CN110776085A

CN110776085A - 一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统

Info

Publication number: CN110776085A
Application number: CN201911143900.0A
Authority: CN
Inventors: 孙文全; 徐昊; 孙永军; 周俊; 王英琨; 李帅
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: CN110776085B

Abstract

本发明公开了一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，包括预混系统和超重力氧化系统，预混系统包括用于形成微气泡的气液混合物的臭氧气泡纳米化装置，臭氧气泡纳米化装置分别通过管道与臭氧发生器和尾气利用装置相连；超重力氧化系统包括同轴设置的外筒反应槽和内筒反应槽，内筒反应槽内还设置有水力旋流器和超声发生装置。本发明利用微气泡类催化效应联合管式旋流、环流混合技术，产生的臭氧气泡小，极大地强化了臭氧传质效率，促进了有机污染物、催化剂和臭氧的接触效率，反应更彻底，臭氧利用率高。超声波发生装置的设置保持流道表面光滑，减小水流的阻力和水头损失。使本发明对含酚高浓度有机废水的去除效果好。

Description

一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统

技术领域

本发明涉及水处理设备技术领域，特别的涉及一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统。

背景技术

目前我国的工业技术正处于飞速发展阶段，工业排放废水污染日益严重，污染类型呈现有机、有毒、有害化，水体中污染物的种类及数目不断增多，化工废水水量大、水质复杂，含有大量酚类、含氮/氧/硫的杂环/芳香环有机物、多环芳烃、氰等有毒有害物质。化工废水经过传统物化预处理和生化处理后，往往难以达到相应废水排放标准，仍属于典型有毒有害生物难降解工业废水，成为化工行业发展的制约性问题。因此，对化工废水生化出水进行深度处理，进一步去除难降解有毒有害污染物，对于减轻化工废水的环境危害极为必要。

国内外在难降解有机污染废水处理方面开展了较多的研究，高级氧化技术（AOP）以其巨大的潜力以及独特的优势在过去二十多年中脱颖而出。与其它传统水处理方法相比，AOP技术是自由基链反应，具有反应时间短、反应速度快、过程可以控制且无选择性等优点，能将多种有机污染物全部降解，不产生二次污染。双氧水和臭氧是常用的AOP氧化剂。双氧水通过Fenton法生成羟基自由基，但所使用的均相催化剂存在使用药剂多，回收困难等问题，易造成二次污染。臭氧催化氧化技术通过加入催化剂催化臭氧在反应过程中产生大量羟基自由基，可在常温常压下将那些难以用臭氧单独氧化或降解的有机物氧化从而净化水质。因此，臭氧催化氧化技术作为近年来备受关注的高级氧化技术中的一种，已被众多行业工作者和科研工作者广泛研究。

发明专利CN201910679624.3公开了一种多级式臭氧氧化催化器，包括串联连接的第一反应器以及第二反应器，第一反应器与第二反应器之间设置有使其进行混料连接的输送管路，第一反应器内由上而下包括臭氧催化预处理单元、生物处理单元和臭氧催化脱色单元，臭氧催化预处理单元包括顺序连接的用于去除有机物的化学混凝池、过滤絮状物和漂浮物的多级过滤装置和臭氧氧化池，臭氧催化脱色单元包括自下而上依次设置的臭氧发生装置、输送管路、一级混合器、二级混合器、投放器和催化池。但不足之处是臭氧在水中的溶解度不高、氧化效率低。近年来超声波与臭氧催化氧化的组合工艺作为一项新型的环境治理技术逐渐发展起来。超声波通过激活液体中的微小气核，在极短的时间内，在其周围产生高温和高压，使得一些强结合力的化学键也能被打开，大大提升了降解化学污染物的能力，尤其是对难降解的有机污染物。如发明专利CN201510442065.6公开了一种臭氧氧化反应器，包括罐体和与罐体连通的进水管路，进水管路上设有进水口和臭氧进气口，臭氧进气口中通有臭氧，进水管路内设置有使水与臭氧发生水力空化作用的水力空化装置；罐体中设有使水与臭氧发生超声空化的超声波振荡器，超声波振荡器与超声波发生器连接；罐体的空腔内填充满激发臭氧产生羟基自由基的催化剂。发明专利CN201510128255.0公开了臭氧氧化与气浮组合处理系统及工艺，该系统包括反应罐、气液混合器、催化剂加入装置和旋流气浮罐，气液混合器将含臭氧气体和污水混合成含微气泡气液混合液后送入反应罐中，反应罐内设有至少一个超声波空化装置，催化剂加入装置用于将催化剂与臭氧、污水一起送入反应罐中，然后在超声波空化作用下进行催化氧化反应，旋流气浮罐中央竖直设有导流管，导流管上端开口，下端贯穿旋流气浮罐底部，旋流气浮罐底部还设有污水出口，导流管底部装有涡流板，旋流气浮罐连通于反应罐，用于使经反应罐中反应的气液混合液在旋流作用下继续反应以及经过浮洗分离处理。但上述方法存在成本较高、处理量有限，不适合长期工作，处理一些可能产生有毒中间体的有机物的效果较差，且一些反应器的臭氧传质效率低，臭氧利用率低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，解决现有臭氧催化装置仍存在臭氧利用率低、处理量有限、能耗相对较高、对有机污染物矿化程度低以及反应效率低等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，包括预混系统和超重力氧化系统，所述预混系统包括用于将废水和臭氧充分混合，并形成微气泡的气液混合物的臭氧气泡纳米化装置，所述臭氧气泡纳米化装置分别通过管道与臭氧发生器和尾气利用装置相连；所述超重力氧化系统包括同轴设置的外筒反应槽和内筒反应槽，且所述内筒反应槽位于外筒反应槽内，所述内筒反应槽内还设置有水力旋流器和超声发生装置，所述臭氧气泡纳米化装置的出水口通过管道与内筒反应槽底部设置的进液口相连；所述外筒反应槽的顶端设置有排水口和排气口，所述外筒反应槽的侧面设置有溢流口，所述排气口通过排气管依次与尾气回收装置和尾气利用装置相连接，所述溢流口通过管道与尾气利用装置相连接。上述装置中的管道或排气管上均设置有单向控制阀，避免气体或液体发生倒流现象。所述尾气利用装置为气泡乳化纳米装置，可以将气体分割成微米级别的气泡，使尾气和废水充分混合。

采用上述结构，超声波发生装置主要的作用是用于清洗超重力氧化系统内部内壁粘附的有机物。由于处理的对象煤化工行业的含酚高浓度有机废水，废水中高浓度有机物的大分子在处理过程中会粘附在臭氧反应器内部边壁，通过超声波清洗作用有有效清理反应器内部边壁，保持流道表面光滑，减小水流的阻力和水头损失。超重力氧化系统可以通过内筒反应槽旋转形成离心力而产生旋流，并且内、外筒反应槽之间也会产生环流，实现臭氧在内部继续循环再利用，增加水力停留时间和水力负荷。尾气和未彻底反应的废水可以通过尾气利用装置将其与废水原水进行混合，进而进行初次的气泡乳化，强化废水在进入超重力氧化器之前的预处理。

作为优选的，所述超声发生装置包括相互连接的超声波换能器和超声波发生器，所述超声波换能器设置在所述内筒反应槽壁上；所述内筒反应槽的正上方还设置有挡板，使通过水力旋流器进入超声波反应器的废水不会产生飞溅等现象，平稳流入外筒反应槽。

作为优选的，所述超声波换能器的频率设定为10~1000kHz，功率为0.1KW~10KW，超声波的处理时间为10min~2h。

作为优选的，所述超重力氧化系统的水力停留时间为5~30min；所述内筒反应槽的流量为0.1~5L/s，上升流速为0.5~3m/s；所述外筒反应槽的流量为0.1~5L/s，上升流速为0.2~2m/s。

作为优选的，所述水力旋流器的倾斜角度为30~75°，旋转速度为5~12m/s，旋流流速为3~8m/s，上升流速为1~3m/s。

作为优选的，所述臭氧发生器产生臭氧浓度为1g/L~4g/L，通气量为5~100mL/min，臭氧产量为0.5~5g/h；所述臭氧发生器为氧气源臭氧发生器。

作为优选的，所述超重力氧化系统的进水流量为0.1~5L/s，回流流量为0.01~3L/s，回流比为10%~60%。

作为优选的，所述臭氧气泡纳米化装置的出水流速为1~10m/s，所述微气泡的直径为0.1~1mm。

作为优选的，所述排气口的流量为0.02~0.3mL/s，溢流口的流量为10~100mL/s，气液比为(0.02~0.30):10。

作为优选的，所述尾气利用装置的进水口通过管道与废水相连，所述管道上还设置有增压泵。

本发明还提供了上述超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统在处理含酚高浓度有机废水方面的应用。

附图说明

图1为本发明臭氧氧化废水深度处理系统的结构示意图。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用微气泡类催化效应和超声波催化效应增强氧化能力，且联合管式旋流和环流混合技术，产生的臭氧气泡小，极大地强化了臭氧传质效率，提高了臭氧利用率，促进了有机污染物、催化剂和臭氧的接触效率，臭氧反应更彻底，进而提高了有机污染物的去除率，显著改善了废水可生化性。还有效减少污染物在反应器内壁的粘附，同时通过臭氧氧化进一步强化气浮的效果，能够有效去除常规气浮法难以降解的有机化合物。从而解决了传统臭氧催化氧化技术臭氧利用率低、催化活性低和对有机污染物矿化程度低等问题。

2、本发明的系统能耗低且结构简单紧凑，投资费用低，操作简便，COD去除率效率高，尾气和未彻底反应的污水通过气泡乳化纳米化装置可以与废水原水进行混合，进而进行初次的预氧化，强化废水在进入臭氧气泡纳米化装置之前的预处理，基本达到了零废气废液的排放，降低了处理费用，也无二次污染，本发明具有去除煤化工、制药、印染等行业废水中高浓度有机物污染物的突出效果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

具体实施时：如图1所示，一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，包括预混系统和超重力氧化系统1，所述预混系统包括用于将废水和臭氧充分混合，并形成微气泡的气液混合物的臭氧气泡纳米化装置2，所述臭氧气泡纳米化装置2分别通过管道与臭氧发生器3和尾气利用装置4相连；所述超重力氧化系统1包括同轴设置的外筒反应槽5和内筒反应槽6，且所述内筒反应槽6位于外筒反应槽5底部，所述内筒反应槽6内还设置有水力旋流器7和超声发生装置，所述臭氧气泡纳米化装置2的出水口通过管道与内筒反应槽底部设置的进液口8相连；所述外筒反应槽的顶端设置有排水口9和排气口10，所述外筒反应槽的侧面设置有溢流口11，所述排气口10通过排气管依次与尾气回收装置12和尾气利用装置4相连接，所述溢流口11通过管道与尾气利用装置4相连接。

实施时，所述超声发生装置包括相互连接的超声波换能器13和超声波发生器14，所述超声波换能器13设置在所述内筒反应槽壁上；所述内筒反应槽的正上方还设置有挡板15。

实施时，所述尾气利用装置4的进水口通过管道与废水相连，所述管道上还设置有增压泵16。

采用上述超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统对煤化工有机废水进行处理：

1）将COD浓度为3680mg/L，总酚浓度为550 mg/L的某工业废水经进增压泵进入尾气利用装置，与加入催化剂混合后，再进入臭氧气泡纳米化装置，含臭氧气体形成大量微小气泡，形成气液混合物，其中，臭氧发生器为氧气源臭氧发生器，臭氧浓度为1mg/L，臭氧进气量为5mL/min，臭氧产量为1g/h。

2）步骤2）形成的气液混合物经管道从内筒反应槽的底部进入超重力氧化系统，经水力旋流器的作用下，气液混合物形成自下而上的旋流，随着废水的增加，废水会由内筒反应槽进入外筒反应槽，反应系统的内、外筒反应槽之间也会产生环流，实现臭氧在内部继续循环再利用，从而大大的增加了臭氧与废水的接触面积，极大的提高了臭氧的传质效果，提高了溶气气浮效果，提升了臭氧的利用效率，同时增加水力停留时间和水力负荷。在超声波的作用下，避免超重力氧化系统内部内壁粘附有机物，保持流道表面光滑，减小水流的阻力和水头损失。其中，水力旋流器的倾斜角度为30°，旋转速度为6m/s，超声波频率为100kHz，超声波的功率为0.2KW，超声波的处理时间为2h，所述臭氧气泡纳米化装置的出水流速为3m/s。

3）将超重力氧化系统处理好的水体通过排水口收集；超重力氧化系统内未反应臭氧气体通过排气口部分进入尾气回收装置，另一部分重新回到尾气利用装置被循环利用；超重力氧化系统内未反应彻底废水可以通过溢流口再次进入尾气利用装置被循环利用，这样，尾气利用装置就是气泡乳化纳米装置，将气体分割成微米级别的气泡，与废水进行初次的预氧化。其中，超重力氧化系统的进水流量为3L/s，回流流量为1.5L/s，回流比为40%。排气口的流量为0.2mL/s，溢流口的流量为100mL/s，气液比为0.02:10。

实施例2

同实施例1，仅以下参数不同：臭氧发生器为氧气源臭氧发生器，臭氧浓度为4mg/L，臭氧进气量为80mL/min，臭氧产量为5g/h，水力旋流器的倾斜角度为45°，旋转速度为10m/s，超声波频率为1000kHz，超声波的功率为0.8KW，超声波的处理时间为1h，气液混合液进水流速为1m/s。

实施例3

同实施例1，仅以下参数不同：臭氧发生器为氧气源臭氧发生器，臭氧浓度为2mg/L，臭氧进气量为20mL/min，臭氧产量为3g/h，水力旋流器的倾斜角度为60°，旋转速度为7m/s，超声波频率为8000kHz，超声波的功率为0.5KW，超声波的处理时间为0.5h，气液混合液进水流速为8m/s。

实施例4

同实施例1，仅以下参数不同：臭氧发生器为氧气源臭氧发生器，臭氧浓度为3mg/L，臭氧进气量为100mL/min，臭氧产量为2g/h，水力旋流器的倾斜角度为75°，旋转速度为10m/s，超声波频率为2000kHz，超声波的功率为0.1KW，超声波的处理时间为1.5h，气液混合液进水流速为10m/s，测得对废水中有机物去除效果如表所示。

实施例5

同实施例1，仅以下参数不同：臭氧发生器为氧气源臭氧发生器，臭氧浓度为4mg/L，臭氧进气量为40mL/min，臭氧产量为4g/h，水力旋流器的倾斜角度为35°，旋转速度为6m/s，超声波频率为5000kHz，超声波的功率为0.8KW，超声波的处理时间为1h，气液混合液进水流速为7m/s。

实施例6

同实施例1，仅以下参数不同：臭氧发生器为氧气源臭氧发生器，臭氧浓度为1mg/L，臭氧进气量为10mL/min，臭氧产量为2g/h，水力旋流器的倾斜角度为55°，旋转速度为9m/s，超声波频率为8000kHz，超声波的功率为1KW，超声波的处理时间为2h，气液混合液进水流速为7m/s。

分别收集实施例1~6处理系统排水口处的出水，然后对出水进行检测，得出对废水中有机物的去除率，结果如表1所示。

表1

产品	COD的去除率（%）	总酚的去除率（%）
			实施例1	74.4%	72.8%
实施例2	83.9%	79.2%
			实施例3	79.3%	88.5%
实施例4	80.1%	86.3%
			实施例5	80.7%	90.1%
实施例6	76.9%	89.7%

从表1可以看出，本发明对于高浓度有机废水和酚的处理效果好，去除率高，无二次污染，经多次使用超重力氧化系统的内壁中均无有机物的粘附，从而不会影响有机物的去除率。本发明可有效解决煤化工、制药、印染及相关行业难处理污水的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，包括预混系统和超重力氧化系统，所述预混系统包括用于将废水和臭氧充分混合，并形成微气泡的气液混合物的臭氧气泡纳米化装置，所述臭氧气泡纳米化装置分别通过管道与臭氧发生器和尾气利用装置相连；所述超重力氧化系统包括同轴设置的外筒反应槽和内筒反应槽，且所述内筒反应槽位于外筒反应槽底部，所述内筒反应槽内还设置有水力旋流器和超声发生装置，所述臭氧气泡纳米化装置的出水口通过管道与内筒反应槽底部设置的进液口相连；所述外筒反应槽的顶端设置有排水口和排气口，所述外筒反应槽的侧面设置有溢流口，所述排气口通过排气管依次与尾气回收装置和尾气利用装置相连接，所述溢流口通过管道与尾气利用装置相连接。

2.根据权利要求1所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述超声发生装置包括相互连接的超声波换能器和超声波发生器，所述超声波换能器设置在所述内筒反应槽壁上；所述内筒反应槽的正上方还设置有挡板。

3.根据权利要求2所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述超声波换能器的频率设定为10~1000kHz，功率为0.1KW~10KW，超声波的处理时间为10min~2h。

4.根据权利要求1所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述超重力氧化系统的水力停留时间为5~30min；所述内筒反应槽的流量为0.1~5L/s，上升流速为0.5~3m/s；所述外筒反应槽的流量为0.1~5L/s，上升流速为0.2~2m/s。

5.根据权利要求1所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述水力旋流器的倾斜角度为30~75°，旋转速度为5~12m/s，旋流流速为3~8m/s，上升流速为1~3m/s。

6.根据权利要求1所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述臭氧发生器产生臭氧浓度为1g/L~4g/L，通气量为5~100mL/min，臭氧产量为0.5~5g/h；所述臭氧发生器为氧气源臭氧发生器。

7.根据权利要求1所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述超重力氧化系统的进水流量为0.1~5L/s，回流流量为0.01~3L/s，回流比为10%~60%。

8.根据权利要求1所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述臭氧气泡纳米化装置的出水流速为1~10m/s，所述微气泡的直径为0.1~1mm。

9.根据权利要求1所述一种超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统，其特征在于，所述排气口的流量为0.02~0.3mL/s，溢流口的流量为10~100mL/s，气液比为 (0.02~0.30):10；所述尾气利用装置的进水口通过管道与废水相连，所述管道上还设置有增压泵。

10.一种如权利要求1~9任一项所述超重力旋流微气泡臭氧氧化废水深度处理系统在处理含酚高浓度有机废水方面的应用。