CN114262043B - 一种高效气液共混污水处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效气液共混污水处理方法及装置，其解决上述方法中存在的臭氧利用率较低、能效高、处理效果差的技术问题，其设有臭氧发生器、变频高压水泵、射流器，还设有高效气液共混器和催化反应器；高效气液共混器设有外腔、内腔和锥腔；臭氧发生器、变频高压水泵分别通过管路与射流器相连接；射流器与所述高效气液共混器相连接；高效气液共混器与催化反应器相连接。本发明还提供了一种高效气液共混污水处理方法。本发明可用于污水处理领域。

Description

一种高效气液共混污水处理方法及装置

技术领域

本发明涉及环保设备和方法，具体地说，涉及一种高效气液共混污水处理方法及装置。

背景技术

臭氧(O₃)又称为超氧，具有很强的氧化性，臭氧的强氧化性来源于臭氧溶于水后能够生成氧化性极强的羟基自由基(·OH),羟基自由基(·OH)可与有机污染物进行系列自由基链反应，从而破坏其结构,将分子量大、结构复杂、难生化降解的有机物氧化为小分子、易生物降解的有机物或者将分子量小、结构简单、易降解的有机物直接降解。被臭氧氧化后的二次产物是氧气(O₂)，没有二次污染，是非常环保的氧化物。

目前，在工业废水处理时，臭氧的利用方式主要为：(1)曝气法，用曝气设备将臭氧气体在污水中释放，但该方法的混合效率太低，只有0.2％-2％；(2)曝气塔法，一般混合效率在5-20％，曝气塔体积庞大，混合效率不高；(3)溶气泵法，臭氧水溶气泵混合效率可达80％以上。但溶气泵的泵效率太低，一般为50％以下，因此能耗大，这大大限制了这种方法的工程应用；(4)射流器法，射流器采用文丘里原理，是目前很多臭氧行业广泛使用的产品，成本低，但是混合效率只有30-40％。

目前普通商业化高压放电式的臭氧发生器其制备的臭氧浓度都在200mg/L以下(如国内臭氧发生器龙头生产企业青岛国林实业股份有限公司的臭氧设备，臭氧气体浓度为80-120mg/L)，此种低浓度的臭氧混合气体大大增加了臭氧与污水得均匀混合难度。并且臭氧混合气体主要由臭氧和氧气组成，大量得氧气没有得到合理得回收再利用。

例如，公告号CN108017140A的中国发明专利公开了一种基于臭氧微纳米气泡的废水处理系统，包括筒体，筒体内底侧面上固定有一微纳米气泡产生装置，微纳米气泡产生装置的进气口通过一气管连接有一臭氧产生装置，纳米气泡产生装置的进水口通过一水管连接有一水泵；微纳米气泡产生装置的出气口通过一导管连接有一分流装置；筒体内依次设有第一分隔板，第二分隔板和第三分隔板。但是发明并未阐述纳米气泡产生装置的具体结构和原理，而且生成的臭氧微小气泡只是单纯混合溶解于污水之中，因为臭氧本身并不能在污水中产生大量的羟基自由基，臭氧利用率未得到大幅提高。

综上所述,在污水处理的臭氧利用中,主要存在以下问题：

1.臭氧稳定较差，不易溶于水，传统技术手段受到气液两相界面传质制约，臭氧不能均匀分布再污水中，臭氧利用率较低；

2.臭氧本身氧化性具有一定选择性，强氧化性主要依靠生成的羟基自由基(·OH)，传统臭氧利用方式臭氧与污水混合后，收到污水影响，臭氧混合气体大部分以气泡形式存在于污水之中，不能生成大量羟基自由基(·OH)；

3.采用传统的臭氧氧化技术处理污水的设备处理过程繁琐(如曝气头法、曝气塔法等)，污水停留时间长，臭氧投加量大，臭氧利用效率较低，运行能耗较高；

4.臭氧发生器制备臭氧的原料为氧气，氧气成本占臭氧制造成本的60％-70％，臭氧混合气体成分主要为臭氧和氧气，臭氧浓度在10％左右，大量氧气未被二次回收利用，造成资源浪费。

发明内容

本发明就是为了解决上述方法中存在的臭氧利用率较低、能效高、处理效果差的技术问题，提供一种高效气液共混污水处理方法及装置，使臭氧与污水在一定压力下直接快速溶合，使臭氧均匀分布在污水之中，通过催化反应使臭氧产生大量羟基自由基对污水进一步的氧化降解，并且将反应过程中的剩余气体回收再次利用。

为此，本发明提供一种高效气液共混污水处理装置，其设有臭氧发生器、变频高压水泵、射流器，还设有高效气液共混器和催化反应器；所述高效气液共混器设有外腔、内腔和锥腔；所述臭氧发生器、变频高压水泵分别通过管路与射流器相连接；所述射流器与所述高效气液共混器相连接；所述高效气液共混器与所述催化反应器相连接。

优选的，还设有尾气回收装置；所述外腔顶部设有排气口，所述排气口上装有排气阀。

优选的，所述锥腔由两个锥形壳体底面连接形成，其包括锥腔上体和锥腔下体；所述锥腔上体底部侧面设有出水孔，顶部设有进水口；所述射流器设有出水口，所述射流器的出水口与所述锥腔上体顶部进水口连接；所述内腔由内腔壳体套装在所述锥腔上体形成，所述锥腔与所述内腔通过锥腔上体底部侧面出水孔连通；所述外腔由外腔壳体套装在所述内腔和锥腔外形成，所述外腔与所述内腔之间通过管路连通。

优选的，所述催化反应器采用密闭式结构，底部设有超声波发射器；所述催发反应器内部填充有催化剂载体。

优选的，所述催化剂载体外围是采用孔径0.5mm网板制作，内部填充催化剂。

优选的，所述催化反应器设不出水管路，所述出水管路采用倒置U型管设置，保证催化反应器内具有一定压力。

优选的，所述臭氧发生器设有供气气源和臭氧发生器组成，所述供气气源为纯氧；所述供气气源与臭氧发生器通过管路连接，连接管路上依次装有止回阀、电磁阀、气体流量计。

优选的，所述尾气回收装置设有止回阀、汽水分离器、气体干燥器、气体流量计；所述尾气回收装置出气口与所述臭氧发生器供气气源旁路接通，连接位置为所述气源主管路气体流量计后；所述变频高压水泵与射流器的连接管路上设有压力传感器。

本发明同时提供一种高效气液共混污水处理方法，其包括如下步骤：

(1)所述臭氧发生器生产的臭氧与所述变频高压水泵增压后的污水通过所述射流器喷射进入所述高效气液共混器中；(2)臭氧与污水的混合液依次经过所述锥腔，内腔，外腔；经过所述高效气液共混器均匀混合后的臭氧污水混合液通过管路进入所述催化反应器；(3)经过所述催化反应器的催化作用，使污水中混合的臭氧产生大量羟基自由基与污水发生氧化反应；(4)剩余气体通过所述尾气回收装置回收二次利用。

优选的，所述变频高压水泵与射流器的连接管路上的压力传感器的压力为0.4MPa～0.8MPa；所述内腔与锥腔的腔内压力为0.1MPa～0.3MPa；优选的，所述高效气液共混器内臭氧污水混合液的停留时间为30s～90s之间；优选的，所述臭氧混合气体中臭氧量与污水进入量，臭氧质量与COD质量比为0.1～1。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明与公告号CN108017140A相比，明确并简化了臭氧以微气泡形式溶于污水的过程，并且通过超声波及催化剂共同作用，使溶合后的臭氧产生大量羟基自由基，臭氧在超声波及催化剂共同作用下的氧化能力是臭氧单独氧化的10～100倍。

(2)本发明提供的高效气液共混器，臭氧的溶解度可达到5mg/L～100mg/L，并且未溶解的臭氧以微气泡的形式混合在污水之中；并且高效气液共混器可作为独立的气液混合装置，可增加不同气体与液体的溶解度，如通入气体为氧气、液体为水，则氧气在水中的溶解度可达到饱和状态。

(3)本发明提供的共混反应器设备，污水的反应时间设置为1～3分钟，是传统污水停留的1/10～1/5，提高了污水处理效率，降低了污水处理成本。

(4)本发明提供的共混反应器设备，将制备臭氧剩余的氧气以及臭氧反应过程中生成的氧气进行回收，重新输送至臭氧发生器的供气气源处，二次循环利用，进一步降低了污水处理成本和能耗；

(5)该共混反应器设备，配备了PLC电气控制系统，自动调节臭氧与污水混合比，设备自动运行。降低对操作人员的技术能力要求，减少人工投入，降低运营成本。

以下结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图说明

附图1是本发明的原理图；

附图2是本发明的高效气液共混器结构示意图；

附图3是本发明实施例的结构示意图。

图中符号说明：

1.供气气源；2.止回阀；3.电磁阀；4.气体流量计；5.臭氧发生器；6.止回阀；7.球阀；8.射流器；9.高压水泵；10.电动阀；11.压力传感器；12.锥腔；13.内腔；14.外腔；15.压力表；16.背压阀；17.排气阀；18.汽水分离器；19.气体干燥器；20.止回阀；21.气体流量计；22.外腔出水口；23.排气口；24.锥腔出水口；25.锥腔进水口；26.内腔出水口；27.外腔进水口；28催化反应器箱体；29.超声波发射器；30.催化剂载体；31.催化反应器进水口；32.催化反应器出水口；33.催化反应器出水管路；34.COD在线检测设备；35.高效气液共混器；36.PLC控制箱；37.设备框架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的具体实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1、附图2所示，本发明提供一种高效气液共混污水处理装置，其设有供气气源1与臭氧发生器5通过管路连接，连接管路上依次装有止回阀2，电磁阀3和气体流量计4；臭氧发生器5出气口与射流器8进气口连通，连接管路上依次装有止回阀6和球阀7；污水管路接入高压水泵9进水口；高压水泵9出水口与射流器8进水口连通，连接管路上依次装有电动阀10和压力传感器11；射流器8出水口与锥腔12的锥腔进水口25连通；锥腔12出水口24与内腔13连通；内腔13出水口26与外腔14进水口27通过管路连通，连接管路上依次装有压力表15和背压阀16；外腔14底部设有出水口22；外腔14顶部设有排气口23，排气口23上装有排气阀17；排气阀17与臭氧发生器5进气管路接通，连接管路上依次装有汽水分离器18、气体干燥器19、止回阀20、气体流量计21，管路末端连接位置位于气体流量计4之后；出水口22与催化反应器28进水口31连接；催化反应器28底部安装有超声波发射器29，内部填充有催化剂载体30；催化反应器28出水管路33安装有COD在线检测设备34。

本发明的优选实施方式是，污水通过高压水泵9增压到0.4MPa-0.8MPa后与臭氧发生器5制备的臭氧气体在射流器8处混合喷射，射流器8喷射出的气液混合液由原来的两相介质变为均匀混合液，并进入锥腔12，因为锥腔12的特殊结构，混合液在锥腔12内进行释放、收缩、震荡和翻涌等状态不停转变，此时大量臭氧溶解于污水之中，少量臭氧以微小气泡的状态混合在污水之中，此时已变为激活状态的臭氧和污水的混合液进入内腔13，由于内腔13与外腔14的连接管路上安装有背压阀16，所以可以控制锥腔12和内腔13的压力保持在0.1MPa-0.3MPa之间，使臭氧与污水的反应保证在增压条件下，进一步的提高臭氧的溶解量及氧化效率。内腔13反应后的混合液在背压阀16再次形成喷射进入到外腔14，混合液在外腔14稳定后，多余的氧气上升至外腔14顶部，由排气口23经排气阀17排入尾气回收装置，尾气由汽水分离器18过滤，在经过气体干燥器19干燥后再经过止回阀20和气体流量计21进入臭氧发生器5进行二次利用。

进一步的，外腔14内含有溶解有臭氧及混合有臭氧微气泡的污水通过外腔出水口22进入催化反应器28，由超声波的空化效应，臭氧微气泡在污水中形成膨胀破裂，压缩崩溃，在经催化剂(活性炭或二氧化钛)的催化作用，产生大量羟基自由基对污水进行降解；由于催化反应器28出水管路33为倒置U型设置，使催化反应器28内部始终保持为恒压状态，进一步促进臭氧与污水的反应。

本发明的优选实施方式是，共混反应器采用PLC自动控制，利用PLC系统采集气体流量计4、气体流量计21的气体流量数据，对供气气源供给量和回收的尾气气量进行调配，使气体流量计4与气体流量计21检测数值相加的总量保持一个满足臭氧发生器5使用的稳定数值；PLC系统采集压力传感器11的数据用来调节污水供给压力，使污水保持在设定的压力范围内；PLC系统采集分析COD在线检测设备34的反馈数据，通过规则设定，当COD在线检测设备34反馈数据高于设定值时，PLC系统将向其他控制系统发出指令，增加臭氧发生器5功率，即增加臭氧供给量；反之则PLC系统会降低臭氧发生器5的功率；从而保证共混反应器系统出水满足标准的同时最大化的合理利用能源，降低能耗，并实现自动化运行。

本发明的工作原理如下：臭氧与污水通过射流器8高压喷射，污水由原来的缓慢流态变为活跃激发态，臭氧以大气泡形式混合于污水之中；激发态的混合液高速喷射进入锥腔12，锥腔12由两个锥形底面连接而成，因此高速混合液在锥腔上体内先进行释放，此时瞬间的释放将污水中的气泡破碎为更多的小气泡形态，因为喷射速度的惯性，释放的混合液会继续喷射进入锥腔下体进行压缩，此时瞬间压缩的压力，使臭氧微小气泡破碎瞬间融入污水之中，压缩后的混合液速度降低，但是新进入锥腔上体的混合液会对锥腔下体的混合液进行冲击，冲击的能量对混合液产生震荡作用，震荡过程会加速臭氧与污水的混合溶解，最后混合液翻涌而上从锥腔上体出水口进入内腔13，经过锥腔12的释放、压缩、震荡和翻涌，大部分臭氧已经溶解于污水之中，并且臭氧与污水已经发生了第一阶段的氧化反应，少量未溶解臭氧已经以微小气泡状态与污水均匀混合；此时的内腔13因为背压阀16的作用，腔内压力保持在0.1MPa-0.3MPa范围内，臭氧进一步溶解，并与污水发生反应；锥腔12与内腔13的增压环境，促使70％-100％的臭氧已经与污水溶合或发生反应，并且此时的污水中同时融入了大量氧气，混合液通过背压阀16进入外腔14进行平稳阶段。

进一步的，外腔14内混合有臭氧与氧气的污水进入催化反应器28内，因为超声波的超声空化作用，当足够强度的超声波(15KHz-10MHz)通过水溶液,在声波负压半周期,声压幅值超过液体内部静压,液体中的空化核迅速膨胀；在声波正压半周期,气泡又因绝热压缩而破裂,持续时间约0.1μs。破裂瞵间产生约5000K和100MPa的局部高温高压环境,并产生速率为110m/s的强冲击微射流，使污水中以微小气泡存在的氧气与臭氧气体在超声负压和正压的作用下，急速膨胀和压缩、破碎和崩溃，该过程发生在纳米级到微米级范围内，强烈的状态改变将气泡内的氧气与臭氧裂解产生大量强氧化性的羟基自由基。此时在催化剂的促进下，使羟基自由基与污水中的污染物充分接触氧化，并且催化剂可以促进臭氧与污水发生臭氧基型链反应，进一增加臭氧的利用率。

因为外腔14的环境压力低于内腔13，此时污水中剩余的氧气会上升至外腔14的顶部，由尾气回收装置回收在利用。

Claims (7)

1.一种气液共混污水处理装置，其设有臭氧发生器、变频高压水泵、射流器，其特征是，还设有气液共混器和催化反应器；所述气液共混器设有外腔、内腔和锥腔；所述臭氧发生器、变频高压水泵分别通过管路与射流器相连接；所述射流器与所述气液共混器相连接；所述气液共混器与所述催化反应器相连接；

还设有尾气回收装置；所述外腔顶部设有排气口，所述排气口上装有排气阀；

所述锥腔由两个锥形壳体底面连接形成，其包括锥腔上体和锥腔下体；所述锥腔上体底部侧面设有出水孔，顶部设有进水口；所述射流器设有出水口，所述射流器的出水口与所述锥腔上体顶部进水口连接；所述内腔由内腔壳体套装在所述锥腔上体形成，所述锥腔与所述内腔通过锥腔上体底部侧面出水孔连通；所述外腔由外腔壳体套装在所述内腔和锥腔外形成，所述外腔与所述内腔之间通过管路连通；

所述催化反应器采用密闭式结构，底部设有超声波发射器；所述催化反应器内部填充有催化剂载体。

2.根据权利要求1所述的气液共混污水处理装置，其特征在于，所述催化剂载体外围是采用孔径0.5mm网板制作，内部填充催化剂。

3.根据权利要求2所述的气液共混污水处理装置，其特征在于，所述催化反应器设有出水管路，所述出水管路采用倒置U型管设置，保证催化反应器内具有一定压力。

4.根据权利要求1所述的气液共混污水处理装置，其特征在于，所述臭氧发生器设有供气气源，所述供气气源为纯氧；所述供气气源与臭氧发生器通过管路连接，连接管路上依次装有止回阀、电磁阀、气体流量计。

5.根据权利要求4所述的气液共混污水处理装置，其特征在于，所述尾气回收装置设有止回阀、汽水分离器、气体干燥器、气体流量计；所述尾气回收装置出气口与所述臭氧发生器供气气源旁路接通，连接位置为所述气源主管路气体流量计后；所述变频高压水泵与射流器的连接管路上设有压力传感器。

6.使用如权利要求1～5任一所述装置的污水处理方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）所述臭氧发生器生产的臭氧与所述变频高压水泵增压后的污水通过所述射流器喷射进入所述气液共混器中；

（2）臭氧与污水的混合液依次经过所述锥腔，内腔，外腔；经过所述气液共混器均匀混合后的臭氧污水混合液通过管路进入所述催化反应器；

（3）经过所述催化反应器的催化作用，使污水中混合的臭氧产生大量羟基自由基与污水发生氧化反应；

（4）剩余气体通过所述尾气回收装置回收二次利用。

7.根据权利要求6所述的污水处理方法，其特征在于，所述变频高压水泵与射流器的连接管路上的压力传感器的压力为0.4MPa～0.8MPa；

所述内腔与锥腔的腔内压力为0.1MPa～0.3MPa；

所述气液共混器内臭氧污水混合液的停留时间为30s～90s之间；

臭氧混合气体中臭氧量与污水进入量，臭氧质量与COD质量比为0.1～1。