CN104192981A - 活性炭催化臭氧氧化装置及其污水处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活性炭催化臭氧氧化装置及其污水处理工艺，该装置包括反应池，所述反应池内通过导流筒由内至外依次隔为升流反应区、降流反应区和分离区且三者的底部相连通作为活性炭存储区；所述升流反应区内设有臭氧和水的输入装置，升流反应区与降流反应区顶部相连通；在降流反应区和分离区的底部连通处设有环形的导流器，导流器底部至少一部分伸入活性炭存储区，导流器顶部处在分离区下方的部位带有倾斜设置的导流面。所述活性炭催化臭氧氧化装置能够使活性炭处于循环流化状态，增加了活性炭床的空隙率，提高了臭氧分子和有机污染物在活性炭表面发生催化反应的效果，从而增强了活性炭催化臭氧氧化的能力，提高了臭氧利用率，提高了去污效果。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种以活性炭为催化剂催化臭氧氧化的装置及其污水处理工艺。
背景技术
随着社会经济的快速发展，人类活动过程中向环境排放的水、气、固“三废”物质也越来越多，严重影响着人与自然环境的和谐以及可持续发展。其中，水体中的有机污染问题也变得越来越突出，例如饮用水源中存在的有毒有害的人工合成有机物和微量天然有机物，就与自来水中的消毒副产物有着很大的关系。此外，城镇污水处理厂流出的二级出水中也含有很多种有毒有害的人工合成有机物，此类有机物主要属于内分泌干扰物和持久性有机物，其表现出较为严重的急性生物毒性、慢性毒性和遗传毒性，甚至具有“三致效应”。而工业废水中存在的不同类别的有机污染物的含量更大且组分复杂，其中部分工业废水仅通过传统常规的水处理方法，甚至无法达到排放标准。此类有机污染组分进入水体后，不仅影响外界环境，也将严重影响人类的身体健康。
为防治水体中过量的有机污染，首先应减少或者截断人类活动向水体输入有机污染物质的量，提高污水处理能力以及对难降解、有毒有害有机物的治理能力。臭氧氧化技术是用臭氧作氧化剂对废水进行净化和消毒处理的方法，臭氧具有很强的氧化能力，能够降解水中的有机污染物，该技术在水处理中已得到广泛的应用。但是，在污水处理过程中，单独使用臭氧氧化污水中的有机物，通常存在一些缺点，如臭氧同某些有机物的反应速度慢、臭氧利用效率低和很多情况下不能将有机物彻底氧化等问题。而在自由基激发剂或促进剂存在的条件下，臭氧就能够使液体或气体中产生大量的自由基，这些自由基在极短的时间内，就可将液体或气体中的有机物氧化成简单的有机物或二氧化碳和水彻底除去。自从Jans和Hoign发现在水溶液中活性炭是一种加速臭氧分解并生成·OH的促进剂后，活性炭作为催化剂被越来越多的研究者应用到催化臭氧氧化系统中，并在实际的水处理中得到广泛应用。
活性炭及负载型活性炭作催化剂时，催化反应体系属于“气-液-固”多相反应系统，包括一系列发生在催化表面的连串、平行的传质过程和化学反应过程。但是，在此过程中，由于活性炭床空隙率低，不利于臭氧分子向气液界面、液相以及活性炭表面扩散，不利于臭氧分子和水中有机物与活性炭的相遇，往往影响臭氧分子和有机污染物在活性炭载体表面发生催化反应的效果，从而影响活性炭催化臭氧氧化的能力，降低了臭氧的利用效率。因此，如何能够提高臭氧分子、有机污染物以及活性炭之间的催化氧化反应效果，提高臭氧氧化能力和臭氧的利用率，将是提高有机污染物污水处理能力的一个重要途径。
发明内容
本发明的目的在于针对活性炭催化臭氧氧化过程中存在的不足，提供一种能够提高活性炭催化臭氧氧化能力，提高臭氧利用效率和污水处理能力装置及其污水处理工艺。
一种活性炭催化臭氧氧化装置，包括反应池，所述反应池内通过导流筒由内至外依次隔为升流反应区、降流反应区和分离区且三者的底部相连通作为活性炭盛放区；
所述升流反应区内设有臭氧和水的输入装置，升流反应区与降流反应区顶部相连通；
在降流反应区和分离区的底部连通处设有环形的导流器，该导流器底部至少一部分伸入活性炭存储区，导流器顶部处在分离区下方的部位带有倾斜设置的导流面。
在由导流筒分割成不同区域的活性炭催化臭氧氧化装置中，臭氧和污水从升流反应区的底部进入，由于臭氧扩散作用、进水布水冲量以及压缩臭氧在水中的裹夹与混合作用，使水与活性炭的混合液密度减小而在升流反应区内向上流动。混合液到达升流反应区顶部后，水中裹夹的剩余氧气及残留臭氧则以气泡形式逸出，而水与活性炭混合液则流过内筒，进入降流反应区，溶解性的臭氧继续在降流反应区内与水中的有机污染物发生氧化反应。水与活性炭的混合液进入降流反应区后，由于降流反应区中气量的减少导致水与活性炭混合液的密度增大，在分离区实现固液分离，大量的活性炭沉降至反应装置底部的存储区，而经臭氧氧化的水在导流器的协助下沿反应池内壁上的出水堰流出。沉降至反应装置底部的存储区的活性炭可再次参与下一轮的反应，使活性炭处于循环流化状态。在整个水与活性炭混合液的流动过程中，混合液以其自身的密度差为循环流动的动力。
在降流反应区和分离区的下部连通处设置环形的导流器协助活性炭的沉降，使活性炭快速沉降至存储区，防止在分离区底部堆积。导流器下部位浸入活性炭存储区，上部位接分离区和降流反应区。
所述导流筒包括同轴竖向布置的内筒和外筒，其中内筒包围的区域为升流反应区，内筒和外筒之间为降流反应区，外筒与反应池内壁之间为分离区。
所述内筒高度为反应池高度的0.80～0.95倍，外筒高度为内筒高度的0.45～0.75倍，内筒顶沿低于外筒顶沿，内筒底沿伸入活性炭存储区，外筒底沿高于活性炭存储区。
内外筒高度的设计是决定整个循环过程是否顺利的一个重要因素，若内筒高度过矮，则通入臭氧和水时，容易使活性炭直接进入降流反应区，而无法进入升流反应区，造成整个氧化反应时间缩短；反之，从降流反应区沉降至存储区的活性炭则容易被阻挡在存储区与降流反应区底部，导致在升流反应区内通入臭氧和水后无法实现水与活性炭混合液在升流、降流反应区内循环反应，进而影响水质净化效果。同样，内筒高度的设计也将影响水与活性炭分离的效果，内筒高度不够，将会使活性炭随水一同流出。此外，内外筒之问的高度关系对整个循环反应过程也有影响，只有适宜的高度比例，才能够使整个循环反应顺利进行且反应时间尽可能延长，从而延长活性炭与臭氧、水的接触时间，促进臭氧对水中有机污染物的氧化，提高除污效果。
导流器一方面发挥填充作用，减少反应装置内活性炭的用量；另一方面引导活性炭流向存储区，有利于循环流动，防止在降流反应区和分离区的下部堆积。导流器导流面的角度和形状对分离效果的影响最大。
作为优选，导流面顶沿与外筒底沿位置相对，导流面由上至下逐渐向内筒靠近。此位置的导流面可恰好使活性炭沿导流面落回活性炭存储区，并阻止活性炭进入分离区。作为优选，导流面与水平面的夹角为45～75度。导流器顶部的断面形状为三角形，导流面对应三角形的一条斜边。
作为优选，臭氧和水的输入装置包括：
由反应池外延伸至活性炭存储区的臭氧管；
处在活性炭存储区内与臭氧管连通的布水器；
由反应池外延伸至活性炭存储区的水管；
处在活性炭存储区内与水管连通的布气器。
臭氧和污水通过臭氧管和水管即可通入到分布器中，并从分布器进入升流反应区中。
作为优选，所述反应池底部为倒锥形，倒锥形的底端带有清空口。将反应池底部设计成倒锥形，可使从降流反应区落回活性炭存储区的活性炭沿反应池底部斜面重新进入升流反应区底部，使回落的活性炭更为集中，便于活性炭重新参与反应。在倒锥形的底端设置清空口，可随时更换活性炭存储区内的活性炭，并清空反应池内的所有液体。
作为优选，所述分离区顶部设有环布在反应池内壁上的出水堰，从分离出的水通过出水堰从出水口流出。
本发明还提供了一种所述活性炭催化臭氧氧化装置的污水处理工艺，先向活性炭存储区内填放活性炭，再通过输入装置向升流反应区底部通入臭氧和污水，根据进水水质差异调整进水流量，控制反应区水力停留时间为15～90min，臭氧投加量量为10～200mg/L，臭氧、污水和活性炭在活性炭催化臭氧氧化装置内发生氧化反应，反应后的水溶液经出水堰流出。
本发明提供的活性炭催化臭氧氧化装置能够使活性炭处于循环的流化状态，大大增加了活性炭床的空隙率，活性炭、水和臭氧处于相对的运动状态，且三者接触时间和反应时间延长，强化了三者之间的传质过程和化学反应过程，有利于臭氧分子向气液界面、液相、活性炭表面的扩散，有利于臭氧分子和水中有机物与活性炭的相遇，提高了臭氧分子和有机污染物在活性炭载体表面发生催化氧化反应的效果，从而增强了活性炭催化臭氧氧化的能力，提高了臭氧的利用效率，最终除污效果。
附图说明
图1为本发明活性炭催化臭氧氧化装置的内部结构示意图；
图2为图1所示活性炭催化臭氧氧化装置的俯视图；
图3为图1所示活性炭催化臭氧氧化装置对CODcr的去除效果；
图4为图1所示活性炭催化臭氧氧化装置对色度的去除效果；
图中1-池壁，2-内筒，3-外筒，4-升流反应区，5-降流反应区，6-分离区，7-存储区，8-臭氧管，9-布水器，10-水管，11-布气器，12-清空口，13-导流器，14-出水堰。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明活性炭催化臭氧氧化装置进行详细的描述。
如图1、2所示，一种活性炭催化臭氧氧化装置，包括反应池1，反应池1的上部为圆筒形，下部为倒锥形，上部高6.5m，直径为2.1m，下部高1.05m。反应池1的内部设有两个同轴竖向布置的导流筒，分别为位于内部的内筒2和外围的外筒3，反应池1内通过导流筒由内至外依次隔为升流反应区4、降流反应区5和分离区6，其中内筒2包围的区域为升流反应区4，内筒2和外筒3之问为降流反应区5，外筒3与反应池内壁之间为分离区6。上述三个区域的底部都是相连通的，并作为活性炭存储区7，活性炭存储区7还包括反应池1下部的倒锥形区域，上述两部分区域均盛放有活性炭。升流反应区4与降流反应区5顶部相连通。升流反应区4的区域直径为700mm，高为5.5m，内筒2与外筒3之间的间距为20cm，外筒3与反应池内壁的间距为50cm。在分离区的顶部还设有环布在反应池内壁上的出水堰14，该出水堰14为三角堰，截面规格为25cm×20cm，出水堰14与反应池壁上开设的出水口连通，出水经出水堰14和出水口流出反应池。
升流反应区4内设有臭氧和水的输入装置，该装置包括：由反应池外延伸至活性炭存储区7的臭氧管8；处在活性炭存储区7内与臭氧管8连通的布水器9；由反应池外延伸至活性炭存储区7的水管10；处在活性炭存储区7内与水管10连通的布气器11。上述布水器9和布气器11为由8根横杆组成的辐射式分布器，且每根横杆上都开有15个孔分别用于进气和进水。布水器9和布气器11均安装在反应池1底部锥体中心，并且布水器9位于布气器11的上方，两个分布器都需伸入活性炭存储区7，活性炭存储区7内放有活性炭。在活性炭存储区7的倒锥形区域的底端带有清空口12，在清空口12上还安装有阀门，可随时打开阀门，更换活性炭存储区7内的活性炭，并清空反应池1内的所有液体。
在活性炭存储区7内放置的活性炭为煤质粉碎炭，且负载2.5％的MnO2，粒径为1.5mm，比表面积为1500m2/g，微孔半径分布为10nm～100nm。上述活性炭还可以采用木炭或椰壳炭等各类型活性炭，该装置对活性炭种类无严格要求，而活性炭的粒径在0.1mm～10mm范围内均可，比表面积大于500m2/g，微孔半径大于5nm即可。
在降流反应区5和分离区6的底部连通处还设有通过固定支架支撑的环形的导流器13，导流器13截面为边长30cm的菱形，其底部的1/3伸入活性炭存储区，导流器13顶部处在分离区6下方的部位带有倾斜设置的导流面。导流面对应菱形上部的一条斜边，其顶沿与外筒3底沿位置相对，导流面由上至下逐渐向内筒2靠近。导流面与水平面的夹角为55度。
若设定倒锥体尖底标高为0.00m，则倒锥体顶部的标高为1.05m，导流器13中心标高为1.25m，布水器9安装高度为1.35m，布气器11安装高度为1.05m，活性炭的填充标高为1.55m，内筒2底部的标高为1.05m，外筒3底部的标高为2.55m，液位标高为6.05m，出水堰14堰口标高为6.05m。
采用上述规格的活性炭催化臭氧氧化装置，进行某县城生活垃圾填埋场渗滤液的深度处理，该生活垃圾填埋场渗滤液的现有处理工艺为“调节池+初沉池+A2O+MBR”工艺，设计处理规模为60m3/d，实际处理量为40～50m3/d。将上述处理工艺的出水进入本发明的活性炭催化臭氧氧化装置后，进入曝气生物滤池(BAF)继续处理直至达标再进行排放。渗滤液的流量为2.5m3/h，水力停留时问为60min，臭氧投加量为120mg/L。本发明装置的进水水质情况如下：
由上述结果和图3、4可以看出，经过本发明装置后可显著降低水体中的CODcr和色度，平均每投加1mg/L臭氧，可去除1.08mg/L CODcr，且经本发明装置中臭氧氧化后的水进入后续的曝气生物滤池可有效去除垃圾渗滤液中难生物降解的有机污染物，其出水水质达到《生活垃圾填埋场污染控制标准(GB16889-2008)》，CODCr≤100mg/L。
Claims (10)
1.一种活性炭催化臭氧氧化装置，包括反应池，其特征在于，所述反应池内通过导流筒由内至外依次隔为升流反应区、降流反应区和分离区且三者的底部相连通作为活性炭存储区；
所述升流反应区内设有臭氧和水的输入装置，升流反应区与降流反应区顶部相连通；
在降流反应区和分离区的底部连通处设有环形的导流器，该导流器底部至少一部分伸入活性炭存储区，导流器顶部处在分离区下方的部位带有倾斜设置的导流面。
2.如权利要求1所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，所述导流筒包括同轴竖向布置的内筒和外筒，其中内筒包围的区域为升流反应区，内筒和外筒之间为降流反应区，外筒与反应池内壁之间为分离区。
3.如权利要求2所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，所述内筒高度为反应池高度的0.80～0.95倍，外筒高度为内筒高度的0.45～0.75倍，内筒顶沿低于外筒顶沿，内筒底沿伸入活性炭存储区，外筒底沿高于活性炭存储区。
4.如权利要求3所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，导流面顶沿与外筒底沿位置相对，导流面由上至下逐渐向内筒靠近。
5.如权利要求4所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，导流面与水平面的夹角为45～75度。
6.如权利要求5所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，导流器顶部的断面形状为三角形，导流面对应三角形的一条斜边。
7.如权利要求1所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，臭氧和水的输入装置包括：
由反应池外延伸至活性炭存储区的臭氧管；
处在活性炭存储区内与臭氧管连通的布水器；
由反应池外延伸至活性炭存储区的水管；
处在活性炭存储区内与水管连通的布气器。
8.如权利要求1所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，所述反应池底部为倒锥形，倒锥形的底端带有清空口。
9.如权利要求1所述的活性炭催化臭氧氧化装置，其特征在于，所述分离区顶部设有环布在反应池内壁上的出水堰。
10.一种如权利要求1～9任一所述的活性炭催化臭氧氧化装置的污水处理工艺，其特征在于，先向活性炭存储区内填放活性炭，再通过输入装置向升流反应区底部通入臭氧和污水，根据进水水质差异调整进水流量，控制反应区水力停留时间为15～90min，臭氧投加量量为10～200mg/L，臭氧、污水和活性炭在活性炭催化臭氧氧化装置内发生氧化反应，反应后的水溶液经出水堰流出。
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