CN112919610A - 用于催化氧化的流化床反应器和催化剂单元 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于催化氧化的流化床反应器和催化剂单元。流化床反应器，包括进水口和进气口；氧化池，包括容纳废水的内腔；分隔件，沿竖直方向设置于氧化池的内腔中，并将内腔分隔为催化氧化反应区和出水区，分隔件与内腔的底表面之间形成有连通催化氧化反应区和出水区的通道，进水口和进气口位于催化氧化反应区并与内腔连通；以及流态化动力供给单元，设置在催化氧化反应区的远离分隔件的位置处，用于向氧化池内吹入搅拌气体。本公开通过单侧曝气搅拌的方式提供搅拌动力，并形成循环搅拌，动力消耗小。

Description

用于催化氧化的流化床反应器和催化剂单元

技术领域

本公开涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种用于催化氧化的流化床反应器和催化剂单元。

背景技术

废水中的难降解物质直接决定了污水处理厂的达标排放和稳定运行，因此，难降解工业废水的深度处理以及市政污水提标改造的需求日益迫切。传统的生化处理方法对于工业废水中的有毒有害等难降解物质无法有效去除，高级氧化工艺相比于传统的生化处理方法具有效率高、处理程度深等优点。目前，污水处理行业所采用的高级氧化工艺以臭氧催化氧化为主，但在传统的臭氧催化氧化工艺中，臭氧进入池体后经过催化剂层后会继续上升，大量臭氧经过催化剂层后只能和污水实现接触氧化，利用自身的氧化性分解污水中的COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)，臭氧的损耗大，利用率低，尾气中的臭氧浓度高，污染环境，为了保证COD的去除效率，催化剂的用量以及臭氧的投加量需提高，成本高。

发明内容

本公开的目的之一在于提供一种用于催化氧化的流化床反应器，通过单侧曝气搅拌的方式提供搅拌动力，并形成循环搅拌，动力消耗小。

根据本公开的一方面，提供一种用于催化氧化的流化床反应器，包括进水口和进气口，流化床反应器包括：氧化池，包括容纳废水的内腔；分隔件，沿竖直方向设置于氧化池的内腔中，并将内腔分隔为催化氧化反应区和出水区，分隔件与内腔的底表面之间形成有连通催化氧化反应区和出水区的通道，进水口和进气口位于催化氧化反应区并与内腔连通；以及流态化动力供给单元，设置在催化氧化反应区的远离分隔件的位置处，用于向氧化池内吹入搅拌气体。

根据本公开的实施例，流化床反应器还可以包括：多个催化剂单元，置于催化氧化反应区中，每个催化剂单元中装填有催化剂，并且，催化剂单元在湿基状态下的密度略大于废水，并且在流态化动力供给单元提供的气流作用下呈流态化。

根据本公开的实施例，催化剂单元在湿基状态下的比重可以为1.03～1.05。

根据本公开的实施例，催化剂单元可以包括壳体和催化剂，并形成重心靠近一侧的偏心体。

根据本公开的实施例，壳体可以形成为球体、饼状或异形多面体，并且催化剂填充在壳体的下部以形成不倒翁式的偏心球体。

根据本公开的实施例，壳体可以形成为圆球体，圆球体可以由可拆卸连接的上半球和下半球构成，催化剂可以通过压片固定在下半球内。

根据本公开的实施例，壳体可以形成直径为8～10cm的球体，壳体的表面可以开设有多个孔径为1～2mm的过水孔，壳体的表面的开孔率为40～80％，壳体由密度小于废水的材料制成，催化剂可以形成为3～5mmm的柱状，催化剂比重大约为0.6～0.8。

根据本公开的实施例，流态化动力供给单元可以包括气体搅拌组件，气体搅拌组件布置在氧化池的底表面上，并且位于远离分隔件的位置处。

根据本公开的实施例，气体搅拌组件可以为穿孔曝气管，穿孔曝气管的曝气气水比为4～10。

根据本公开的实施例，流化床反应器还可以包括：收水堰，设置于出水区并且收水堰的顶部高于出水区的液面10cm以上，收水堰的侧壁上形成有开孔，并且开孔的孔径被设计成使催化剂单元无法通过。

根据本公开的实施例，流化床反应器可以包括相互串联的多个氧化池，其中，多个氧化池中的上一个氧化池的出水区与下一个氧化池的催化氧化反应区连通。

根据本公开的另一方面，提供一种催化剂单元，催化剂单元可以包括壳体和填充在壳体中的催化剂，并形成重心靠近一侧的偏心体。

根据本公开的实施例，壳体可以形成为球体、饼状或异形多面体，并且催化剂填充在壳体的下部以形成不倒翁式的偏心球体。

根据本公开的实施例，壳体可以形成为圆球体，圆球体由可拆卸连接的上半球和下半球构成，催化剂通过压片固定在下半球内。

根据本公开的实施例，壳体可以形成直径为8～10cm的球体，壳体的表面开设有多个孔径为1～5mm的开孔，壳体的表面的开孔率为40～80％，壳体由密度小于废水的材料制成，催化剂形成为3～5mmm的柱状，催化剂的比重大约为0.6～0.8，催化剂单元在湿基状态下的比重为1.03～1.05。

本公开利用分隔件将氧化池分隔成左右两个区域，并且流态化动力供给单元布置在催化氧化反应区的底部且位于远离分隔件的一侧，使得在催化氧化反应区形成循环搅拌，动力消耗小；并且，催化剂单元可以在流态化动力供给单元提供的气流作用下可以呈流态化，实现废水、臭氧和催化剂单元中的催化剂的三相接触，提高催化氧化反应效率。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本公开的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1为本公开示例性实施例的用于催化氧化的流化床反应器的示意图。

图2为图1中的催化剂单元的示意图。

图3为图2中的催化剂单元的分解示意图。

图4为图2中的催化剂单元中包括的压片的示意图。

附图标号说明：

1：氧化池，11：催化氧化反应区，12：出水区，13：通道，2：分隔件，3：流态化动力供给单元，4：催化剂单元，41：壳体，42：过水孔，43：上半球，44：下半球，45：压片，5：收水堰。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本公开示例性实施例的流化床反应器和催化剂单元。在附图中相同的标号始终指示相同的部件。

将理解的是，术语第一、第二等的使用可以不指示顺序或者重要性，而是可以使用术语第一、第二等来将一个部件与另一个部件区分开。

如图1中所示，本公开示例性实施例的用于催化氧化的流化床反应器包括：氧化池1，包括容纳废水的内腔；进水口和进气口，用于将废水以及气体(例如，臭氧)引入到氧化池1中；分隔件2，沿竖直方向设置于氧化池1的内腔中，并将氧化池1的内腔分隔为催化氧化反应区11和出水区12，分隔件2与内腔的底表面之间形成有连通催化氧化反应区11和出水区12的通道13，进水口和进气口位于催化氧化反应区11并与内腔连通；以及流态化动力供给单元3，设置在催化氧化反应区11的远离分隔件2的位置处，用于向氧化池1内吹入搅拌气体。

常规的沿竖直方向通入搅拌气体并在内外套筒中形成循环流化的方式，需要较高的上升流速，且要求内外部水力流速产生差速，这样才能保证循环，动力消耗大，而根据本公开示例性实施例的流化床反应器，利用分隔件2将氧化池1分隔成左右两个区域(即，催化氧化反应区11和出水区12)，并且流态化动力供给单元3形成在催化氧化反应区11的底部且位于远离分隔件2的一侧，使得在催化氧化反应区11形成循环搅拌，动力消耗小。

其中，氧化池1可以形成为长方体的形状，但本公开不限于此，也可以形成为截面为梯形的异型立方体。分隔件2可以为板状，即，形成与内腔的截面形状匹配的导流板。在水平方向上，导流板从氧化池1的一个侧壁延伸至相对的另一个侧壁，在竖直方向上，导流板从氧化池1的上部向氧化池1的底表面延伸，以将氧化池1分隔成催化氧化反应区11和出水区12，并且导流板的下部可以略高于内腔的底表面，以与氧化池1的底表面之间形成有连通催化氧化反应区11和出水区12的通道13，使得污水可以经由该通道13从催化氧化反应区11进入出水区12，但催化剂单元4不容易从该通道13通过。但本公开不限于此，还可以在分隔件2的下部形成开口，以形成连通催化氧化反应区11和出水区12的通道13。

流化床反应器的进水口可与水源连通，用于向氧化池1内通入废水(污水)。流化床反应器的进气口可与臭氧发生器连通，用于通入臭氧。根据本公开示例性实施例的流化床反应器，还可以包括气水混合器(未示出)，其与流化床反应器的进水口和进气口连通，并且，气水混合器的混合物出口可与氧化池1的内腔连通，臭氧与废水可以经气水混合器(未示出)混合后一起送入氧化池1中。因此，氧化池1的催化氧化反应区11可以看作是进水侧，出水区12可以看作是出水侧。

传统的臭氧催化氧化技主要为固定床工艺，催化剂在反应器中静止，并且固定床的催化剂层厚度很小，在反应器的高度上占很少的比例，无法将臭氧完全催化产生羟基自由基，因此，大量臭氧经过催化剂层后只能和污水实现接触氧化，利用自身的氧化性分解污水中的COD。而根据本公开示例性实施例的流化床反应器还包括多个催化剂单元4，置于催化氧化反应区11中，每个催化剂单元4中装填有催化剂，并且，催化剂单元4在湿基状态下的密度略大于废水，使得催化剂单元4在流态化动力供给单元3提供的气流作用下可以呈流态化。也就是说，本公开为了提高氧化池1内的催化氧化反应效率，通过在流态化动力供给单元3在氧化池1内形成流化床，催化剂单元4在氧化池1内呈流态化状态，实现废水、臭氧和催化剂单元4中的催化剂的三相接触，并且在臭氧从污水中溢出之前，均可实现催化反应，产生大量的羟基自由基，进而提高催化氧化反应效率，可降低催化剂的用量和臭氧的投加量，以及尾气中臭氧的浓度，减少尾气破坏的压力，同时也降低尾气污染的风险。

催化剂单元4在湿基状态下的密度略大于废水，从而在废水静止状态(例如，不曝气或搅拌)下，催化剂单元4可在其重力作用下沉积在氧化池1底，而在流态化动力供给单元3的搅拌以及曝气作用下，催化剂单元4能够在废水中处于悬浮运动状态，在催化氧化反应区11内循环流动起来，从而增大与臭氧和污水的接触面积，增加催化氧化反应效率。另外，由于本公开的催化剂单元4密度大，所以大部分催化剂单元4在催化氧化反应区11内循环，不会进入出水区12，即少量进入出水区12，也大部分沉积在池底。其中，若催化剂单元4在湿基状态下的密度过大，则流态化动力供给单元3无法或者较难实现其流化；若密度小于废水，则催化剂单元4会漂浮至废水表面，导致其中的催化剂无法与臭氧有效接触。在实施例中，催化剂单元4在湿基状态下的比重可以为1.03～1.05。催化剂单元4可以按氧化池1体积的20～60％的装填比例填充，催化剂的空速可以在10以上。

根据本公开示例性实施例，流态化动力供给单元3可以包括气体搅拌组件。气体搅拌组件可布置在氧化池1的底表面上，并且位于远离分隔件2的位置处，例如，如图1中靠近氧化池1的左侧壁的位置。在实施例中，气体搅拌组件可以包括沿平行于分隔件2的延伸方向布置在氧化池1的池底的穿孔曝气管，穿孔曝气管上形成有多个曝气开孔，并且其入口通过进气管与风机和曝气装置连通。根据本公开，采用单侧曝气的设计，可以加强氧化池1内单侧水力搅拌强度，实现催化剂单元4的流化，并且通过分隔件2的导流作用，使得催化氧化反应区11内的废水形成循环流态，促使催化剂单元4在催化氧化反应区11内沿图1中的顺时针方向循环运动，增加催化氧化反应效率。

其中，穿孔曝气管的具体曝气方式可以为小阻力穿孔曝气，小阻力穿孔曝气管的阻力损失约在300mm，穿孔曝气管的曝气气水比可以为4～10，以加强池体内单侧水力搅拌强度，实现催化剂单元4的流化，但不以此为限。

催化剂单元4可以包括壳体41和填充在壳体41内的催化剂。其中，壳体41可以形成为球体、饼状或异形多面体。

如图2和图3中所示，壳体41可以形成为圆球体，并且该圆球体通过可拆卸连接的上半球43和下半球44两个部分构成。由于采用分体式设计，分为上下两部分，并且上下两部分可以利用卡槽等连接在一起，保证壳体41容易分拆且在装填催化剂后能够紧固，既能较方便壳体41内部装填催化剂，又能防止催化剂从壳体41中泄漏。但本公开不限于此，壳体41也可以形成为一个空心的整体圆球体。

壳体41可以由轻质材料制成，例如，由密度小于废水的填料制成填料球，从而可以实现对催化剂的配重，改变填料球的整体比重，无需额外设计泡沫等填充物来实现配重。另外，壳体41可以选用对臭氧的氧化不敏感的防氧化材料，以防止臭氧的氧化腐蚀。

壳体41上可以开设有多个过水孔42，以使得废水可以与催化剂接触。壳体41表面过水孔42的数量以及孔径设计需要考虑过水率，以增加催化剂和污水的接触几率，同时还需避免壳体41内的催化剂泄漏和逃逸。在实施例中，壳体41可以形成直径为8～10cm的球体，壳体41的表面开设有多个孔径为1～2mm的过水孔42，壳体41的表面的开孔率为40～80％。催化剂可以形成为3～5mmm的柱状，催化剂比重大约为0.6～0.8，从而，催化剂填充在上述壳体41中之后，保证所形成的组合体整体在湿基状态下的比重为1.03～1.05。

传统的臭氧反应器中，催化剂容易附着悬浮，造成催化剂污染而效率降低问题，而本公开的催化剂在池体内一直处于流化状态，反复碰撞摩擦，因此不会污染。但正是由于在氧化池1内形成流化床的情况下，催化剂单元4高速流化，其中催化剂在壳体41内会发生碰撞和摩擦，会造成催化剂磨损。为了降低催化剂破损率和补充率，根据公开示例性实施例的催化剂单元4形成为重心靠近一侧的偏心体。具体地，催化剂可以填充在壳体41的下部以形成不倒翁式的偏心球体。

进一步地，在催化剂装填到壳体41内之后，可以通过如图4中所示的压片45将催化剂固定在壳体41的下部。由于催化剂单元4整体的重心在下部，因此催化剂单元4在流化时，可以保证壳体41内部的催化剂相对静止，一直位于下部，不会翻滚运动，可以最大幅度降低催化剂在壳体41内的摩擦。其中，压片45可以利用卡扣的原理，形成压紧催化剂的作用，保证催化剂在壳体41的下半部分。但本公开不限于此，只要能够将催化剂固定在壳体41内的预期位置，以使得固定后的壳体41与催化剂形成偏心体即可。

如图1中所示，填料球在水力搅拌以及曝气管道的作用下，全部悬浮，同时在水流的作用下在氧化池1的池体内循环，但是由于导流板的阻隔，大部分填料球都被隔离在催化氧化反应区11，如果有部分填料球从导流板的底部进入到出水区12，根据本公开的示例性实施例，流化床反应器还可以包括设置于出水区12的收水堰5。收水堰5的顶部可以高于出水区12的液面10cm以上，收水堰5的侧壁上形成有开孔，并且开孔的孔径被设计成小于催化剂单元4的尺寸，使催化剂单元4无法通过，从而可以对填料球和污水进行有效分离。收水堰5上的开孔的孔径可以为计5～6cm，使得污水可以穿过但填料球由于直径较大(8～10cm直径)被阻挡。根据本公开的示例性实施例，通过设置收水堰5，既能保证导流板一侧出水均匀，同时也能对悬浮填料球进行有效拦截，实现填料球和污水的有效分离。

另外，氧化池1的顶部设置有密封盖，流化床反应器还可包括尾气收集处理装置，尾气收集处理装置可连接至催化氧化反应区11，用于回收催化氧化反应区11的尾气并进行破坏处理，达标后再排放，以避免污染空气。

作为示例，流化床反应器可以包括相互串联的多个氧化池1，例如，三个氧化池1。多个氧化池1中的上一个氧化池1的出水区12与下一个氧化池1的催化氧化反应区11连通。

具体地，在示例中，流化床反应器可以包括沿水流方向依次布置的三个氧化池以及脱气池。其中，三个氧化池均具有如上所述的氧化池1的结构和组件，即，每个氧化池1均被分隔件2分隔成催化氧化反应区11和出水区12并且设置有使多个催化剂单元4呈流态化的流态化动力供给单元3等，在此不再赘述。其中，流化床反应器的进水口和进气口与第一氧化池1的内腔连通。

本公开的另一方面提供了一种催化剂单元4，包括壳体41和填充在壳体41中的催化剂，并形成重心靠近一侧的偏心体。关于催化剂单元4，上面已经进行了详细地描述，在此不再赘述。

根据本公开的实施例的流化床反应器，提供单侧曝气的方式提供搅拌动力，实现了氧化池的流化状态，比现有的固定床反应器的臭氧催化氧化效率更高，增加了臭氧和污水以及催化剂的接触面积和接触时间，降低催化剂的一次性投资成本和臭氧的消耗成本。其中，流化床反应器在运行过程中，通过分隔件以及流态化动力供给单元的配合，使得催化剂处于流化状态在池体内循环流化，与污水和臭氧在池内形成三相接触，因此反应效率更高，根据不同水质，反应器的高度可以进行优化，减少土建成本。

根据本公开的实施例的流化床反应器，简化了反应器设计，不需要额外设计配水装置，并且由于流化床反应器催化剂的效率更高，可以在全流程实现催化氧化反应，因此反应器的高度可以大幅降低，池顶的收水堰5也可以大幅减少。

根据本公开的实施例的流化床反应器，通过反应器的设计取消了常规固定床反应器的滤头、滤板、布水系统、反洗布气系统、反洗系统，同时保证池体内催化剂和污水的绝对均有混合，不存在死角，大幅提高反应效率，大幅降低了反应器的复杂性和投资成本。

根据本公开的实施例的催化剂单元，装填催化剂之后重心偏下部，处于偏心状态，因此催化剂单元在池体内在重力作用下不会剧烈翻滚，但又能持续运动，最大限度减小催化剂在填料球内的相对位移和摩擦，避免催化剂的破碎，降低补充率。

以上所述仅为本公开的优选实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内容易想到的改变或替换(例如，可以对本公开的不同实施例中的特征进行组合)，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种用于催化氧化的流化床反应器，包括进水口和进气口，其特征在于，所述流化床反应器包括：

氧化池(1)，包括容纳废水的内腔；

分隔件(2)，沿竖直方向设置于所述氧化池(1)的所述内腔中，并将所述内腔分隔为催化氧化反应区(11)和出水区(12)，所述分隔件(2)与所述内腔的底表面之间形成有连通所述催化氧化反应区(11)和所述出水区(12)的通道(13)，所述进水口和所述进气口位于所述催化氧化反应区(11)并与所述内腔连通；以及

流态化动力供给单元(3)，设置在所述催化氧化反应区(11)的远离所述分隔件(2)的位置处，用于向所述氧化池(1)内吹入搅拌气体。

2.根据权利要求1所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应器还包括：

多个催化剂单元(4)，置于所述催化氧化反应区(11)中，每个所述催化剂单元(4)中装填有催化剂，并且，所述催化剂单元(4)在湿基状态下的密度略大于所述废水，并且在所述流态化动力供给单元(3)提供的气流作用下呈流态化。

3.根据权利要求2所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述催化剂单元(4)在湿基状态下的比重为1.03～1.05。

4.根据权利要求1所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述催化剂单元(4)包括壳体(41)和所述催化剂，并形成重心靠近一侧的偏心体。

5.根据权利要求4所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述壳体(41)形成为球体、饼状或异形多面体，并且所述催化剂填充在所述壳体(41)的下部以形成不倒翁式的偏心球体。

6.根据权利要求5所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述壳体(41)形成为圆球体，所述圆球体由可拆卸连接的上半球(43)和下半球(44)构成，所述催化剂通过压片(45)固定在所述下半球内。

7.根据权利要求6所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述壳体(41)形成直径为8～10cm的球体，所述壳体(41)的表面开设有多个孔径为1～2mm的过水孔(42)，所述壳体(41)的表面的开孔率为40～80％，所述壳体(41)由密度小于所述废水的材料制成，所述催化剂形成为3～5mmm的柱状，所述催化剂的比重为0.6～0.8。

8.根据权利要求1所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述流态化动力供给单元(3)包括气体搅拌组件，所述气体搅拌组件布置在所述氧化池(1)的底表面上，并且位于远离所述分隔件(2)的位置处。

9.根据权利要求8所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述气体搅拌组件为穿孔曝气管，所述穿孔曝气管的曝气气水比为4～10。

10.根据权利要求2所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应器还包括：收水堰(5)，设置于所述出水区(12)并且所述收水堰(5)的顶部高于所述出水区(12)的液面10cm以上，所述收水堰(5)的侧壁上形成有开孔，并且所述开孔的孔径被设计成使所述催化剂单元(4)无法通过。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的用于催化氧化的流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应器包括相互串联的多个所述氧化池(1)，其中，所述多个氧化池(1)中的上一个氧化池(1)的所述出水区(12)与下一个氧化池(1)的所述催化氧化反应区(11)连通。

12.一种催化剂单元，其特征在于，所述催化剂单元(4)包括壳体(41)和填充在壳体(41)中的催化剂，并形成重心靠近一侧的偏心体。

13.根据权利要求12所述的催化剂单元，其特征在于，所述壳体(41)形成为球体、饼状或异形多面体，并且所述催化剂填充在所述壳体(41)的下部以形成不倒翁式的偏心球体。

14.根据权利要求12所述的催化剂单元，其特征在于，所述壳体(41)形成为圆球体，所述圆球体由可拆卸连接的上半球和下半球构成，所述催化剂通过压片固定在所述下半球内。

15.根据权利要求12所述的催化剂单元，其特征在于，所述壳体(41)形成直径为8～10cm的球体，所述壳体(41)的表面开设有多个孔径为1～5mm的开孔，所述壳体(41)的表面的开孔率为40～80％，所述壳体(41)由密度小于所述废水的材料制成，所述催化剂形成为3～5mmm的柱状，所述催化剂的比重为0.6～0.8，所述催化剂单元(4)在湿基状态下的比重为1.03～1.05。

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