CN111960524B - 一种双（或三）层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置和制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双(或三)层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，包括：电源、超声源、原水箱、催化氧化塔、反洗风机、臭氧发生器、清水箱和尾气破坏器；所述超声源接入电源；所述催化氧化塔包括上层填料层和下层填料层，上层填料层和下层填料层中间设有中部进排水装置；二次布水装置位于二次布水盘承托层上。本发明的有益效果是：由于停留时间对催化氧化去除率影响很大，本发明氧化塔单层催化填料层的高度因反洗需要未设计太高，否则需要配备超大流量反洗泵，造成反洗对设备内件的频繁冲击损坏；本发明的设计对设备安全有利；同时因为本发明经过二次布水，可以避免单层催化剂的偏流，确保每层催化剂最大程度发挥功效。
Description
技术领域
本发明属于难处理有机废水的处理技术领域，尤其涉及一种双(或三)层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置和制作方法。
背景技术
化工、医药、印染行业产生的难降解的有机废水处理一直是废水处理的一大难点，臭氧催化氧化是高级氧化技术AOPs的一项新型技术，而催化氧化塔的设计是实现臭氧催化氧化的关键，目前还没有相关设计规范和标准，急需设计高效的异相催化氧化塔。
要保证催化氧化塔有一定高的有机物去除率，必须保证催化氧化塔有足够的水力停留时间，双层催化氧化塔既具有单塔的优势，造价省，占地面积小，操作方便，又具有双塔(多塔)串联停留时间的保证，因此多层(2～3层)催化氧化塔可以同时满足上述需要。同时双层催化氧化塔还可以分上(中)下两层装填不同类型的催化剂，可以兼顾不同类型催化剂的长处，规避不同类型催化剂的短处，更好组合催化氧化降解有机物。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种双(或三)层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置和制作方法。
这种双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，包括：电源、超声源、原水箱、催化氧化塔、反洗风机、臭氧发生器、清水箱和尾气破坏器；所述超声源接入电源；所述催化氧化塔包括上层填料层和下层填料层，上层填料层和下层填料层中间设有中部进排水装置；二次布水装置位于二次布水盘承托层上，二次布水装置位于上层填料层底部；
所述中部进排水装置为鱼骨型结构，外加平行于主管路的多根平行的槽钢；中部进排水装置包括中部进水装置和中部排水装置；中部进排水装置上部布置有反冲洗中排装置，反冲洗中排装置位于二次布水盘承托层下方；中部排水装置上部对称布置多组超声换能器，超声源连接超声换能器；下层填料层底部设有一次布水承托层，一次布水承托层上设有一次布水装置；下层填料层下方连接下部空室，下部空室内设有静态混合器，下部空室上部设有反冲洗进水装置；反冲洗中排装置连接反冲洗进水装置；连接反冲洗中排装置和反冲洗进水装置的管道上连接反洗风机和反洗水泵，反洗水泵连接清水箱；
原水箱连接给水泵，给水泵连接下部空室；循环泵接入下层填料层底部，循环泵连接下部空室外的射流器，射流器连接静态混合器，臭氧发生器连接射流器；
所述催化氧化塔上部设有出水装置，催化氧化塔上部还设有双向呼吸阀，双向呼吸阀连接尾气破坏器(臭氧破坏器)；反洗风机连接尾气破坏器(臭氧破坏器)。
作为优选，所述一次布水承托层和二次布水盘承托层均为多孔板，所述一次布水装置和二次布水装置均为不锈钢梯形绕丝水帽，水帽绕丝间隙根据催化剂最小粒径确定，不锈钢梯形绕丝水帽安装于多孔板上。
作为优选，所述反冲洗中排装置和反冲洗进水装置共用反洗水泵。
作为优选，所述催化氧化塔上部的出水装置还作为反冲洗的排水装置。
这种三层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，如所述双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，催化剂填料分三层填装在催化氧化塔的上中下三层。
这种双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置的制作方法，包括如下步骤：
步骤1、根据催化氧化塔进水COD指标和出水COD指标，计算出催化剂实际接触水力停留时间，再计算总的催化剂总量，最后得出催化氧化塔两层填料层的总高度；
步骤2、根据两层填料层的总高度布置上层填料层和下层填料层，在催化氧化塔顶部布置出水装置和双向呼吸阀，将双向呼吸阀接入尾气破坏器；布置位于催化氧化塔底部的下部空室；
步骤3、在上层填料层底部设置布水装置二次布水盘承托层和二次布水装置，在下层填料层底部设置一次布水承托层和一次布水装置，在二次布水盘承托层下方布置反冲洗中排装置；在上层填料层和下层填料层之间布置中部进排水装置，中部进排水装置包括中部进水装置和中部排水装置；在中部排水装置上部对称布置多组超声换能器，并将所有超声换能器接入超声源，将超声源和电源电连接；将对应的催化剂分别填充入上层填料层和下层填料层，将清水箱接入反洗水泵，下层填料层接入反洗水泵的管路；将下层填料层接入反洗风机的风道，将反洗风机的风道接入尾气破坏器；
步骤4、在下部空室上部布置反冲洗进水装置，将反冲洗中排装置和反冲洗进水装置均接入共用的反洗水泵；在下部空室内设置静态混合器，将臭氧发生器接入射流器，将给水泵、射流器均接入静态混合器，将循环泵接入下层填料层底部；将原水箱接入给水泵，给水泵接入下部空室；
步骤5、根据上层催化剂的反洗强度设计要求，设计中部进水装置的通流面积；根据下部催化剂的反洗强度设计要求，设计中部排水装置的排水量；根据催化剂最小粒径确定布水装置上梯形绕丝水帽之间的间隙宽度。
本发明的有益效果是：由于停留时间对催化氧化去除率影响很大，本发明氧化塔单层催化填料层的高度因反洗需要未设计太高，否则需要配备超大流量反洗泵，造成反洗对设备内件的频繁冲击损坏；本发明的设计对设备安全有利；同时因为本发明经过二次布水，可以避免单层催化剂的偏流，确保每层催化剂最大程度发挥功效。
附图说明
图1为双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置的示意图；
图2为中排/中进装置示意图；
图3和图4为羟基自由基去氧化有机物作用机理图。
附图标记说明：给水泵1、循环泵2、射流器3、一次布水承托层4、静态混合器5、中部进排水装置6、二次布水盘承托层7、反洗风机8、反洗水泵9、反冲洗中排装置10、槽钢11、上层填料层12、催化氧化塔13、二次布水装置14、反冲洗进水装置15、一次布水装置16、下层填料层17、下部空室18。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明设计了一种双层超声辅助空化催化氧化塔，(三层超声辅助空化催化氧化塔结构类推，在此不做详述)，即：催化剂填料分双层填装在一个催化氧化塔的上下两层，两层填料层中间设置中部排水装置和催化剂承托板兼二次布水装置，还布置有反洗排水阀用于下层催化剂的反冲洗中排装置，反冲洗排水装置布置在中间隔层的最上部位，中间层四周布置超声换能器，通过超声空化使臭氧气泡爆裂产生自由基对废水中有机物进行预氧化降解。下层催化填料层底部也设有多孔板布置梯形绕丝水帽布水装置。下层装填铝基催化剂，下层催化剂带有反洗水泵和反洗风机；上层催化剂既可以装填碳基催化剂，又可以装填铝基催化剂，两层催化剂填料的高度比(如3：2、2：1、4：3、1：1等，根据出水要求确定)，废水总停留时间根据出水要求保证在15、20、25min及以上。下层催化剂填料层下部空室为催化氧化塔的进水与臭氧的混合区，催化氧化塔通过再循环泵，经水射器，抽吸臭氧混合后，经过在混合室(下部空室底部的一个静态混合器)与进水二次混合(臭氧气体通过射流的空化作用溶解在水中再与进入的废水进行再次混合的过程)后，再进入第一层催化剂进行催化氧化降解，出水进入中间的多孔板水帽出水区域，经过二次超声空化后继续进入第二层催化填料层进行催化氧化，水吸附在金属氧化物催化剂的活性位点上(Lewis酸位)形成配位，依靠金属氧化物的催化作用，将臭氧分解产生羟基自由基，由羟基自由基去氧化有机物作用机理如图3所示；对吸附容量大的催化剂，有机物还会被吸附在催化剂的表面，形成具有一定亲核性的有机螯合物，然后在羟基自由基作用下发生氧化还原反应得到降解。最后经过塔上部的出水装置出水。塔上部还设有双向呼吸阀用于排除多余的臭氧气体到臭氧破坏器，出水装置还可以作为反冲洗的排水装置。两层催化填料均配备了反洗泵和反洗风机，双层布水装置均为多孔板配不锈钢梯形绕丝水帽。
实施例1：
如图1所示，一种双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置包括：电源、超声源、原水箱、催化氧化塔13、反洗风机8、臭氧发生器、清水箱和尾气破坏器；所述超声源接入电源；所述催化氧化塔13包括上层填料层12和下层填料层17，上层填料层12和下层填料层17中间设有中部进排水装置6；二次布水装置14位于二次布水盘承托层7上，二次布水装置14位于上层填料层12底部；所述中部进排水装置6为鱼骨型结构，外加平行于主管路的多根平行的槽钢11(如图2所示)；中部进排水装置6包括中部进水装置和中部排水装置；中部进排水装置6上部布置有反冲洗中排装置10，反冲洗中排装置10位于二次布水盘承托层7下方；中部排水装置上部对称布置多组超声换能器，超声源连接超声换能器；下层填料层17底部设有一次布水承托层4，一次布水承托层4上设有一次布水装置16；一次布水承托层4和二次布水盘承托层7均为多孔板；一次布水装置16和二次布水装置14均为不锈钢梯形绕丝水帽；下层填料层17下方连接下部空室18，下部空室18内设有静态混合器5，下部空室18上部设有反冲洗进水装置15；反冲洗中排装置10连接反冲洗进水装置15；连接反冲洗中排装置10和反冲洗进水装置15的管道上连接反洗风机8和反洗水泵9，反冲洗中排装置10和反冲洗进水装置15共用反洗水泵；反洗水泵9连接清水箱；原水箱连接给水泵1，给水泵1连接下部空室18；循环泵2接入下层填料层17底部，循环泵2连接下部空室18外的射流器3，射流器3连接静态混合器5，臭氧发生器连接射流器3；所述催化氧化塔13上部设有出水装置，出水装置还作为反冲洗的排水装置，催化氧化塔13上部还设有双向呼吸阀，双向呼吸阀连接尾气破坏器；反洗风机8连接尾气破坏器。
实施例2：
例如：以一台处理能力100m3/h的催化氧化塔来设计为例，根据其进水COD指标和出水COD的要求，可以通过中试或小试计算出其需要的催化剂实际接触水力停留时间HRT，假设为20min，再计算确定总的催化剂总量V，一般设计直径3～4米，取值直径为4米后，可以计算出催化剂填料层总高度H＝5.25米，分为两层，底层高H1＝2.8米，上层H2＝2.45米。底部设置布水装置，中间设置进水和排水装置，中排上部设计有第二层的承托层，承托层和布水装置为多孔板布置梯形绕丝水帽，水帽绕丝间隙根据催化剂最小粒径确定(如为小于3mm)，水帽数量根据塔体总的通流面积计算配备。中间设置进水和排水装置，中排装置与中部进水装置合二为一，中部进水是为了上层催化剂的反洗，需要根据反洗强度的设计要求，设计通流面积，中部排水是为了下部催化剂的反洗排水，排水量根据设计的反洗强度计算得到，中排为鱼骨型结构，并外加平行于主管路的四根平行的槽钢加强筋(防震作用)。塔中排上部布置对称两组超声换能器(频率和功率根据试验确定)。上下两层催化剂的反洗水泵共用，上下两层催化剂轮流反洗，上下两层催化剂可以填充一样的铝基催化剂，也可以填充不一样的，上层填充碳基催化剂，下层填充铝基催化剂。优于碳基催化剂易碎，上下两层催化剂的反冲洗的频率和强度可以单独根据需要设置不一样。
超声辅助双层催化氧化塔的优点在于：1、可以满足大流量处理时，单层床催化剂填料层过高，导致的反洗水泵流量过大，塔内件承受反洗冲击力大易损坏的问题。分为两层后可以共用反洗水泵和反洗风机，反洗水泵和风机都不必配大泵。2、上下两层可以分别装填不同类的催化剂，兼顾不同类催化剂的优缺点，扬长避短，使效果最大化。也避免单层过重压垮底部承托层。
射流器采用射流曝气的方式，既可以通过水力空化作用使臭氧气泡破碎成小气泡，也强化了气液混合，同时还有水力空化产生的自由基，设置循环水泵抽吸臭氧，混合水进入塔底部的静态混合器与废水的进水二次混合，进入塔体，确保气液的充分混合反应。循环泵的流量确定根据试验得到的最佳催化氧化O3/液比和射流器的性能参数推算获得。超声辅助可以在中排部位再次对臭氧进行超声空化活化，促进臭氧和水产生自由基，对下层催化剂难以降解的有机物进行断链，为下一步进入上层催化氧化区彻底降解矿化起到预处理的作用。
1m3/h的中试装置，非层塔，但可以串联运行，经过中试发现设计双层床更经济和效果好。
Claims (4)
1.一种双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，其特征在于，包括：电源、超声源、原水箱、催化氧化塔(13)、反洗风机(8)、臭氧发生器、清水箱和尾气破坏器；所述超声源接入电源；所述催化氧化塔(13)包括上层填料层(12)和下层填料层(17)，上层填料层(12)和下层填料层(17)中间设有中部进排水装置(6)；二次布水装置(14)位于二次布水盘承托层(7)上，二次布水装置(14)位于上层填料层(12)底部；
所述中部进排水装置(6)为鱼骨型结构，外加平行于主管路的多根平行的槽钢(11)；中部进排水装置(6)包括中部进水装置和中部排水装置；中部进排水装置(6)上部布置有反冲洗中排装置(10)，反冲洗中排装置(10)位于二次布水盘承托层(7)下方；中部排水装置上部对称布置多组超声换能器，超声源连接超声换能器；下层填料层(17)底部设有一次布水承托层(4)，一次布水承托层(4)上设有一次布水装置(16)；下层填料层(17)下方连接下部空室(18)，下部空室(18)内设有静态混合器(5)，下部空室(18)上部设有反冲洗进水装置(15)；反冲洗中排装置(10)连接反冲洗进水装置(15)；连接反冲洗中排装置(10)和反冲洗进水装置(15)的管道上连接反洗风机(8)和反洗水泵(9)，反洗水泵(9)连接清水箱；
原水箱连接给水泵(1)，给水泵(1)连接下部空室(18)；循环泵(2)接入下层填料层(17)底部，循环泵(2)连接下部空室(18)外的射流器(3)，射流器(3)连接静态混合器(5)，臭氧发生器连接射流器(3)；
所述催化氧化塔(13)上部设有出水装置，催化氧化塔(13)上部还设有双向呼吸阀，双向呼吸阀连接尾气破坏器；反洗风机(8)连接尾气破坏器；
射流器(3)采用射流曝气的方式，通过水力空化作用使臭氧气泡破碎；超声辅助在中排部位再次对臭氧进行超声空化活化，促进臭氧和水产生自由基，对下层催化剂难以降解的有机物进行断链；
所述一次布水承托层(4)和二次布水盘承托层(7)均为多孔板；一次布水装置(16)和二次布水装置(14)均为不锈钢梯形绕丝水帽，不锈钢梯形绕丝水帽安装于多孔板上；
所述反冲洗中排装置(10)和反冲洗进水装置(15)共用反洗水泵。
2.根据权利要求1所述双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，其特征在于：所述催化氧化塔(13)上部的出水装置还作为反冲洗的排水装置。
3.一种三层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，其特征在于：如权利要求1所述双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置，催化剂填料分三层填装在催化氧化塔的上中下三层。
4.一种如权利要求1所述双层超声辅助空化的臭氧异相催化氧化废水处理装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据催化氧化塔(13)进水COD指标和出水COD指标，计算出催化剂实际接触催化剂水力停留时间，再计算总的催化剂总量，最后得出催化氧化塔(13)两层填料层的总高度；
步骤2、根据两层填料层的总高度布置上层填料层(12)和下层填料层(17)，在催化氧化塔(13)顶部布置出水装置和双向呼吸阀，将双向呼吸阀接入尾气破坏器；布置位于催化氧化塔(13)底部的下部空室(18)；
步骤3、在上层填料层(12)底部设置布水装置二次布水盘承托层(7)和二次布水装置(14)，在下层填料层(17)底部设置一次布水承托层(4)和一次布水装置(16)，在二次布水盘承托层(7)下方布置反冲洗中排装置(10)；在上层填料层(12)和下层填料层(17)之间布置中部进排水装置(6)，中部进排水装置(6)包括中部进水装置和中部排水装置；在中部排水装置上部对称布置多组超声换能器，并将所有超声换能器接入超声源，将超声源和电源电连接；将对应的催化剂分别填充入上层填料层(12)和下层填料层(17)，将清水箱接入反洗水泵(9)，下层填料层(17)接入反洗水泵(9)的管路；将下层填料层(17)接入反洗风机(8)的风道，将反洗风机(8)的风道接入尾气破坏器；
步骤4、在下部空室(18)上部布置反冲洗进水装置(15)，将反冲洗中排装置(10)和反冲洗进水装置(15)均接入共用的反洗水泵；在下部空室(18)内设置静态混合器(5)，将臭氧发生器接入射流器(3)，将给水泵(1)、射流器(3)均接入静态混合器(5)，将循环泵(2)接入下层填料层(17)底部；将原水箱接入给水泵(1)，给水泵(1)接入下部空室(18)；
步骤5、根据上层催化剂的反洗强度设计要求，设计中部进水装置的通流面积；根据下部催化剂的反洗强度设计要求，设计中排水装置的排水量；根据催化剂最小粒径确定布水装置上梯形绕丝水帽之间的间隙宽度。
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