CN113307317B - 一种多功能反应器及含有该反应器的反应系统和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于水污染治理技术领域，具体公开一种多功能反应器及含有该反应器的反应系统和应用，包括圆柱形腔体，腔体下部设有锥形喉管，锥形喉管下部设有扩散管，腔体内套设内喷嘴，内喷嘴包括位于上部的圆柱形进水管道和位于下部的锥形喷嘴，腔体侧壁上对应锥形喷嘴的位置设有加料管，加料管末端环状下侧设有多个喷射孔，本发明以流体泵为动力，通过多功能反应器内的物理与化学反应，对污染水体进行深度净化处理，净化处理系统直接安装在待处理水体中，不受场地制约，可以广泛用于多种类型的水体净化：例如封闭、半封闭、开放水系等，被治理水系可以是流动的，也可以是静止的。

Description

一种多功能反应器及含有该反应器的反应系统和应用

技术领域

本发明属于水污染治理技术领域，尤其涉及一种多功能反应器及含有该反应器的反应系统和应用。

背景技术

随着社会发展、人口膨胀和生活水平的提高，废水排放量急剧增加，导致江河湖海等自然水资源污染日趋严峻，远远超越了自然水体的自洁能力。水环境生态的恶化，直接威胁到人类的生存。强化污染水体再生净化，还洁净水于自然，已被提上了重要的议事日程。净化治理水资源，让污染水体深度再生，是保持自然水资源良好生态环境的重要环节，可以采取的措施有：1、在污染源头，就地深度处理严重污染水体，把污染消除在发生点，阻断污染物进入自然界主体水资源的通道；2、进一步强化自然水资源的自洁能力，维持主体水资源的良好生态。

自然水资源体量庞大，生产生活废水超容量排放所导致的水体有机物污染，以及氮磷超标的富营养化，严重破坏了水资源生态，用现有的处理方法，像鼓泡型曝气等等，无法深层次消除。而废水的深层次再生处理，又涉及到设备、场地、运行费用及环境友好等诸多问题。一种新的、不受场地制约的，设备简单，处理能力强，运行费用低廉，环境友好的污染水体净化处理技术应运而生。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、廉价、高效的污染水体深度再生净化处理方法，具体为多功能反应器及含有该反应器的反应系统和应用，净化处理系统包含的多功能反应器，可以在水体内部进行多种高难度、高精度的物理或化学反应，以应对严重污染；同时，在严重污染缓解后，设备还可以用来高效率曝气并增加水流速度，有效增强水系的自洁能力，用于日常维护。本发明可以广泛用于多种类型被污染水体的深度净化与维护：例如封闭、半封闭、开放水系等，包括河流，湖泊，人工景观水系，以及其它各种形态的水体，被治理水系可以是流动的，也可以是静止的。系统可以直接安装在水体本身，不受场地制约。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多功能水体净化器，包括圆柱形腔体，所述圆柱形腔体下部设有锥形喉管，锥形喉管下部设有一个截面为等腰梯形的扩散管，所述圆柱形腔体内套设有一个内喷嘴，所述内喷嘴包括位于上部的圆柱形进水管道和位于下部的锥形喷嘴，所述圆柱形腔体侧壁上正对锥形喷嘴的位置设有加料管，加料管末端呈环状套设于内喷嘴的锥形喷嘴部，加料管末端环状下侧设有多个喷射孔，所述圆柱形腔体侧壁上设有加料通道，所述加料通道内设有多个加料管，多个加料管平行设置，喷射孔的喷射方向与竖直方向的夹角为15°，该喷射方向能保证加料管中的物料恰在喉管处与待处理水流相遇，形成涡流，内置的多重加料管，可以根据需要，随时添加多种不同性能的试剂，需要处理的水体在反应器内与空气、药剂等扩散性雾化混合，引发物化反应后，再喷射回水体深处，在水系中持续反应，逐步净化，这样，水系就相当于一台高效反应釜，多重加料管各自独立，多组分试剂可以在相互隔离的状态下，通过不同的加料管，同时进入反应器，在喉管处形成涡流瞬间混合，在扩散管中持续扩散、强化反应，反应器分散度高，散热迅速，最大限度减少、避免了副反应的发生。

进一步的，所述加料通道上还设有连通圆柱形腔体的进气管，进气管上设有控制阀，用于配合不同水质不同要求的曝气处理。

进一步的，所述内喷嘴顶部高于腔体设置，内喷嘴上部圆柱形进水管道与水流入口连通，水流入口由流体泵泵入待处理污水，由于本申请利用了文丘里原理，通过流体泵提供的喷射水流在喉管处形成负压，药剂与待处理污水在喉管处扩散、混合、抽吸，引发物化反应，并及时排出反应器，推射入水体深处继续反应，由于混合均匀，散热良好，降低了副反应，提高了效率。

进一步的，所述腔体、锥形喉管和扩散管圆滑过渡连接，所述扩散管端出水管的底部还设有导向管，导向管的设置可以控制喷射水流方向，为强化水系自洁能力提供必要条件。

一种多功能反应系统，包含有多功能水体净化器，还包括与圆柱形进水管道相连的流体泵，所述流体泵进水口与待处理水相连通，流体泵出口与圆柱形进水管道相连通的管道上还设有加热器，所述扩散管与导向管之间还设有光化学催化器，反应系统利用文丘里结构独特的的扩散、混合、抽吸等功能，配以多重加料管，让各种不同反应物料独立进入，在反应器内瞬间高效均匀混合，引发物化反应，并及时排出反应器，进入水体深处继续反应，由于混合均匀，散热良好，降低了副反应，提高了效率，可以应对大部分类型的严重污染，也可用于常规曝气，有效提高了净化效率。在内喷嘴喷射形成的抽吸力作用下，空气和化学药品等经多根加料管，自吸或外压（利用高位槽）进入腔体，在喉管处形成涡流，继而扩散性混合。不同组分间瞬间的充分接触，大大提高了曝气和化学反应效率，让河床或湖泊的局部转换成高效反应釜，反应器中已参与物化反应的污染水流，经后续管道排入河道或湖泊水体中，在水流中持续反应，高分散度和超长的反应时间，提高了空气和化学药品的利用率，节约了药品，让大领域水体的高效物化治理成为可能。

利用多功能反应系统进行水体治理的方法，将至少一个或者两个以上多功能反应系统通过排列组合形式设置于水体中，根据水体污染情况控制内置加料管的加料并配合进气管的开合以及水体流动方向对污染水体进行治理。

进一步的，所述一个或者两个以上多功能反应系统的组合可固定或者移动设置；所述两个以上多功能反应系统的组合形式为闭环或半闭环排布方式，即相邻多功能反应系统之间的进水位置和出水位置首尾相接组成封闭或半封闭的环状治理区域；或者顺流开放式排布方式，即相邻多功能反应系统之间的导向管出水水流方向与水系水流方向相同，常用于污染适中，需要常规净化维护的流动水体；或者逆流开放式排布形式，即相邻多功能反应系统之间的导向管出水水流方向与水系水流方向相反；一般用于污染特别严重，用顺流法治理效果不好的水体；还包括移动式治理，即将多功能反应系统固定于移动设备上对定点水域进行治理，用来应对偶发、突发，临时需要净化治理的严重污染事件。例如事故导致的化学药品大量泄漏入水体等。

一种多功能反应系统的应用，该多功能反应系统用于河流等开放式流动水体或天然湖泊或人造景观或严重污染应急处理或水体污染治理的常规维护。

本发明装置的反应原理：本反应器充分利用了多功能反应器文丘里结构的特点，通过对包括污染水体在内的多组分的抽吸、扩散、雾态混合，引发物化反应，达到治理的目的；反应效率优于普通反应釜，处理体量则远远高于反应釜，在多功能反应器中，不同流体间的扩散性混合，提高了不同相位物料间的分散度，强化了化学处理与曝气的效率，减少了副反应，添加试剂时，药品的种类、次序、数量、加入时间等均可控，方便高效。运行时，打开水泵，把污染水送入多功能反应器的内喷嘴入口，污染水流在动力泵推动下，快速通过多功能反应器，用于处理的各种药剂，通过不同的独立加料管，自吸（或由高位槽提供压力）进入反应器腔体，在喉管处与水流汇合，形成涡流，并沿扩散管扩散性混合（分散度远高于普通反应釜的撞击性混合），混合均匀的反应物，瞬间送入水体深部，继续反应，这样水体本身就相当于一个巨大的高效反应釜，催化剂、主药剂等可以各自隔离，同时加入，在反应器中瞬间混合，让广阔水体中原来无法正常发生的物化反应得以顺利进行。对于低污染水体，如果仅仅需要曝气，可以关闭加料阀，打开进气阀，让空气自吸进入腔体，与水流雾态混合，高效，节能，优于普通鼓泡型曝气，曝气和化学反应也可以同时进行。该装置既可以建成固定式的，安装在水体内部；也可以建成移动式的，应对突发状况。

本发明具有的优点是：

1.整个系统简单、价廉，易操作，多功能，对水系生态环境影响小，系统具有超强的物化反应能力，可安装在水体上，不受场地等外部环境制约，根据现场需要，合理搭配，既可以随时应对严重污染，也可以作为维护水体洁净的常规设备，同时还可以增强水体的自洁能力；

2.本发明处理方法充分利用了多功能反应器文丘里结构的特点，通过对包括污染水体在内的多组分的抽吸、扩散、雾态混合，引发物化反应，达到治理的目的，反应效率优于普通反应釜，处理体量则远远高于反应釜，在多功能反应器中，不同流体间的扩散性混合，提高了不同相位物料间的分散度，强化了化学处理与曝气的效率，减少了副反应；

3.多功能水体净化处理系统，集化学反应、曝气等多种功能为一体，适用于各类污染水体的治理，包括严重污染水体，设备可以直接安装在需要治理的水体中，也可以独立设备，移动使用；

4.多功能水体净化处理方法，是一套以流体泵为动力的水体净化处理方法，可以广泛用于多种类型的水体净化：例如封闭、半封闭、开放水系等，包括河流，湖泊，人工景观水系，以及其它各种形态的水体。被治理水系可以是流动的，也可以是静止的。

附图说明

图1是本发明反应器结构示意图。

图2是图1中内置加料管与锥形喷嘴的连接关系图。

图3是本发明反应器系统结构示意图。

图4是全封闭或半封闭环式排布方式示意图。

图5是顺流开放式排布方式示意图。

图6是逆流开放式排布方式示意图。

图7是人造景观中排布方式示意图。

具体实施方式

实施例

如图所示，一种多功能水体净化器，包括圆柱形腔体1，所述圆柱形腔体1下部设有锥形喉管2，锥形喉管2下部设有一个截面为等腰梯形的扩散管3，所述腔体内套设有一个内喷嘴4，所述内喷嘴4包括位于上部的圆柱形进水管道和位于下部的锥形喷嘴，所述腔体侧壁上正对锥形喷嘴的位置设有一个加料通道5，所述加料通道5内设有多个加料管6，多个加料管6平行设置，每个加料管6末端呈环状且套设于内喷嘴的锥形喷嘴部，每个内置加料管末端末端环状部底部设有多个喷射孔12，内置多重加料管，可以根据需要，随时添加多种不同性能的试剂，需要处理的水体在反应器内与空气、药剂等扩散性雾化混合，引发物化反应后，再喷射回水体深处，在水系中持续反应，逐步净化，这样，水系就相当于一台高效反应釜，多重加料管各自独立，多组分试剂可以在相互隔离的状态下，通过不同的加料管，同时进入反应器，在喉管处瞬间混合，在扩散管中持续扩散、强化反应，反应器分散度高，散热迅速，最大限度减少、避免了副反应的发生；所述加料通道5上部或内部还设有至少一个进气管7，进气管7上设有控制阀，用于根据处理水质的不同合理使用曝气；所述内喷嘴顶部高于腔体设置，内喷嘴上部圆柱形进水管道与水流入口连通，水流入口由流体泵泵入待处理污水，由于本申请利用了文丘里管的原理，通过泵提供的高速水流喷射在喉管处形成负压，药剂与待处理污水在喉管处扩散、混合、抽吸，引发物化反应，并及时排出反应器，进入水体深处继续反应，由于混合均匀，散热良好，降低了副反应，提高了效率；所述腔体、锥形喉管和扩散管圆滑过渡连接，所述扩散管出水端底部还设有导向管9，导向管9的设置可以控制喷射水流方向，为水系治理提供必要条件。

一种多功能反应系统，包含有多功能水体净化器，还包括与圆柱形进水管道相连的流体泵8，所述流体泵8进水口与待处理水体相连通，流体泵8出口与圆柱形进水管道相连通的管道上还设有加热器10，所述扩散管3与导向管9之间还设有光化学催化器11，反应系统利用文丘里结构独特的的扩散、混合、抽吸等功能，配以多重加料管，让各种不同反应物料独立进入，在反应器内瞬间高效均匀混合，引发物化反应，并及时排出反应器，进入水体深处继续反应，由于混合均匀，散热良好，降低了副反应，提高了效率，可以应对大部分类型的严重污染，也可用于常规曝气，有效提高了净化效率。在内喷嘴喷射形成的抽吸力作用下，空气和化学药品等经多根加料管，自吸或外压（利用高位槽）进入腔体，在喉管处与扩散管中污染水流扩散性混合。不同组分间瞬间的充分接触，大大提高了曝气和化学反应效率，让河床或湖泊的局部转换成高效反应釜，反应器中已参与物化反应的污染水流，经后续管道排入河道或湖泊水体中，在水流中继续反应，高分散度和超长的反应时间，提高了空气和化学药品的利用率，节约了药品，让大领域水体的高效物化治理成为可能。

利用多功能反应系统进行水体治理的方法，将至少一个多功能反应系统通过排列组合形式设置于水体中，根据水体污染情况控制内置加料管的加料并配合进气管的开合及控制水流方向进行水体污染治理；所述排列组合形式包括闭环或半闭环排布方式，即相邻多功能反应系统之间的进水位置和出水位置首尾相接组成封闭或本封闭的环状治理区域，常用于封闭、半封闭或局部严重污染的水体；还包括顺流开放式排布方式，即相邻多功能反应系统之间的导向管出水水流方向与水系水流方向相同，常用于污染适中，需要常规净化维护的流动水体；还包括逆流开放式排布形式，即相邻多功能反应系统之间的导向管出水水流方向与水系水流方向相反，一般用于污染特别严重，用顺流法治理效果不好的水体；还包括移动式治理，即将多功能反应系统固定于移动设备上对定点水域进行治理，用来应对偶发、突发，临时需要净化治理的严重污染事件。例如事故导致的化学药品大量泄漏入水体等。

一种多功能反应系统的应用，该多功能反应系统用于河流等开放式流动水体或天然湖泊或人造景观或严重污染应急处理或水体常规维护治理污染水体。

应用例

一、不同的水体环境，建议使用与之相适应的总体设计，以达到最佳治理净化效果。建议的几种常见多功能反应器排布方式如下：

1、闭环（或半闭环）排布方式：多功能反应器首尾相对应，形成封闭或半封闭的环状治理区域，常用于封闭、半封闭或局部严重污染的水体（具体排布见图4）。

2、顺流开放式排布方式：导向管出水水流方向与水系水流方向相同（见图5）。优点是可以加快水流流速，增强自洁能力；缺点是化学反应和曝气的停留时间相对短。常用于污染适中，需要常规净化维护的流动水体。

3、逆流开放式排布方式：导向管出水方向与水系水流方向相反。优点是逆流操作，反应停留时间长，处理能力增强；缺点是对单位时间排水量有不同程度的影响。一般用于污染特别严重，用顺流法治理效果不好的水体。

4、移动式使用方式：治理系统设计成车载或船载的移动设备，用来应对偶发、突发，临时需要净化治理的严重污染事件。例如事故导致的化学药品大量泄漏入水体等。

二、不同水体治理方案设计举例

Ⅰ、河流等开放式流动水体治理

一般情况下，河流主河道干流的污染，大部分来自支流和直接排污口输入，治理时，有针对性把治理重点放到支流和直接排污入口处。

例如长三角丘陵地区，一些流经人口密集区的小溪，被沿岸直排的生产、生活污水严重污染。由于场地狭窄，常常没有污水处理池位置，仅靠人工不间断打捞漂浮物。每年雨季洪水期，山水会自然将污染水体推入下游大河，造成干流污染。而主体河流污染后，由于水面辽阔，治理成本增加，治理难度加大。

使用多功能水体治理系统，可以直接将净化系统安装到支流小河河体中，不受场地狭窄制约。河流一般采用顺流开放式排布方式；对于枯水季水位过低，或污染严重的支流水体，也可以考虑采用逆流开放式排布方式。鉴于治理前水体富营养化、严重缺氧，治理初期，需要先行使用化学方法处理：优选臭氧氧化，或者Fenton反应，也可以同时辅以曝气，逐步推进治理。多功能反应器具有较强的物化反应能力，双氧水等试剂进入多功能反应器后，试剂在反应瞬间，即被水流分散稀释，大部分参与了反应，消耗在多功能反应器中。适当控制双氧水加入量，基本可以做到不对生态环境造成破坏。为强化反应，也可以辅以催化剂或光催化的手段。以双氧水为例，反应中，采用间歇性、极少量加入微酸性Fe²⁺溶液的方法，改变化学反应微环境，诱发Fenton反应。Fenton反应对分解消除有机污染物效果显著。对浑浊水体，还可以考虑适量加入无毒的高分子凝絮剂，以保证水体清澈。污染水体治理初期，一定要控制治理节奏，不能过急，加入药品量要保证生态环境基本不受影响。经一段时间运行，水污染由重度转为轻度，达到或优于4类水后，再减少或停止加药，改为常态曝气维持净化。为彻底杜绝支流等的污染物进入干流河道，在直接排污口和支流入水口处，要增加若干台多功能反应器，一般采用半封闭环式排布，以进一步阻断污染，保证主流河道的洁净。对于经由排污口排入水体的污水，建议结合“多功能污水净化处理池”技术，利用多功能污水净化处理池先行预处理净化。对主流河道中因其它原因造成的污染，可以在污染局部，有针对性地增设多功能反应器，闭环或半闭环重点治理。

Ⅱ、天然湖泊

常态下，天然湖泊主要污染源基本来自两个方面：1、由流入湖泊的大小河流带入；2、沿岸人口密集区生活和生产产生的废水。流入湖泊支河流的污染，可参考前述河流支流的治理方法。根据水质污染程度，选用开放式顺流或开放式逆流来排布多功能反应器，保证把污染阻断在支流中；对于沿岸重点污染区域，仍采用先行“多功能污水净化处理池”预处理，然后闭环或半闭环排布方式设置多功能反应器，封闭治理；对湖内距岸较远、直接安装多功能反应器有困难的污染水域，可以利用固定漂浮装置，固定多功能反应器，采取封闭或半封闭的排布方式治理。治理总体原则：把主要污染挡在大水域外，对湖内污染点环状半环状封闭治理。

Ⅲ、人造景观

人造景观特点：水域分布区域相对固定，人工湖间一般靠人工河流连接，整个水系以封闭半封闭为主。由于水系长时间相对静止，导致缺氧，引起富营养化，尤其是夏季，水体异味、绿藻、色泽深，浑浊等等。

治理要点：让静止的水体流动起来。

多功能反应器沿人工水域岸边，顺序排列，形成闭环分布，让水体环水域沿岸流动起来，增强自洁能力（见图7）。治理初期，建议仍使用对环境影响较小的双氧水或臭氧，引入光催化或Fenton反应，强化治理效果。注意，治理初期的化学治理，要控制节奏，不可急躁。待严重污染逐步缓解，达到或优于4类水之后，再过渡到常态曝气维持。夏季水体易变质季节，要及时增加化学治理；日常维护时，也可极少量加入臭氧或双氧水，保持水体中双氧水等的痕量级存在，既不破坏生态，又保证了水质的洁净。

Ⅳ、严重污染应急处理

化学药品泄露，例如有机胺进入河体。因多功能反应系统设备相对简单，事故发生后，极短时间内即可装配完成车载或船载移动多功能反应系统。选择合适化学处理方法，无特殊情况，仍可以选用对环境破坏较小的双氧水或臭氧，注意臭氧不要泄漏入空气，必要时辅以光催化或化学催化。设备安排在污染点及其下游适当距离处，运行后视效果，再决定是否添加化学反应能力更强的其它药品。污染基本消除后，继续曝气运行一段时间，以保证治理效果。

Ⅴ、常规维护

对于达到或优于4类水质的水体，使用常态曝气即可，常态曝气运行费用很低，效率高，完全可以应对常规污染。可以通过多重加料管，适时补充极微量双氧水等，持续改善水体含氧量，可以保证治理效果。

Claims (7)

1.一种多功能水体净化器，其特征在于：包括圆柱形腔体，所述圆柱形腔体下部设有锥形喉管，锥形喉管下部设有一个截面为等腰梯形的扩散管，所述圆柱形腔体内套设有一个内喷嘴，所述内喷嘴包括位于上部的圆柱形进水管道和位于下部的锥形喷嘴，所述圆柱形腔体侧壁上对应锥形喷嘴的位置布设有加料管，加料管末端设有多个喷射孔；加料管末端呈环状套设于内喷嘴的锥形喷嘴部，加料管末端环状下侧设有多个喷射孔；所述圆柱形腔体侧壁上设有加料通道，所述加料管设于加料通道内，多个加料管平行设置，加料管末端喷射孔的喷射方向与竖直方向的夹角为15°；所述加料通道上还设有连通圆柱形腔体的进气管。

2.如权利要求1所述的多功能水体净化器，其特征在于：所述内喷嘴顶部高于腔体设置，内喷嘴上部圆柱形进水管道与水流入口连通。

3.如权利要求1所述的多功能水体净化器，其特征在于：所述腔体、锥形喉管和扩散管圆滑过渡连接，所述扩散管端出水管道底部还设有导向管。

4.一种多功能反应系统，其特征在于：包含有权利要求1-3任一所述的多功能水体净化器，还包括与圆柱形进水管道相连的流体泵，所述流体泵进水口与待处理水相连通，流体泵出口与圆柱形进水管道相连通的管道上还设有加热器，所述扩散管与导向管之间还设有光化学催化器。

5.一种多功能反应系统的应用，其特征在于：该多功能反应系统用于开放式流动水体或天然湖泊或人造景观或严重污染应急处理或水体常规维护中治理污染水体。

6.利用权利要求5所述的多功能反应系统进行水体治理的方法，其特征在于：将一个或者两个以上多功能反应系统组合设置于水体中，根据水体污染情况控制内置加料管的加料并配合进气管的开合以及喷射水流的流向进行水体污染治理。

7.如权利要求6所述的多功能反应系统进行水体治理的方法，其特征在于：所述一个或者两个以上多功能反应系统的组合可固定或者移动设置；所述两个以上多功能反应系统的组合形式为闭环或半闭环排布方式，即相邻多功能反应系统之间的进水位置和出水位置首尾相接组成封闭或半封闭的环状治理区域；或者顺流开放式排布方式，即相邻多功能反应系统之间的导向管出水水流方向与水系水流方向相同；或者逆流开放式排布形式，即相邻多功能反应系统之间的导向管出水水流方向与水系水流方向相反。

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