利用固体吸附剂与低温等离子体脱附的有机废水处理装置与系统的制作方法

本发明属于有机废水处理技术领域，具体涉及一种有机废水处理装置与系统。

背景技术：

目前我国正面临严重的水污染危机，水污染问题不但制约了我国经济社会的可持续发展，更危及我们和子孙后代的生活健康。工业废水中最难治理的是高浓度难降解工业有机污水，排放污水中含有大量有毒有害物质通过食物和饮用水进入生物体，造成永久性中毒和慢性积累变异，致使生态环境破坏，严重危害人们身体健康。为适应我国水污染治理需要，2015年初国务院颁布了“水十条”，旨在进一步深化我国水污染控制治理。然而与发达国家相比，我国难降解有机工业污水治理水平差距较大，有效污水处理技术尤其缺乏，远远不能满足当前我国当前水体污染治理迫切需要。

目前难降解有机污水常规处理技术主要包括膜分离法、吸附法、化学沉淀法以及化学氧化法等，这些方法的处理成本高，难以满足难降解有机污水治理的迫切需求。以羟基自由基（以下统一为·OH）为标志的高级氧化处理技术（Advanced Oxidation Processes, AOPs）是难降解工业污水有效方法之一。由于·OH具有仅次于氟的强氧化能力，从理论上讲·OH可以彻底氧化（矿化）绝大部分有机污染物。通过不同途径产生的·OH会通过加成、夺氢、电子转移等方式攻击污染物的各种价键，诱发一系列的自由基链反应，使其降解为二氧化碳、水和其他无机物。目前高级氧化法通常采用物理-化学方法实现，即利用氧化剂如O₃、H₂O₂或者它们的组合，在紫外光作用下照射引发·OH产生，还包括利用H₂O₂与Fe离子产生的芬顿反应（Fenton）、光催化氧化生成·OH等。总体来讲，目前使用氧化剂的高级氧化技术尽管在环保领域已得到部分应用，但由于普遍存在氧化剂生产、贮存和运输问题、运行条件复杂、成本高等缺点，大大限制了工业应用。开展工艺简单、能耗低、效率高的新型污水治理技术研究一直是学术界关注的焦点。

在潮湿空气（或气液共存）状态下进行等离子体放电可以产生大量包括·OH在内的多种活性物质，具有高级氧化的综合优势的同时，也避免了氧化剂生产、贮存和运输问题，运行条件复杂、成本高等缺点。但必须看到，单一的等离子体放电处理污水技术存在一些固有的缺陷，主要表现在如下几个方面：

（1）等离子体放电通道少（如针-板放电），所产生的活性成分有限，放电过程产生的高活性基团与有机污染物接触面积小；

（2）气相放电（如水面放电）产生的活性自由基（如·OH、·H、·O），由于存活寿命短（在10-100μs量级），同时受到从气相到液相传质的限制，活性自由基与目标污染物接触不充分，没有得到有效利用；

（3）等离子体放电处理系统能耗大（如电弧放电），能量利用效率低，电源提供的大部分能量转化为水体热量，而没有用于污染物降解；

因此，通过将现有的各种废水处理技术进行整合创新，并结合等离子体放电技术和吸附剂脱附技术，研发出高效、经济的有机废水降解技术具有现实和重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种绿色、高效的有机废水处理装置及降解系统。

本发明提供的有机废水降解系统，在避免引入额外化学药品的情况下，以固体吸附剂的吸附和脱附过程为媒介，以电能为唯一运营成本，以高压纳秒脉冲技术和介质阻挡放电形成的低温等离子体为技术核心，先利用由非导电材料制成的固体吸附剂对废水中的有机污染物进行吸附浓缩，再利用低温等离子体对浓缩后的有机污染物进行集中降解脱附。

本发明提供的有机废水处理装置，由多管并联的同轴式反应腔、密封盖、装置压板、金属地电极电磁屏蔽外壳、阳极连接环和绝缘支架组成；其结构参见图2所示，其中：

所述的同轴式反应腔，其中填充由非导电材料制成的固体吸附剂，用于有机废水吸附净化和固态吸附剂脱附再生的实际反应，其具体并联个数可由实际应用需求和高压纳秒脉冲电源的负载能力决定；

所述的同轴式反应腔，以紫铜管为高压电极，以石英玻璃管为介质阻挡层，以铜网为地电极；从内到外依次为紫铜管、石英玻璃管和铜网，其结构参见图3、图4所示所示，其中：

所述的紫铜管和石英玻璃管之间留有适当的放电间隙，用以盛放固体吸附剂，在放电脱附过程中，高压电极和地电极之间建立起强电场，并在固体吸附剂内部的多孔结构中产生低温等离子体，实现固体吸附剂的脱附再生；

所述的密封盖由不锈钢制成，内部贴密封条，在方便拆卸和更换吸附剂的同时，保证从入口进入的废水或氧气能顺利进入反应腔；

所述的装置压板由绝缘材料制成，用于固定反应腔上端的位置，并盛放从入口注入的废水，形成一定压强方便从压板上的入水口灌入反应腔；

所述的金属地电极电磁屏蔽外壳由不锈钢制成，包围整个反应区域，能有效屏蔽装置内部放电产生的电磁辐射，同时避免高压触电危险；

所述的阳极连接环，用于连接各反应腔的高压电极，均衡电位；

所述的绝缘支架用于固定阳极连接环和反应腔下端的位置，并确保高压电极和地电极外壳之间的电气绝缘安全。

本发明提供的有机废水处理系统，由高压纳秒脉冲电源、气泵、水泵、氧气瓶、处理装置、蓄水池、气相检测仪、水质检测仪组成；其结构参见图1所示，其中：

所述的处理装置为上述的有机废水处理装置，是用于有机废水吸附净化和固体吸附剂脱附再生的一体化设备，是由两个或多个并联组成，通过轮换操作的方式，对有机废水持续进行净化处理；

所述的水泵用于在污水中有机污染物浓缩吸附过程中，向处理装置内通入污水；

所述高压纳秒脉冲电源用于对处理装置提供放电条件，产生高效的低温等离子体；

所述的气泵用于在固体吸附剂中污染物脱附分解过程中，向处理装置内通入氧气；

所述的氧气瓶用于向放电脱附过程中的处理装置提供充足的氧气，提升分解率；

所述的蓄水池用于盛放净化后的水样，便于对水样进行实时监控；

所述的气相检测仪用于检测降解尾气的实际成分，以此判别固体吸附剂是否完全脱附再生，是否可以重新待用；

所述的水质检测仪用于检验净化后水样的是否符合排放标准，以此判别固体吸附剂是否饱和，是否需要更换处理装置。

本发明所述的有机废水处理系统，其具体操作步骤为：

（1）将固体吸附剂置于有机废水处理装置的反应腔内，盖上密封盖封闭反应腔；

（2）将待处理的废水从有机废水处理装置的入水口通入反应腔，经过固体吸附剂的充分吸附后，从出水口取样，监测净化后的有机污水是否符合排放标准；

（3）待出水口水样的监测数据接近排放标准后，及时切换另一个空载的有机废水处理装置，以便对有机废水持续进行净化处理；

（4）将替换下来的满载的有机废水处理装置的高压电极接到高压纳秒脉冲电源上，地电极接地；

（5）向该有机废水处理装置的反应腔内持续鼓入氧气，提供一个富氧环境；

（6）打开高压纳秒脉冲电源，在氧气环境下集中降解潮湿固体吸附剂中的有机污染物；

（7）监测出气口的CO₂浓度，当出气口检测不到CO₂时，说明反应腔内的固体吸附剂中吸附的有机污染物已被低温等离子体完全降解，可作为空载有机废水处理装置重新投入吸附使用。

本发明提供的有机废水处理系统，其特点在于：

（1）使用由非导电材料制成的固体吸附剂，将废水中的有机污染物浓缩吸附到固体吸附剂中，所述固体吸附剂是易于吸附有机污染物、电导率低和内部疏松多孔结构；

（2）使用水质检测仪实时监测蓄水池中处理后水质情况，达到排放标准上限后切换空载处理装置继续吸附；

（3）停止向满载处理装置供水后，使用高压纳秒脉冲电源和介质阻挡放电产生的低温等离子体，在氧气环境下将潮湿固体吸附剂中的有机污染物集中降解；

（4）固体吸附剂中的吸附质在低温等离子的作用下发生氧化还原反应，并被分解为CO₂、H₂O、N₂等可直接排放的最终产物；

（5）使用气相检测仪实时监测出气口的气体成分，当CO₂含量下降为零时证明固体吸附剂中的有机污染物已完全降解，可停止供电，将该处理装置视作空载处理装置待用；

（6）通过配置多个相同处理装置轮流使用的方式，可实现连续降解有机废水的目标。

相比于其他有机废水降解方式，本系统具有一下优势：

（1）运营成本低，该方法以电能为唯一运营成本，节省了购买化学药品的大量成本；

（2）绿色环保，该方法靠电能驱动，不需要引入各种化学氧化剂，能有效避免了因处理工艺不成熟，反应不完全而造成的二次污染；

（3）节能高效，高压纳秒脉冲技术和介质阻挡放电产生的低温等离子体能够高效地将电能利用在放电降解有机污染物的反应中，避免电能转化为热能散逸。该方法通过利用固体吸附剂浓缩有机污染物的手段，增加放电过程产生的高活性基团的接触面积，相比于直接在有机废水中进行放电等离子体降解，该方法具有更高的放电效率；

（4）适用范围广，该方法利用固体吸附剂内部多孔结构易于进行气体放电的特性。通过水中吸附，脱水后在氧气环境下放电的方法，有效避免了气液混合放电不稳定，以及高电导率废水难以放电降解的问题，几乎是用于所有有机废水的降解处理；

（5）连续工作，通过制作多个相同的处理装置轮流使用的方式，可以一边使用空载吸附装置净化有机废水，一边放电脱附满载反应腔，达到连续工作的目的，适用于工业应用。

附图说明

图1为本发明中有机废水处理系统示意图。

图2为本发明中有机废水处理装置的整体结构图。

图3为本发明中同轴式反应腔的结构图。

图4为本发明中同轴式反应腔的结构俯视图。

图中标号：1为高压纳秒脉冲电源，2为气泵，3为水泵，4为氧气瓶，5为反应腔，6为蓄水池，7为气相检测仪，8为水质检测仪，9为密封盖，10为装置压板，11为金属地电极电磁屏蔽外壳，12为阳极连接环，13为同轴式反应腔，14为金属支架，15为固体吸附剂，16为绝缘支架，17为铜网地电极，18为出水孔，19为中空紫铜高压电极，20为石英管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

（1）向每个反应腔内加入100g活性氧化铝，共配置四个反应腔，组成一个处理装置；

（2）重复（1）的操作，配置两个相同的处理装置；

（3）将四个反应腔的高压电极分别固定在阳极连接环上，丝网地电极连接金属支架，并盖上装置压板，固定反应腔上端位置，最后盖上密封盖，构成一个密封环境；

（4）如有机废水处理系统示意图所示，将从两个处理装置的阳极连接环引出的阳极连接线连接高压纳秒脉冲电源，金属地电极电磁屏蔽外壳接地，构成并联结构；

（5）打开处理装置1的水样阀门，将目标污染物（罗丹明B）浓度为100mg/L，以10L/min的速度从处理装置上端入口注入，并在装置压板上积聚形成一定压强；

（6）水样在压强的作用下，自上而下通过装置压板上的小孔进入反应腔，并均匀通过固体吸附剂，被充分吸附净化；

（7）监测整个反应装置1出水口的目标污染物浓度，当污染物穿透吸附固体吸附剂时，出水口目标污染物浓度会迅速上升，即达到固体吸附剂的吸附饱和平衡（也可通过将检测出的目标污染物的浓度与排放标准进行对比判别是否应该更换反应腔）；

（8）关闭处理装置1的水样阀门，并打开处理装置2的水样阀门，以此方法达到连续吸附净化的目的；

（9）将处理装置1内的有机污水排空（可进行适当烘干处理，调节反应腔内的湿度）；

（10）以3L/min的流速向处理装置1内通入氧气，营造一个富氧环境；

（11）打开高压纳秒脉冲电源，并使用GC-MS对从出气口排出的气体组分进行检测分析；

（12）观察尾气检测中CO₂的浓度变化，当CO₂的浓度从一个恒定的峰值迅速下降为0时，证明活性氧化铝中吸附的目标污染物已被低温等离子体充分降解脱附；

（13）关闭高压纳秒脉冲电源，将处理装置1作为空载处理装置待用，当反应装置2达到吸附饱和后重复上述操作，两个处理装置交替使用；

（14）通过计算出水口水样中目标污染物浓度变化，求出罗丹明B的实际降解率；

（15）通过计算出气口气样组分的浓度变化，对比实际吸附量，求出固体吸附剂再生率。

表1 不同吸附剂上罗丹明B的降解率和再生率

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