一种处理污水中表面活性剂的装置及方法与流程

本发明涉及环境工程与污染控制化学领域，具体是一种利用泡沫富集与光降解耦合技术处理水体中具有表面活性的有机污染物的装置及方法。

背景技术：

表面活性剂广泛应用于工业生产和日常生活中，并会通过污水排放、产品废弃等途径进入环境中。环境水体中若存在浓度较高的表面活性剂，会对水生态系统造成一定程度的破坏。

目前针对水体中表面活性剂的处理方式主要分为两类：一类是利用物理过程对表面活性剂进行富集、分离，包括吸附剂吸附、膜过滤、离子交换、泡沫分离等方式。物理过程虽然可以将表面活性剂从水体中去除，但普遍需要后续的处理工艺实现表面活性剂的彻底降解。另一类方式是通过生物、化学等过程将表面活性剂降解、乃至矿化，常见的处理方法有微生物降解、光化学降解、超声降解和直接化学氧化等。在众多的处理方法中，光化学降解具有操作简单、清洁高效等优势，并且有望直接利用太阳光作为主要驱动力来进行降解。

尽管光化学降解具有诸多的优势，但也存在反应效率较低等缺点。光化学反应过程普遍遵循准一级动力学，在处理水体中有机污染物时，由于污染物的浓度相对较低，光降解处理效率偏低。因此，一些结合了物理富集过程和化学降解过程的工艺被用来提高去除效率。例如：先利用膜分离技术将污染物富集，再使用化学手段降解富集后的高浓度废水。

表面活性剂具有表面活性，倾向于分布于气液、固液等界面。这一分布特性，使表面活性剂可以使用泡沫分离技术进行富集。即通过搅拌、鼓泡等方式不间断地扰动溶液，于其中源源不断地产生气泡，聚集成泡沫，便可以将表面活性剂富集至溶液顶部的泡沫及毗邻溶液中，富集因子可达1-2数量级。此外，光化学降解具有较强的区域选择性，即在靠近光源的区域中反应进行得更为剧烈。利用这一特性，使用光源对溶液顶部的泡沫进行针对性的照射，可以提高光降解的速率。

技术实现要素：

为了克服现有物理处理方式无法彻底降解污染物和光降解处理效率低的问题，本发明提供一种利用泡沫富集与光降解耦合技术处理水体中具有表面活性的有机污染物的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

首先，制做一个反应器，所述反应器包括有进水口、出水口、鼓气口和排气口，所述进水口设于反应器的中部侧面，所述出水口设于反应器的底部侧面且略高于反应器底面，所述鼓气口设于反应器的底部侧面且通入反应器内部的中央位置，所述排气口设于反应器的顶部。

其次，在反应器内放置紫外灯，将气泵连接鼓气口，从而形成一个高效光降解处理污水中表面活性剂的装置。

进一步地，所述反应器内设有最高允许液面，进水口的位置低于最高允许液面，具有调整进水的开闭状态和流量大小的功能，所述紫外灯的位置高于最高允许液面，保证紫外灯可对泡沫层进行光降解。

进一步地，在特殊情况需使用惰性气体时，排气口排出的气体可由气泵重新输送至鼓气口，从而减少惰性气体的使用量。

进一步地，所述紫外灯的功率与反应器污水处理容量成正比。即反应器处理容量越大，需要的紫外灯功率越大。紫外灯功率的设置标准为100～200w/l，采用汞灯等能够发射200-400nm紫外线的光源，外部设有具有较高紫外透射率的石英材质防水套。

进一步地，所述鼓气口上设有若干致密结构孔，所述孔径大小范围为2-20μm，所述孔径大小影响泡沫富集参数。分别采用孔径为2μm、10μm、20μm的鼓气口进行鼓气(气体流速1.0l/min)形成泡沫，经过1分钟后，采用2μm的鼓气口，形成120mm高度的泡沫；采用10μm的鼓气口，形成110mm高度的泡沫；采用20μm的鼓气口，形成70mm高度的泡沫；实验证明孔径越小形成的泡沫越多且稳定。

最后，所述紫外灯设于进水口上方，所述气泵连接设于反应器底部的鼓气口，从进水口通入反应器和从出水口流出的污水保持流量相等，气泵往反应器内鼓入空气，在污水液面上形成泡沫层，紫外灯对泡沫进行照射，从而对其中的富集的表面活性剂进行光降解。

一种处理污水中表面活性剂的方法，包括以下步骤：

1)将污水由进水口通入至反应器内部，待水位接近预定高度时，开启出水口；

2)鼓气口从反应器底部向污水中鼓入空气(或惰性气体)，调整气体流量，使得污水液面上顶部形成一定高度的稳定的泡沫层；

3)待泡沫层稳定后，开启紫外灯，对泡沫层进行针对性的紫外照射，对其中的富集的表面活性剂进行光降解；

4)反应结束后，依次关闭紫外光、鼓气口、进水口，待反应器中残留的污水由出水口排尽后，关闭出水口。

进一步地，步骤1)中所述出水口初始为关闭状态，所述进水流量与出水流量相等，从而保证反应器内液位保持稳定。

进一步地，步骤3)中所述的紫外灯可发射200-400nm紫外线，所述紫外灯的功率设置标准为100～200w/l。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)设计特定的反应器，该反应器连接紫外灯和气泵，利用泡沫富集与光降解耦合技术处理水体中具有表面活性的有机污染物，有效提高降解效率；

(2)根据影响降解效率的因素，设定反应器的使用方法，再进一步高效降解污水表面活性剂，相较于直接对溶液进行照射，效率提高了17.4倍；

(3)相对于其他常见的污水处理方法，本发明所需设备简单，可利用廉价器材从现有的光化学处理设备升级改造实现。同时，本方法无需额外添加化学试剂或催化剂，相较于其他生物、化学降解手段，运行成本较低。

附图说明

图1为本发明一种处理污水中表面活性剂的装置的结构示意图；

图2为本发明反应器的高径比与气体流量对泡沫层高度的影响的折线图；

图3为本发明反应器鼓气口的孔径与气体流量对泡沫层高度的影响的折线图；

图4为本发明实施例一的实验结果的数据对比折线图。

图1中，1为进水口，2为出水口，3为鼓气口，4为排气口，5为紫外灯，6为气泡，7为污水，8为泡沫层。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

参照图1，本发明一种处理污水中表面活性剂的装置，包括有反应器、气泵和紫外灯5，所述反应器包括有进水口1、出水口2和鼓气口3，所述进水口1设于反应器的中部侧面，所述出水口2设于反应器的底部侧面且略高于反应器底面，所述鼓气口3设于反应器的底部侧面且通入反应器内部的中央位置，所述紫外灯5设于进水口1上方，所述气泵连接鼓气口3，从进水口1通入反应器和从出水口2流出的污水保持流量相等，气泵向反应器内鼓入气体，污水7液面上形成泡沫层8，紫外灯5对泡沫层8进行照射，从而对其中的富集的表面活性剂进行光降解。

所述反应器还包括有排气口4，其设于反应器顶部，用于排出和回收气体。在使用惰性气体时，排气口4排出的气体可由气泵重新输送至鼓气口，减少惰性气体的使用量。

所述反应器设有最高允许液面，进水口的位置不高于最高允许液面，所述紫外灯的位置不低于最高允许液面。

所述紫外灯5的功率与反应器污水处理容量成正比。

所述鼓气口3上设有若干致密结构孔，所述致密结构孔可为不锈钢或陶瓷等材质，所述孔径大小范围为2-20μm。

所述紫外灯5采用汞灯等能够发射200-400nm紫外线的光源，外部设有防水套，材质为石英，用于保护紫外灯和保证较高的紫外透射率。

一种处理污水中表面活性剂的方法，包括以下步骤：

1)将污水由进水口通入至反应器内部，待水位接近预定高度时，开启出水口；

2)鼓气口从反应器底部向污水中鼓入空气，调整气体流量，使得污水液面上顶部形成一定高度的稳定的泡沫层；

3)待泡沫层稳定后，开启紫外灯，对泡沫层进行针对性的紫外照射，对其中的富集的表面活性剂进行光降解；

4)反应结束后，依次关闭紫外光、鼓气口、进水口，待反应器中残留的污水由出水口排尽后，关闭出水口。

步骤1)中所述出水口初始为关闭状态，所述进水流量与出水流量相等，从而保证反应器内液位保持稳定。

步骤3)中所述的紫外灯可发射200-400nm紫外线，所述紫外灯的功率设置标准为100～200w/l。

参照图2，为反应器的高径比与气体流量对泡沫层高度的影响。实验对象为含有20mg/l表面活性剂十二烷基磺酸钠(sds)的污水；反应器直径为108mm；温度为20℃。结果表明，在所考察的实验条件下，获取泡沫的最佳条件是：高径比为2，气体流量为1.0l/min，鼓气口孔径为2μm。

参照图3，为反应器鼓气口的孔径与气体流量对泡沫层高度的影响。实验对象为含有100mg/l表面活性剂十二烷基磺酸钠(sds)的污水；反应器直径为190mm；温度为20℃。

参照图4，在优化泡沫生成量的条件下，水力停留时间为120min时，sds(100mg/l)的去除率达82.6％，出水浓度为17.4mg/l，所对应的cod为43.8mg/l，满足污水综合排放标准要求。

实施例一

对含有表面活性剂十二烷基磺酸钠(sds)的污水进行处理，包括以下步骤：

1)清洁反应器内部，其内径为108mm。

2)关闭出水口，将含有100mg/lsds的污水经过静置沉淀，采用孔径为0.7μm的玻璃纤维滤纸过滤，去除漂浮颗粒物后，由进水口通入反应器中。

3)待污水水体高度达到216mm后，此时溶液的高径比为2，开启出水口，调整出水口和入水口的流速，使二者保持一致，且污水在反应器内的水力停留时间保持在120min。

4)打开气泵(额定功率20w)和鼓气口，通过调节鼓气口的流量阀门控制空气流量为1.0l/min，保持2min使其产生稳定的泡沫层。

5)开启紫外灯(额定功率为200w的中压汞灯)，对泡沫层进行针对性的照射，进行光降解。

参照图4，实验对象为含有100mg/lsds的污水；高径比：2；气体流速：1.0l/min；温度：20℃，处理120min后的实验结果显示，采用本方法所实现的sds降解量相较于直接对溶液进行照射的方式，提高了17.4倍。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。