CN107364991A - 一种催化臭氧化‑臭氧气浮一体化装置 - Google Patents

一种催化臭氧化‑臭氧气浮一体化装置 Download PDF

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Abstract

一种催化臭氧化‑臭氧气浮一体化装置，包括臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二，臭氧气浮单元中完成臭氧氧化反应；臭氧气浮单元的出水进催化臭氧化单元一，在催化臭氧化单元一中与臭氧微气泡充分接触，并与催化臭氧化单元一中的催化填料进行反应；催化臭氧化单元一的出水进催化臭氧化单元二，再次进行催化氧化反应。采用本发明提供的装置与方法，能有效降低生化出水浊度、色度和有机物浓度，为其再生回用的深度处理提供了良好预处理方法，各单元分别担负除浊、脱色和氧化功能，使得设备具有了高效臭氧利用、渣水分离和催化臭氧氧化等优势。

Description

一种催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置
技术领域
本发明属于工业废水和生活污水处理技术领域，特别涉及一种催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置。
背景技术
工业废水和生活污水经二级生化处理后，出水中仍然含有多种有机物，其中包括微生物代谢产物(SMPs)、难降解有机物和悬浮态物质(TSS)等。为利用二级生化处理出水，通常采用臭氧氧化、膜过滤、离子交换和活性炭吸附等技术进行深度处理。在臭氧氧化深度处理过程中，生化出水中的悬浮态物质会使臭氧分子分解，产生“湮灭”现象，这样就降低了臭氧的利用率。普通臭氧曝气器，产生的臭氧气泡直径在500～800μm之间，大直径的气泡比表面积小，臭氧分子与水中有机物接触机会小，也使得臭氧利用率普遍偏低。此外，臭氧氧化过程中，会产生少量羟基自由基(OH·)。羟基自由基比臭氧分子氧化性更强，选择性更低，提高如何提高臭氧氧化过程羟基自由基的浓度显得十分重要。为解决上述问题来提高臭氧利用率，目前已经开发了一系列专利技术，比如ZL201410616487.6，ZL201410035187.9，CN102153222B，CN103641257B和CN101508474B等。但是，由于设备原理和结构限制，在实际应用过程中，这些技术存在有机物去除率偏低、矿化度小和羟基自由基产生量不够等不足。因此，研究一种具有高效、经济去除生化废水中有机物的新技术对废水的再生利用具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，通过臭氧气浮过程，降低出水浊度，减少不溶性物质对臭氧的竞争性破坏，提高臭氧利用率；通过催化臭氧化过程产生大量羟基自由基矿化废水中有机物，使得出水有机物浓度低，达到净化目的，并且能减少后续膜处理时的膜污染现象。可提高生化出水再生利用率，减少再生水中的悬浮物和有机物等污染物，具有处理效率高、操作连续性好和运行费用低等优点，适合城市污水处理厂，纺织、化工和食品行业污水处理站(厂)出水进行深度处理。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，包括臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二，其中：
所述臭氧气浮单元中完成臭氧氧化反应；
所述臭氧气浮单元的出水进催化臭氧化单元一，在催化臭氧化单元一中与臭氧微气泡充分接触，并与催化臭氧化单元一中的催化填料进行反应；
所述催化臭氧化单元一的的出水进催化臭氧化单元二，再次进行催化氧化反应。
所述臭氧气浮单元包括底座1、底板2、筒体7、顶盖13和底部锥斗17，其中，底板2中心位置连接中心反应筒16，中心反应筒16位于筒体7中，高度低于筒体7，中心反应筒16的顶部连接导流筒14，排泥管3和进水管4均贯穿筒体7、底部锥斗17和中心反应筒16进入反应区内部，顶盖13连接带有排渣电动阀8的排渣管9以及带有排气电动阀12的排气管11，带有出水电动阀10的出水管6位于中心反应筒16外的中部偏下位置，与支撑架5相连，出水管6出口端贯穿筒体7，与催化臭氧化单元一的进水管31相连。
所述臭氧气浮单元中，通过联合控制进水泵、出水电动阀10、排渣电动阀8和排气电动阀12，使得液面上升与下降，实现系统排渣与正常运行。
所述臭氧气浮单元中，出水管6的进水口均匀布置，孔口直径为10～12mm，开口方向向下，所述导流筒14为锥形外扩口结构，锥形出口中心线上倾角为40°～50°，所述底部锥斗17为倒锥形结构，锥形出口中心线上倾角为30°～40°。
所述臭氧气浮单元中，进水与PAC混合，在中心反应筒16内与臭氧化空气充分反应，一方面，臭氧分子氧化有机物，另一方面，PAC中的Al催化臭氧分子产生羟基自由基，促进有机物的氧化，反应后通过导流筒14进入装置上部气浮分离区。
所述中心反应筒16底部设置有溶气释放器15，溶气释放器15通过溶气回流管和溶气泵连接臭氧发生器，溶气释放器15释放微气泡，在筒体7的上部，絮体颗粒和部分氧化产物被携带汇集到反应器表面，分离了颗粒物的水流折向向下，通过出水管6汇集，出臭氧气浮单元进入催化臭氧化单元一。
所述臭氧发生器和溶气泵产生0.4～0.8MPa的溶气压，经溶气释放器15减压释放，产生直径20～50μm的微气泡。
所述催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的结构相同，在反应容器内的底部设置有超微细孔曝气管19，在超微细孔曝气管19上方设置有开口朝下的布水器18，催化臭氧化单元一的布水器18与催化臭氧化单元一的进水管31相连，催化臭氧化单元二的布水器18与催化臭氧化单元二的进水管28相连，在布水器18的上方设置填料支架20，填料支架20上布置催化填料，催化填料上方设置出水堰26以及顶盖13，催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的顶盖13上连接尾气收集管22，收集的尾气经臭氧破坏装置处理后排放于大气环境，催化臭氧化单元一的超微细孔曝气管19连接催化臭氧化单元一的进气管29，催化臭氧化单元二的超微细孔曝气管19连接催化臭氧化单元二的进气管30，催化臭氧化单元一的顶部出水经催化臭氧化单元一的溢流堰26汇集，从催化臭氧化单元一的出水管27进入催化臭氧化单元二的进水管28，催化臭氧化单元二的出水经催化臭氧化单元二的溢流堰26汇集，从催化臭氧化单元二的出水管21排出。
所述催化臭氧化单元一中，催化填料为催化填料一25，催化臭氧化单元二中，催化填料为催化填料二24和催化填料三23，所述催化填料三23、催化填料二24和催化填料一25均为碳气凝胶负载Co3O4催化剂，孔隙率分别为45％、55％和65％；所述超微细孔曝气管19与臭氧发生器相连，超微细孔曝气管19上的超细微孔孔径为2～20μm，释放出的气泡直径为40～150μm。
所述臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的臭氧流量比例为5:60:35。
本发明改变了以往臭氧气浮装置氧化段处理形式过于单一带来的不足，通过臭氧气浮与二段催化臭氧化组合结构来协同完成二级出水的深度处理，具有处理效率高和节能优势。本发明提供的臭氧气浮段，将水中浊度和总悬浮固体浓度将至最低，为后续催化臭氧化提供良好前提条件。本发明提供的一体化装置，利用进水泵一次提升，此后排水液面逐次下降，其势能得以充分利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、工艺沿程布置臭氧气浮、催化氧化单元1和2，臭氧气浮为后续单位预处理，提高了后续催化臭氧化效率。
2、在废水深度处理过程中，通常存在一种或多种处理特性，比如催化、除浊、微气泡、羟基自由基氧化和臭氧化等特性。本发明工艺中的三个环节，每一环节都具有4～5种特性，具体特性分布见表1：
表1 催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置不同环节处理特性表
环节 催化氧化特性 除浊特性 微气泡特性 OH·氧化特性 O3氧化特性
臭氧气浮单元 √ √ √ √ √
催化臭氧化单元1 √ × √ √ √
催化臭氧化单元2 √ × √ √ √
3、装置自动实现间歇排渣与运行，系统自动化运行程度高。本发明装置能高效去除水中浊度和总悬浮固体，分离的浮渣聚集在臭氧气浮单元上表面，通过联合控制进水、出水电动阀10、排渣电动阀9和排气电动阀12，使得液面上升与下降，实现系统排渣与正常运行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不够成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置结构图。
图2是本发明中催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置底部结构示意图。
图3是本发明中催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置中部结构示意图。
图4是本发明中催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置顶部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容进行描述，以下的描述仅是示范性和解释性的，不应对本发明的保护范围有任何限制作用。
如图1、图2、图3和图4所示，一种催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，包括臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二，构成串联式组合结构，进水依次在这三个单元中进行反应。
其中，臭氧气浮单元包括底座1、底板2、筒体7、顶盖13和底部锥斗17，底板2中心位置连接中心反应筒16，中心反应筒16位于筒体7中，高度低于筒体7，中心反应筒16的顶部连接导流筒14，底部锥斗17为倒锥形结构，锥形出口中心线上倾角为30°～40°(实施例中为36°)，导流筒14为锥形外扩口结构，锥形出口中心线上倾角为40°～50°。
排泥管3和进水管4均贯穿筒体7、底部锥斗17和中心反应筒16进入反应区内部，中心反应筒16底部设置有溶气释放器15，溶气释放器15通过溶气回流管和溶气泵连接臭氧发生器，臭氧发生器和溶气泵产生0.4～0.8MPa的溶气压，经溶气释放器15减压释放，产生直径20～50μm的微气泡。
顶盖13连接带有排渣电动阀8的排渣管9以及带有排气电动阀12的排气管11，带有出水电动阀10的出水管6位于中心反应筒16外的中部偏下位置，与支撑架5相连，出水管6出口端贯穿筒体7，与催化臭氧化单元一的进水管31相连，出水管6的进水口均匀布置，孔口直径为10～12mm，开口方向向下。
中心反应筒16中为混合反应区A，中心反应筒16外在筒体7内的上部为气浮分离区B，下部在底部锥斗17区域内为沉淀区D，顶部在顶盖13下位排渣区C。
臭氧气浮单元中，进水与PAC混合，污染物在混合反应区A与臭氧化空气充分反应，此处有益之处在于，一方面，臭氧分子氧化有机物，另一方面，PAC中的Al催化臭氧分子产生羟基自由基，促进有机物的氧化，反应后通过导流筒14进入气浮分离区B，在溶气释放器15释放的微气泡作用下，絮体颗粒和部分氧化产物被携带汇集到反应器表面。分离了颗粒物的水流折向向下，通过出水管6汇集出臭氧气浮单元，进入催化臭氧化单元一。
臭氧气浮单元中，通过联合控制进水泵、出水电动阀10、排渣电动阀8和排气电动阀12，使得液面上升与下降，实现系统排渣与正常运行。
催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的结构基本相同，在反应容器内的底部设置有超微细孔曝气管19，在超微细孔曝气管19上方设置有开口朝下的布水器18，催化臭氧化单元一的布水器18与催化臭氧化单元一的进水管31相连，催化臭氧化单元二的布水器18与催化臭氧化单元二的进水管28相连，在布水器18的上方设置填料支架20，填料支架20上布置催化填料，催化填料上方设置出水堰26以及顶盖13，催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的顶盖13上连接尾气收集管22，收集的尾气经臭氧破坏装置处理后排放于大气环境，催化臭氧化单元一的超微细孔曝气管19连接催化臭氧化单元一的进气管29，催化臭氧化单元二的超微细孔曝气管19连接催化臭氧化单元二的进气管30，催化臭氧化单元一的顶部出水经催化臭氧化单元一的溢流堰26汇集，从催化臭氧化单元一的出水管27进入催化臭氧化单元二的进水管28，催化臭氧化单元二的出水经催化臭氧化单元二的溢流堰26汇集，从催化臭氧化单元二的出水管21排出。
进入催化臭氧化单元一的水流，经布水器18均分分布于反应容器底部区域，布水器18的出口朝下，与下部超微细孔曝气管19释放的臭氧微气泡充分接触，向上进入布置催化填料的催化氧化区。此处有益之处在于，经过臭氧气浮单元的处理，水中浊度、总悬浮固体浓度降低，一方面减少了催化填料的堵塞，避免催化活性降低。另一方面，催化氧化产生的大量羟基自由基直接作用于水中溶解态有机物，而不是与悬浮固体类物质反应而消耗，增强了对有机污染物的去除效能。此外，溶臭氧气浮仅消耗5％的臭氧，剩余95％的臭氧经高效催化氧化反应而被利用，有利于提高臭氧的利用率。此后，水流经氧化区顶部出水堰26汇流后，通过出水口31和进水管28，进入催化臭氧化单元二进一步催化氧化以去除水中难降解有机物。
其中，催化臭氧化单元一中，催化填料为催化填料一25，催化臭氧化单元二中，催化填料为催化填料二24和催化填料三23，所述催化填料三23、催化填料二24和催化填料一25均为碳气凝胶负载Co3O4催化剂，孔隙率分别为45％、55％和65％；所述超微细孔曝气管19与臭氧发生器相连，超微细孔曝气管19上的超细微孔孔径为2～20μm，释放出的气泡直径为40～150μm。
上述臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的臭氧流量比例为5:60:35。
利用上述装置进行污水深度处理的流程如下：
1、本发明催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，包括正常运行阶段与排渣阶段。
2、正常运行期，排水电动阀10、排气电动阀12打开，排渣电动阀8关闭，正常进水，系统完成进水、臭氧氧化、混凝气浮和催化臭氧化等过程。排渣阶段，分为提升液位、排渣和降液位三个环节。
3、液位提升环节，关闭电动排水阀10，关闭排气电动阀12，打开电动排渣阀8，关闭进气管29和进气管30的配套阀门，此后臭氧气浮区液面持续上升。当液面上升到顶盖13顶部，进入排渣阶段，排渣维持45～120s。
4、排渣结束后，进入降液位阶段。降液位阶段，关闭进水泵，关闭排渣电动阀8，打开排气电动阀12，打开排水电动阀10，此后液位开始下降。
5、降液位保持30～40s后，开启进水泵，排水电动阀10、排气电动阀12打开，排渣电动阀8关闭，系统开始正常运行。
总体而言，本发明通过将筒体7分为臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二，使得设备具有了高效臭氧利用、渣水分离和催化臭氧氧化等优势。

Claims (10)

1.一种催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，包括臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二，其中：
所述臭氧气浮单元中完成臭氧氧化反应；
所述臭氧气浮单元的出水进催化臭氧化单元一，在催化臭氧化单元一中与臭氧微气泡充分接触，并与催化臭氧化单元一中的催化填料进行反应；
所述催化臭氧化单元一的的出水进催化臭氧化单元二，再次进行催化氧化反应。
2.根据权利要求1所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述臭氧气浮单元包括底座(1)、底板(2)、筒体(7)、顶盖(13)和底部锥斗(17)，其中，底板(2)中心位置连接中心反应筒(16)，中心反应筒(16)位于筒体(7)中，高度低于筒体(7)，中心反应筒(16)的顶部连接导流筒(14)，排泥管(3)和进水管(4)均贯穿筒体(7)、底部锥斗(17)和中心反应筒(16)进入反应区内部，顶盖(13)连接带有排渣电动阀(8)的排渣管(9)以及带有排气电动阀(12)的排气管(11)，带有出水电动阀(10)的出水管(6)位于中心反应筒(16)外的中部偏下位置，与支撑架(5)相连，出水管(6)出口端贯穿筒体(7)，与催化臭氧化单元一的进水管(31)相连。
3.根据权利要求2所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述臭氧气浮单元中，通过联合控制进水泵、出水电动阀(10)、排渣电动阀(8)和排气电动阀(12)，使得液面上升与下降，实现系统排渣与正常运行。
4.根据权利要求2所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述臭氧气浮单元中，出水管(6)的进水口均匀布置，孔口直径为10～12mm，开口方向向下，所述导流筒(14)为锥形外扩口结构，锥形出口中心线上倾角为40°～50°，所述底部锥斗(17)为倒锥形结构，锥形出口中心线上倾角为30°～40°。
5.根据权利要求1或2或3或4所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述臭氧气浮单元中，进水与PAC混合，在中心反应筒(16)内与臭氧化空气充分反应，一方面，臭氧分子氧化有机物，另一方面，PAC中的Al催化臭氧分子产生羟基自由基，促进有机物的氧化，反应后通过导流筒(14)进入装置上部气浮分离区。
6.根据权利要求5所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述中心反应筒(16)底部设置有溶气释放器(15)，溶气释放器(15)通过溶气回流管和溶气泵连接臭氧发生器，溶气释放器(15)释放微气泡，在筒体(7)的上部，絮体颗粒和部分氧化产物被携带汇集到反应器表面，分离了颗粒物的水流折向向下，通过出水管(6)汇集，出臭氧气浮单元进入催化臭氧化单元一。
7.根据权利要求6所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述臭氧发生器和溶气泵产生0.4～0.8MPa的溶气压，经溶气释放器(15)减压释放，产生直径20～50μm的微气泡。
8.根据权利要求1所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的结构相同，在反应容器内的底部设置有超微细孔曝气管(19)，在超微细孔曝气管(19)上方设置有开口朝下的布水器(18)，催化臭氧化单元一的布水器(18)与催化臭氧化单元一的进水管(31)相连，催化臭氧化单元二的布水器(18)与催化臭氧化单元二的进水管(28)相连，在布水器(18)的上方设置填料支架(20)，填料支架(20)上布置催化填料，催化填料上方设置出水堰(26)以及顶盖(13)，催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的顶盖(13)上连接尾气收集管(22)，收集的尾气经臭氧破坏装置处理后排放于大气环境，催化臭氧化单元一的超微细孔曝气管(19)连接催化臭氧化单元一的进气管(29)，催化臭氧化单元二的超微细孔曝气管(19)连接催化臭氧化单元二的进气管(30)，催化臭氧化单元一的顶部出水经催化臭氧化单元一的溢流堰(26)汇集，从催化臭氧化单元一的出水管(27)进入催化臭氧化单元二的进水管(28)，催化臭氧化单元二的出水经催化臭氧化单元二的溢流堰(26)汇集，从催化臭氧化单元二的出水管(21)排出。
9.根据权利要求7所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述催化臭氧化单元一中，催化填料为催化填料一(25)，催化臭氧化单元二中，催化填料为催化填料二(24)和催化填料三(23)，所述催化填料三(23)、催化填料二(24)和催化填料一(25)均为碳气凝胶负载Co3O4催化剂，孔隙率分别为45％、55％和65％；所述超微细孔曝气管(19)与臭氧发生器相连，超微细孔曝气管(19)上的超细微孔孔径为2～20μm，释放出的气泡直径为40～150μm。
10.根据权利要求7所述催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，其特征在于，所述臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二的臭氧流量比例为5:60:35。
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