公布日：2024.12.31
申請日：2024.09.25
分類號：C02F9/00(2023.01)I;C02F1/36(2023.01)N;C02F1/463(2023.01)N;C02F1/467(2023.01)N;C02F1/48(2023.01)N;C02F103/34(2006.01)N
摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)藥廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理裝置及方法。裝置為超聲波處理第一反應(yīng)器、電化學(xué)第二反應(yīng)器和絮凝沉降第三反應(yīng)器通過管道依次串聯(lián)；其中，第一反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置壁掛式超聲波振板，第二反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有穩(wěn)定電極與犧牲電極，底部設(shè)置多個盤式曝氣器，第三反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置溢流槽、斜管填料、電磁鐵。本發(fā)明可實現(xiàn)生產(chǎn)廢水中懸浮物吸附態(tài)抗生素的高效解吸附與礦化降解，降低絮凝體中抗生素及其降解產(chǎn)物殘留，消除對后續(xù)生物處理工段的毒害作用。
權(quán)利要求書
1.一種高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理裝置，其特征在于，裝置為超聲波處理第一反應(yīng)器、電化學(xué)第二反應(yīng)器和絮凝沉降第三反應(yīng)器通過管道依次串聯(lián)；其中，第一反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置壁掛式超聲波振板，第二反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有穩(wěn)定電極與犧牲電極，底部設(shè)置多個盤式曝氣器，第三反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置溢流槽、斜管填料、電磁鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理裝置，其特征在于，所述三個反應(yīng)器經(jīng)由管道串聯(lián)，管道上設(shè)有管道泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理裝置，其特征在于，所述第二反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有呈交錯對稱排列的穩(wěn)定電極與犧牲電極，相鄰的兩兩電極間距6～30cm；且，反應(yīng)器一側(cè)壁沿設(shè)置有注液管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理裝置，其特征在于，所述第三反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)擋水板分隔為溢流槽和沉淀池；溢流槽設(shè)置于與第二反應(yīng)器相鄰的第三反應(yīng)器一側(cè)，與第二反應(yīng)器相連的管路通過溢流槽底部相連；沉淀池底部設(shè)有污泥排口并通過管路與泥漿泵相連，沉淀池內(nèi)設(shè)有掛壁電磁鐵，并且設(shè)有通過支架支撐固定的斜管填料，同時，斜管填料上方設(shè)有齒形排水槽位，其通過螺栓固定于反應(yīng)器側(cè)壁，與位于第三反應(yīng)器頂部的出水口相連。
5.一種利用權(quán)利要求1所述的裝置對高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理方法，其特征在于：利用權(quán)利要求1所述裝置通過超聲波的水氧化和機械剪切作用實現(xiàn)對廢水懸浮物吸附態(tài)抗生素的解吸附，而后廢水通過電極在電極的切換中實現(xiàn)電強化非均相催化氧化反應(yīng)與電絮凝和電催化反應(yīng)的階段，實現(xiàn)廢水中高濃度抗生素的深度礦化降解，降低絮凝體中抗生素及其降解產(chǎn)物殘留的同時消除廢水的毒性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述穩(wěn)定電極可選擇石墨、鈦、鈦合金、硼摻雜金剛石；犧牲電極可選擇鐵、鋁或其合金；盤式曝氣器工作通氣量0.05～0.2m3/h·個，服務(wù)面積0.2～0.5m2/個。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：廢水進(jìn)入第一反應(yīng)器進(jìn)行超聲波處理；而后進(jìn)入第二反應(yīng)器，投加顆粒電極與氧化劑，首先以穩(wěn)定電極為陽極、犧牲電極為陰極進(jìn)行電強化非均相催化氧化反應(yīng)，而后切換電極極性以穩(wěn)定電極為陰極、犧牲電極為陽極進(jìn)行電絮凝和電催化反應(yīng)；經(jīng)電化學(xué)處理后廢水經(jīng)第三反應(yīng)器的溢流槽底部進(jìn)入，磁吸附法回收顆粒電極，懸浮物經(jīng)斜管沉淀后由泥漿泵導(dǎo)出進(jìn)行后續(xù)處理，處理后澄清廢水經(jīng)齒形排水槽收集后排出沉淀池進(jìn)行后續(xù)處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：所述第一反應(yīng)器超聲波處理時間10～120min；所述第二反應(yīng)器中所述顆粒電極可選擇四氧化三鈷(Co3O4)、鐵酸鈷(CoFe2O4)、鐵酸錳(MnFe2O4)、鐵酸鎳鈷(CoNiFe2O4)、鐵酸鋅鈷(CoZnFe2O4)中的一種或幾種；顆粒電極投加量0.1～10g/L；氧化劑可選擇過一硫酸鹽(PMS)、過二硫酸鹽(PDS)、過氧化氫(H2O2)、過氧乙酸(PAA)中的一種或幾種；氧化劑投加量0.5～50g/L。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：所述第二反應(yīng)器中以穩(wěn)定電極為陽極、犧牲電極為陰極進(jìn)行電強化非均相催化氧化反應(yīng)15～180min；而后切換電極極性進(jìn)行電絮凝和電催化反應(yīng)15～180min。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：所述廢水至第三反應(yīng)器斜管沉淀時間60～240min。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決生產(chǎn)廢水中高含量懸浮物對抗生素的強吸附、抗生素難以礦化降解導(dǎo)致廢水后續(xù)生物處理效果差、污泥中抗生素含量高以及由此導(dǎo)致的高生態(tài)風(fēng)險等問題，而提出的一種高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理裝置及方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案為：
一種高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理裝置，裝置為超聲波處理第一反應(yīng)器、電化學(xué)第二反應(yīng)器和絮凝沉降第三反應(yīng)器通過管道依次串聯(lián)；其中，第一反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置壁掛式超聲波振板，第二反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有穩(wěn)定電極與犧牲電極，底部設(shè)置多個盤式曝氣器，第三反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置溢流槽、斜管填料、電磁鐵。
所述三個反應(yīng)器經(jīng)由管道串聯(lián)，管道上設(shè)有管道泵。
所述第二反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有呈交錯對稱排列的穩(wěn)定電極與犧牲電極，相鄰的兩兩電極間距6～30cm；且，反應(yīng)器一側(cè)壁沿設(shè)置有注液管。
所述第三反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)擋水板分隔為溢流槽和沉淀池；溢流槽設(shè)置于與第二反應(yīng)器相鄰的第三反應(yīng)器一側(cè)，與第二反應(yīng)器相連的管路通過溢流槽底部相連；沉淀池底部設(shè)有污泥排口并通過管路與泥漿泵相連，沉淀池內(nèi)設(shè)有掛壁電磁鐵，并且設(shè)有通過支架支撐固定的斜管填料，同時，斜管填料上方設(shè)有齒形排水槽位，其通過螺栓固定于反應(yīng)器側(cè)壁，與位于第三反應(yīng)器頂部的出水口相連。
所述反應(yīng)器共有三個，為PVC或玻璃鋼等材質(zhì)，容積0.1～10m3，經(jīng)由管道泵串聯(lián)連接，管道泵流量1～10m3/h；第一反應(yīng)器執(zhí)行超聲波處理，第二反應(yīng)器同時執(zhí)行電化學(xué)強化非均相催化反應(yīng)與電絮凝+電催化反應(yīng)，第三反應(yīng)器執(zhí)行顆粒電極回收和絮凝體沉淀。
所述壁掛式超聲波振板為耐酸堿不銹鋼或鈦材質(zhì)，安裝于第一反應(yīng)器內(nèi)并連接超聲波電源，超聲波電源輸出頻率調(diào)節(jié)范圍0.1～200kHz。
所述穩(wěn)定電極、犧牲電極直流電源，直流電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍0～60V；盤式曝氣器為橡膠、PP或ABS尼龍等耐酸堿材質(zhì)，工作通氣量0.05～0.2m3/h·個，服務(wù)面積0.2～0.5m2/個；注液管為PVC或PBDE材質(zhì)，管徑25～50mm。
所述擋水板材質(zhì)為PVC或玻璃鋼等材質(zhì)(與反應(yīng)器材質(zhì)一致)，斜管填料為PP、PVC、玻璃鋼或乙丙共聚等材質(zhì)，管徑30～80mm；電磁鐵為絕緣結(jié)構(gòu)，防水且耐酸堿，初吸力1000～8000N；泥漿泵為自吸式，流量1～5m3/h。
一種利用所述的裝置對高濃度抗生素生產(chǎn)廢水的超聲耦合電化學(xué)預(yù)處理方法，利用所述裝置通過超聲波的水氧化和機械剪切作用實現(xiàn)對廢水懸浮物吸附態(tài)抗生素的解吸附，而后廢水通過電極在電極的切換中實現(xiàn)電強化非均相催化氧化反應(yīng)與電絮凝和電催化反應(yīng)的階段，實現(xiàn)廢水中高濃度抗生素的深度礦化降解，降低絮凝體中抗生素及其降解產(chǎn)物殘留的同時消除廢水的毒性。
所述穩(wěn)定電極可選擇石墨、鈦、鈦合金、硼摻雜金剛石；犧牲電極可選擇鐵、鋁或其合金；盤式曝氣器工作通氣量0.05～0.2m3/h·個，服務(wù)面積0.2～0.5m2/個。
廢水進(jìn)入第一反應(yīng)器進(jìn)行超聲波處理；而后進(jìn)入第二反應(yīng)器，投加顆粒電極與氧化劑，首先以穩(wěn)定電極為陽極、犧牲電極為陰極進(jìn)行電強化非均相催化氧化反應(yīng)，而后切換電極極性以穩(wěn)定電極為陰極、犧牲電極為陽極進(jìn)行電絮凝和電催化反應(yīng)；經(jīng)電化學(xué)處理后廢水經(jīng)第三反應(yīng)器的溢流槽底部進(jìn)入，磁吸附法回收顆粒電極，懸浮物經(jīng)斜管沉淀后由泥漿泵導(dǎo)出進(jìn)行后續(xù)處理，處理后澄清廢水經(jīng)齒形排水槽收集后排出沉淀池進(jìn)行后續(xù)生物處理工段。
所述第一反應(yīng)器超聲波處理時間10～120min；
所述第二反應(yīng)器中所述顆粒電極可選擇四氧化三鈷(Co3O4)、鐵酸鈷(CoFe2O4)、鐵酸錳(MnFe2O4)、鐵酸鎳鈷(CoNiFe2O4)、鐵酸鋅鈷(CoZnFe2O4)中的一種或幾種；顆粒電極投加量0.1～10g/L；氧化劑可選擇過一硫酸鹽(PMS)、過二硫酸鹽(PDS)、過氧化氫(H2O2)、過氧乙酸(PAA)中的一種或幾種；氧化劑投加量0.5～50g/L。
所述第二反應(yīng)器中以穩(wěn)定電極為陽極、犧牲電極為陰極進(jìn)行電強化非均相催化氧化反應(yīng)15～180min；而后切換電極極性進(jìn)行電絮凝和電催化反應(yīng)15～180min。
所述廢水至第三反應(yīng)器斜管沉淀時間60～240min。
所述反應(yīng)器共有三個，為PVC或玻璃鋼等材質(zhì)，容積0.1～10m3，經(jīng)由管道泵串聯(lián)連接，管道泵流量1～10m3/h；第一反應(yīng)器執(zhí)行超聲波處理，第二反應(yīng)器同時執(zhí)行電化學(xué)強化非均相催化反應(yīng)與電絮凝+電催化反應(yīng)，第三反應(yīng)器執(zhí)行顆粒電極回收和絮凝體沉淀。
所述壁掛式超聲波振板為耐酸堿不銹鋼或鈦材質(zhì)，安裝于第一反應(yīng)器內(nèi)并連接超聲波電源，超聲波電源輸出頻率調(diào)節(jié)范圍0.1～200kHz。
所述穩(wěn)定電極、犧牲電極直流電源，直流電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍0～60V；盤式曝氣器為橡膠、PP或ABS尼龍等耐酸堿材質(zhì)，工作通氣量0.05～0.2m3/h·個，服務(wù)面積0.2～0.5m2/個；注液管為PVC或PBDE材質(zhì)，管徑25～50mm。
所述斜管填料為PP、PVC、玻璃鋼或乙丙共聚等材質(zhì)，管徑30～80mm；電磁鐵為絕緣結(jié)構(gòu)，防水且耐酸堿，初吸力1000～8000N；泥漿泵為自吸式，流量1～5m3/h。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：
(1)本申請可用于高懸浮物含量抗生素生產(chǎn)廢水的預(yù)處理，可實現(xiàn)懸浮物吸附態(tài)抗生素的解吸附及其深度礦化降解，降低絮凝體中抗生素殘留并實現(xiàn)廢水的脫毒，顯著提升廢水可生化性，提高廢水的整體處置效率并避免ARBs及ARGs的誘導(dǎo)產(chǎn)生。
(2)本申請的裝置的制造成本低，所有配套設(shè)備、組件及材料均可通過市場采購或簡單定制加工獲得。裝置的運行能耗低，方法的使用成本低，廢水的有效脫毒和可生化性提高還可顯著降低廢水的整體處置時間與成本。
(3)本申請的電化學(xué)系統(tǒng)基于一套電極反應(yīng)體系即可實現(xiàn)電強化非均相催化氧化與電絮凝+電催化反應(yīng)的階段式發(fā)生，顯著提高裝置的空間利用率并節(jié)約建造成本，柱狀電極避免了濃差極化和電化學(xué)極化及其所導(dǎo)致的電能損耗，電極的安裝間距大，便于清洗及維護(hù)。
(4)本申請?zhí)峁┑姆椒ú皇軓U水pH、COD含量及電導(dǎo)率的影響，適用水質(zhì)范圍更廣，且顆粒電極可通過磁吸附回收，經(jīng)煅燒復(fù)活后可重復(fù)利用。
（發(fā)明人：張猛）
