CN104556347A - 流化床污水处理臭氧催化氧化反应器及其污水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，包括反应器外壳，外壳内设有外筒，外筒内设有内筒，内筒顶部低于外筒顶部且内筒底部低于外筒底部；外筒底部与外壳内壁之间设有折流通道，内筒底部与外壳内壁之间设有回流通道；本发明能够将催化反应区、导流区和沉淀区设置在同一反应器内，实现一体化，无需额外催化剂分离和输回设备；本发明还公开了一种应用该反应器的污水处理方法，通过污水回流，充分利用了污水中剩余的溶解性臭氧，大大提高了臭氧利用率和污水处理深度。

Description

流化床污水处理臭氧催化氧化反应器及其污水处理方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及污水处理设备，具体为一种流化床污水处理臭氧催化氧化反应器及其污水处理方法。

背景技术

臭氧作为一种强氧化剂，在废水处理方面有着广泛的应用，但是臭氧存在处理费用高，反应选择性较强等问题，而在臭氧化基础上发展起来的臭氧高级氧化技术，通过辅助以化学和物理方法促进臭氧分解产生羟基自由基，加速有机污染物的分解反应，该技术具有高效、彻底、适用范围广、二次污染较少等优点。臭氧催化氧化作为臭氧高级氧化技术之一，由于其处理效果好、操作简单而得到了较快的发展，臭氧催化氧化污水处理技术已有成功工业化案例在运行。

为提高臭氧利用率以及污水处理效率，目前普遍采用臭氧催化氧化的方式进行污水处理，臭氧催化氧化已成功应用于污水深度处理、污水回用、高浓度难生化污水预处理等方面，臭氧利用率以及污水处理效率较单独臭氧氧化有较大提高。然而目前臭氧催化氧化的研究主要集中在催化剂研发方面，开发出了不同载体和负载不同活性组分催化剂，所开发出来的催化剂应用范围不同，处理效果各有差异，目前可研究机构将研发重点放在开发高效催化剂以提高臭氧利用率和污水处理效率上，而较少有通过研究、设计开发高效反应器来提高臭氧利用率和污水处理效率的。

目前研究和应用的反应器主要为两种，一是污水\臭氧同向流动，另一种是污水\臭氧逆向流动，污水自上而下、臭氧自下而上通过反应器催化剂床层，发生催化氧化反应。

现有催化氧化反应器存在的主要问题是：

(1)由于本身反应器条件等的限制，其所使用的催化剂粒度为2～8m，粒径较大，导致催化剂比表面积小，反应活性较差，影响处理效果；

(2)主要采用穿孔管或微孔曝气的方式将臭氧通入污水中，由于臭氧在污水中形成气泡较大，且溶解率较低，从而导致臭氧利用率低，外排尾气中臭氧含量较多；

(3)采用固定床催化反应器，在运行一段时间后，如6～7天，催化剂床层空隙和催化剂表面会被污水中带入的反应产生的悬浮物、胶体堵塞或污染，需定期对催化剂床层进行反冲洗，增加了反应器操作难度，提高了自控要求，且产生一定量的反冲洗废水需进一步处理；

(4)采用固定床催化剂氧化反应器，在布水器、布气器设计不合理或者加工、安装精度不高或者运行管理不善的情况下，会发生沟流现象，严重影响处理效果。

(5)污水中未来得及反应的溶解性臭氧被直接排出，如果后续污水处理接有生物处理单元，还需对污水进行臭氧吹脱等处理，一方面增加了处理工序，另一方面造成了臭氧的浪费。

(6)污水在反应器内停留时间一般为0.5～1.0小时，污水中部分难氧化物质未来得及被氧化就被排出，反应深度不够，导致污水处理效率不高。

发明内容

针对上述催化氧化反应器存在的问题，本发明的目的在于提供一种流化床臭氧催化氧化反应器，用于污水的深度处理、污水回用、高浓度难生化污水预处理等领域，较传统臭氧催化氧化反应器，大大提高臭氧利用率。

本发明是这样实现的：

一种流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，包括反应器外壳，其特征在于：外壳内设有外筒，外筒内设有内筒，内筒顶部低于外筒顶部且内筒底部低于外筒底部；外筒底部与外壳内壁之间设有折流通道，内筒底部与外壳内壁之间设有回流通道。

更进一步地，反应器外壳上部设置有排水管，排水管上设有污水回流管，污水回流管连通至反应器底部的污水进水管，排水管排出口与污水回流管之间设有控制阀门。

更进一步地，反应器外壳为锥形体，外壳底部设有污水\臭氧进口，污水\臭氧进口处设有催化剂支撑格栅和催化剂垫层；污水\臭氧进口管道连通水射器出口，水射器的水相进口连通所述污水进水管且水射器的气相进口连通臭氧进气管，污水进水管上设有增压泵；反应器外壳顶部设有尾气集气罩，尾气集气罩上设有排气管；排气管连通臭氧分解器。

更进一步地，内筒设置在外壳内部中央，下方正对所述污水\臭氧进口；内筒底部边缘设有向内筒外侧倾斜的挡流板，挡流板与外壳内壁之间为所述催化剂回流通道。

更进一步地，尾气集气罩与反应器外壳衔接部设置有一圈溢流堰，所述溢流堰连通所述排水管。

更进一步地，在反应器运行过程中，在内筒中装填的催化剂呈流化状态。

一种用上述流化床污水处理臭氧催化氧化反应器处理污水的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)待处理污水经增压泵增压后与臭氧在水射器内混合形成气水混合物进入流化床污水处理臭氧催化氧化反应器内的内筒中；

(2)反应器内的催化剂在气水混合物的水力作用下呈流化态；内筒为催化反应区，反应器内筒中填装催化剂，步骤(1)中形成的气水混合物在内筒中与呈流化态的催化剂作用发生臭氧催化氧化反应，去除污水中的污染物；

(3)步骤(2)的气水混合物携带部分催化剂向上流过内筒顶部，进入内筒与外筒形成的导流区，并通过外筒与反应器外壳之间的折流通道折流进入外筒与外壳之间形成的沉淀区，在流动过程中继续进行反应；

(4)步骤(3)中进入沉淀区的污水中携带的催化剂向下沉淀分离出来，通过内筒与外壳之间的催化剂回流通道回流至内筒中继续参与臭氧催化氧化反应；污水经溢流堰排出反应器；

(5)步骤(2)(3)产生的含臭氧尾气通过尾气集气罩收集后，经臭氧分解器处理后由排气管排出反应器。

更进一步地，上述方法中还包括以下步骤：从反应器排出的污水一部分排出到外界，另一部分回流与待处理污水混合后，通过水射器进入反应器内筒内再次参与臭氧催化氧化反应。

更进一步地，上述方法中，反应器中的催化剂为颗粒状或者粉末状，粒径为0.5～6mm。

更进一步地，上述方法中，污水回流比为100％～400％。

本发明的有益效果是提供了一种流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，能够将催化反应区、导流区和沉淀区设置在同一反应器内，实现一体化，无需额外催化剂分离和输回设备；通过污水回流，充分利用了污水中剩余的溶解性臭氧，大大提高了臭氧利用率和污水处理深度；本发明还提供了一种利用该反应器的污水处理方法，反应时采用颗粒或者粉末状催化剂，可提供较大的比表面积，提高催化反应活性；催化剂在反应中呈流化态，避免了常规固定床催化反应器可能存在的沟流现象，提高了传质能力和处理效果。

附图说明

图1为本发明提供的一种流化床污水处理臭氧催化氧化反应器运行时结构示意图；

图中：

1.污水；2.污水进水管；3.增压泵；4.水射器；5.臭氧进气管；6.臭氧；7.污水/臭氧进口；8催化剂支撑格栅；9.催化剂垫层；10、催化剂回流通道；11.挡流板；12.内筒；13.催化氧化反应区；14.反应器外壳；15.导流区；16.外筒；17.沉淀区；18.溢流堰；19.尾气集气罩；20.外排臭氧尾气；21.臭氧分解器；22.排气管；23.排水管；24.控制阀；25.外排污水；26.污水回流管；27.折流通道。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，包括反应器外壳14，所述外壳为锥形体，反应器外壳的横截面为矩形或者圆形；外壳内部设置有外筒16，外筒16内设置有内筒12，内筒12顶部低于外筒16顶部且内筒12底部低于外筒16底部；外筒16与外壳14在水平方向存在的间距，使外筒16与外壳14之间形成沉淀区17；外筒16与内筒12在水平方向存在的间距，使外筒16与内筒12之间形成导流区15；内筒12之中则为催化氧化反应区13；外筒16底部与外壳14内壁之间设有折流通道27，内筒12底部与外壳14内壁之间设有催化剂回流通道10；外壳14底部设有污水\臭氧进口7，内筒12设置在外壳14内部中央，下方正对所述污水\臭氧进口7；内筒12底部边缘设有向内筒外侧倾斜的挡流板11，挡流板11与外壳14内壁之间为所述催化剂回流通道10；挡流板11能够防止进入反应器的上升水流对已沉淀的催化剂造成水力冲击导致催化剂无法返回催化反应区13的情况发生。

污水\臭氧进口7处设有催化剂格栅8和催化剂垫层9以阻挡反应器内填充的催化剂下沉到污水\臭氧进口7的管道内；污水\臭氧进口7管道连通水射器4出口，水射器4的水相进口连通污水进水管2且水射器4的气相进口连通臭氧进气管5，污水进水管2上设有增压泵3；外壳14顶部设有尾气集气罩19，尾气集气罩19与反应器外壳14衔接部设置有一圈溢流堰18，溢流堰18连通排水管23，排水管23上设有污水回流管26，污水回流管26连通至污水进水管2，排水管23排出口与污水回流管26之间设有控制阀门24，尾气集气罩19上设有排气管22，排气管连通臭氧分解器21。

在反应器运行过程中，在内筒中装填的催化剂在进水水力作用下呈流化状态。

用该流化床污水处理臭氧催化氧化反应器的污水处理方法，包括以下步骤：

(1)反应器内筒12填装催化剂，催化剂为颗粒状或者粉末状，粒径为0.5～6mm；待处理污水1通入污水进水管2经增压泵3加压后，与从臭氧进气管5通入的臭氧6在水射器4内混合形成气水混合物，气水混合物通过污水\臭氧进口7、催化剂支撑格栅8、催化剂垫层9进入反应器内的内筒12中；

(2)反应器内筒12中的催化剂在气水混合物的水力作用下呈流化态；内筒12内为催化反应区13，步骤(1)中形成的气水混合物在内筒12中与呈流化态的催化剂作用发生臭氧催化氧化反应，去除污水中的污染物；

(3)步骤(2)的气水混合物具有一定向上的流速，反应后的气水混合物携带部分催化剂向上流过内筒12顶部，进入内筒12与外筒16形成的导流区15，并通过外筒16与反应器外壳14之间的折流通道27折流进入外筒16与外壳14之间形成的沉淀区17；

(4)步骤(3)中经导流区15进入沉淀区17的污水流速降低，其中携带的催化剂向下沉淀分离出来，沉淀出的催化剂通过内筒12与外壳14之间的催化剂回流通道10回流至内筒12中继续参与臭氧催化氧化反应；分离出的污水经溢流堰18溢出后进入排水管23；

(5)步骤(4)排水管23排出的污水一部分作为外排污水25排到到外界，一部分经过污水回流管26进入污水进水管2，与待处理污水1混合后，通过水射器4进入反应器内筒12内再次参与臭氧催化氧化反应；其中污水回流比通过排水管中的控制阀控24制在100％～400％范围内；

(6)步骤(2)、(3)和(4)产生的含臭氧尾气通过尾气集气罩19收集后进入排气管22，经过臭氧分解器21处理后形成达标尾气20排放至外界。

本发明有以下优点：

(1)将反应区、导流区、沉淀区以及催化剂回流等设置在一个反应器内，实现了反应器的一体化；

(2)反应器中装填的催化加为颗粒状或者粉末状催化剂，粒径为0.5～6mm，提高了催化剂活性，增加了反应深度。

(3)内筒中催化反应区内的催化剂，在进入的气水混合物水力作用下呈流化态，增加了传质，并避免了常规固定床反应器需定期进行反冲洗的要求，降低了反应器操作难度和自控水平；

(4)本发明是反应后的污水中携带的催化剂在沉淀区分离后，自动返回反应区继续参与反应，而无需额外添加催化剂分离、输回设备；

(5)处理后的污水按照100％～400％比例回流，充分利用了污水中剩余的溶解性臭氧，提高臭氧利用率20％左右，并提高了反应深度。

实施例1

某印染企业污水生化处理终沉池出水CODcr约为100mg/l左右、色度在50左右，企业要求CODcr小于60mg/l、色度小于20。为此，进行了该股污水臭氧催化氧化试验，试验期间，对比了本发明所提供的流化床臭氧催化氧化反应器和常规固定床催化氧化反应器运行效果，两套反应器所装填的催化剂均为活性氧化铝负载型催化剂，流化床臭氧催化氧化反应器装填的催化剂粒径为1.5～2.0mm，固定床臭氧催化氧化反应器装填的催化剂粒径为4.0～6.0mm，水力停留时间均为0.5小时，运行结果见表1。

表1.流化床臭氧催化氧化反应器与常规固定床臭氧催化氧化反应器深度处理印染废水对比试验结果

由表1可以看出，流化床臭氧催化氧化反应器较常规固定床臭氧催化氧化反应器，臭氧利用率得到较大幅度提高，并提高了污水处理深度。另外，现场对比试验装置连续运行28天，在次期间，常规固定床臭氧催化氧化反应器反冲洗4次，而流化床臭氧催化氧化反应器无反冲洗工序，且处理效果未见下降。

实施例2：

某钢铁厂焦化废水，生化处理后CODcr在100mg/l左右，企业要求外排污水CODcr小于60mg/l。为此进行了该股污水臭氧催化氧化试验，以验证采用臭氧催化氧化工艺是否能够做到达标排放。试验期间，对比了本发明所提供的流化床臭氧催化氧化反应器和常规固定床催化氧化反应器运行效果，两套反应器所装填的催化剂均为活性氧化铝负载型催化剂，流化床臭氧催化氧化反应器装填的催化剂粒径为1.5～2.0mm，固定床臭氧催化氧化反应器装填的催化剂粒径为4.0～6.0mm，试验规模均为0.5m3/h,水力停留时间均为0.5小时，运行结果见表2。

表2.流化床臭氧催化氧化反应器与常规固定床臭氧催化氧化反应器深度处理焦化废水对比试验结果

由表2可以看出，流化床臭氧催化氧化反应器较常规固定床臭氧催化氧化反应器，臭氧利用率得到较大幅度提高，并提高了污水处理深度。另外，现场对比试验装置连续运行15天，在次期间，常规固定床臭氧催化氧化反应器反冲洗2次，而流化床臭氧催化氧化反应器无反冲洗工序，且处理效果未见下降。

以上对本发明进行了详细介绍。本文中对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，包括反应器外壳，其特征在于：外壳内设有外筒，外筒内设有内筒，内筒顶部低于外筒顶部且内筒底部低于外筒底部；外筒底部与外壳内壁之间设有折流通道，内筒底部与外壳内壁之间设有回流通道。

2.根据权利要求1所述的流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，其特征在于：反应器外壳上部设置有排水管，排水管上设有污水回流管，污水回流管连通至反应器底部的污水进水管，排水管排出口与污水回流管之间设有控制阀门。

3.根据权利要求2所述的流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，其特征在于：反应器外壳为锥形体，外壳底部设有污水\臭氧进口，污水\臭氧进口处设有催化剂支撑格栅和催化剂垫层；污水\臭氧进口管道连通水射器出口，水射器的水相进口连通所述污水进水管且水射器的气相进口连通臭氧进气管，污水进水管上设有增压泵；反应器外壳顶部设有尾气集气罩，尾气集气罩上设有排气管，排气管连通臭氧分解器。

4.根据权利要求3所述的流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，其特征在于：内筒设置在外壳内部中央，下方正对所述污水\臭氧进口；内筒底部边缘设有向内筒外侧倾斜的挡流板，挡流板与外壳内壁之间为所述催化剂回流通道。

5.根据权利要求4所述的流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，其特征在于：尾气集气罩与反应器外壳衔接部设置有一圈溢流堰，溢流堰连通所述排水管。

6.根据权利要求1～5任一项所述的流化床污水处理臭氧催化氧化反应器，其特征在于：在反应器运行过程中，在内筒中装填的催化剂呈流化状态。

7.一种污水处理方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)待处理污水经增压泵增压后与臭氧在水射器内混合形成气水混合物进入流化床污水处理臭氧催化氧化反应器内的内筒中；

(2)反应器内的催化剂在气水混合物的水力作用下呈流化态；内筒为催化反应区，反应器内筒中填装催化剂，步骤(1)中形成的气水混合物在内筒中与呈流化态的催化剂作用发生臭氧催化氧化反应，去除污水中的污染物；

(3)步骤(2)的气水混合物携带部分催化剂向上流过内筒顶部，进入内筒与外筒形成的导流区，并通过外筒与反应器外壳之间的折流通道折流进入外筒与外壳之间形成的沉淀区，在流动过程中继续进行反应；

(4)步骤(3)中进入沉淀区的污水中携带的催化剂向下沉淀分离出来，通过内筒与外壳之间的催化剂回流通道回流至内筒中继续参与臭氧催化氧化反应；污水经溢流堰排出反应器；

(5)步骤(2)(3)产生的含臭氧尾气通过尾气集气罩收集后，经臭氧分解器处理后由排气管排出反应器。

8.根据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于还包括以下步骤：从反应器排出的污水一部分排出到外界，另一部分回流与待处理污水混合后，通过水射器进入反应器内筒内再次参与臭氧催化氧化反应。

9.根据权利要求8所述的污水处理方法，其特征在于：反应器中的催化剂为颗粒状或者粉末状，粒径为0.5～6mm。

10.根据权利要求9所述的污水处理方法，其特征在于，污水回流比为100％～400％。