CN103011378B - 用于改善气液传质的气体分散装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了均匀分散臭氧气泡到液相水中以用于其处理的装置和方法。所述装置由与具有结构化填料或具有平行流动通道的整块体的部分连接的水进口部分组成。一部分进水作为侧流从主水流中取出，通过泵加压，与含臭氧的气体混合，且随后回注到所述主水流中。所述侧流可在与所述含臭氧的气体混合之前或之后分成多个物流，且随后在填充部分上游注入主流部分中。在供选的实施方案中，所述含臭氧的气体可刚好在所述填充部分上游经由气体扩散器直接注入，以在进入所述整块体的流体中获得均匀的气体和液体浓度。

Description

用于改善气液传质的气体分散装置

背景技术

臭氧是一种有力的消毒剂且用以氧化来自饮用水的有机污染物，包括天然存在的产生味道和气味的化合物。臭氧还用于来自废水二次处理的流出物中以在作为间接饮用水再次使用或排放到水体中之前从水中除去痕量的有机污染物和内分泌破坏化合物(EDCs)。EDCs可在例如药物残留物、杀虫剂和除草剂以及个人护理产品的许多成分中见到。臭氧对于废水的三次处理的该应用比臭氧的其他用途发展更快，这归因于水荒和对于EDCs对水生生物的影响的担忧。对于涉及饮用水或城市废水处理的大多数应用，在排放到河流和湖泊中之前，典型的臭氧剂量在3mg臭氧/L水-5mg/L范围内。在这些应用中的水流速取决于其供应的人群且通常为约700m³/h或更大。用于处理工业废水和用于诸如脱色的专门应用的臭氧剂量为10mg/L至数百mg/L，但该水流速较低，为约150m³/h或更低。

对于通常在化学污染的地下水场所中见到的诸如MTBE、TCE、1,4-二氧六环等合成有机污染物，使用“提前氧化(advanced oxidation)”方法来进行水处理。该提前氧化方法组合了过氧化物和溶解于水中的臭氧以生成反应性高的羟基，这些羟基自由基使顽抗的有机污染物氧化。羟基自由基通过水相中在臭氧和过氧化氢或催化剂之间的反应生成。该提前氧化方法用以处理工业工艺水以便在成套设备中再次使用或者之后排放被污染的流出物到都市下水道或环境中。

臭氧气体一般在基于电晕放电的发生器中由空气或高纯度氧气生成。在气相中臭氧的典型浓度视发生器功率和在用以产生臭氧的进料气中氧气的浓度而为3-14%。对于有机污染物的氧化，基于臭氧的水处理方法取决于臭氧从气相到水相的传递。对于水处理目的，已经使用了各种方法来使臭氧从气相传递到液相。

所有这些方法都取决于在气液界面处产生混合或相对运动和在使臭氧从气相传递到液相的工艺操作条件下臭氧的溶解度。选择设备的关键准则包括在操作期间消耗的能量、所要的臭氧剂量率、设备的成本和尺寸及臭氧传质效率。臭氧传质效率定义为在工艺期间引入的臭氧气体溶解于水相中的百分数。为了增加臭氧的传递量且因此增加臭氧传质效率，需要在高于常压的操作压力下使用约8%或更高(重量)的高浓度臭氧。该高臭氧浓度降低了在气液混合装置中必须处理的气体的量且增加了臭氧在水中的溶解度。在高于常压下操作该工艺也增加了臭氧在水中的溶解度。高臭氧浓度和较高操作压力的组合效应为增加的气体传质驱动力，这改善了臭氧传质效率。在来自该工艺的流出气流中的残留臭氧代表在臭氧发生器中浪费的能量且引起氧气成本增加。该流出气流必须通过臭氧破坏单元以便除去未溶解的臭氧，随后安全地将气体排放到大气中。

工业臭氧发生器通常在15psig-30psig (103.4kPa-206.8kPa)的气体压力下生成臭氧。在较高压力下，电晕放电发生器的能量效率和产生容量降低，使得在大于15psig (103.4kPa)的压力下生成臭氧的费用更高。这将经济的臭氧气体源限制到15psig (103.4kPa)。利用在高气体压力下的较好的传质效率，基于文丘里喷射器的方法优于其他方法之处在于在常压或略高于常压下操作。然而，文丘里喷射器自身提供臭氧从气相到水的低溶解度。质量传递大多在气体由运动水流抽吸的喉部中发生。在喷射器的下游，混合效率低且仅提供有限的额外质量传递。为了改善喷射器下游的臭氧溶解，使用了静态混合器。该静态混合器需要通过其的高流体速度以将气体混合到水中，从而传递臭氧。所需要的最小速度对于静态混合器具有特异性且产生混合器两端的大压降，因此增加了工艺的能量需求。

用于水处理目的的一种将臭氧从气相传递到液相的已知方法为泡罩塔或盆式反应器，泡罩塔或盆式反应器包括大塔或盆和位于该塔或盆底部的多个气体扩散器。在一些实施方案中，该等气体扩散器可位于水下约15-20英尺(4.6-6.1米)。该塔或盆用被污染的水连续填充且臭氧气体引入通过气体扩散器。臭氧气体的细小气泡在塔或盆中上升通过水，这在盆中提供混合和水的湍流且促进臭氧溶解到水中(在本文中也称作“臭氧传递”)。臭氧传递效率可通过从塔或盆的顶部捕集未溶解的臭氧并使其再循环和/或使臭氧通过使用挡板的一系列塔或盆来改善。根据臭氧剂量和盆设计，在一些实施方案中，盆的一部分或两部分用于气体喷雾，而剩余部分用于完成溶解气体去除和对于该水所要的臭氧接触时间(CT)。在达到所要的CT之后，将处理过的水从盆中除去。

盆接触器方法在窄范围的总气体流量下操作以便在盆中实现良好的混合和质量传递。如果总气体流量降低，则在水中没有显著混合或湍流的情况下气泡会在上升通过水塔。这降低了接触器中的臭氧传质效率。因为臭氧气体产生为该工艺的主要成本，所以接触器中臭氧传质效率降低使得该工艺的经济性较低。由于气流减少引起的适当混合缺乏还导致臭氧在盆中分布不均匀，且可降低CT到低于相关水消毒规章所需要的CT。为了克服这些问题，通过降低气体中的臭氧浓度使总气体流量维持恒定。典型的臭氧处理方法使用高纯度氧气作为进料气体来产生臭氧。当进料气体中的臭氧浓度响应由于低水流量或较低污染物浓度引起的低臭氧需求而降低时，每单位质量的臭氧需要更大量的高纯度氧气来维持通过气泡扩散器的恒定的总气流。使用大分数的高纯度氧气增加了处理水的单位成本且导致在低臭氧需求期期间的能量浪费。

使用盆式接触器的另一缺点在于气体扩散器中的细孔(常为微米尺寸)随时间而堵塞，且因此显著影响接触器的性能。扩散器的堵塞需要将其定期清洁或更换，这导致工艺停工且维修成本增加。废水处理对于传统的细小气泡基于扩散器的盆接触器法也是更大的挑战，因为废水带有较高浓度的细小悬浮固体，这导致扩散器频繁堵塞且接触器性能差。在饮用水和废水处理车间中的水流量在日间且随季节而显著变化，这使得最传统的接触法的操作在低臭氧需求期期间浪费。基于扩散器的方法的其他缺点包括：需要大且深的盆来有效传递臭氧到水中，因此成本和空间需求增加；气泡的通道降低了传质效率；且该方法不适合高压操作，而高压操作将增加臭氧气体在水中的溶解。

另一种已知的臭氧传递方法为使用文丘里喷射器，其中水流过文丘里且臭氧气体在文丘里的喉处引出(educt)。该基于文丘里的方法仅可以在具有相对低的水流量的系统中有效地使用。在以相对大的流量操作的系统中，可使一部分水转向到文丘里位于其上的“滑流”中。该滑流随后注回到主流中且通过湍流混合到主流中。该转向流文丘里方法通常仅对于相对低剂量的臭氧传递(例如，10mg/L或更低)有效。该方法还需要在主管道中的高错流速度的进水以提供来自射流的两相流到主流的混合且在管道中携带混合流比稍慢水流更长的距离。高速喷射的目的在于经由射流的湍流能的迅速消散实现在主流中的额外臭氧传递。在主流中臭氧的有效混合和质量传递需要的高速两相射流导致注入喷嘴两端的高压降。该高压降代表实现臭氧传递浪费的且由侧流泵供给的能量。该方法的能量需求通常远大于盆接触器的能量需求。

在基于文丘里的臭氧传递的另一变体中，可在喷射器或气体注入喷嘴的下游使用静态混合器以实现臭氧在水相中的额外混合和溶解。该系统设计更简单，因为其没有活动部件。但用于经静态混合器的良好臭氧传递的混合和气体分散需要气体和液体的强烈湍流。这需要通过静态混合器的高气液速度，这使得其两端产生比任何其他气体溶解方法高的压降。所需要的最低气液速度对于所使用的静态混合器具有特异性且该方法仅可在窄范围的水和气体流量下操作，从而实现臭氧溶解所需要的湍流。当水流量降低到低于静态混合器的最优操作范围时，臭氧传递效率显著受损。这对于成套设备操作是一个巨大挑战，因为在饮用水和废水成套设备中，水流量需求在日间且随季节而显著改变。

已经尝试使用涡轮接触器进行臭氧传递，涡轮接触器通过经由中空涡轮轴和搅拌器吸气体来操作。涡轮接触器出于多个原因似乎不是非常适合臭氧传递应用。与上述臭氧传递方法相比，涡轮接触器具有比较高的能量需求。另外，对于有效操作，进入涡轮接触器的臭氧气体与水的比率必须保持相对恒定，这限制了调节臭氧剂量的能力。涡轮接触器不是非常适合催化臭氧化，因为粉状催化剂将堵塞臭氧气体经其抽吸的通道。

填充塔很少用于将臭氧传递到液相，因为这类反应器具有极低的臭氧传质效率，因此需要非常高的塔来实现典型的臭氧剂量。填充塔还具有低空隙体积，这限制了水通过给定直径的塔的流量。对于与臭氧的固定床催化反应，可以使用填充塔，但由于臭氧的传质效率低，其构造和操作成本高。

碰撞射流也已经在臭氧传递系统中用于增强气相与液相之间的混合。在这类系统中，两相流的高速射流与另一两相流射流或与固定表面撞击。在这些碰撞射流方法中，两种气液流的射流在高速下从相对侧撞击。可使一部分处理过的水再循环且与流入的污染水混合，且随后经泵进料以形成射流。另外，未溶解的臭氧可捕集在下游的相分离器中且使其经射流再循环。碰撞射流可作为唯一的混合反应器使用或者可与其他混合反应器组合使用。包括碰撞射流的臭氧传递系统的设计和操作由于需要撞击区的精确定位而复杂化。另外，射流具有高功率需求，且该类型系统可适应的流量范围受到限制。因此，该方法极少用于大体积水处理应用，例如饮用水和废水处理应用。

因此，需要克服现有技术的方法的缺陷的改善的臭氧传递的方法。

发明内容

一方面，本发明包括处理水的方法，所述方法包括：

(a) 导引水流通过预处理管线；

(b) 将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分中，第二横截面积大于第一横截面积；

(c) 提供含有至少3%臭氧气体的气流；

(d) 在至少一个注入点处将所述气流引入所述膨胀部分中，同时所述水流流动通过所述膨胀部分，在所述下游端产生包含臭氧气体和水的气液混合相流；和

(e) 使所述混合相流通过位于所述膨胀部分下游的整块体，产生其中所述臭氧气体的至少一部分溶解于所述水中的反应产物。

另一方面，本发明包括水处理系统，其包括：

包括水流的预处理管线；沿所述预处理管线流体连通连接的膨胀部分，所述膨胀部分包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端，第二横截面积大于第一横截面积；含有至少3%的臭氧气体的气流，所述气流在至少一个注入点处与所述膨胀部分流体连通；和具有出口端和入口端且与所述预处理管线流体连通的整块体，所述出口端和所述入口端在所述膨胀部分的下游，所述整块体具有水流和气流可在其中行进的多个通道。

在又一方面，本发明包括处理水的方法，所述方法包括：

(a) 导引水流通过预处理管线；

(b) 使来自所述预处理管线的所述水流的一部分转向到至少一个侧流中，所述侧流在转向点自所述预处理管线分支；

(c) 提供含有臭氧气体的输出气流；

(d) 在至少一个注入点处将所述输出气流引入在所述至少一个侧流中的水中，在所述至少一个注入点的下游产生包含臭氧气体和水的混合相流；

(e) 在位于所述转向点下游的再引入点处将所述混合相流引入所述水流中。

附图说明

图1为本发明的第一示例性实施方案的示意图；

图2为本发明的第二示例性实施方案的示意图；

图3为沿图1的线3-3得到的局部剖视图；

图4为根据本发明的示例性膨胀部分和整块体的示意图；

图5为表示用于水处理系统的一种示例性连接构造的示意图；

图6为表示用于水处理系统的第二示例性连接构造的示意图；

图7为本发明的第三示例性实施方案的一部分的示意图；且

图8为本发明的第四示例性实施方案的一部分的示意图。

具体实施方式

除非在本文中另有说明，否则在本说明书、附图和权利要求书中提到的任何和所有百分数都将被理解为重量百分数。

除非在本文中另有说明，否则在本说明书、附图和权利要求书中提到的任何和所有压力都将被理解为是指表压。

在本说明书和权利要求书中使用的术语“流体连通”是用来指两个或更多个元件以流体能够在元件之间流动的方式(直接或间接地)连接，其包括可含有阀门、闸板或可选择性地限制流体流动的其他装置的连接。

在本说明书和权利要求书中使用的术语“臭氧传递”、“臭氧传质”和“臭氧溶解”全部用来指臭氧气体溶解到水中。

为了帮助描述本发明，在本说明书和权利要求书中可使用方向性术语来描述本发明的部分(例如，上、下、左、右等)。这些方向性术语仅用来帮助描述并要求保护本发明，而不意欲以任何方式限制本发明。

在权利要求书中，使用字母来识别所要求保护的步骤(例如(a)、(b)和(c))。这些字母用来帮助提及方法步骤，且除非且仅在权利要求书中具体列举了进行所要求保护的步骤的顺序的程度的情况下，否则其并非意欲指出进行所要求保护的步骤的顺序。

根据本发明的方法提供了在具有很少需要高成本维护或消耗大量能量的活动部件的简单且紧凑的系统中的有效气液接触方法。用臭氧的水处理和消毒的传统方法使用气泡扩散器以便在连续流动的盆式接触器中注入含臭氧的气体或在管道中有或没有静态混合器的情况下使气体注射通过文丘里喷射器或喷嘴。具有气泡扩散器的盆式接触器在接触部分中提供了气体和水的不良混合且臭氧气体传递效率低。其在气流的窄设计范围内操作，导致在低水流量周期期间通过降低气体中的臭氧浓度来产生恒定气体流量操作。当降低臭氧浓度以维持恒定气体流量时，每单位体积的处理水必须使用大量的纯氧气。这代表着在低水流量周期期间的能量浪费和操作成本较高。盆式接触器还在常压下操作，以使得在没有可用于从盆中移出处理过的水的额外泵或水加压方法的情况下，臭氧化步骤不能作为改型(retrofit)而加入。

在线管道接触器为气体经由气体喷嘴、文丘里喷射器或两相射流引入水流中的活塞流反应器。该类型的接触器也在窄规格的水和气体速度范围内操作且具有低臭氧传质效率。如果在管道反应器中使用静态混合器以在气体注入点的下游混合，则臭氧利用率在静态混合器设计范围内改善。但这由于在静态混合器中混合需要湍流的大压降，导致反应器设计复杂化且操作成本高。

需要更通用的臭氧传递方法，其具有更宽的操作范围、较低的能量消耗和较高的臭氧传递效率。本文公开的本发明实现了这些目标中的一个或多个。诸如使用在线文丘里喷射器、在线静态混合器或气体喷嘴的传统的注入气体的方法不会产生与通过本申请中描述的装置所实现的气体扩散程度相同程度的在填充部分入口处需要的气体扩散。本文公开的装置可在少许作为改型的改进存在下容易地结合到现有水处理成套设备中。本发明可供处于任何温度的供水使用，这与供水必须保持在常压下的盆式接触器不同。其还允许使用经济的臭氧发生器，即使欲处理的水处于高于15psig (103.4kPa)的压力下，该臭氧发生器也会在约15psig (103.4kPa)下以很好的臭氧传质效率操作。

根据本申请的本发明允许以高臭氧利用率将臭氧从气相传递到水相。在根据本发明的使含臭氧的气体与水接触的一些实施方案中，在将含臭氧的气泡使用两相注入喷嘴或气体扩散器分散在进水中之后将进水通到包括整块体的结构化填充部分上。该结构化填充部分只有在气体在进入填充部分之前充分分散时才将可溶气体有效传递到液相。气泡在水中的良好分散通过取出一部分进水作为侧流、使用合适的液流泵使侧流中的水加压且随后在填充部分的前面注入气液混合物来实现。含臭氧的气流经由气体喷嘴或文丘里喷射器引入侧流中。在侧流中的气液混合物被分成多个物流且用管道沿流动管路通到不同位置。从侧流分出的所有两相流随后都刚好在填充部分的前面注入主水流中以使气泡聚结和相分离减至最少。注入点的取向和位置将取决于填充部分的取向和形状。

作为在填充部分前面注入两相流的替代，含臭氧的气体也可在填充部分前面经由气体扩散器直接注入。在这种情况下，只有气体从臭氧产生源经由扩散器注入液流中。扩散器靠近填充部分放置确保减少气泡聚结，且使用形状匹配填充部分形状的多个扩散器将确保气泡在填充部分入口处均匀分布。所述填充部分可水平、垂直向上或垂直向下取向以便于流体流动。在一些实施方案中，填充部分的优选取向与整块体中的圆形或正方形截面微通道水平以使在微通道内的流体流动和混合最大化。在一些实施方案中，贫臭氧气体和处理过的液体可通过任何可得到的传统设备从填充部分的下游移出。例如，填充部分的出口可连接到盆以达到所要的接触时间(CT)且分离贫臭氧的剩余气体。气体分离和停留时间也可通过使用用于气体分离的脱气容器接着使用用于CT的管线接触器来实现。生产臭氧的方法为动力密集型的且成本高，因此需要使氧化过程中的臭氧利用率最大化，而在混合气相与液相的过程中不耗费大量能量。

如下所述的使用根据本发明的实施方案的方法克服了使臭氧溶解于水中的已知方法的挑战且提供了用于该溶解的紧凑系统。其可用于水处理和所有尺寸的成套设备的消毒，但特别吸引人的是用于处理700立方米/小时或更大的流量的水处理成套设备的消毒。

本发明的主要优势之一在于该方法可供处于比臭氧发生器的操作压力高的压力下的水使用。在臭氧气体直接注入主水流的常规处理方法中，主水流的压力必须低于臭氧气体压力。在这些处理方法中，这增加了系统的操作成本，因为臭氧发生器不能有效操作来获得必要的压力。

在根据本发明的一些实施方案中，使用文丘里喷射器来抽吸臭氧气体。所述文丘里喷射器可设计用来在所要水和臭氧发生器压力下操作以抽吸所要量的臭氧气体。这使得消除了进水压力与臭氧发生器压力之间的联系，且因此两者都可在其最佳条件下操作。根据本发明的装置和方法可用于处理常压至高达约100psig (689.5kPa)的操作压力，且在大多数情况下5psig-50psig (103.4kPa和344.7kPa)的操作水压。

在本文所述的示例性实施方案中，进入填充部分的水的速度通过使用横截面积比邻近进水管道的横截面积大的膨胀部分而降低。该方法可能违反本领域技术人员的直觉，因为用于氧化处理的许多已知方法限制流入水流以便增加在混合部分的水流速度。下文将参考所公开的示例性实施方案详细解释本发明改善臭氧传递的方式。

示例性水处理系统10的第一实施方案示意性示于图1中。在系统10中，欲处理的水通过加压的流入进料流12引入预处理管线16中。使预处理管线16中的一部分水转向到侧流部分60中，侧流部分60包括侧流62、使水循环经过侧流部分60的泵64和在分叉点69处从侧流62分开的多个物流70、72、74。预处理管线16将未转向的水带到膨胀部分31。

在该实施方案中，分叉点69和物流70、72、74位于接点68的下游，在接点68处由臭氧发生子系统18产生的臭氧由臭氧进料管线66引入侧流62中。与先前的系统相反，在本发明中，仅一部分进水体积用于产生用于混合部分22的填充部分的气体扩散。并且，本发明仅在侧流62中包括泵设备(即，泵64)以将侧流62中的水泵送到压力高于位于预处理管线16中的水的压力。与全部流入水流12都经由在线文丘里喷射器泵送的实施方案相比较，这通过仅使流入水流12的侧流部分60加压降低了能量消耗。

在该实施方案中，在臭氧进料管线66中的含臭氧的气体在接点68处经由气体喷嘴或文丘里喷射器注入侧流62中。在侧流62中的气液流任选可随后通过静态混合器进一步混合以将气泡进一步分散到水中。在该实施方案中，在侧流62中的水在接点68处与臭氧混合之后，两相侧流62随后分成多个二次流70、72、74。应理解，在本发明的范围内侧流62可分成任意数目的二次流。优选各二次流以近似相等的体积流量提供。在该实施方案中，在物流70、72、74中的气液混合物随后在混合部分22的填充部分前面在相应注入点84、86、88进料到混合部分22的膨胀部分31中。在该实施方案中，所述填充部分包括整块体26。

可使用任何类型的传统注入喷嘴将两相流注入膨胀部分31中。所述注入点位于膨胀部分31中以使得它们产生基本均匀的气泡分布且减少气泡聚结和相分离。在将臭氧气体混合到侧流62中之后将侧流62分成多个物流(例如，物流70、72、74)将所需要的臭氧进料管线的数目减少到刚好为一个(如图1中的使用单一臭氧进料管线66所见)。

大多数工业臭氧发生器产生处于15-30磅/平方英寸(103-207kPa)压力下的输出气流。典型的输出气流压力低于电晕放电臭氧发生器，在电晕放电臭氧发生器中，如果输出气流压力超过15psi (103kPa)，则臭氧产生效率开始受损。在图1中所示的实施方案中，预处理管线16的优选压力范围为5-50磅/平方英寸(34-345kPa)。本领域的普通技术人员显而易见的是，优选的范围将随能够在较高输出气流压力下操作的臭氧发生器变得市售可得而变化。

示例性水处理系统110的第二实施方案示意性示于图2中。在该实施方案中，与在系统10的第一实施方案中的元件相同的系统110的元件以增加100的参考数字给出。例如，系统10的第一实施方案的预处理管线16与系统110的第二实施方案的预处理管线116相同。为了清楚起见，与第一实施方案同享的该实施方案的一些特征在图2中编号，但在本说明书中不再重复。例如，在系统10中的流入进料流12对应于在系统110中的流入进料流112、在系统310中的流入进料流312、在系统410中的流入进料流412。

在图2中所示的实施方案中，含臭氧的气体被分成三个臭氧进料管线166a、166b和166c，其分别在相应连接点176、178、180处连接到二次流170、172、174之一。类似于图1的实施方案，应当理解的是侧流162可分成任意数目的二次流。文丘里喷射器或任何其他合适的注入装置可用作二次流170、172、174的气体注入装置。二次流170、172、174随后将气液混合物进料到膨胀部分131中的进水中。这降低了对于可在侧流162中产生压降的额外气体喷嘴的需要，因此进一步降低了由该工艺消耗的能量。侧流的构造、两相流注入法和注入喷嘴的精确位置的选择将取决于许多因素，诸如水的总体积流量、臭氧剂量、填充部分的取向和填充部分中的填料的性质。

现将描述系统10的额外元件。应了解以下系统公开内容的相应元件同样适用于图2的系统110、图7的系统310和图8的系统410的实施方案。在本说明书中描述且在所有系统110、310、410中存在的系统10的元件在附图中可由分别增加100、300和400的因数的参考数字表示，但在本说明书中可能没有具体描述。

在图1中所示的实施例中，臭氧发生子系统18包括电晕放电臭氧发生器。所述臭氧发生器包括环境空气、富氧空气或纯氧气的进料管线，这取决于在臭氧进料管线66中的所要的臭氧浓度和臭氧总量。在该实施例中，提供包含至少90%的氧气的进料管线。典型的电晕放电臭氧发生器将进料气体中约4-13%的氧气转化成臭氧。因此，来自臭氧发生子系统18的输出气流在正常操作条件下将含有不少于3%的臭氧。在其他实施方案中，可使用产生臭氧的任何合适的供选方法。

臭氧气体(来自臭氧进料管线66)和来自预处理管线16的水的混合物随后流入混合部分22中。在该实施例中，所述混合部分包括蜂窝状整块体26。现参看图3，整块体26包括具有限定平行微通道28的壁30的整体结构，平行微通道28优选填充整块体26的横截面积。在该实施例中，壁30由陶瓷材料形成。堇青石、氧化铈-氧化锆、氧化铝、碳和二氧化钛为用于壁30的其他合适的基底材料的实例。诸如不锈钢的金属也可为壁30的合适基底材料。对于较大直径的整块体，所述结构可包括分割成适合所要截面的多个整块体。

在该方法中，将来自预处理物流16的进水带入混合部分22中以便臭氧处理。在预处理管线16中典型的水流速度为1m/s-2m/s且更接近于2m/s以保持管道尺寸较小，同时还维持压力损失处于可接受的水平。所述水随后通过截面积比进水管道大且含有结构化填料或用专门设计用来实现良好的气液传质的微通道28填充的整块体26的部分。所述填料通常具有60%-85%的空隙体积以便于流体流过。通过填充部分的表观速度小于进水管道中的速度且在0.25m/s-1m/s范围内。通过填料的较高水流速度引起传质改善，但其也产生高压降。与在通过结构化填料的流体速度增加下从气相到液相的传质改善相比较，压降和能量消耗更迅速地增加。因此，存在传质和压降处于可接受的范围以使本发明成为有效臭氧溶解方法的最佳流速范围。一些结构化填料如具有微通道的蜂窝状整块体在可接受的压降和良好的传质下操作的速度范围比用于静态混合器的速度范围宽得多。与静态混合器相比，填料两端的压降也显著降低，这使得其成为用于气体溶解的非常有吸引力的方法。

在图3的实施例中，整块体26的截面形状为圆形且各微通道28的截面形状为正方形。可能有许多供选的形状且整块体26和微通道28可具有相同的形状或不同的形状。例如，整块体26的总截面形状和微通道28的截面形状可为六方形。在一个具体应用中，整块体26的优选规格将取决于许多操作因数，包括(但不限于)所要的臭氧和催化剂剂量范围以及预期的水流量范围。

在一些实施方案中，壁30可用催化剂浸渍以用于其中需要催化反应的水处理应用，所述催化反应诸如为有机污染物如硝基苯、苯胺染料废水、苯酚、多酚等的催化氧化。常用氧化催化剂的实例包括碳、钯、铁、氧化钛、二氧化钛、铜、锰、镁、钌和银。

在一个实施方案中，基于填料的蜂窝状整块体26具有宽度为约1mm-3mm的微通道28。由于壁30，这些微通道28不互连，因此只要流体进入通道，不存在来自相邻通道的流体的内部混合。在整块体区块的末端发生极少的流体交换，该整块体区块的长度通常为3英寸-6英寸且与另一整块体区块尾-尾堆叠以获得所要长度的填料。因此，该方法需要在填料入口处的良好气体分散，因此利用大多数通道或填充部分的大部分体积来用于臭氧传质。只要气泡在水中的合适分散体进入蜂窝状整块体26的微通道28，它们就获得高气液传质率。这通过气液相边界处的相对运动实现，该相边界由由于流体与通道壁30的摩擦引起的在液相和气相中的循环流动确立。良好传质需要的流动曲线为泰勒流动(Taylor flow)，其中缓慢流动的气体和液体(slugs of gas and liquid)以层流方式沿毛细管道向下移动。本发明还使得该方法能够在高流体压力下操作以利用较高臭氧传递驱动力来进行水处理。结构化填充部分的总长度可不同且选择该长度以对于给定臭氧剂量实现所要的臭氧传质效率。在该结构化填充部分中，配置整块体区块以覆盖管道的全部体积或管路截面以防止气体或液体沿在整块体和管道之间的边缘的任何分流。

所述气液混合物优选在高压(即，高于常压)下供给到整块体26中，如上文所讨论，这增加了臭氧传质效率。如上所述，与全部流入水流12都泵送通过在线文丘里喷射器的实施方案相比较，根据本发明的实施方案通过仅使流入水流12的侧流部分60加压降低了能量消耗。

为了在结构化填充部分中实现气相的所要分布以实现高气体传质效率，必须将气泡在结构化填充部分入口的上游均匀地分散。在该实施方案中，必须实现均匀的分散，同时使水流速从约2m/s的进水管道速度降低到0.25m/s-1m/s的填充部分速度。该速度降低通过将结构化填充部分罩在横截面积比进水管道(即，预处理管线16)大的管道或管路中来实现。所述进水管道随后经由膨胀部分31连接到具有较大横截面积的填充部分的管道。

膨胀部分31仅示意性地示于图1、2、7和8中。图4更准确地示出了膨胀部分31的示例性形状，膨胀部分31位于预处理管线16和整块体26之间。如在图4中所示，预处理管线16连接到膨胀部分31的上游端33。上游端33具有近似等于预处理管线16的邻近端的横截面积。向膨胀部分31的下游端35(即，更接近于整块体26或如图4中所示向右)移动，膨胀部分31的横截面积增加，以使得其大于在上游端33处的横截面积。在一些实施方案中，在下游端35处的横截面积优选为在上游端33处的第一横截面积的至少两倍。

如上所述，本发明代表对于已知系统的改善，因为其通过使用膨胀部分31降低了进入填充部分的水的速度。该原理可能违反本领域技术人员的直觉，因为在膨胀部分31中的缓慢水流速度可增强气泡聚结和相分离。静态混合器也不能用于在整块体上游的膨胀部分中有效地分配气泡，因为该流体速度低于静态混合器所需要的最优速度。应注意，在使用静态混合器以及诸如文丘里喷射器或气体喷嘴的气体注入设备的方法中，流体的速度在臭氧气体注入的下游维持恒定以免流体相分离。

在所述装置水平取向的情况下，如果气体使用诸如气体喷嘴或文丘里喷射器的传统气体注入方法注入进水管道中，则气泡会在整块体26前面的膨胀部分31中上升并聚结以在膨胀部分31的顶部产生单独的气相。并且，当进水的全部体积流量通过在线文丘里喷射器时，由于喷射器两端的大压降，引起相当大的能量损失。

本发明通过仅使用少许进水体积来产生进入整块体26的气体分散而解决了该问题。图4还表示臭氧气体在图1的实施方案中在注入点84、86、88处如何直接地注入膨胀部分中。

现将提到图7和图8的实施方案。对于其中欲处理的水完全没有悬浮粒子如在絮凝并过滤之后的饮用水、即其中水处理需要的臭氧剂量比较低的应用，气体扩散器(其可采取气体鼓泡器的形式)放置在整块体前面的膨胀部分中，而不需要侧流。参考图7的实施方案，其中整块体326水平取向，可使用多个扩散器(即，气体鼓泡器382a、382b)将气体在膨胀部分331内更均匀地分配并避免气泡聚结。应理解，在本发明的范围内在膨胀部分331中任意数目个注入点处可使用任意数目个扩散器。经流入水流312进入膨胀部分331的进水的错流可携带由注入整块体326的气体产生的气泡以便在其微通道328内进行臭氧传质。所述扩散器可由陶瓷、聚合物或烧结金属制成且根据整块体的形状，可成型为半圆形或直管，以实现在整个整块体326的入口(即上游)端的全部横截面积上基本均匀的气体分布。

参看在图8中所示的实施方案，在其中整块体426垂直向上取向(即，其中整块体426的下游端对抗重力)的实施方案中，扩散器(气体鼓泡器482)可放置在膨胀部分431的中心处的正方形或矩形栅格中。由于该实施方案的取向，气泡不会容易地聚结，且单一气体鼓泡器482维持气泡充分分开，直至它们进入整块体426的微通道428。应理解，在本发明的范围内在膨胀部分431中在任意数目个注入点处可使用任意数目个扩散器。

应理解结构化填充部分(整块体)可对于垂直向上、垂直向下或水平流体流取向。在本发明的范围内，注入喷嘴或扩散器的数量、取向和位置可基于填充部分的取向来改变。对于填充部分的水平取向，将定位注入喷嘴以使气泡在膨胀部分的顶部部分中的分离和聚结减至最少。

应该进一步理解的是，在图7和图8中所示的实施方案的装置可结合到如在图1和图2中近似表示的整体系统内，即结合到具有臭氧破坏单元等的分离器容器内。

具有结构化填料(整块体)和扩散器的装置优于具有扩散器的盆式反应器，因为在本发明中扩散器仅用于气泡分配，而未用于在水相中的混合。臭氧从气泡到液相的传质在整块体426内发生。因此，与盆式反应器系统不同，在这些构造中，当在低臭氧需求期间减少气流时，臭氧的传质不受损。

注入侧流中的含臭氧的气体的量取决于在进水中污染物的类型和浓度和在气流中臭氧的浓度。在侧流中气-液比取决于侧流流量相对于总流量的体积分数。臭氧剂量可为2mg臭氧/L泵送通过侧流的水至80 mg/L。对于高度污染的水，诸如在农场流放口中见到的水，其中可能需要提前氧化来处理由杀虫剂、除草剂等引起的化学污染，总臭氧需求量可能远远高于基本消毒所需要的臭氧需求量。大多数消毒应用需要至高5mg臭氧/L处理过的水。对于EDC去除应用，臭氧需求量可在2mg/L至最大20mg/L处理过的水范围内。

在该实施例中，系统10经构造以使得气液混合物向下流经整块体26。在其他实施方案中，整块体26可经取向以垂直向上或水平流。应注意，在其中臭氧需求量较低且因此进入整块体26的混合物的气-液比较低的应用中，垂直向上和水平流取向更实用。可选择整块体26的长度以实现所要的臭氧传质效率，其中较高的效率由较长的整块体26产生。

在该实施方案中，整块体26排料到气液相分离器容器34中。在该实施方案中，收集在容器34中的气体排到优选连接到臭氧破坏单元42的气体净化管线40中。臭氧破坏单元42使来自气体净化管线40的任何剩余的臭氧转化成氧气且将该氧气排到大气中。任选气体再循环管线44可使气体从容器34再循环到臭氧发生子系统18(或再循环到在臭氧发生器上游或下游的点处)。

处理过的水经由位于容器34的下端的输出管线38从容器34中除去。在一些实施方案中，泵可包括在输出管线38中以使得至少一部分处理过的水能够再循环通过预处理管线16。水也可经由流出管线46从系统10中排放。

在一些实施方案中，与过氧化氢的供给连接的进口52优选提供在预处理管线16上以使得过氧化氢能够加到处理工艺(其中需要或希望提前氧化)中。

系统10可适合提供宽范围的臭氧剂量，即在处理期间溶解到水中的臭氧气体的量。如果需要高水平的臭氧剂量，则可降低流入流12和流出流46的流量，以使得在输出管线38中的较大部分的水再循环通过预处理管线16。

本文使用的“臭氧剂量”是用来指每次由循环通过混合部分22的水消耗的臭氧的量且通常将通过比较臭氧进料管线66的臭氧含量与在气体净化管线40中的臭氧含量来测量。“总平均臭氧剂量”是用来指随着处理过的水经由流出管线46离开系统10而在处理过的水中的总臭氧剂量。“臭氧剂量”与“总平均臭氧剂量”之间的关系随循环通过预处理管线16的在输出管线38中的水的分数而变。

图5说明需要比较高的臭氧剂量的系统10的构造。在该实施方案中，全部未处理的水流50通过进入流12直接引入处理系统10。图6说明需要比较低的臭氧剂量(例如，2-5 mg/L水)的系统10的构造。在该构造中，使仅一部分在水管线50中的水经由进入流12转向到处理系统10中。处理过的水经由流出流46回到水流50中，在其中其与未处理的水混合以在水流50中提供所要的臭氧剂量。如在图6中所示，流出管线46优选在流入管线12的下游的位置处将水再注入水管线50中。

由此可见，已经根据优选的实施方案及其供选的实施方案公开了本发明。当然，在不脱离本发明的预定精神和范围的情况下，本领域技术人员可考虑到来自本发明的教导的各种变化、改进和改变。意图是，本发明仅受随附权利要求书限制。

本发明的各方面

方面1. 处理水的方法，所述方法包括：

(a) 导引水流通过预处理管线；

(b) 将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分，第二横截面积大于第一横截面积；

(c) 提供含有至少3%臭氧气体的气流；

(d) 在至少一个注入点将所述气流引入所述膨胀部分中，同时所述水流流动通过所述膨胀部分，在所述下游端产生包含臭氧气体和水的气液混合相流；和

(e) 使所述混合相流通过位于所述膨胀部分下游的整块体，产生其中所述臭氧气体的至少一部分溶解于水中的反应产物。

方面2. 方面1的方法，其中步骤(d)包括：

(i) 使来自所述预处理管线的水流的一部分转向到至少一个侧流中；

(ii) 将所述气流引入所述侧流中以形成气液混合物；和

(iii) 在所述至少一个注入点处将所述气液混合物注入所述膨胀部分中。

方面3. 方面1-2中任一方面的方法，其还包括：

(f) 使在所述至少一个侧流中的那部分水流的压力增加到第二压力，在所述预处理管线中的水流具有第一压力，第二压力大于第一压力。

方面4. 方面3的方法，其中步骤(f)通过定位于与所述至少一个侧流流体连通的泵送装置进行。

方面5. 方面2-4中任一方面的方法，其还包括在进行步骤(d)(ii)的下游将所述至少一个侧流分成多个侧流。

方面6. 方面2-5中任一方面的方法，其还包括在进行步骤(d)(ii)的上游将所述至少一个侧流分成多个侧流，其中步骤(d)(ii)还包括将所述气流引入所述多个侧流中的每一个中以在所述多个侧流中的每一个中形成气液混合物，且其中步骤(d)(iii)还包括在所述至少一个注入点处将来自所述多个侧流中的每一个的气液混合物注入所述膨胀部分中。

方面7. 方面6的方法，所述至少一个注入点包括多个注入点，其中步骤(d)(iii)还包括在所述多个注入点的不同注入点处将来自所述多个侧流中的每一个的气液混合物注入所述膨胀部分中。

方面8. 方面2-7中任一方面的方法，其中步骤(b)包括将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分中，第二横截面积为第一横截面积的至少两倍。

方面9. 方面2-8中任一方面的方法，其中步骤(d)包括在至少一个注入点将所述气流引入所述膨胀部分中，所述至少一个注入点包括气体扩散器。

方面10. 方面1-9中任一方面的方法，其还包括：

(g) 使在所述反应产物中的任何不溶解的气体与所述反应产物的液相部分分离；和

(h) 使所述反应产物的液相部分的至少一部分转向到流出流。

方面11. 方面10的方法，其还包括：

(i) 使所述反应产物的液相部分的至少一部分再循环到在所述预处理管线中的水流中。

方面12. 方面1-11中任一方面的方法，其还包括：

(j) 将过氧化氢注入在所述整块体上游的所述水流中。

方面13. 方面1-12中任一方面的方法，其中步骤(e)包括使所述混合相流通过所述至少一个注入点下游的整块体，所述整块体具有浸渍在其上的催化剂，使得所述臭氧气体的至少一部分溶解到所述水流中且将所溶解的臭氧的至少一部分传递到催化剂表面以便反应。

方面14. 方面1-13中任一方面的方法，其还包括：

(k) 使所述水流的一部分转向以形成流入流；

(l) 将所述流入流注入所述预处理流中；和

(m) 将所述流出流注入在所述流入流下游的所述水流中。

方面15. 水处理系统，其包括：

包括水流的预处理管线；

沿所述预处理管线流体连通连接的膨胀部分，所述膨胀部分包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端，第二横截面积大于第一横截面积；

含有至少3%臭氧气体的气流，所述气流在至少一个注入点与所述膨胀部分流体连通；和

具有出口端和入口端且与所述预处理管线流体连通的整块体，所述出口端和所述入口端在所述膨胀部分的下游，所述整块体具有水流和气流可在其中行进的多个通道。

方面16. 方面15的水处理系统，其还包括位于所述膨胀部分上游的至少一个侧流，所述至少一个侧流具有从所述预处理管线分支的第一端和与所述膨胀部分流体连通的与第一端相对的第二端，其中将来自在所述预处理管线中的水流的一部分水导引通过所述至少一个侧流。

方面17. 方面16的水处理系统，其中所述至少一个侧流包括多个侧流，其中所述多个侧流中的每一个在分叉点处开始且在多个注入点的相应一个处终止且在所述多个注入点的相应一个处与所述膨胀部分流体连通。

方面18. 方面17的水处理系统，其中所述气流在多个接点中的不同接点处与所述多个侧流中的每一个流体连通，所述多个接点中的每一个位于所述分叉点的下游。

方面19. 方面16的水处理系统，其中所述气流在接合点处与所述至少一个侧流流体连通。

方面20. 方面19的水处理系统，其中所述接合点位于分叉点的上游，其中在所述分叉点处所述至少一个侧流分成多个侧流，其中所述多个侧流中的每一个在多个注入点的相应一个处终止且在所述多个注入点的相应一个处与所述膨胀部分流体连通。

方面21. 方面16-20中任一方面的水处理系统，其还包括使位于所述至少一个侧流中的水的压力增加的位于所述至少一个侧流中的加压装置。

方面22. 方面15-21中任一方面的水处理系统，其中所述整块体包括多个平行通道。

方面23. 方面15-22中任一方面的水处理系统，其还包括与所述水流流体连通且与过氧化氢供给连接的过氧化氢口。

方面24. 方面15-23中任一方面的水处理系统，其中第二横截面积为第一横截面积的至少两倍。

方面25. 处理水的方法，所述方法包括：

(a) 导引水流通过预处理管线；

(b) 使来自所述预处理管线的所述水流的一部分转向到至少一个侧流中，所述侧流在转向点自所述预处理管线分支；

(c) 提供含有臭氧气体的输出气流；

(d) 在至少一个注入点处将所述输出气流引入在所述至少一个侧流中的水中，在所述至少一个注入点的下游产生包含臭氧气体和水的混合相流；

(e) 在位于所述转向点下游的再引入点处将所述混合相流引入所述水流中。

方面26. 方面25的方法，其还包括：

(f) 在进行步骤(d)之前，使在所述至少一个侧流中的那部分水加压到第二压力，在所述预处理管线中的水流中的水具有第一压力，第二压力大于第一压力。

方面27. 方面25-26中任一方面的方法，其还包括：

(g) 在具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分中提供所述再引入点，第二横截面积大于第一横截面积。

方面28. 方面27的方法，其中步骤(g)包括在具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分中提供所述再引入点，第二横截面积为第一横截面积的至少两倍。

Claims (20)

1.处理水的方法，所述方法包括：

(a) 导引水流通过预处理管线；

(b) 将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分，上游端连接至预处理管线，并且第二横截面积大于第一横截面积；

(c) 提供含有至少3%臭氧气体的气流；

(d) 在至少一个注入点将所述气流引入所述膨胀部分，同时所述水流流动通过所述膨胀部分，在所述下游端产生包含臭氧气体和水的气液混合相流；和

(e) 使所述混合相流通过在具有比预处理管线大的横截面积的部分中并且连接至所述膨胀部分下游端的整块体，产生其中所述臭氧气体的至少一部分溶解于水中的反应产物；

其中所述膨胀部分降低了进入所述含整块体的部分的水的速度，并且其中步骤(d)包括：

(i) 使来自所述预处理管线的水流的一部分转向到至少一个侧流管线中以形成至少一个侧流；

(ii) 将所述气流引入所述至少一个侧流中以形成气液混合物；和

(iii) 在所述至少一个注入点将所述气液混合物注入所述膨胀部分中；或

在至少一个注入点将所述气流引入所述膨胀部分中，所述至少一个注入点包括气体扩散器。

2.权利要求1的方法，其还包括：

(f) 使在所述至少一个侧流中的那部分水流的压力增加到第二压力，在所述预处理管线中的水流具有第一压力，第二压力大于第一压力。

3.权利要求2的方法，其中步骤(f)通过定位于与所述至少一个侧流流体连通的泵送装置进行。

4.权利要求1的方法，其还包括在进行步骤(d)(ii)的下游将所述至少一个侧流分成多个侧流。

5.权利要求1的方法，其还包括在进行步骤(d)(ii)的上游将所述至少一个侧流分成多个侧流，其中步骤(d)(ii)还包括将所述气流引入所述多个侧流中的每一个中以在所述多个侧流中的每一个中形成气液混合物，且其中步骤(d)(iii)还包括在所述至少一个注入点处将来自所述多个侧流中的每一个的气液混合物注入所述膨胀部分中。

6.权利要求5的方法，所述至少一个注入点包括多个注入点，其中步骤(d)(iii)还包括在所述多个注入点的不同注入点处将来自所述多个侧流中的每一个的气液混合物注入所述膨胀部分中。

7.权利要求1的方法，其中步骤(b)包括将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分中，第二横截面积为第一横截面积的至少两倍。

8.权利要求1的方法，其还包括：

(g) 使在所述反应产物中的任何不溶解的气体与所述反应产物的液相部分分离；和

(h) 使所述反应产物的液相部分的至少一部分转向到流出流。

9.权利要求8的方法，其还包括：

(i) 使所述反应产物的液相部分的至少一部分再循环到在所述预处理管线中的水流中。

10.权利要求1的方法，其还包括：

(j) 将过氧化氢注入在所述整块体上游的所述水流中。

11.权利要求1的方法，其中步骤(e)包括使所述混合相流通过所述至少一个注入点下游的整块体，所述整块体具有浸渍在其上的催化剂，使得所述臭氧气体的至少一部分溶解到所述水流中且将所溶解的臭氧的至少一部分传递到催化剂表面以便反应。

12.权利要求1的方法，其还包括：

(k) 使所述水流的一部分转向以形成流入流；

(l) 将所述流入流注入所述预处理流中；和

(m) 将所述流出流注入在所述流入流下游的所述水流中。

13.水处理系统，其包括：

包括水流的预处理管线；

沿所述预处理管线流体连通连接的膨胀部分，所述膨胀部分包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端，上游端连接至预处理管线，并且第二横截面积大于第一横截面积；

含有至少3%臭氧气体的气流，所述气流在至少一个注入点与所述膨胀部分流体连通；和

在具有比预处理管线大的横截面积的部分中并且连接至所述膨胀部分下游端的整块体，该整块体具有出口端和入口端且与所述预处理管线流体连通，所述整块体具有水流和气流可在其中行进的多个通道；

其中所述膨胀部分起作用来降低进入所述含整块体的部分的水的速度；以及

该水处理系统还包括位于所述膨胀部分上游的至少一个侧流管线，所述至少一个侧流管线具有从所述预处理管线分支的第一端和与所述膨胀部分流体连通的与第一端相对的第二端，其中将来自在所述预处理管线中的水流的一部分水导引通过所述至少一个侧流管线，所述气流的管线在至少一个接合点处与所述至少一个侧流管线流体连通；或

位于膨胀部分中的气体扩散器，所述气流的管线与所述气体扩散器流体连通。

14.权利要求13的水处理系统，其中所述至少一个侧流包括多个侧流，其中所述多个侧流中的每一个在分叉点处开始且在多个注入点的相应一个处终止且在所述多个注入点的相应一个处与所述膨胀部分流体连通。

15.权利要求14的水处理系统，其中所述气流在多个接点中的不同接点处与所述多个侧流中的每一个流体连通，所述多个接点中的每一个位于所述分叉点的下游。

16.权利要求13的水处理系统，其中所述接合点位于分叉点的上游，其中在所述分叉点处所述至少一个侧流分成多个侧流，其中所述多个侧流中的每一个在多个注入点的相应一个处终止且在所述多个注入点的相应一个处与所述膨胀部分流体连通。

17.权利要求13的水处理系统，其还包括使位于所述至少一个侧流中的装置的压力增加的位于所述至少一个侧流中的加压装置。

18.权利要求13的水处理系统，其中所述整块体包括多个平行通道。

19.权利要求13的水处理系统，其还包括与所述水流流体连通且与过氧化氢供给连接的过氧化氢口。

20.权利要求13的水处理系统，其中第二横截面积为第一横截面积的至少两倍。