CN105668763A - 一种强化臭氧氧化废水的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化臭氧氧化废水的装置，包括臭氧发生器、储液槽、反应器和气液混合泵，所述臭氧发生器通过气液混合泵与反应器连通，所述反应器与储液槽通过气液混合泵循环连通，各连通管路上均设置阀门控制通断，所述反应器出口管道上设有系统压力调节阀。本发明提供的强化臭氧氧化废水的装置，可以同时实现臭氧微泡化和反应体系加压，这双重效果大大提高了气液两相的传质面积和传质推动力，从而提高臭氧向废水中传质的速率和废水中臭氧的浓度，进而提高臭氧的利用率，而且，本发明的装置结构简单，容易实现工程放大。

Description

一种强化臭氧氧化废水的装置
技术领域
本发明属于环境化工领域，具体涉及一种强化臭氧氧化废水的装置及其使用方法。
背景技术
化学工程及相关产业占到我国国民生产总值的20％以上，据有关统计数据，我国化工行业废水排放总量已成为工业废水排放量第二大的行业。而化工废水特别是生物难降解化工废水，由于缺乏高效低成本的处理技术，难降解化工废水的处理已成为现阶段环境保护技术领域亟待解决的一个难题。
高级氧化技术(也称AOP)利用各种活性自由基攻击有机物，可以有效将有毒难降解有机物矿化或转化为低毒、易生物降解的低分子有机物，受到了学术与产业界的高度重视。该类技术主要包括Fenton法、湿式催化氧化、光催化、电催化、催化臭氧氧化等。相比之下，臭氧氧化法，包括催化臭氧氧化法，具有不受废水色度、废水胶体物质、高温高压和严格pH限制的要求，也不会产生大量的二次污染物(如Fenton法产生大量污泥)的特点，且对难降解有机物具有良好的降解与矿化能力。因此，臭氧氧化法是一种具有广阔应用前景的高级氧化技术，但在实际废水处理应用中还存在的主要技术问题是：(1)臭氧在水中的溶解度很低，传质效率不高，因而其利用率较低；(2)臭氧较容易将大分子中不饱和键断裂，使其分解为小分子物质，但继续氧化矿化这些小分子物质的能力需要提高；(3)臭氧在碱性条件下被氢氧根催化生成羟基自由基，以间接方式高效氧化有机物，但高pH值条件下有机物矿化结果又会生成HCO3 -、CO2 2-离子，这些离子正好又是羟基自由基清除剂；相反，在酸性条件下，又可能形成难于臭氧化的酸性有机物，其结果是完全矿化有机物需要消耗大量的臭氧，导致较高的成本；(4)实际废水往往复杂多相，存在胶体或颗粒物，多数情况下还存在大量的自由基清除剂，降低了臭氧利用率。针对上述问题，人们也提出了如填料塔、鼓泡塔、微孔分布器、旋转式超重力反应器、气升式内环流反应器、套管式微反应器等强化臭氧反应的设备，这些设备在结构上各有其特点，其强化臭氧传质效率也各不相同。
如公开号为CN104671389A的专利文献，公开了一种废水的臭氧氧化处理装置，包括提升泵、氧化反应器、紊流器、臭氧发生器以及循环泵，废水经提升泵的提升进入氧化反应器，臭氧发生器通过紊流器连通至氧化反应器内，循环泵、紊流器和氧化反应器之间通过管子互相连通，形成循环。该发明利用紊流器的设置，使臭氧气体与废水在反应器内高速混合，提高了废水和臭氧的接触面积，从而提高臭氧的利用率。但是，目前强化臭氧反应的设备，其臭氧发生器的臭氧化气体的压力一般较低，反应体系的压力无法明显提高，使臭氧在废水中的溶解度仍然较低，导致臭氧利用率难以提高，而且，这些装置的结构也比较复杂。
发明内容
本发明的目的主要是针对现有臭氧氧化处理废水技术中存在的臭氧利用率低的问题，提供一种强化臭氧氧化废水的装置，该装置不仅结构简单，而且可以显著提高臭氧的利用率，并提高臭氧对难降解有机污染物的降解与矿化效率。
本发明的具体技术方案为：一种强化臭氧氧化废水的装置，包括臭氧发生器、储液槽、反应器和气液混合泵，所述臭氧发生器通过气液混合泵与反应器连通，所述反应器与储液槽通过气液混合泵循环连通，各连通管路上均设置阀门控制通断，所述反应器出口管道上设有系统压力调节阀。
本发明利用气液混合泵的负压作用，同时吸入臭氧气体和待处理废水，在气液混合泵叶轮高速旋转下，臭氧气体与待处理废水完成充分混合，同时实现臭氧微气泡化。然后，含有臭氧微气泡的废水进入反应器中，通过调节反应器出口管道上的系统压力调节阀，调节整个体系的液体流量，从而实现对反应器内部的压力调节，达到对反应体系加压的目的。臭氧气体与废水经过该反应系统后，先后实现了臭氧的微气泡化和加压目的，臭氧微泡化增加了反应体系的气液传质面积，提高了气液传质系数；对体系加压强化有助于减少臭氧气泡团聚并增大臭氧在废水中的浓度，从而强化了臭氧与废水两相反应速率，提高了臭氧的利用率。本发明提供的强化臭氧氧化废水的装置，也适用于强化其他难溶气体与液体之间的反应。
作为优选，所述臭氧发生器依次连有臭氧检测器和尾气吸收装置。
作为优选，所述臭氧发生器与气液混合泵的连通管路上设有气体流量计。
作为优选，所述储液槽依次连有干燥装置、臭氧检测器和尾气吸收装置。
采用上述装置处理废水的方法，包括如下步骤：
(1)将待处理废水通入储液槽，打开系统压力调节阀和气液混合泵与储液槽管路上的阀门，启动气液混合泵；
(2)打开臭氧发生器与气液混合泵连通管路上的阀门，启动臭氧发生器，待进入反应器中的气体流量稳定后，通过系统压力调节阀调节反应器的出水量，达到预定压力后，即可进行臭氧氧化废水的反应。
作为优选，在步骤(2)中打开臭氧发生器与气液混合泵管路上的阀门之前，先打开臭氧发生器与臭氧检测器连通管路上的阀门，启动臭氧发生器，待臭氧浓度稳定后，再调节臭氧发生器与气液混合泵连通管路上的阀门至臭氧达到预定的流量。
使用本发明装置处理废水时，为了进一步提高气液反应的速率，降低反应过程能耗，可在待处理废水中加入如MnO2、FeOOH、TiO2、CoOx/Al2O3、CuOx/Al2O3、TiO2/Al2O3、MnO2/TiO2、MnOx/ZrO2或CoOx/ZrO2等粉末型催化剂，形成浆态反应体系；也可以在反应器中设置一些如活性炭纤维、负载过渡金属氧化物催化剂、强化流场混合的丝网、多孔金属或陶瓷等填料，形成加压固定床反应体系。
本发明的有益效果是：本发明提供的强化臭氧氧化废水的装置，可以同时实现臭氧气体微气泡化和反应体系加压强化，这双重效果大大提高了气液两相的传质面积和传质推动力，从而提高臭氧向废水中传质的速率和废水中臭氧的浓度，进而提高臭氧的利用率，而且，本发明的装置结构简单，容易实现工程放大。
附图说明
图1是本发明提供的强化臭氧氧化废水装置的一种结构示意图；
图2是不同体系压力对废水脱色率的影响；
图3是不同体系压力对废水COD的影响；
图4是不同体系压力对废水TOC的影响；
图5是体系压力为0.05MPa和0.35MPa对废水TOC去除率比较；
图中：1-臭氧发生器，2-储液槽，3-管式反应器，4-气液混合泵，5-气体流量计，6-球型阀，7-臭氧检测器，8-尾气吸收装置，9-干燥装置，10-进料口，11-阀门，12-阀门，13-阀门。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明提供的强化臭氧氧化废水装置的一种结构示意图，包括臭氧发生器1、储液槽2、管式反应器3和气液混合泵4，臭氧发生器1通过气液混合泵4与反应器3连通，并在臭氧发生器1与气液混合泵4的连通管路上设有气体流量计5，管式反应器3与储液槽2通过气液混合泵4循环连通，在管式反应器3出口管道上设有球型阀6，用于调节整个体系的液体流量，臭氧发生器1依次连有臭氧检测器7及尾气吸收装置8，储液槽2依次连有干燥装置9、臭氧检测器7及尾气吸收装置8。
使用本装置处理废水时，先将待处理的废水通过进料口10通入储液槽2，打开阀门11和球型阀6，启动气液混合泵4，使废水在储液槽2和管式反应器3之间循环。同时，关闭阀门12，打开阀门13，启动臭氧发生器1，通过臭氧检测器7检测臭氧浓度稳定后，打开阀门12，通过阀门12和阀门13调节进入管式反应器3中的气体流量，通过气体流量计5检测气体流量稳定后，通过球型阀6调节管式反应器3的出水量，以此控制管式反应器3内的压力，达到系统要求的压力后，即可进行臭氧氧化废水的反应。
实施例1
配制浓度为300mg/L的酸性红18偶氮染料废水，采用国家标准分析方法(水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)测得COD含量约为280mg/L，采用TOC分析仪测得TOC约为95mg/L，取8L该模拟染料废水在臭氧产生量为18g/h、废水pH值约为8的条件下，采用本发明装置分别在体系压力为0.05MPa、0.15MPa、0.25MPa、0.35MPa、0.40MPa下对模拟染料废水进行处理。
图2为压力对染料废水脱色的影响，由图2可知，染料废水分别在不同压力下处理5min后，其色度的去除率几乎都达到99％以上；
图3为压力对染料废水COD去除的影响，由图3可知，在处理过程中染料废水COD变化的动力学表现出二阶段特征，即在前15min，不同压力条件下COD去除率均增长较快，之后因体系中污染物浓度降低导致化学反应速率变慢，使得COD下降缓慢。随着反应体系压力的增加，COD去除率也逐渐增加，当体系压力在0.35～0.40MPa间时，体系压力的增加对COD的去除影响不大。
图4为压力对染料废水TOC去除的影响，由图4可知，在0.05～0.35MPa间，随着体系压力的增加，TOC去除率明显提高；在0.35～0.40MPa间TOC去除率基本稳定，该过程主要不是O3向液相的传质控制，而属于羟基自由基与有机物之间的化学反应控制。
图5为废水TOC在0.05MPa和0.35MPa压力下去除率比较图，由图5可知，在前15min，两种压力条件下TOC去除率相差不大，该过程主要为染料降解过程，而在15min后，TOC去除率相差较为明显，该过程主要为矿化过程，处理45min后，0.05MPa条件下TOC去除率仅为54％，而0.35MPa压力条件下TOC去除率高达94％以上。
上述实验说明，本发明装置通过对臭氧化气体和废水经过臭氧的微气泡化和加压后，有效提高了臭氧的利用率，并提高了臭氧对难降解有机污染物的降解与矿化效率。

Claims (8)

1.一种强化臭氧氧化废水的装置，包括臭氧发生器、储液槽和反应器，其特征在于，还包括气液混合泵，所述臭氧发生器通过气液混合泵与反应器连通，所述反应器与储液槽通过气液混合泵循环连通，各连通管路上均设置阀门控制通断，所述反应器出口管道上设有系统压力调节阀。
2.根据权利要求1所述的一种强化臭氧氧化废水的装置，其特征在于，所述臭氧发生器依次连有臭氧检测器和尾气吸收装置，在臭氧发生器和臭氧检测器之间设有阀门。
3.根据权利要求1所述的一种强化臭氧氧化废水的装置，其特征在于，所述臭氧发生器与气液混合泵的连通管路上设有气体流量计。
4.根据权利要求1所述的一种强化臭氧氧化废水的装置，其特征在于，所述储液槽依次连有干燥装置、臭氧检测器和尾气吸收装置。
5.如权利要求1所述的强化臭氧氧化废水装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待处理废水通入储液槽，打开系统压力调节阀和气液混合泵与储液槽管路上的阀门，启动气液混合泵；
(2)打开臭氧发生器与气液混合泵连通管路上的阀门，启动臭氧发生器，待进入反应器中的气体流量稳定后，通过系统压力调节阀调节反应器的出水量，达到预定压力后，即可进行臭氧氧化废水的反应。
6.根据权利要求5所述的强化臭氧氧化废水装置的使用方法，其特征在于，在步骤(2)中打开臭氧发生器与气液混合泵管路上的阀门之前，先打开臭氧发生器与臭氧检测器连通管路上的阀门，启动臭氧发生器，待臭氧浓度稳定后，再调节臭氧发生器与气液混合泵连通管路上的阀门至臭氧达到预定的流量。
7.根据权利要求5或6所述的强化臭氧氧化废水装置的使用方法，其特征在于，所述待处理废水中加有粉末型催化剂，所述粉末型催化剂为MnO2、FeOOH、TiO2、CoOx/Al2O3、CuOx/Al2O3、TiO2/Al2O3、MnO2/TiO2、MnOx/ZrO2或CoOx/ZrO2。
8.根据权利要求5或6所述的强化臭氧氧化废水装置的使用方法，其特征在于，所述反应器中设有填料，所述填料为活性炭纤维、负载过渡金属氧化物催化剂、强化流场混合的丝网、多孔金属或陶瓷。
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