CN114436457A - 臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法 - Google Patents

臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法。该系统包括进水系统、臭氧气浮系统和催化氧化系统；进水系统的进水口位于臭氧气浮系统的下方；臭氧气浮系统包括臭氧发生器和微孔曝气器；进水系统和臭氧气浮系统分别和催化氧化系统连通；催化氧化系统包括催化氧化反应罐和从上到下依次设置于催化氧化反应罐内的至少两层催化氧化层，催化氧化层包括载体和负载于载体上的活性催化剂；臭氧通过微孔曝气器进入催化氧化反应罐，与从进水系统进入的污水混合后依次通过每层催化氧化层，在臭氧气浮的同时完成催化氧化，实现污水处理。本发明装置结构紧凑简洁，从从上到下依次设置多层催化氧化层，污水处理效果好。

Description

臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及水环境保护技术领域，尤其涉及一种臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法。
背景技术
早期建设的城市大多采用合流制排水系统，随着城市的发展，城市合流制溢流污染严重。合流制溢流(CSO)是污水和雨水的混合液，含有大量的污染物。国内多个城市的数据表明，合流制溢流中COD和TSS等污染物浓度较高且变化较大，部分实测数据TSS甚至可高达1000mg/L以上。
目前合流制溢流处理的常见方法有水力旋流分离器、高效沉淀池、磁混凝高密度沉淀池等。从现有的工艺来看，基本都缺乏处理初雨污染中的COD污染物。如果采用生化工艺处理工序，由于COD变化系数大、停留时间过短、碳氮失衡、日常维护难等问题的存在，难以实现对COD指标的有效去除。因此，开发能够同时处理SS、TP、COD等污染指标的快速处理技术尤为必要。
传统臭氧气浮工艺多用于污水深度处理或含油废水、印染废水等工业废水的处理。为了进一步提高臭氧氧化效率，结合非均相臭氧催化氧化，开发一种新型臭氧气浮装置，在一个操作单元内同时完成破乳或絮凝、固液分离、除色、嗅、味、消毒等多个过程，可高效去除水中的悬浮性颗粒物及胶体，非常适合快速处理初雨和CSO这类水质波动大的污水。
申请号为CN201710726484.1的专利公开了一种催化臭氧化-臭氧气浮一体化装置，包括臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二，在臭氧气浮单元中完成臭氧氧化反应，然后依次通过催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二完成两次催化氧化反应，该装置能高效去除水中浊度和总悬浮固体。该装置的不足之处在于：(1)该装置的臭氧气浮单元、催化臭氧化单元一和催化臭氧化单元二布置较为分散，使整个装置占用大量的空间，限制了适用性；(2)臭氧要依次经过每个单元，为了确保臭氧的浓度，所需的臭氧量较多。
有鉴于此，有必要设计一种改进的臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法，在催化氧化反应罐中从上到下依次设置多层催化氧化层，污水处理效果好，且装置的结构更为紧凑简洁，尤其适用于水质波动大的CSO处理领域。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种臭氧催化氧化气浮一体化系统，包括催化氧化系统以及分别与其连通的进水系统和臭氧气浮系统；所述催化氧化系统包括催化氧化反应罐和从上到下依次设置于所述催化氧化反应罐内的至少两层催化氧化层，所述催化氧化层包括载体和负载于所述载体上的活性催化剂；所述臭氧气浮系统包括臭氧发生器和设置于所述催化氧化反应罐内，且位于所述催化氧化层下方的微孔曝气器；所述进水系统的进水口位于所述催化氧化层的下方；臭氧通过所述微孔曝气器进入所述催化氧化反应罐，与从所述进水系统进入的污水混合后依次通过每层所述催化氧化层，在臭氧气浮的同时完成催化氧化，实现污水处理。
作为本发明的进一步改进，所述进水系统包括污水箱和设置于所述污水箱出水口端的提升泵，所述提升泵将所述污水泵入所述催化氧化反应罐。
作为本发明的进一步改进，所述进水系统还包括溶药罐和混合器；所述溶药罐的出水口端与所述提升泵的进水口端连接，所述提升泵的出水口端与所述混合器连接，所述污水箱和所述溶药罐的污水和药剂被泵入所述混合器，在所述混合器内进行混合。
作为本发明的进一步改进，所述混合器为管式混合器。
作为本发明的进一步改进，所述臭氧气浮系统还包括空气压缩机，所述空气压缩机和所述臭氧发生器分别将空气和臭氧同时送入所述微孔曝气器，进入所述催化氧化反应罐。
作为本发明的进一步改进，所述微孔曝气器内设有用于控制空气曝气量和臭氧曝气量的自动控制系统，可以根据进水水质条件，灵活调整空气曝气量和臭氧曝气量。
作为本发明的进一步改进，所述载体包括颗粒活性炭、颗粒状氧化铝和硅铝复合材料中的一种或多种；所述活性催化剂包括Pt、Ni、Co、Mn和Cu金属离子中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述催化氧化反应罐的上部设有排放系统，用于排放污水处理后得到的各类物质。
作为本发明的进一步改进，所述排放系统包括出水管和排渣系统，所述排渣系统包括浮渣管，处理过的污水从所述出水管排出，浮渣从浮渣管排出。
本发明还提供了一种上述所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统的使用方法，具体包括如下步骤：
S1.打开所述污水箱、所述溶药罐、所述提升泵和所述混合器的开关，污水和药剂被所述提升泵泵入所述混合器，污水和药剂进行混合，并发生反应，对污水进行初步处理；
S2.打开所述催化氧化反应罐进水口的开关、所述臭氧发生器、所述空气压缩机以及所述微孔曝气器的开关，空气和臭氧的微气泡与污水接触，微气泡粘附于疏水性物质表面形成整体，并浮于水面上；同时微气泡中的臭氧开始和部分污染物发生氧化反应；
S3.随着污水不断上升，污水和不同层的所述催化氧化层接触，发生催化氧化反应，实现有机物的高效分解；
S4.打开所述出水管和所述浮渣管的开关，被处理过的污水从所述出水管排出，浮渣从所述浮渣管排出。
本发明的有益效果是：
(1)本发明设置了多层催化氧化层，能够对污水进行多次催化氧化处理，提高污水处理效果。同时多层催化氧化层从上到下依次设置于催化氧化反应罐中，催化氧化层的层数和用量可以根据实际情况自由调整，尤其适用于水质波动大的CSO处理领域。整个污水处理过程在一个反应罐中进行，装置的结构更为紧凑简洁，臭氧利用率高。
(2)本发明根据CSO进水水质波动大的实际情况，开发了灵活的曝气系统，可根据进水水质条件，灵活调整空气曝气量和臭氧曝气量(臭氧的浓度通过空气压缩机提供的空气量进行稀释调整)，充分发挥空气气浮的作用，并减少臭氧使用量。具体来说，当CSO进水COD较低时，可只通入空气，依靠空气气浮净化污水；当CSO进水COD较高时，可增加臭氧进气量，通过臭氧催化氧化提高COD去除效果。
(3)本发明通过设置空气压缩机和臭氧发生器，可以制备出含空气和臭氧的微气泡，在气浮过程中，微气泡中的空气和臭氧均可以和污水中疏水性物质粘附，减少了臭氧的使用量。污水发生气浮反应的同时，部分污染物还可以和微气泡中的臭氧发生氧化反应，即臭氧不仅可以为气浮过程提供微小气泡，还可以进行氧化反应，使臭氧得到充分的利用，提高污水处理效率。本装置还可以根据污水的实际情况自由调整空气和臭氧的比例，充分利用臭氧，不会造成臭氧的浪费，对环境友好。
附图说明
图1为本发明臭氧催化氧化气浮一体化系统的结构示意图。
附图标记
1-进水系统；2-臭氧气浮系统；3-催化氧化系统；4-排放系统；11-污水箱；12-提升泵；13-溶药罐；14-混合器；21-臭氧发生器；22-微孔曝气器；23-空气压缩机；31-催化氧化反应罐；32-催化氧化层；41-出水管；42-浮渣管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，本发明提供了一种臭氧催化氧化气浮一体化系统，包括催化氧化系统3以及分别与其连通的进水系统1和臭氧气浮系统2。催化氧化系统3包括催化氧化反应罐31和从上到下依次设置于催化氧化反应罐31内的至少两层催化氧化层32，催化氧化层32包括载体和负载于载体上的活性催化剂；臭氧气浮系统2包括臭氧发生器21和设置于催化氧化反应罐31内、且位于催化氧化层32下方的微孔曝气器22；进水系统1的进水口位于催化氧化层32的下方。如此设置，臭氧发生器21制备的臭氧通过微孔曝气器22进入催化氧化反应罐31，与从进水系统1进入的污水混合后依次通过每层催化氧化层22，在臭氧气浮的同时完成催化氧化，实现污水处理。(图中各个部分的开关没有画出)
具体地，进水系统1设置于催化氧化反应罐31的底部，包括污水箱11和设置于污水箱11出水口端的提升泵12。提升泵12可以将污水箱11中的污水泵入催化氧化反应罐31中，并可以将催化氧化反应罐31中污水水位不断提升，直至提升至催化氧化反应罐31的出水口端。
在一些实施例中，进水系统1还包括溶药罐13和混合器14。溶药罐13的出水口端与提升泵12的进水口端连接，提升泵12的出水口端连接混合器14。如此设置，污水箱11和溶药罐13的污水和药剂被泵入混合器14，在混合器14内进行混合，并发生反应，对污水进行初步处理。优选地，混合器14为管式混合器。最终，污水从催化氧化反应罐31底部设置的进水系统1进入催化氧化反应罐31，并通过提升泵12的压力，水位不断上升。
臭氧气浮系统2除了设有臭氧发生器21和微孔曝气器22(设置于催化氧化反应罐31的内腔中)外，还包括空气压缩机23。臭氧发生器21和空气压缩机23的出气口端均与微孔曝气器22连通，空气压缩机23和臭氧发生器21分别将空气和臭氧同时送入微孔曝气器22，微孔曝气器22将空气和臭氧的混合物生成大量高度分散的微气泡，这些微气泡与水位不断上升的污水接触后会粘附污水中疏水性物质，微气泡和这些物质形成密度小于水的整体，并浮于水面上。
该过程中，污水发生气浮反应的同时，部分污染物已经和微气泡中的臭氧发生氧化反应。此时，臭氧不仅可以为气浮过程提供微小气泡，还可以进行氧化反应，提高污水处理过程的效率。污水在上升过程中，不断发生这气浮和氧化反应。
空气和臭氧的通入量及比例可以根据实际情况随时调整。当进水COD≤150mg/L，臭氧占系统总进气量比例＜30％；当进水300＞COD＞150mg/L，臭氧占系统总进气量比例＞30％；当进水COD≥300mg/L，可采用N级臭氧布气，或采用出水回流。
在一些实施例中，可采用N级臭氧布气，即在催化氧化反应罐31的不同高度设置臭氧微孔曝气器22，增加臭氧曝气量。第一级臭氧直接与污水混合，污水经过气浮分离后，再经过N级臭氧布气设备，利用臭氧降解污水中溶解性污染物。
在一些实施例中，微孔曝气器22可以换成环形曝气盘管，环形曝气盘管盘旋在催化氧化反应罐31的内腔中。
催化氧化系统3的催化氧化反应罐31内从上到下依次设置有至少两层催化氧化层32。催化氧化层32设置于微孔曝气器22的上部。催化氧化层32从下到上依次记为第一层、第二层、第三层等。
催化氧化层32包括载体和活性催化剂，活性催化剂负载于载体上。载体一般为颗粒活性炭、颗粒状氧化铝和硅铝复合材料中的一种或多种；活性催化剂一般为Pt、Ni、Co、Mn和Cu金属离子中的一种或多种。活性催化剂的制备方式可为浸渍法或共混法。此处的催化氧化层32采用的颗粒较大从而使孔隙较大，污水中的残渣足以通过并不断上浮。
不同的催化氧化层32可以采用相同的活性催化剂和载体，也可以采用不同的活性催化剂和载体。催化氧化层32的层数可以根据实际情况具体设置。
污水在不断上升的过程中，开始和催化氧化层32的不同层接触，在此处有催化剂的存在(这里的催化剂在该反应体系中属于非均相催化剂)，溶气水中的水和臭氧经过多步反应生成氧化性比臭氧更强的羟基自由基(吸附在催化剂表面的水分子先解离成羟基和H，羟基与催化剂结合形成Cat-OH，Cat-OH中的H很容易被臭氧夺取，形成O2-OH中间产物，O2-OH进一步分解为氧气和羟基自由基)，在臭氧和羟基自由基的共同作用下，能进一步加快氧化反应，实现溶解性有机物的高效分解，进一步对污水进行处理。
催化反应罐靠近出水端的催化氧化层32可以将多余的臭氧处理，尽量降低进入大气中的臭氧量。
催化氧化反应罐31的上部设有排放系统4，排放系统4包括出水管41和排渣系统，处理过的污水从出水管41排出，浮渣从排渣系统排出。排渣系统包括浮渣管42，浮渣管42将浮渣排出。
具体地，提升泵12将污水箱11中的污水泵入催化氧化反应罐31中，并可以将催化氧化反应罐31中污水水位不断提升，直至提升至出水管41的进水端的管口处。通过进水系统1和出水管41联合控制催化氧化反应罐31内液位距其顶部的距离，该距离可以根据处理的水质和水量的不同进行自由调节。臭氧催化氧化后的水经由出水管41排出，浮渣积累一定量后自浮渣管42自流排出。
本发明还提供了一种上述所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统的使用方法，具体包括如下步骤：
S1.打开污水箱11、溶药罐13、提升泵12和混合器14的开关，污水和药剂被提升泵12泵入混合器14，污水和药剂进行混合，并发生反应，对污水进行初步处理；
S2.关闭污水箱11和溶药罐13开关，打开催化氧化反应罐31进水口的开关、臭氧发生器21、空气压缩机23以及微孔曝气器22的开关，空气和臭氧的微气泡与污水接触，微气泡粘附于疏水性物质表面形成整体，并浮于水面上；同时微气泡中的臭氧开始和部分污染物发生氧化反应；
S3.随着污水不断上升，污水和不同层的催化氧化层32接触，发生催化氧化反应，实现有机物的高效分解；
S4.打开所述出水管41和浮渣管42的开关，被处理过的污水从出水管41排出，浮渣从浮渣管42排出。
该臭氧催化氧化气浮一体化系统的工作原理为：污水箱11和溶药罐13的污水和药剂被提升泵12泵入混合器14，在混合器14内进行混合，并发生反应，对污水进行初步处理。得到初步处理的污水进入催化氧化反应罐31，并在提升泵12的作用下不断上升。当污水与微孔曝气器22接触时，微孔曝气器22释放出的大量高度分散的空气和臭氧混合的微气泡，一方面粘附于疏水性物质表面，微气泡和这些物质形成密度小于水的整体，并浮于水面上；另一方面，微气泡和污水发生气浮反应的同时，微气泡中的臭氧开始和部分污染物发生氧化反应。随着污水水位的进一步上升，污水开始和催化氧化层32的不同层接触，在催化剂的存在，溶气水中的水和臭氧经过多步反应生成氧化性比臭氧更强的羟基自由基(吸附在催化剂表面的水分子先解离成羟基和H，羟基与催化剂结合形成Cat-OH，Cat-OH中的H很容易被臭氧夺取，形成O2-OH中间产物，O2-OH进一步分解为氧气和羟基自由基)，在臭氧和羟基自由基的共同作用下，能进一步加快氧化反应，实现有机物的高效分解，进一步对污水进行处理。被处理过的污水水位进一步上升，污水从出水管41排出，浮渣积累一定量后自浮渣管42自流排出。
本发明处理的污水的水质情况一般为为：SS含量为70-500mg/L；COD含量为100-400mg/L；TP含量不高于4mg/L。
以下通过多个实施例对本发明的臭氧催化氧化气浮一体化系统进行说明。
实施例1-2
污水的水质情况为：SS含量为120mg/L；COD含量为150mg/L；TP含量为2mg/L。分别在不添加催化剂和进行一次催化处理的情况下进行，处理效果如表1所示。
表1实施例1-2的污水处理效果
Figure BDA0003553402680000092
由表1可知，针对水质较好的进水，(1)不采用催化剂时，仅通过气浮系统就可以达到较好的处理效果；(2)采用催化剂时，能进一步提高污水处理效果。
实施例3-7
污水的水质情况为：SS含量为500mg/L；COD含量为400mg/L；TP含量为4mg/L。催化氧化层32的载体均为Al2O3，催化氧化层32的层数、活性催化剂的种类、用量及处理效果如表2所示。
表2实施例3-7的污水处理效果
Figure BDA0003553402680000091
Figure BDA0003553402680000101
由表2可知，(1)采用催化氧化层，可大幅提高系统COD去除率；(2)增加催化剂活性离子的浓度，有助于提高污水的处理效果；(3)增加催化层的层数，有助于提高污水的处理效果。
综上所述，本发明提供了一种臭氧催化氧化气浮一体化系统及其使用方法，设置了多层催化氧化层，能够对污水进行多次催化氧化处理，提高污水处理效果；装置的结构更为紧凑简洁，能广泛适用于污水处理领域；催化氧化层的层数和用量可以根据实际情况自由调整；根据CSO进水水质波动大的实际情况，开发了灵活的曝气系统，可根据进水水质条件，灵活调整空气曝气量和臭氧曝气量，充分发挥空气气浮的作用，并减少臭氧使用量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：包括催化氧化系统(3)以及分别与其连通的进水系统(1)和臭氧气浮系统(2)；所述催化氧化系统(3)包括催化氧化反应罐(31)和从上到下依次设置于所述催化氧化反应罐(31)内的至少两层催化氧化层(32)，所述催化氧化层(32)包括载体和负载于所述载体上的活性催化剂；所述臭氧气浮系统(2)包括臭氧发生器(21)和设置于所述催化氧化反应罐(31)内，且位于所述催化氧化层(32)下方的微孔曝气器(22)；所述进水系统(1)的进水口位于所述催化氧化层(32)的下方；臭氧通过所述微孔曝气器(22)进入所述催化氧化反应罐(31)，与从所述进水系统(1)进入的污水混合后依次通过每层所述催化氧化层(32)，在臭氧气浮的同时完成催化氧化，实现污水处理。
2.根据权利要求1所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述进水系统(1)包括污水箱(11)和设置于所述污水箱(11)出水口端的提升泵(12)，所述提升泵(12)将所述污水泵入所述催化氧化反应罐(31)。
3.根据权利要求2所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述进水系统(1)还包括溶药罐(13)和混合器(14)；所述溶药罐(13)的出水口端与所述提升泵(12)的进水口端连接，所述提升泵(12)的出水口端与所述混合器(14)连接，所述污水箱(11)和所述溶药罐(13)的污水和药剂被泵入所述混合器(14)，在所述混合器(14)内进行混合。
4.根据权利要求3所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述混合器(14)为管式混合器。
5.根据权利要求4所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述臭氧气浮系统(2)还包括空气压缩机(23)，所述空气压缩机(23)和所述臭氧发生器(21)分别将空气和臭氧同时送入所述微孔曝气器(22)，进入所述催化氧化反应罐(31)。
6.根据权利要求5所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述微孔曝气器(22)内设有用于控制空气曝气量和臭氧曝气量的自动控制系统，可以根据进水水质条件，灵活调整空气曝气量和臭氧曝气量。
7.根据权利要求1所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述载体包括颗粒活性炭、颗粒状氧化铝和硅铝复合材料中的一种或多种；所述活性催化剂包括Pt、Ni、Co、Mn和Cu金属离子中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述催化氧化反应罐(31)的上部设有排放系统(4)，用于排放污水处理后得到的各类物质。
9.根据权利要求8所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统，其特征在于：所述排放系统(4)包括出水管(41)和排渣系统，所述排渣系统包括浮渣管(42)，处理过的污水从所述出水管(41)排出，浮渣从浮渣管(42)排出。
10.一种权利要求9所述的臭氧催化氧化气浮一体化系统的使用方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
S1.打开所述污水箱(11)、所述溶药罐(13)、所述提升泵(12)和所述混合器(14)的开关，污水和药剂被所述提升泵(12)泵入所述混合器(14)，污水和药剂进行混合，并发生反应，对污水进行初步处理；
S2.打开所述催化氧化反应罐(31)进水口的开关、所述臭氧发生器(21)、所述空气压缩机(23)以及所述微孔曝气器(22)的开关，空气和臭氧的微气泡与污水接触，微气泡粘附于疏水性物质表面形成整体，并浮于水面上；同时微气泡中的臭氧开始和部分污染物发生氧化反应；
S3.随着污水不断上升，污水和不同层的所述催化氧化层(32)接触，发生催化氧化反应，实现有机物的高效分解；
S4.打开所述出水管(41)和所述浮渣管(42)的开关，被处理过的污水从所述出水管(41)排出，浮渣从所述浮渣管(42)排出。
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