CN102491563A - 三级催化臭氧氧化净水装置 - Google Patents

Abstract

三级催化臭氧氧化净水装置，它涉及一种水处理装置。本发明要解决臭氧利用率较低，出水残留臭氧浓度较高，不能有效利用臭氧生成氧化性更强的·OH，对臭氧投加量和出水臭氧浓度不能做到准确的反馈和调节的技术问题。臭氧供气系统利用安装在三级催化反应柱中的钛板均匀布气，一级进水从一级催化反应柱下部进入以上向流方式完成一级催化反应，在从一级反应柱上部出水经由二级催化进水管道和H₂O₂水溶液进行管道混合后，进入二级催化反应柱，上相流从二级反应柱上部出水，从三级反应柱下部进入完成三级催化反应。延长了非均相催化剂的使用周期，无需频繁再生或者更换，臭氧的利用率高，出水无溶解性臭氧残留。

Description

三级催化臭氧氧化净水装置

技术领域

本发明涉及一种水处理装置。

背景技术

臭氧作为一种选择性强的氧化剂，对不饱和键和苯环上电子云密度大的位置具有较强的氧化能力。臭氧在水中不稳定，能够在水中分解产生氧化电位达2.8V的·OH。·OH几乎能够氧化水体中所有的有机污染物，是目前已知的水中最强的氧化剂。能够加速水中臭氧的分解生成·OH的方法称为以臭氧为基础的高级氧化法，一般包括紫外线与臭氧连用和H₂O₂与臭氧联用，以及均相金属离子和多相金属氧化物对臭氧的催化作用。这些促进臭氧分解的方法在实际应用过程中均存在在一些问题需要解决：紫外线在水中的穿透能力较弱，受水体浊度的影响较大，紫外灯的寿命短需经常维护；过氧化氢在水体中存在剩余问题；金属离子的引入也会带来处理后水中金属离子再去除的问题，容易造成二次污染。同其他高级氧化技术UV/O₃、O₃/H₂O₂一样，金属氧化物催化臭氧氧化技术也是利用反应过程中产生大量强氧化性·OH氧化分解水中的有机物，从而达到水质净化的目的。金属氧化物催化臭氧氧化技术没有向工艺中引入其他能量，没有加入复杂的化学药剂，并且运用固体催化剂填装于反应装置中，可以解决催化剂的分离问题，具有在实际水处理中应用的优势。

现有装置存在臭氧利用率较低，出水残留臭氧浓度较高，不能有效利用臭氧生成氧化性更强的·OH，对臭氧投加量和出水臭氧浓度不能做到准确的反馈和调节缺点。

发明内容

本发明要解决臭氧利用率较低，出水残留臭氧浓度较高，不能有效利用臭氧生成氧化性更强的·OH，对臭氧投加量和出水臭氧浓度不能做到准确的反馈和调节的技术问题；而提供了三级催化臭氧氧化净水装置。

三级催化臭氧氧化净水装置包括进水管、增压循环泵、一级非均相催化反应柱、液态臭氧浓度监测仪、二级均相催化反应柱、第一连接管、三级非均相催化反应柱、第二连接管、出水管、臭氧发生器、液态臭氧浓度监测控制系统、计量泵、H₂O₂配药设备、气态臭氧浓度监测仪、臭氧尾气毁灭装置、碟阀、气体止回阀、质量流量计、第一催化剂层、第二催化剂层、钛板曝气头、气体流量计和氧气瓶；所述进水管的出水口与一级非均相催化反应柱下部的进水口通过增压循环泵连通，一级非均相催化反应柱上部的出水口与二级均相催化反应柱下部的进口通过第一连接管连通，H₂O₂配药设备的出口与第一连接管的进口通过计量泵连通，二级均相催化反应柱上部的出水口与三级非均相催化反应柱下部的进水口通过第二连接管连通，三级非均相催化反应柱上部的出水口与出水管的进水口连通；臭氧发生器的进气口与氧气瓶的出气口通过气体流量计连通，臭氧发生器的出气口分别与一级非均相催化反应柱、二级均相催化反应柱及三级非均相催化反应柱内下部的钛板曝气头的进气口依次通过质量流量计和气体止回阀连通，一级非均相催化反应柱、二级均相催化反应柱及三级非均相催化反应柱顶端的出口与臭氧尾气毁灭装置下部的进口通过气态臭氧浓度监测仪连通，第一连接管、第二连接管、出水管均安装有碟阀且靠近碟阀设置有液态臭氧浓度监测仪，每个液态臭氧浓度监测仪均与液态臭氧浓度监测控制系统连接，一级非均相催化反应柱的中部安装有第一催化剂层，三级非均相催化反应柱的中部安装有第二非均相催化剂层。

具体工作原理是臭氧供气系统利用安装在三级催化反应柱中的钛板均匀布气，一级进水从一级催化反应柱下部进入以上向流方式完成一级催化反应，在从一级反应柱上部出水经由二级催化进水管道和H₂O₂水溶液进行管道混合后，进入二级催化反应柱，上相流从二级反应柱上部出水，从三级反应柱下部进入完成三级催化反应。

一级反应柱内添装的非均相催化剂为聚合硅酸铝、硅酸锌催化剂、聚铁硅盐、聚铜硅盐或不同金属比例的聚合硅酸盐催化剂，二级反应柱中主要以进水管道添加的H₂O₂发生均相催化氧化反应，三级反应柱填装的非均相催化剂为活性炭或负载在活性炭上的羟基氧化铝，羟基氧化铁或其他羟基氧化物。

聚合硅酸铝是按专利申请号为CN201010572926.X中所述方法制备的，其制备方法是按下述步骤进行的：一、以100r/min～150r/min的搅拌速度不断搅拌浓度为0.5mol/L～2.0mol/L的可溶性铝盐溶液，并缓慢滴加浓度为0.5mol/L～2.5mol/L的碱金属硅酸盐水溶液直至pH值为8～9，得到混合液；二、将步骤一中所得的的混合物静沉20～30min，然后置于40℃～90℃的环境中活化10～30h，活化后的沉淀物用去离子水反复洗涤，采用2000～4000r/s的离心机进行固液分离，清洗至上清液的pH值为＝7.0～7.5后，干燥，然后研磨，过筛，取粒径为0.075～0.15mm，即得到聚合硅酸铝。

硅酸锌催化剂是按专利申请号为CN201010572270.1中所述方法制备的，其制备方法是按下述步骤进行的：一、以100r/min～300r/min的搅拌速度不断搅拌浓度为0.2mol/L～2.0mol/L的可溶性锌盐溶液，并缓慢滴加浓度为0.25mol/L～2.5mol/L的碱金属硅酸盐水溶液直至pH值为8～9，得到混合液；二、将步骤一所得混合液静沉10～30min，然后置于30℃～60℃的环境中活化12～24h，过滤，将沉淀物用超纯水洗涤至上清液的电导率和pH值不发生变化为止，干燥后研磨，过筛，即得到硅酸锌盐催化剂。

聚铁硅盐是按专利申请号为CN201010155626.1中所述方法制备的，其制备方法是按下述步骤进行的：一、以100r/min～300r/min的搅拌速度不断搅拌可溶性铁盐水溶液，同时逐滴滴加碱金属硅酸盐水溶液直至pH值为8～9，获得混合物；二、将步骤一所得的混合物静沉10～30min，然后在30℃～80℃条件下活化12～24h，过滤；三、将过滤后的沉淀物用去离子水反复洗涤至上清液的电导率和pH不发生变化后干燥，然后研磨过筛，即得到聚铁硅盐。

聚铜硅盐是按专利申请号为CN201010157843.4中所述方法制备的，其制备方法是按下述步骤进行的：一、以100r/min～300r/min的搅拌速度不断搅拌可溶性铜盐水溶液，同时逐滴滴加碱金属硅酸盐水溶液直至pH值为8～9，获得混合物；二、将步骤一所得的混合物静沉10～30min，然后在30℃～60℃条件下活化12～24h，过滤；三、将过滤后的沉淀物用去离子水反复洗涤至上清液的电导率和pH不发生变化后干燥，然后研磨后过筛，即得到聚铜硅盐。

臭氧在线监测装置实时采集各反应柱出水中溶解性臭氧的浓度，控制H₂O₂的投加量，以及整个反应装置的臭氧供气量，可以更充分利用臭氧的氧化效能。通过控制每一级不同比例臭氧投加量，更好的发挥多级催化剂的协同催化效果，促进羟基自由基的生成，有效降解水中痕量有机污染物。

单级催化反应装置的停留时间是5～15min，一级和三级的非均相催化剂的投加量为300～1000mg/L，二级均相催化剂H₂O₂的投加量为0.4～1.0(以H₂O₂和O₃的摩尔比计)整个反应装置的比臭氧投量为0.2～1.0mgO₃/mgTOC，一级和二级催化反应装置投加臭氧时，投加比例为2∶1～5∶1。

本发明提供一种利用均相和非均相催化剂的协同作用催化臭氧氧化净水装置。利用该三级催化装置和实际水处理方法，可以最大化的发挥每一级催化剂的催化效能，延长了非均相催化剂的使用周期，无需频繁再生或者更换，臭氧的利用率高，出水无溶解性臭氧残留。

附图说明

图1是三级催化臭氧氧化净水装置的结构示意图，图中24表示闸阀，25表示气体质量流量计。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：结合图1进行说明，三级催化臭氧氧化净水装置包括进水管1、增压循环泵2、一级非均相催化反应柱3、液态臭氧浓度监测仪4、二级均相催化反应柱5、第一连接管6、三级非均相催化反应柱7、第二连接管8、出水管9、臭氧发生器10、液态臭氧浓度监测控制系统11、计量泵12、H₂O₂配药设备13、气态臭氧浓度监测仪14、臭氧尾气毁灭装置15、碟阀16、气体止回阀17、质量流量计18、第一催化剂层19、第二催化剂层20、钛板曝气头21、气体流量计22和氧气瓶23；所述进水管1的出水口与一级非均相催化反应柱3下部的进水口通过增压循环泵2连通，一级非均相催化反应柱3上部的出水口与二级均相催化反应柱5下部的进口通过第一连接管6连通，H₂O₂配药设备13的出口与第一连接管6的进口通过计量泵12连通，二级均相催化反应柱5上部的出水口与三级非均相催化反应柱7下部的进水口通过第二连接管8连通，三级非均相催化反应柱7上部的出水口与出水管9的进水口连通；臭氧发生器10的进气口与氧气瓶23的出气口通过气体流量计22连通，臭氧发生器10的出气口分别与一级非均相催化反应柱3、二级均相催化反应柱5及三级非均相催化反应柱7内下部的钛板曝气头21的进气口依次通过质量流量计18和气体止回阀17连通，一级非均相催化反应柱3、二级均相催化反应柱5及三级非均相催化反应柱7顶端的出口与臭氧尾气毁灭装置15下部的进口通过气态臭氧浓度监测仪14连通，第一连接管6、第二连接管8、出水管9均安装有碟阀16且靠近碟阀16设置有液态臭氧浓度监测仪8，每个液态臭氧浓度监测仪4均与液态臭氧浓度监测控制系统11连接，一级非均相催化反应柱3的中部安装有第一催化剂层19，三级非均相催化反应柱7的中部安装有第二非均相催化剂层20。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：第一催化剂层19材料为聚合硅酸盐催化剂。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：聚合硅酸盐催化剂为聚合硅酸铝、硅酸锌催化剂、聚铁硅盐、聚铜硅盐中的一种或其中几种的混合其它与具体实施方式二相同。

本实施方式中聚合硅酸盐催化剂为混合物时，各种聚合硅酸盐催化剂之间按任意比混合。

聚合硅酸铝是按专利申请号为CN201010572926.X中所述方法制备的；硅酸锌催化剂是按专利申请号为CN201010572270.1中所述方法制备的；聚铁硅盐是按专利申请号为CN201010155626.1中所述方法制备的；聚铜硅盐是按专利申请号为CN201010157843.4中所述方法制备的。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：第二催化剂层20材料为负载羟基氧化铝的活性炭。其它与具体实施方式一至三之一相同。

采用下述试验验证发明效果：

装置如图1，

第一催化层为硅酸锌催化剂(专利申请号为CN201010572270.1)，第二催化剂层20材料为活性炭。

以松花江水源作为试验原水，经过混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺后进入本发明装置，具体参数为，进水流量流量Q：1m³/h；单级反应柱直径D：0.20m；单级臭氧接触罐接触时间T1：5min；总接触时间T：15min；接触罐有效接触高度H1：2.7m；接触罐总高度H：3.65m；试验期间总臭氧投量2mg/L，第一催化层和第二层催化剂的填装高度为0.4m，二级双氧水投加量为0.4mg/L。进出水水质及处理效果如表1所示。

从表中可以看出，三级催化臭氧氧化出水各指标COD_Mn，TOC和UV₂₅₄与单独臭氧氧化相比，分别提高了12.4％，6.8％和17.8％，对于常规工艺出水来说该工艺有很好的处理效果，可以进一步提升臭氧的氧化效能，去除有机污染物质，保证供水水质的安全。

Claims (4)

1.三级催化臭氧氧化净水装置，它包括进水管(1)、增压循环泵(2)、一级非均相催化反应柱(3)、液态臭氧浓度监测仪(4)、二级均相催化反应柱(5)、第一连接管(6)、三级非均相催化反应柱(7)、第二连接管(8)、出水管(9)、臭氧发生器(10)、液态臭氧浓度监测控制系统(11)、计量泵(12)、H₂O₂配药设备(13)、气态臭氧浓度监测仪(14)、臭氧尾气毁灭装置(15)、碟阀(16)、气体止回阀(17)、质量流量计(18)、第一催化剂层(19)、第二催化剂层(20)、钛板曝气头(21)、气体流量计(22)和氧气瓶(23)；其特征自在于所述进水管(1)的出水口与一级非均相催化反应柱(3)下部的进水口通过增压循环泵(2)连通，一级非均相催化反应柱(3)上部的出水口与二级均相催化反应柱(5)下部的进口通过第一连接管(6)连通，H₂O₂配药设备(13)的出口与第一连接管(6)的进口通过计量泵(12)连通，二级均相催化反应柱(5)上部的出水口与三级非均相催化反应柱(7)下部的进水口通过第二连接管(8)连通，三级非均相催化反应柱(7)上部的出水口与出水管(9)的进水口连通；臭氧发生器(10)的进气口与氧气瓶(23)的出气口通过气体流量计(22)连通，臭氧发生器(10)的出气口分别与一级非均相催化反应柱(3)、二级均相催化反应柱(5)及三级非均相催化反应柱(7)内下部的钛板曝气头(21)的进气口依次通过质量流量计(18)和气体止回阀(17)连通，一级非均相催化反应柱(3)、二级均相催化反应柱(5)及三级非均相催化反应柱(7)顶端的出口与臭氧尾气毁灭装置(15)下部的进口通过气态臭氧浓度监测仪(14)连通，第一连接管(6)、第二连接管(8)、出水管(9)均安装有碟阀(16)且靠近碟阀(16)设置有液态臭氧浓度监测仪(4)，每个液态臭氧浓度监测仪(4)均与液态臭氧浓度监测控制系统(11)连接，一级非均相催化反应柱(3)的中部安装有第一催化剂层(19)，三级非均相催化反应柱(7)的中部安装有第二非均相催化剂层(20)。

2.根据权利要求1所述三级催化臭氧氧化净水装置，其特征在于第一催化剂层(19)材料为聚合硅酸盐催化剂。

3.根据权利要求2所述三级催化臭氧氧化净水装置，其特征在于聚合硅酸盐催化剂为聚合硅酸铝、硅酸锌催化剂、聚铁硅盐、聚铜硅盐中的一种或其中几种的混合。

4.根据权利要求1所述三级催化臭氧氧化净水装置，其特征在于第二催化剂层(20)材料为活性炭或负载羟基氧化铝的活性炭。

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