成本低，去除效率高。
