CN106630108A - 一种带有旋转释放器的废水脱色装置及脱色方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有旋转释放器的废水脱色装置及脱色方法，废水脱色装置包括：反应器筒体，该反应器筒体内由下至上依次为旋转释放区、紫外区、超声区、吸附区和出水区；设置于所述旋转释放区的旋转释放器，所述旋转释放器外接气水混合液进液管；设置于所述紫外区的紫外灯；设置于所述超声区的超声换能器；填充于所述吸附区内的吸附剂；以及设置于所述出水区上方的集气罩，所述集气罩通过气管连接尾气吸收装置。本发明将紫外、超声、改性炭黑催化臭氧氧化作用集成于一个反应装置中，在旋转释放器均匀布气的条件下，臭氧依次经过紫外，超声和改性炭黑催化剂作用，将臭氧转化成氧化能力更强的羟基自由基，提高了臭氧的利用率。
Description
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种臭氧高级氧化的废水脱色装置及方法。
背景技术
臭氧是一种极强的氧化剂，是去除废水色度，臭味，降低COD的有效方法，臭氧本身是一种氧化剂，能够直接与废水中的有机物作用，把复杂有机分子氧化成简单的酸、醇等中间产物。利用物理或化学手段，臭氧能被催化形成氧化性更强的羟基自由基，羟基自由基可以将有机物直接矿化，彻底降解有机物，达到去除色除臭，降低COD的目的。
然而臭氧在水中利用率低，停留时间短是限制臭氧催化氧化技术的主要因素，目前常见的提高臭氧在废水混合效果的方式有砂头直接曝气法，两相泵混合法，水射器混合法。直接曝气法产生的臭氧气泡较大，传质效率低。两相泵混合法和水射器混合法可以产生更细小的臭氧气泡，但在释放过程中由于流速较大，在水相中停留时间短，臭氧利用率也收到限制。
发明内容
目前，基于臭氧氧化的废水脱色的设备，普遍存在臭氧利用率不高的问题，为解决该问题，本发明提供了一种提高臭氧利用率的，经济、高效的废水脱色装置。
一种带有旋转释放器的废水脱色装置，包括：
反应器筒体，该反应器筒体内由下至上依次为旋转释放区、紫外区、超声区、吸附区和出水区；
设置于所述旋转释放区的旋转释放器，所述旋转释放器外接气水混合液进液管；
设置于所述紫外区的紫外灯；
设置于所述超声区的超声换能器；
填充于所述吸附区内的吸附剂；
以及设置于所述出水区上方的集气罩，所述集气罩通过气管连接尾气吸收装置。
所述气液混合液进液管上设置两相泵，气源产生的臭氧通过气管进入两相泵后一同泵入旋转释放器，臭氧发生器的最高臭氧产量为10g/h，也可以是其他规格的臭氧发生器，所述出水区设置溢流堰。
所述脱色装置的外形为圆柱体，废水和臭氧从反应器底部的旋转释放器进入，从出水区的溢流堰流出，产生的废气在集气罩上收集后引入尾气吸收装置。
旋转释放器是以气液混合水从释放喷头释放产生反作用力推动而旋转。优选地，所述旋转释放器包括：
水平设置的释放管，所述释放管中部通过旋转接口与气水混合液进液管连接；
以及设置在所述释放管上且与所述释放管相连通若干释放喷头。
进一步优选，所述释放喷头在释放管上均匀布置。
进一步优选地，所述释放喷头与旋转平面之间呈5～45°夹角，所述释放喷头在其所在倾斜面内喷射角度0～180°可调。
释放器的喷射方向可以斜向上也可以斜向下，优选斜向上喷射，喷出方向在释放喷头所在平面内0～180°（进一步优选30～150°可调），斜向上喷射气水混合物同时，反作用力给释放管提供旋转动力。
优选地，所述旋转释放器与紫外区底部的间距为3～10cm。
优选地，所述紫外区内的紫外灯呈阵列排布，相邻紫外灯之间的间距为5～25cm。
进一步优选地，所述紫外灯的功率为10～100W。所有紫外灯竖直安装。
优选地，所述超声区内分隔为若干竖直布置且相互平行的渐缩渐阔通道，每个渐缩渐阔通道内侧均匀分布所述超声换能器。
所述的渐缩渐阔通道的两端为喇叭口、中间段为圆形通道。相邻通道之间为实心或空心区域，用于超声换能器的布线。
通道间距由通道数量排布形式和两端最大直径决定，尽可能以最多的通道数量进行排布，渐阔部分两两相切并且与反应器内壁相切，例如，在通道中，渐缩段和渐扩段最小直径d2=5～15cm，两端最大直径d1=2*d2，渐缩和渐扩部分垂直高度h=3*d2。
优选地，每个渐缩渐阔通道内相邻两个超声换能器之间的间距为5～30cm；进一步优选为10～30cm。
本发明中相关部件的设置位置最优选地：
所述释放喷头与旋转平面之间呈15°夹角，所述释放喷头在其所在倾斜面内喷射角度30～150°可调，所述旋转释放器与紫外区底部的间距为5cm，相邻紫外灯之间的间距为15cm，每个渐缩渐阔通道内相邻两个超声换能器之间的间距为20cm。
所述超声换能器的频率范围在0.1MHz～1MHz。
优选地，所述吸附剂为改性炭黑。进一步优选地，吸附区内改性炭黑催化剂填充率为反应区体积的1/2～2/3。
所述改性炭黑可采用本领域中常用的或现有的改性炭黑，也可以采用自制的改性炭黑，优选地，所述改性炭黑为Vulcan XC-72，其改性方法为，
炭黑在氩气保护下的石墨炉中进行高温石墨化，石墨化温度为2200～2600℃，将石墨化后的炭黑于浓硝酸溶液中120～150℃油浴回流1～3h，随后用去离子水将炭黑洗净至出水为pH中性，再浸渍于氨水，搅拌1～3h后，用去离子水洗净至出水为pH中性并烘干。进一步优选地，炭黑在氩气保护下的石墨炉中进行高温石墨化，石墨化温度为2500℃，将石墨化后的炭黑于浓硝酸溶液中140℃油浴回流2h，随后用去离子水将炭黑洗净至出水为pH中性，再浸渍于氨水，搅拌2h后，用去离子水洗净至出水为pH中性并烘干。
本发明制备出的改性炭黑具有较大的比表面积，表面带有大量的含氧酸基和羟基基团。
所述改性炭黑装填于一个聚四氟乙烯网罩中，网罩以牛角的方式固定于改性炭黑区，可以随意拆卸。
本发明还提供一种利用所述废水脱色装置进行废水脱色的方法，包括如下步骤：
采用气液混合泵将臭氧与废水充分混合后通过所述旋转释放器送入反应器筒体内，废水与臭氧混合液上升，依次经过紫外区、超声区和吸附区处理后，进入出水区进行出水排放；产生的废气由集气罩收集后排入尾气收集装置内；
在紫外区内，在紫外照射催化下发生自由基氧化；在超声区内臭氧在超声作用下分解并释放出氧自由基发生氧化作用，同时在超声波的空化作用下，产生的微气泡在破灭瞬间产生的热量促使水分子产生羟基自由基发生氧化作用，强化有机物降解；在吸附区内废水和没有利用完的臭氧在改性炭黑的吸附下，将低浓度的有机物富集后再被羟基自由基氧化。
臭氧投加量根据水量、水质或者实际工况来确定，一般气液混合水中臭氧的质量与废水的体积比控制在（20～100）g：1L。
气水混液以50～1000L/h的流速经旋转释放器送入反应器筒体内。
随着臭氧投加量的提高，废水色度和有机物去除也随之提高，但进一步增加臭氧投加量，由于气体量的增加，导致气液混合不充分，限制了臭氧的溶解。而提高臭氧浓度，可以提高臭氧在水中的平衡浓度，对脱色效率有显著提高。
本发明采用气液混合泵将臭氧与废水充分混合，通过一个可以旋转的臭氧水释放器，废水和臭氧纳米气泡被释放出来，由于释放喷头朝向与旋转释放器所处平面呈一定的角度，在反冲力的作用下，旋转释放器会发生自动的旋转，旋转产生的水力扰动又会促使纳米臭氧气泡以一种螺旋上升的轨迹缓慢上浮进入紫外区，提高臭氧水力停留时间，废水和臭氧进入紫外区，在紫外照射催化下发生自由基氧化，接着进入超声区，在该区域内，存在两种氧化机制：①臭氧在超声作用下分解并释放出氧自由基发生氧化作用；②在超声波的空化作用下，产生许多微气泡，微气泡的破灭瞬间产生很高的热量，促使水分子产生羟基自由基发生氧化作用，强化有机物降解。最后废水和没有利用完的臭氧进入改性炭黑催化氧化区，在改性炭黑的吸附下，将低浓度的有机物富集后再被羟基自由基氧化，提高反应速率。最终废水通过溢流堰排出。各处理环节之间相互协同作用，共同提高反应速率。
本发明的有益效果是：
（1）臭氧水的进水方式为旋转释放器，通过调整释放喷头的调整，能够改变气水混合物水平和垂直的分速度，对气泡在水相中的运动路线更长，提高了臭氧在水中的停留时间。
（2）扰动的水流和臭氧纳米气泡还能对紫外灯进行冲刷作用，避免废水中某些物质在紫外灯管管壁上结垢。
（3）将紫外、超声、改性炭黑催化臭氧氧化作用集成于一个反应装置中，在旋转释放器均匀布气的条件下，臭氧依次经过紫外，超声和改性炭黑催化剂作用，将臭氧转化成氧化能力更强的羟基自由基，提高了臭氧的利用率。
附图说明
图1为本发明的装置图。
图2为旋转释放器的结构示意图。
图3为紫外灯排布方式示意图。
图4为超声换能器的布局方式示意图。
1-气液混合液进液管 2-气源 3-两相泵
4-气管 5-旋转释放器 6-紫外灯
7-渐缩渐扩通道 8-超声换能器 9-反应器筒体
10-吸附剂 11-出水区 12-溢流堰
13-出水口 14-集气罩 15-尾气吸收装置
16-水管
51-释放管 52-释放喷头 53-旋转接口。
具体实施方式
如图1～图4所示，一种带有旋转释放器的废水脱色装置，包括反应器筒体9，反应器筒体为圆柱形筒体，反应器筒体内由下至上依次为旋转释放区、紫外区、超声区、吸附区和出水区11，出水区设置溢流堰12，溢流堰连接出水口13，出水区上方设集气罩14，集气罩通过气管连接尾气吸收装置15。
旋转释放区内安装旋转释放器5，旋转释放器的结构示意图如图2所示，包括水平设置的释放管51以及均匀设置在释放管上的释放喷头52，释放管的中点由旋转接口53与气液混合液进液管1相连，气液混合液进液管外接两相泵3，水管14和连接气源2的气管均接入该两相泵。
释放喷头与旋转平面呈一定夹角安装在释放管上，释放喷头在其所在倾斜平面内角度0～180°可调，且每个释放喷头的角度独立调节，相邻释放喷头之间的间距为10～30cm。
紫外区安装紫外灯6，俯视图如图3所示，紫外灯6在紫外区内呈阵列分布，灯管竖直设置，底部固定于一块水平板上，相邻灯管之间的间距为5～25cm，紫外灯的功率为10～100W，紫外灯外接供电电源和控制开关。
释放管与紫外灯固定板之间的间距为3～10cm。
超声区内分隔为若干竖直设置且相互平行的渐缩渐扩通道（本实施方式中设置为4个），每个通道内侧均匀安装超声换能器，同一通道内相邻超声换能器之间的间距为5～30cm，超声换能器的频率范围在0.1MHz～1MHz，通过市购获得。如图1所示中的剖面线部分为实心或者空心区域，用于布线及对超声相关装置防水，废水仅由通道内通过。
吸附区内填充吸附剂，吸附剂为改性炭黑，改性炭黑装填于一个聚四氟乙烯网罩中，网罩以牛角的方式固定于改性炭黑区，可以随意拆卸。
具体运行方式如下所述：
进水水质情况COD 200mg/L，色度350倍，流量500L/h，通过臭氧发生器产生的臭氧以10g/h的流量（4.6L O3+5.4L空气/h，总共10L/h）经气管与废水在两相泵3混合【10g O3/h=4.6L O3/h，气液比（质量体积比）=10g:500L=2%】，混合液中臭氧理论含量为20mg/L，然后通过进水管输送至旋转释放器5，臭氧投加量和混合液流量根据水质情况调整，释放喷头与旋转平面的夹角设置为15°，废水和臭氧纳米气泡通过释放喷头释放出来，在反冲力的作用下，旋转释放器自动旋转起来，其产生的水力扰动又促使纳米臭氧气泡以一种螺旋上升的轨迹缓慢上浮进入紫外区，紫外区安装有5根紫外灯6，在紫外光照射下，有机物分子被紫外辐射激活,使反应的活化能降低，臭氧被紫外光激发产生羟基自由基，进攻被活化的有机物，加强了氧化效率。随着水流的上升，废水进如超声区，在0.1MHz超声波作用下，臭氧在超声作用下分解并释放出氧自由基发生氧化作用。同时，超声空化作用产生很高的热量，促使水分子产生羟基自由基发生氧化作用，强化有机物降解。最后，废水流入改性炭黑反应区，改性炭黑催化剂填充率为反应区体积的2/3，臭氧在催化填料作用下进一步氧化废水中的有机物。最终，废水通过反应器顶部的溢流堰流出，从出水口排放，反应器内的废气由集气罩收集，通过气管进入尾气吸收装置处理。
实验运行相关数据如表1所示：
表1
| 反应时间/min | COD去除率 | 色度去除率 |
| 0 | 0.00% | 0 |
| 5 | 60.60% | 52.5% |
| 10 | 88.10% | 78.4% |
| 20 | 94.90% | 89.0% |
| 30 | 97.00% | 94.5% |
实施例2
改变进水流速为50L/h，臭氧投加量为5g/h，气液比为5%，混合液臭氧理论含量为100mg/L，进水COD浓度为500mg/L，色度为800倍，实验效果如表2所示：
表2
| 反应时间/min | COD去除率 | 色度去除率 |
| 0 | 0.00% | 0 |
| 5 | 44.20% | 34.5% |
| 10 | 72.60% | 61.3% |
| 20 | 85.10% | 83.0% |
| 30 | 92.40% | 92.1% |
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (10)
1.一种带有旋转释放器的废水脱色装置，其特征在于，包括：
反应器筒体，该反应器筒体内由下至上依次为旋转释放区、紫外区、超声区、吸附区和出水区；
设置于所述旋转释放区的旋转释放器，所述旋转释放器外接气水混合液进液管；
设置于所述紫外区的紫外灯；
设置于所述超声区的超声换能器；
填充于所述吸附区内的吸附剂；
以及设置于所述出水区上方的集气罩，所述集气罩通过气管连接尾气吸收装置。
2.根据权利要求1所述废水脱色装置，其特征在于，所述旋转释放器包括：
水平设置的释放管，所述释放管中部通过旋转接口与气水混合液进液管连接；
以及设置在所述释放管上且与所述释放管相连通若干释放喷头。
3.根据权利要求2所述废水脱色装置，其特征在于，所述释放喷头在释放管上均匀布置。
4.根据权利要求2所述废水脱色装置，其特征在于，所述释放喷头与旋转平面之间呈5～45°夹角，所述释放喷头在其所在倾斜面内喷射角度0～180°可调。
5.根据权利要求1所述废水脱色装置，其特征在于，所述旋转释放器与紫外区底部的间距为3～10cm。
6.根据权利要求1所述废水脱色装置，其特征在于，所述紫外区内的紫外灯呈阵列排布，相邻紫外灯之间的间距为5～25cm。
7.根据权利要求1所述废水脱色装置，其特征在于，所述超声区内分隔为若干竖直布置且相互平行的渐缩渐阔通道，每个渐缩渐阔通道内侧均匀分布所述超声换能器。
8.根据权利要求1所述废水脱色装置，其特征在于，每个渐缩渐阔通道内相邻两个超声换能器之间的间距为5～30cm。
9.根据权利要求1所述废水脱色装置，其特征在于，所述吸附剂为改性炭黑。
10.一种利用权利要求1所述废水脱色装置进行废水脱色的方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用气液混合泵将臭氧与废水充分混合后通过所述旋转释放器送入反应器筒体内，废水与臭氧混合液上升依次经过紫外区、超声区和吸附区处理后，进入出水区进行出水排放；产生的废气由集气罩收集后排入尾气收集装置内；
在紫外区内，在紫外照射催化下发生自由基氧化；在超声区内臭氧在超声作用下分解并释放出氧自由基发生氧化作用，同时在超声波的空化作用下，产生的微气泡在破灭瞬间产生的热量促使水分子产生羟基自由基发生氧化作用，强化有机物降解；在吸附区内废水和没有利用完的臭氧在改性炭黑的吸附下，将低浓度的有机物富集后再被羟基自由基氧化。
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- 2016-10-31 CN CN201610932295.5A patent/CN106630108B/zh active Active
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