一种超声波催化交联-纤维素压滤分离系统   0    0

[0001] 本发明涉及一种超声波催化交联-纤维素压滤分离系统，属于环境保护中的废水处理领域。

[0002] 造纸工业是我国传统的用水大户，也是造成水污染的重要污染源之一。目前，我国造纸工业废水排放量及COD排放量均居各类工业排放量的首位，造纸工业对水环境的污染最为严重，它不仅是我国造纸工业污染防治的首要问题，还是我国工业废水进行达标处理的首要问题。据统计，我国县及县以上造纸及纸制品工业废水排放量占全国工业总排放量的18.6%，其中处理排放达标量占造纸工业废水总排放量的49.3%。造纸废水产生于从备料到抄纸的各个工段，废水种类多，所含污染物种类复杂，如不加以严格治理，它们都将会对环境产生严重的污染。若废水不经处理直接排入江河中不仅严重污染水源，也会造成大量的资源浪费。

[0003] 造纸工业生产分为两个主要工艺阶段，即制浆和抄纸。制浆是把植物原料中的纤维分离出来，制成浆料，再经漂白；抄纸则是把浆料稀释、成型、压榨、烘干、制成纸张。这两项工艺都耗用大量的水，每生产1吨纸约需水100吨（木浆）至400吨（草浆），其中大部分作为废水排出。造纸废水中含COD和悬浮物浓度很高。

[0004] 制浆产生的废水，污染最为严重。洗浆时排出废水呈黑褐色，称为黑液。每生产1吨纸浆，排出10波美度(10°Be′)的黑液约10吨。黑液中的污染物浓度很高，BOD高达5000～40000mg/L，纤维总量有时高达产品总量15%以上。漂白工序排出的废水中也含有酸、碱等物质。在抄纸工艺中，抄纸机前端排出的废水，称为白水，其中含有大量纤维和在生产过程中添加的填料和胶料，大多是有用物质。黑液和白水是造纸工业的主要废水。

[0005] 造纸废水的另一大特点是其中含有大量的纤维素和木质素，其不溶于水和有机溶剂，并且很难被生物降解。目前，我国造纸工业中较常见的纤维素处理方法包括：捞浆工艺和厌氧酸化反应等。

[0006] （1）捞浆工艺：

[0007] 造纸废水中所含有的大量纤维素，可以经回收后生产低档纸箱板及包装用纸。目前采用较多的捞浆方法是斜筛和纤维回收机，这两种方法都是通过物理过滤方式，滤除废水中较大体积的纤维素结块，但难以过滤较小体积纤维素，对排水水质的总体改善贡献不大。

[0008] （2）厌氧酸化反应：

[0009] 厌氧酸化反应是利用产甲烷菌等厌氧细菌的生物作用，通过对反应容器内温度的控制，使厌氧细菌增殖并使废水迅速得以酸化，对纤维素进行生物代谢，从而将之降解为小分子有机物和无机物。但此方法需要较为复杂的工艺流程，同时还需要较大的设备投资和占地面积，不适宜大范围推广使用。

[0010] 目前，现有的处理造纸废水中纤维素的方法存在技术路线单一、处理效果不理想、工艺和设备复杂、成本高、易造成二次污染等问题。因此，有必要摆脱现有的处理技术思路，开辟出处理造纸废水中纤维素的新途径，进而开发一种全新形式的造纸废水中纤维素处理技术。

[0011] 为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种超声波催化交联-纤维素压滤分离系统，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统由加药预混区、超声波催化交联反应区和压滤罐三部分组成，最前端设有进水阀门，进水阀门通过管道连接至加药预混区，该区域顶部设有3支加药喷头，中部安装有1支搅拌桨叶，加药预混区通过管道连接至超声波催化交联反应区，该区域并排安装有6部超声波发生器，超声波催化交联反应区通过管道连接至压滤罐，其顶部安装有1套活塞式压滤装置，罐体下部左、右两侧分别装有1支活塞限位器，活塞限位器下方左侧安装有1套电动推泥装置，右侧设有污泥排口，其下方安装有1套不锈钢细滤网，罐体最下端设有排水阀门。

[0012] 其中，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统由三部分组成，该系统最前端设有进水阀门，进水阀门通过管道连接至加药预混区，该区域顶部设有3支加药喷头，中部安装有1支搅拌桨叶，加药预混区通过管道连接至超声波催化交联反应区，该区域并排安装有6部超声波发生器，超声波催化交联反应区通过管道连接至压滤罐，其罐体采用不锈钢材质，其顶部安装有1套活塞式压滤装置，罐体下部左、右两侧分别装有1支活塞限位器，活塞限位器下方左侧安装有1套电动推泥装置，右侧设有污泥排口，其下方安装有1套不锈钢细滤网，罐体最下端设有排水阀门；经过pH值调节处理后（处理后pH值为6.5 8.0）的造纸废水通过位于~超声波催化交联-纤维素压滤分离系统最前端的进水阀门进入本系统，废水首先进入加药预混区，此时，位于该区域顶部的3支加药喷头向废水中添加柠檬酸与柠檬酸三钠混合溶液，并在搅拌桨叶的搅拌下充分混合均匀，之后，废水通过管道进入超声波催化交联反应区，此区域的管道直径明显变小，会使废水的压强显著增大，同时，6部超声波发生器开始工作，向管道内废水发射特定频率的超声波，废水在柠檬酸三钠、较大压强、以及超声波的三重催化作用下，其中的纤维素会与柠檬酸发生环酐-酯化反应，生成一种具备空间化学交联结构的纤维素凝胶物质，该物质不溶于水并具有絮凝特性，会在废水中发生絮凝作用，吸附废水中大量COD并形成悬浊物，其后随废水一同进入压滤罐，当压滤罐中蓄积足够的废水时，位于其顶部的活塞式压滤装置启动，将罐体中废水压缩至活塞限位器位置，由于废水中的纤维素凝胶物质体积较大，无法通过不锈钢细滤网，压滤过程中，会被截留在不锈钢细滤网之上，而经过压滤处理后的废水，其COD含量显著下降，通过不锈钢细滤网及出水阀门排出压滤罐，进入下一处理工序，同时，截留于不锈钢细滤网之上的纤维素凝胶物质中吸附了废水中大量COD，经过压滤脱水后，会形成半干状污泥，通过位于罐体左下方的电动推泥装置推动，从位于罐体右下方的污泥排口排出压滤罐，经集中回收后另行处理；其中，pH值调节池的作用是将经过一次沉淀的废水pH值调节至6.5 8.0，以满足超声波催化交联-纤维素~
压滤分离系统的入水pH值要求；其中，曝气池的作用是通过好氧曝气过程对废水中剩余的COD进行初步氧化分解处理；其中，生物氧化滤池的作用是对废水残留的COD进行最后的深度净化处理。

[0013] 其中，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统，加药喷头的工作电压为30V，喷射压力范围为10 35kg，其喷射的柠檬酸-柠檬酸三钠混合溶液中，柠檬酸的含量为18.3%，柠檬~酸三钠的含量为1.7%。

[0014] 其中，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统的超声波发生器的工作电压为30V，能够发出频率范围为25500 28200Hz的超声波，其使用寿命大于11000h。~

[0015] 其中，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统，压滤罐的有效容积为320m3，活塞式压滤装置的工作电压为380V，额定功率为3.5kW。

[0016] 通过本系统处理后的废水，其纤维素的去除效率可达97.8%。

[0017] 本发明的优点在于：

[0018] （1）本系统摆脱了现有的造纸废水中纤维素处理技术思路，创造性的利用了纤维素在某些弱酸物质存在下会发生交联反应的特性，使用适当的交联反应药剂和催化剂，并利用了超声波的催化活化作用，使纤维素发生环酐-酯化反应，生成一种不溶于水并具有絮凝特性的纤维素凝胶物质，再通过压滤操作，即可有效去除废水中的纤维素，其处理效率可达到97.8%。

[0019] （2）由于纤维素交联反应生成的凝胶物质具有絮凝特性，其在反应生成之时即可与废水中所含的COD发生絮凝沉淀反应，使废水中的COD含量显著降低，实现了同时去除造纸废水中纤维素和COD的效果，大大节约了废水的后续处理成本。

[0020] （3）本系统采用柠檬酸作为交联剂，采用柠檬酸三钠作为催化剂，两种试剂均无毒无害，从而消除了引入新的、危害更大的污染物的风险。

[0021] （4）本系统原理简单易行，设计施工成本较低，并且处理效果较好，运行维护成本很低，有利于大范围推广应用。

[0024] 如图1所示，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统5由加药预混区、超声波催化交联反应区和压滤罐三部分组成，该系统最前端设有进水阀门51，进水阀门51通过管道连接至加药预混区，该区域顶部设有3支加药喷头52，中部安装有1支搅拌桨叶53，加药预混区通过管道连接至超声波催化交联反应区，该区域并排安装有6部超声波发生器54，超声波催化交联反应区通过管道连接至压滤罐，其罐体采用不锈钢材质，其顶部安装有1套活塞式压滤装置55，罐体下部左、右两侧分别装有1支活塞限位器56，活塞限位器56下方左侧安装有1套电动推泥装置57，右侧设有污泥排口59，其下方安装有1套不锈钢细滤网58，罐体最下端设有排水阀门510；经过pH值调节处理后（处理后pH值为6.5 8.0）的造纸废水通过位于超声波催化交联-纤维素压滤分离系统5最前端的进水阀~门51进入本系统，废水首先进入加药预混区，此时，位于该区域顶部的3支加药喷头52向废水中添加柠檬酸与柠檬酸三钠混合溶液，并在搅拌桨叶53的搅拌下充分混合均匀，之后，废水通过管道进入超声波催化交联反应区，此区域的管道直径明显变小，会使废水的压强显著增大，同时，6部超声波发生器54开始工作，向管道内废水发射特定频率的超声波，废水在柠檬酸三钠、较大压强、以及超声波的三重催化作用下，其中的纤维素会与柠檬酸发生环酐-酯化反应，生成一种具备空间化学交联结构的纤维素凝胶物质，该物质不溶于水并具有絮凝特性，会在废水中发生絮凝作用，吸附废水中大量COD并形成悬浊物，其后随废水一同进入压滤罐，当压滤罐中蓄积足够的废水时，位于其顶部的活塞式压滤装置55启动，将罐体中废水压缩至活塞限位器56位置，由于废水中的纤维素凝胶物质体积较大，无法通过不锈钢细滤网58，压滤过程中，会被截留在不锈钢细滤网58之上，而经过压滤处理后的废水，其COD含量显著下降，通过不锈钢细滤网58及出水阀门510排出压滤罐，进入下一处理工序，同时，截留于不锈钢细滤网58之上的纤维素凝胶物质中吸附了废水中大量COD，经过压滤脱水后，会形成半干状污泥，通过位于罐体左下方的电动推泥装置57推动，从位于罐体右下方的污泥排口59排出压滤罐，经集中回收后另行处理；其中，pH值调节池4的作用是将经过一次沉淀的废水pH值调节至6.5 8.0，以满足超声波催化交联-纤维素压滤分离系统5的入水pH~
值要求；其中，曝气池6的作用是通过好氧曝气过程对废水中剩余的COD进行初步氧化分解处理；其中，生物氧化滤池7的作用是对废水残留的COD进行最后的深度净化处理，其中，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统5，其加药喷头52的工作电压为30V，喷射压力范围为10
35kg，其喷射的柠檬酸-柠檬酸三钠混合溶液中，柠檬酸的含量为18.3%，柠檬酸三钠的含~
量为1.7%；其中，超声波催化交联-纤维素压滤分离系统5，其超声波发生器54的工作电压为
30V，能够发出频率范围为25500 28200Hz的超声波，其使用寿命大于11000h；其中，超声波~
催化交联-纤维素压滤分离系统5，其压滤罐的有效容积为320m3，其活塞式压滤装置55的工作电压为380V，额定功率为3.5kW。

[0025] 通过本系统处理后的废水，其纤维素的去除效率可达97.8%。

[0022] 图1是超声波催化交联-纤维素压滤分离系统的示意图。

[0023] 51-进水阀门、52-加药喷头、53-搅拌桨叶、54-超声波发生器、55-活塞式压滤装置、56-活塞限位器、57-电动推泥装置、58-不锈钢细滤网、59-污泥排口、510-排水阀门。