申请日2004.04.15
公开(公告)日2006.06.21
IPC分类号C02F1/28; B01J20/20; B01J20/34; C02F1/00
摘要
废水处理领域中，用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再生方法，特征：废水中有机物的吸附和活性炭的再生均在同一个微波辐照再生装置中进行;活性炭为颗粒状，湿度控制在35-55%;装填量为反应器容积的1/3-4/5;微波频率为2450MHz或915MHz;功率为0.5-64kW;温度升至800-1200℃保持3-5min，辐照总时间为15min;微波辐照再生装置[20]主要由磁控管[12]、微波谐振腔[11]和反应器[10]构成，其上部设有进水控制阀[5]、蒸汽出口[16]和处在反应器内的喷头[8]，下部设有取样口[14]和出水口[15]，与蒸汽出口[16]相连通的有碱液吸收罐[17]和气体吸附柱[18]。优点：(1)实现原位或异位再生，操作灵活;(2)再生时间短、能耗低;(3)再生效率高;(4)操作简单、易于实现自动化;(5)无二次污染，不需进行后续处理。
权利要求书
1.用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再生方法，包括功率控制、 时间控制、湿度控制、吸附饱和检测及再生处理，其特征在于：
a)废水[22]中有机物的吸附和活性炭的再生均是在同一个微波辐照再生装 置[20]中进行;
b)微波辐照分解处理活性炭再生工艺是：
第一步，将待处理的活性炭装入反应器[10]内，其湿度控制在35-55%，活 性炭的装填量为反应器容积的1/3-4/5，所采用的活性炭为颗粒状， 其平均粒度在2-5mm;
第二步，启动微波发生器的磁控管[12]，并启动风机[21]，处理中所采用的微 波频率为2450MHz或915MHz，功率为0.5-64kW，再生过程中 活性炭温度从室温逐渐升高到800-1200℃，在此温度下保持3-5 min，采用K-型铠装热电偶[7]和电子温度指示仪[6]指示温度，微波 辐照总时间为5-15min;
第三步，停机，先关闭微波发生器的电源，待磁控管[12]和反应器[10]冷却后， 停风机;
c)所采用的微波辐照再生装置[20]，主要是由微波发生器的磁控管[12]、微 波谐振腔[11]和底部装有筛板[13]的反应器[10]构成，微波谐振腔的底座 [23]和上盖[24]通过螺栓将反应器紧固在谐振腔的中心位置，而磁控管[12] 则是均匀地分布在谐振腔的外壁上，在微波辐照再生装置[20]的顶部与控 制阀[5]和蒸汽出口[16]管道连通，在活性炭床的上部设有与控制阀相通的 喷头[8]，下部设有取样口[14]和出水口[15]，侧面安装有对磁控管[12]和 反应器[10]降温用的风机[21]，采用K-型铠装热电偶[7]和电子温度指示仪 [6]指示温度，反应器[10]内产生的气体，经蒸汽出口[16]、碱液吸收罐[17]、 气体吸附柱[18]，最后的剩余尾气[19]放空。
2.根据权利要求1所述的用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再 生方法，其特征在于：微波辐照再生装置[20]，其微波谐振腔[11]是用镁、锌、 铝、镍的轻金属合金材料制作成的筒状物，其断面为多边形或圆形，其外侧壁设 有均匀分布的16-32个磁控管[12]，每个磁控管的功率为0.5-2.0kW。
3.根据权利要求1所述的用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再 生方法，其特征在于：反应器[10]的底部装有的筛板[13]，并在其板面上均布 加工有Φ0.3-3.0mm的筛孔。
4.应用权利要求1所述的用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再 生方法的徽波辐照再生装置，其特征在于：
a)将微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再生方法，所使用的 微波辐照再生装置[20]，可采用其一台或多台并列使用，并配备碱液吸 收罐[17]、气体吸附柱[18]和风机[21]，在微波辐照再生装置[20]的上部 与控制阀[5]和蒸汽出口[16]管道连通，下部设有取样口[14]和出水口 [15]，与回用水管道或排水管网相通，在微波辐照再生装置[20]的上部还 有与进水控制阀[5]相连通的喷头[8]，而实现活性炭对有机物的吸附和微 波对饱和活性炭的再生是在同一装置中完成;
b)其工艺流程中，废水[22]池与过滤器[2]、提升泵[3]、流量计[4]、控制阀 [5]、及喷头[8]之间，均用管道相连通，当废水进入反应器[10]中的活性 炭床[9]，在流经活性炭床的过程中，活性炭完成了对废水中有机物的吸 附，然后，从出水口[15]流出，期间，要定时从取样口[14]检验出水中有 机物的浓度，使用中当某一台出水浓度达到控制值时，应关闭该台微波 辐照再生装置[20]的进水控制阀[5]，并启动微波辐照再生装置[20]，活性 炭升温、排气、完成活化、降温，采用K-型铠装热电偶[7]和电子温度指 示仪[6]指示温度，其反应活化过程中的蒸汽废气经蒸汽出口[16]、再经 由与其该出口管道相串连通的碱液吸收罐[17]、气体吸附柱[18]，最后剩 余尾气[19]放空，再生后的活性炭床经风机[21]冷却，再打开废水控制阀 [5]，重新进行吸附操作，如此反复进行吸附/再生工艺处理，在进水流量 较小时，采用一台微波辐照再生装置，并应配备一储液罐[1]，用于储存 微波辐照再生时间段内的进水，当进水量大时，应采用多台微波辐照再 生装置[20]，其各台的进水控制阀[5]并行排列，控制各自装置的进水或 断水，进水时活性炭吸附，断水时活性炭按照上述过程进行再生，当一 台进行再生操作时，另一台或几台仍可通水进行吸附程序。
说明书
用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再生方法
技术领域
本发明涉及到用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再生方法 及微波辐照再生装置，用于处理有机废水，尤其是难降解有机废水，属于水处理 领域。
背景技术
活性炭是一种无毒无味，具有发达细孔结构和巨大比表面积的优良吸附剂。 20世纪60年代初，欧美各国开始大量使用活性炭吸附法处理城市饮用水和工业 废水。目前，活性炭吸附法已成为城市污水、工业废水深度处理和污染水源净化 的一种有效手段。自20世纪70年代初以来，采用粒状活性炭处理工业废水，不论 是在技术上，还是在应用范围和处理规模上都发展很快，如在炼油废水、炸药废 水、印染废水、化工废水和电镀废水处理等方面都已有了较大规模的应用，并取 得了满意的效果。随着活性炭的应用范围日趋广泛，活性炭的回收开始得到了人 们的重视。如果用过的活性炭无法回收，除了每吨废水的处理费用将会增加 0.8-0.9元外，还会对环境造成二次污染。因此，活性炭的再生具有格外重要的意 义。
多年来，有很多活性炭再生方法被提出、评价和应用。这些方法或者是基于 升高温度引发解吸，或者是用溶剂置换，或者是基于热、化学、电化学或微生物 过程的分解作用。目前用于活性炭再生的方法主要有热再生法、生物再生法、湿 式氧化和催化湿式氧化再生法、溶剂再生法、电化学再生法、超临界流体再生法 等。
其中，热再生法是目前应用最多、工业上最成熟的活性炭再生方法。处理有 机废水后的活性炭在再生过程中，根据加热到不同温度时有机物的变化，一般分 为干燥、高温炭化及活化三个阶段。在干燥阶段(低于200℃)，主要去除活性炭 上的可挥发成分。高温炭化阶段是使活性炭上吸附的一部分有机物沸腾、汽化脱 附，一部分有机物发生分解反应，生成小分子烃脱附出来，残余成分留在活性炭 孔隙内成为“固定炭”。在这一阶段，温度将达到800-900℃，为避免活性炭的氧 化，一般在抽真空或惰性气氛下进行。接下来的活化阶段中，往反应釜内通入 CO2、H2或水蒸气等气体，以清理活性炭微孔，使其恢复吸附性能，活化阶段是整 个再生工艺的关键。热再生由于需要高温加热设备，一般无法进行原位再生，需 要将废炭转运到特定的再生单元如多膛炉或转窑。一般热再生会导致每个再生循 环中吸附容量和表面积损耗5-15%。这是由于高温破坏了炭结构以及小孔被堵 塞。甚至在几个循环后吸附容量降到零。尽管热再生可被用于所有类型的废炭再 生，但其仅对于年处理量大于50万吨的大系统是经济可行的。在再生过程中，会 产生大量污染气体，容易造成二次污染。
近年来，人们也将微波辐照用于活性炭再生技术，主要相关文献有：
韩国专利(KR2002013801A)描述了微波制备活性炭以及再生活性炭的方 法，采用二氧化碳、空气以及水对活性炭的微孔进行活化，对其原理未进行阐述， 也没有提供装置图，而本发明专利申请是不需要采用活化气体的。
日本专利(JP特开照50-152994)提出一种把活性炭放入高温水蒸汽的同时， 用微波辐照再生活性炭的方法，而另一个专利(JP特开照53-9293)是对前一个 专利的改进，这两个专利所描述的方法是活性炭的一种异位再生方法，引入的蒸 汽提高了成本，增加操作的复杂性，而本发明的专利申请是强调原位再生，不需 要引入蒸汽，只要保持一定的活性炭初始湿度即可。
日本专利(JP特开平6-031163A)开发了一种活性炭再生方法和装置以及 吸附处理装置，该专利通过惰性气体和冷凝器以及吸附剂实现溶剂的浓缩分离和 回收。而本发明专利申请是针对吸附了难降解有机污染物的活性炭，而不是吸附 在有机溶剂的活性炭，不考虑溶剂回收，对再生产生的蒸汽通过碱液吸收罐和气 体吸附柱处理。
日本专利(JP2000-229283A)提出一种微波再生式净水装置，该专利是用 于给水处理的活性炭再生，未对再生产生的蒸汽进行处理，本发明专利申请磁控 管均匀分布，加热均匀，主要应用于废水处理，针对吸附难降解有机物的活性炭， 再生产生的蒸汽采取有效的处理，防止二次污染。
宁平等发明(CN1136965C)了一种利用微波作为热源再生载挥发性非极性 有机物活性炭的方法，该发明针对用于气体处理的活性炭，再生过程需要提供载 气，装置尺度小，不适合工业化应用，而本发明专利申请可对吸附废水中难降解 有机物的活性炭进行原位再生，处理规模大，而且，不需要载气。
翁元声在《活性炭再生及新技术研究》一文中(给水排水，30(1)：86-91) 指出微波加热可用于再生活性炭，并简述了微波再生的原理和优点，没有进一步 的研究与论述，也没给出相关的工艺或装置。
综上，现有的活性炭再生专利大多仍把微波作为常规加热方式的简单替代， 还要通入载气或水蒸汽，而没有充分考虑微波独特的加热原理。在本发明中充分 利用了微波的偶极极化和空间电荷极化两种加热原理，提出将活性炭的湿度控制 在35-55%。微波启动后，活性炭孔隙内的水会在偶极极化的作用下迅速形成大 量的水蒸汽喷涌而出，可有效地清理活性炭微孔，使其恢复吸附性能，完成活化; 在水蒸汽排放的过程中，反应器中的氧气被排挤掉，形成近惰性环境，可阻止活 性炭在高温炭化阶段烧毁。水分蒸发至一定程度后，活性炭在空间电荷极化的作 用下温度迅速升高，进入高温炭化阶段。因此在本发明中，活性炭的活化和高温 炭化是在很短的时间内完成的，活化阶段先于炭化阶段，并且不需要通入载气或 活化气体。
本发明的另一特别之处在于，对废水中难降解有机物的吸附和活性炭的再生 是在同一装置中完成的，并可连续运行，实现原位再生。
总结传统的热再生法主要存在如下几点缺陷：(1)再生过程中活性炭损失往 往较大;(2)再生后活性炭吸附能力会有明显下降;(3)再生时产生的尾气会造 成空气的二次污染;(4)再生所需时间较长;(5)不能实现原位再生。
造成这些缺点的主要原因是常规加热是通过传导、对流、辐射等外部加热过 程实现的，温度梯度由外指向内，外部温度高，内部温度低;而在活性炭再生过 程中，活性炭内部污染物脱附的传质方向是由内指向外，这样造成传热与传质方 向相反，不利于活性炭上吸附的污染物脱附，因此需要通入载气促进传质过程。 载气促进传质一方面效率不高，另一方面容易造成活性炭颗粒之间的剧烈摩擦， 导致炭损耗。通入的大量载气将脱附下来的污染物带出，会造成二次污染。传统 的外部加热速度慢，因而需要的再生时间长。传统加热再生操作工作环境差，温 度无法灵活控制，难以实现原位再生。
发明内容
本发明的目的和任务是要克服现有热再生方法存在的：(1)再生过程中活性 炭损失大;(2)再生后活性炭吸附能力明显下降;(3)再生时产生的尾气造成空 气的二次污染;(4)再生所需时间长;(5)不能实现原位再生的不足，并提供一 种能够实现原位或异位再生，操作灵活，再生时间短、能耗低，再生后活性炭吸 附性能良好，炭损耗小，无二次污染的用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的 活性炭的再生方法，特提出本发明的技术解决方案。
本发明的基本构思是充分利用微波内加热、加热速度快的优点。微波加热通 过偶极极化和空间电荷极化两种加热原理，对物料内外同时加热，不需要热传导 的过程，能在短时间内达到加热效果;微波加热的另外一个重要方面是，它形成 与常规加热方向相反的温度梯度。也就是说，最高的温度在物体的中心，热由中 心向外传递，对于活性炭再生这样的操作，这种作用是非常有益的。
本发明旨在利用微波加热取代传统的加热方式对吸附废水中有机物的活性 炭进行再生。微波加热便于控制，启动微波装置，加热立即开始;装置关闭，马 上停止加热，无加热滞后效应，有利于实现原位再生，工作环境好。常规的热再 生方法中，在高温炭化阶段为避免活性炭的氧化，一般在抽真空或惰性气氛下进 行;在接下来的活化阶段中，往反应釜内通入CO2、CO、H2或水蒸气等气体，以 清理活性炭微孔，使其恢复吸附性能。在本再生方法中，可省略这两个步骤，且 活化阶段先于炭化阶段进行，因微波加热是内加热，活性炭内部温度高于外部， 使得活性炭内部的液态水以蒸气的形式迅速向外喷出，可有效地清理活性炭微孔， 使其恢复吸附性能，完成活化;在水蒸气排放的过程中，反应器中的氧气被排挤 掉，形成近惰性环境，可阻止活性炭在高温炭化阶段烧毁。
本发明所提出的用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再生方 法，包括功率控制、时间控制、湿度控制、吸附饱和检测及再生处理，其特征在 于：
a)废水22中有机物的吸附和活性炭的再生均是在同一个微波辐照再生装置 20中进行;
b)微波辐照分解处理活性炭再生工艺是：
第一步，将待处理的活性炭装入反应器10内，其湿度控制在35-55%，活性 炭的装填量为反应器容积的1/3-4/5;所采用的活性炭为颗粒状， 其平均粒度在2-5mm;
第二步，启动微波发生器的磁控管12，并启动风机21，处理中所采用的微 波频率为2450MHz或915MHz，功率为0.5-64kW，再生过程中 活性炭温度从室温逐渐升高到800-1200℃，在此温度下保持3-5 min，采用K-型铠装热电偶7和电子温度指示仪6指示温度，微波 辐照总时间为5-15min;
第三步，停机，先关闭微波发生器的电源，待磁控管12和反应器10冷却后， 停风机;
c)所采用的微波辐照再生装置20，主要是由微波发生器的磁控管12、微波 谐振腔11和底部装有筛板13的反应器10构成，微波谐振腔的底座23和上盖 24，通过螺栓将反应器紧固在谐振腔的中心位置，而磁控管12则是均匀地分布 在谐振腔的外壁上，在微波辐照再生装置20的顶部与控制阀5和蒸汽出口16 管道连通，在反应器内的上部设有与控制阀相通的喷头8，下部设有取样口14 和出水口15，侧面安装有对磁控管12和反应器10降温用的风机21，采用K- 型铠装热电偶7和电子温度指示仪6指示温度，反应器10内产生的气体，经蒸 汽出口16、碱液吸收罐17、气体吸附柱18，最后的剩余尾气19放空。
应用本发明所提出的用微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再 生方法的徽波辐照再生装置，其特征在于：
a)将微波辐照分解处理吸附废水中有机物的活性炭的再生方法，所使用的 微波辐照再生装置20，可采用其一台或多台并列使用，并配备碱液吸收 罐17、气体吸附柱18和风机21，在微波辐照再生装置20的上部与控制 阀5和蒸汽出口16管道连通，下部设有取样口14和出水口15，与回用 水管道或排水管网相通，在微波辐照再生装置20的上部还有与进水控制 阀5相连通的喷头8，而实现活性炭对有机物的吸附和微波对饱和活性 炭的再生是在同一装置中完成;
b)其工艺流程中，废水22池与由过滤器2、提升泵3、流量计4、控制阀5、 及喷头8之间，均用管道相连通，当废水进入反应器10中的活性炭床9， 在流经活性炭床的过程中，活性炭完成了对废水中有机物的吸附，然后， 从出水口15流出，期间，要定时从取样口14检验出水中有机物的浓度， 使用中，当某一台出水浓度达到控制值时，应关闭该台微波辐照再生装 置20的进水控制阀5，并启动微波辐照再生装置20，活性炭升温、排气、 完成活化、降温，采用K-型铠装热电偶7和电子温度指示仪6指示温度， 其反应活化过程中的蒸汽废气经蒸汽出口16、再经由与其该出口管道相 连通的碱液吸收罐17、气体吸附柱18，最后剩余尾气19放空，再生后 的活性炭床经风机21冷却，再打开废水22控制阀5，重新进行吸附操 作，如此反复进行吸附/再生工艺处理，在进水流量较小时，采用一台微 波辐照再生装置，并应配备一储液罐1，用于储存微波辐照再生时间段 内的进水，当进水量大时，应采用多台微波辐照再生装置20，其各台的 进水控制阀5并行排列，控制各自装置的进水或断水，进水时活性炭吸 附，断水时活性炭按照上述过程进行再生，当一台进行再生操作时，另 一台或几台仍可通水进行吸附程序。
本发明的进一步特征在于：微波辐照再生装置20，其微波谐振腔11是用镁、 锌、铝、镍的轻金属合金材料制作成的筒状物，其断面为多边形或圆形，其外侧 壁设有均匀分布的16-32个磁控管12，每个磁控管的功率为0.5-2.0kW;反应器 10的底部装有的筛板13，并在其板面上均布加工有Φ0.3-3.0mm的筛孔。
关于微波辐照再生装置运行参数的确定，须注意如下几个方面的问题：在活 性炭再生前，保持活性炭有一定的湿度是十分必要的，一方面水在微波辐照作用 下形成的水蒸汽向外喷出的过程中可清理活性炭微孔，另一方面水蒸汽将反应器 中的氧气排出，可防止炭化阶段活性炭烧毁;活性炭的装填量不可过少，因为活 性炭量过少时不能有效地吸收微波，达不到再生所需的温度;实际操作过程中可 根据所处理的活性炭量的多少和其在微波作用下的升温情况选择适当的微波功 率和辐照时间。
采用本发明的微波辐照再生装置进行活性炭再生时的注意事项：(1)装置启 动前应检查仪器、设备及管线的完好性及各连接处有无渗漏;(2)检查供电系统 与用电单元的连接与安全性;(3)检查微波源的泄露情况;(4)在保证上述三项 检查结果合格后，方可启动微波辐照再生装置，同时启动风机冷却系统以保证磁 控管不升温;(5)要注意用于测温的热电偶的允许上限，避免造成其损毁;(6) 运行结束前，必须先关闭微波电源，而风机继续工作至磁控管完全冷却。
本发明的主要优点是：(1)由于微波加热便于控制，启动微波装置，加热 立即开始;装置关闭，马上停止加热，无加热滞后效应，有利于实现原位再生; (2)由于微波加热是内加热，形成的温度梯度与活性炭再生的传质方向一致， 因此再生效率高;加热速度快，因此再生时间短、能耗低;(3)由于微波再生不 需要通入载气，炭颗粒之间不发生摩擦作用，减少炭损耗;(4)装置所占空间较 小;(5)由于不需通入载气和活化气体，不产生无二次污染。
