CN108349763B - 利用臭氧处理废水的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理主废水流(1’)的方法及装置，所述主废水流在封闭管道(1)中流动且具有流动方向，所述方法包括以下步骤：将液体引入至少一个预处理流(10’)中；产生含有臭氧气体的气流；通过气体注射器(15)将所述气流引入所述至少一个预处理流(10’)中，以产生至少一个包含臭氧载气和液体的混合相流；使至少一个混合相流通过至少一个静态混合器(17，17’)，以产生预定尺寸的气泡；沿着与所述流动方向垂直的方向将所述至少一个混合相流(10’)注射到所述主废水流(1’)中。

Description

利用臭氧处理废水的方法及装置
本发明涉及一种利用臭氧处理废水的方法及装置。
臭氧是一种强氧化剂。所以用气态臭氧对水进行消毒处理是有效的。已经设计出各种类型的装置和方法以将气态臭氧引入并溶解到水中，然而上述方法的主要目的是将足够的气态臭氧转移到待处理的水体中。出于对臭氧生产成本的考虑，另外还试图将尽可能多的可用臭氧溶解在水中以最大限度地减少气态臭氧因脱气造成的损失。同时也希望在水中得到均匀分布的臭氧浓度以使得在水流的每个流体元素中达到理想的消毒效率所需的最小浓度，从而不必引入过量的臭氧。含臭氧的气泡需要与水接触足够长的时间，以允许臭氧从气态转换成液态，其中臭氧开始发生最终的消毒反应。臭氧转换效率是指进入系统的臭氧量与转换成液态的参与消毒反应的臭氧量之比。高效率的臭氧消毒通常需要高于80％的转换效率。
常见的臭氧溶解方法包括气泡扩散接触器、注射器和涡轮混合器。
加拿大专利CA2662763C公开了一种用于使臭氧与例如废水的竖直液体流接触的注射器。将该液体流的分流与含有臭氧的气体混合，形成两相分流。通过竖直注射管将该两相分流作为旁流引入到竖直液体流中，产生具有竖直向下速度分量的射流，该竖直向下速度分量足以带动气泡向下运动，使得气泡不会逆着废水的竖直下降而上升。
因此，专利CA2662763C中描述的臭氧注射系统的主要焦点是防止气泡上升到表面，这是基于通过“捕集”更多气泡进入废水内，臭氧转换效率将必然增加的假设。为了将气泡捕集在废水内，气泡的向下注射速度必须足以克服气泡上升到表面的自然趋势。
然而，由于需要高的向下注射速度使得其具有显著的缺点：它会产生不均匀的气泡/废水混合物，妨碍臭氧从气态到液态的有效转换。具体地，向下的高速注射流会扰动注射点的废水，从而产生具有不希望的漩涡的湍流。因为流体现在包含沿不同方向移动的湍流，使得流体不再呈活塞状。
非均匀流动状态导致不同流体和含有臭氧的气泡之间接触时间非常不同。因此，流体的臭氧溶解度和臭氧浓度各不相同，导致系统效率下降。
本发明的目的是提供一种有效的利用臭氧处理废水流的方法及装置，与现有技术相比，该方法及装置产生更均匀的废水和气体分布。
在此作为示例并概括描述的，本发明提供了一种用于处理主废水流的方法，该主废水流在闭合管道中流动且具有流动方向，所述方法包括：
将液体引入至少一个预处理流中；产生含有臭氧气体的气流；
将所述气流引入所述至少一个预处理流中，优选地，通过文丘里注射器将所述气流引入各个预处理流中，以产生至少一个包含臭氧载气(ozone laden gas)和液体的混合相流。
使所述至少一个混合相流通过至少一个静态混合器，以产生预定尺寸的气泡；
沿着与所述流动方向大体垂直的方向将所述至少一个混合相流注射到所述主废水流中。
沿大体垂直于废水流动方向的方向将混合相流注射到主废水流中具有以下优点，即它不会干扰整个活塞流而且它覆盖废水流的直径或宽度以形成大体与流动方向垂直的所谓的“液压防护罩”，即，它形成一个区域，在该区域内几乎不会出现无臭氧的流体元素(ozone-free volume elements)通过主废水流在注射点处的横截面回流的情况。因此，通过管道的废水的气体分布均匀性得到改善。
在这种方法中，将所述至少一个混合相流注射到主废水流的竖直向下流动部分中，也不会带来问题。
也可以将所述至少一个混合相流注射到废水的水平或大体水平的主流中，因为气泡尺寸小的缘故，使得因未溶解的气泡上升而引起的去混合倾向显著降低。由于气泡上升至管道顶部，使得臭氧载气没有明显损失。
为了在液体流的横截面上产生基本上均匀的臭氧载气气泡浓度，所述至少一个混合相流中的每一个混合相流由注射管供应，注射管与废水流向平行。注射管在其相对于废水流动方向的下端可以具有至少一个注射出口，该注射出口位于大致垂直于废水流动方向的平面内，以使混合相流能够以大体垂直于废水流向的方向注射。
优选地，预处理流是主废水流的分流。通过泵将预处理流作为旁流从主废水流中抽出。
有利地，所述至少一个注射出口可以根据对应的注射管在管道中的布置方式径向向内和/或径向向外定向。
在此作为示例并概括描述的，本发明还提供了一种用于将臭氧引入废水中以进行消毒或氧化处理的装置，所述装置包括：
用于待处理的废水流的封闭管道，所述废水流具有流动方向；
臭氧发生器，该臭氧发生器被供应载气并输出富含臭氧的载气；
至少一个预处理流，该至少一个预处理流通过注射器(优选文丘里注射器)与所述富含臭氧的载气混合，以产生混合相流；
至少一个注射管，混合相流流经所述至少一个注射管，其中所述至少一个注射管包含至少一个静态混合器，并且所述至少一个所述注射管的沿流动方向的下端具有至少一个注射出口，该注射出口构造成将所述混合相流作为大致垂直于所述流动方向的射流引入所述废水流中。
这种装置能够沿大体上垂直于废水流动方向的方向注射混合相流，其优点是不会干扰活塞流，并且产生垂直于流动方向的液压防护罩以改善废水管道中的包含水和气体的混合相流的均匀性。
在这种装置中，所述至少一个注射管可以至少部分地布置在废水管道内并且平行于废水流的流动方向。
优选地，所述至少一个静态混合器产生直径低于1mm的气泡。这些气泡的气泡表面积与气泡体积之间具有有利的比例。
预处理流可以是废水流的分流。
此外，注射管可以布置在竖直向下流动的废水中。然而，根据本发明，也可以通过在水平管道中注射含臭氧的旁流以对废水主流进行处理。有利地，所述至少一个注射出口可以根据对应的注射管在管道中的布置方式径向向内和/或径向向外定向。
在此作为示例并概括描述的，本发明还提供了一种利用臭氧处理废水流的方法以及一种利用臭氧处理废水流的装置，其特征在于，臭氧载气气泡注射点处的废水流大体是分布有臭氧载气气泡的活塞流。
在此作为示例并概括描述的，本发明进一步提供了一种利用臭氧处理废水流的方法和一种利用臭氧处理废水流的装置，其特征在于，臭氧载气气泡基本上均匀地分布在废水流的注射点处。
在此作为示例并概括描述的，本发明进一步提供了一种利用臭氧处理废水流的方法以及一种利用臭氧处理废水流的装置，其特征在于，被引入废水流中的臭氧载气气泡的平均直径小于1毫米。
在结合附图阅读本发明的具体实施例的以下描述后，本发明的其它方面和其他特征对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。
以下附图示出了本发明的示例性实施例，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的臭氧溶解装置的竖直截面示意图；
图2是根据本发明第二实施例的臭氧溶解装置的竖直截面示意图；和
图3是管道的水平截面示意图，其中示出了待处理水流中富含臭氧的射流。
在附图中，通过示例的方式示出了本发明的实施例。应该明确理解的是，描述和附图仅用于说明本发明的某些实施例的目的，以帮助理解。它们不视为是对本发明的限制的定义。
所有附图中相同的特征用相同的附图标记表示。
图1示出了本发明第一实施例的具体设计。废水流1’通过管道1供应。管道1包括略微倾斜的第一水平部分10，该第一水平部分10朝向其位于下降的竖直部分30上方的端部开放。在竖直部分30中，废水流30’形成连续的液柱。该液柱呈活塞状，换言之，液体在竖直部分30的横截面上是非湍流的，使得在沿流动路径移动的两个连续的流体元素(fluidvolume elements)之间不发生混合。竖直部分30的下端与略微倾斜的第二水平部分40结合。
在管道10的外部，至少有一个臭氧发生器70被供应诸如干燥空气、氧气或空气/氧气混合物的载气，以输出富含臭氧的载气。通过泵14从管道1的第一水平部分10中管道抽出一部分废水流10’，并进一步分成三股分流。根据废水的流量，分流与废水流的体积比为2％至30％。废水流的速度可以在0.3m/s至1.8m/s之间变化。然后通过文丘里注射器15将每股分流与富含臭氧的载气混合。每个文丘里注射器15的下游布置有注射管16。圆柱形注射管16平行布置，并且它们在管道1的竖直部分30中竖直延伸。注射管中的流体的流速约为4m/s至10m/s。每个注射管16都包含第一静态混合器17和第二静态混合器17’，第一静态混合器17紧邻地布置在文丘里注射器15的下游，第二静态混合器17’布置在更为下游的位置且紧邻地布置注射出口18的上游。静态混合器17和17’确保在出口18处得到直径约为0.8mm的期望的最大气泡尺寸。每个注射管16在其下端16’处具有一个或多个注射出口18。注射出口18以这样的方式构造，即，在每个注射出口18处，分流出的富含臭氧的废水流作为水平定向的射流25被引入到下降的竖直废水流中。注射出口18例如可以被设计成作为注射管16的喷嘴或开口。
水平定向的射流25所带来的结果是分流出的带有混合气体气泡的废水流可以几乎均匀地分布在下降的竖直废水流30’中并且被流经管道的水流夹带。这种注射方式不会干扰活塞流，并产生垂直于流动方向且覆盖管道横截面的液压防护罩。如前所述，液压防护罩是一个区域，在该区域内几乎不会出现无臭氧的废水流体元素通过主流在注射点处横截面回流的情况。在注射之后，在竖直流30’中有5％的小部分气泡可能上升。由于气泡尺寸小，因此气泡上升缓慢，气泡中包含的大部分臭氧无论如何都将溶解在废水流中，因此不会被浪费。
图2示出了本发明的第二实施例。
废水流1通过管道1供应。管道1包括第一竖直部分10，该第一竖直部分10的末端结合到水平部分30。在水平部分30中，废水流30’形成一个活塞状的连续液柱，沿流动路径移动的两个连续的流体元素之间不发生相互混合。
在管道10的外部，至少有一个臭氧发生器70，该臭氧发生器被供应诸如干燥空气、氧气或空气/氧气混合物的载气，以输出富含臭氧的载气。通过泵14从管道1的竖直部分10中抽出一部分废水流10’，并进一步分成三股分流。根据废水的流量，分流与废水流的体积比为2％至30％。然后通过文丘里注射器15将每股分流与富含臭氧的载气混合。每个文丘里注射器15的下游布置有注射管16。圆柱形注射管16平行布置，并且它们在管道1的水平部分30中水平延伸。注射管中的流体的流速约为4m/s至10m/s。每个注射管16都包含第一静态混合器17和第二静态混合器17’，第一静态混合器17紧邻地布置在文丘里注射器15的下游，第二静态混合器17’紧邻地布置在注射出口18的上游。静态混合器17和17’确保在出口18处的产生直径约为0.8mm的期望的气泡尺寸。每个注射管16在其下端16’处具有一个或多个注射出口18。注射出口18以这样的方式构造，即，分流出的富含臭氧的废水流作为竖直定向的射流25(即射流垂直于废水的流动方向)被引入到水平废水流中。注射出口18例如可以被设计成作为注射管16的喷嘴或开口。
竖直定向的射流25所带来的结果是分流出的带有混合气体气泡的废水流可以几乎均匀地分布在废水流30’中并且被流经管道的废水夹带。这种注射方式的优点在于，它不会扰动活塞流并且能够形成垂直于流动方向的液压防护罩。在注射之后，一小部分气泡可能在水平流30’中向上升高。由于气泡尺寸小，因此气泡上升缓慢，气泡中包含的大部分臭氧无论如何都将溶解在废水流中，因此不会被浪费。
或者，图2也可以被看作是从上方看的平面图，其中管道10和管道30位于同一水平面内。再者，在这种水平布置中，管道10和管道30可以以任何角度关系布置，该角度关系在设施的特定拓扑结构的限制下可能是有用的。
图3中示出了示例性注射方案。总共有9个注射管16、16′。这九个注射管中的八个注射管16靠近管道壁布置并沿管道壁周向均匀分布。一个注射管16’居中布置，其中显示出八个均匀分布的注射出口18。其他注射管16的注射出口18有的沿径向构造，有的与径向方向成大约正负60°。所有注射出口18位于与废水的流向垂直的一个平面内，以使富含臭氧的气体垂直于废水的流动方向均匀分布。
为了达到期望的均匀性，可以设想布置多个注射管和注射出口。如果水流不同于旋转对称的活塞流，则可以根据实际的水流分布来布置注射管和注射出口。
本发明基于大体垂直于废水流动方向的气体注射。优选地，该气体注射在废水的流动方向上没有速度分量。这种注射法的优点在于，它不会扰动活塞流并且能够形成垂直于流动方向的液压防护罩。由于流体不发生混合，使得流体元素与气泡具有期望的恒定接触时间，从而能够在横截面上均匀有效地处理废水。小尺寸的气泡在很多方面都是有益的；首先，小气泡在水中上升缓慢，其次，由于表面积和体积之间的有利比例，小气泡的臭氧转换效率更高。因此上升气泡中所含的臭氧很可能在到达流体表面和脱气之前就已经高效地溶解在废水流中了。
本发明提供了非常高效的臭氧溶解方法及装置，以用于将均匀浓度的臭氧引入待处理的废水流中。
虽然图1和图2的两个示例性实施例都示出了这样一个布局，即上游管道10与管道的包含有混合区域的定向部分30垂直，但应该理解，这种定向不是必要特征。管道的不同部分10、30和40的方向可以自由选择，呈任何角度关系都是可能的。因此，可以根据例如安装地点的拓扑结构来设计几何形状。

Claims (10)

1.一种用于处理主废水流（1’）的方法，所述主废水流在封闭管道（1）中流动且具有流动方向，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将液体引入至少一个预处理流（10’）中；
产生含有臭氧气体的气流；
通过气体注射器（15）将所述气流引入所述至少一个预处理流（10’）中，以产生至少一个包含臭氧载气和液体的混合相流；
使至少一个混合相流通过至少一个静态混合器（17，17’）以及与所述主废水流（1’）的竖直向下流动部分的流动方向平行布置的注射管（16），所述注射管（16）的下游端具有至少一个注射出口（18），所述注射出口（18）位于与所述流动方向垂直的平面内，所述注射管（16）至少部分地设置在所述封闭管道（1）内；
通过所述至少一个注射出口（18）沿着与所述流动方向垂直的方向将所述混合相流注射到所述主废水流（1’）的竖直向下流动部分中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理流（10’）是所述主废水流（1’）的分流部分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个注射出口（18）径向向内定向。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个注射出口（18）径向向外定向。
5.一种用于将臭氧引入废水中以进行消毒或氧化处理的装置，其特征在于，所述装置包括：
用于待处理的主废水流（1’）的封闭管道（1）；
臭氧发生器（70），其配置为输出富含臭氧的载气；
注射器（15），其配置为将至少一个预处理流（10’）与富含臭氧的载气混合，以产生混合相流；
至少一个注射管（16），平行于所述主废水流（1’）的流动方向布置，所述混合相流流经所述至少一个注射管（16），所述至少一个注射管（16）至少部分地设置在所述封闭管道（1）内，并且所述注射管（16）布置在竖直向下流动的废水中；
至少一个静态混合器（17，17’），位于所述至少一个注射管（16）内；以及
至少一个注射出口（18），位于与所述主废水流（1’）的流动方向垂直的平面中，所述注射出口（18）设置于所述至少一个注射管（16）的下游端，该注射出口构造成将所述混合相流作为垂直于所述主废水流（1’）的流动方向定向的射流（25）引入所述主废水流（1’）的竖直向下流动部分中。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个静态混合器（17，17’）确保气泡平均直径小于1mm。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述预处理流（10’）是所述主废水流（1’）的分流部分。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个注射出口（18）径向向内定向。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个注射出口（18）径向向外定向。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，设置有至少一个第一注射管（16）和至少一个第二注射管（16’），所述第一注射管的注射出口（18）相对于所述流动方向径向向内定向，所述第二注射管的注射出口（18）相对于所述流动方向径向向外定向。
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