CN115010241A - 高气水比的臭氧溶气氧化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了污水处理技术领域一种高气水比的臭氧溶气氧化装置，包括水箱；水箱连接气水混合柱；气水混合柱的底部设有第一曝气头，第一曝气头连接在臭氧发生器上，气水混合柱的顶部设有收缩圆管，收缩圆管连接柱塞式隔膜泵；柱塞式隔膜泵接压力溶气罐，压力溶气罐的顶部经出气口接尾气收集装置；压力溶气罐接催化反应柱内位于下部的溶气释放器；催化反应柱的底部设有第二曝气头，第二曝气头连接在臭氧发生器上，催化反应柱的中间位置设有催化剂，顶部的出气口接尾气收集装置，本发明解决了臭氧溶气氧化工艺中低气水比的问题，可以处理达到90％以上的气水比。

Description

高气水比的臭氧溶气氧化装置及方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种臭氧溶气氧化装置。

背景技术

臭氧因其氧化效果好、不产生二次污染、处理效率高等特点，在水处理工艺中被广泛应用。臭氧的化学性质活泼，它在常温下即可自行分解成氧气，在高温条件下分解更快，一般现场制备直接投加。传统的开敞式投加方式，不仅气泡直径大，臭氧与水的接触面积小，停留时间短，处理效果差，而且受气源压力限制，处理水深只能在5m左右，臭氧利用效率低，造成能源浪费。

国内外学者为强化臭氧的氧化能力提出了压力式臭氧溶气氧化方法。根据亨利定律，温度一定时，气相压力越大，气体的溶解度越大，则水中的臭氧浓度越高，当气相压力达到3个大气压后减压释放会产生微纳米气泡，微纳米气泡破碎后会产生羟基自由基。相对臭氧的选择性降解，羟基自由基可以广谱降解大部分有机物。由于气泡直径小，接触面积大，停留时间长以及羟基自由基强化氧化作用，臭氧溶气氧化的工艺具有处理效果好、臭氧利用率高等优势。目前实现溶气的三种方式：

气液两相泵技术利用离心泵叶轮高速旋转产生负压的原理将臭氧从吸气口吸入泵内，但是在离心泵叶轮转速一定的情况下，当入口含气率超过临界值时，会导致泵进出口压差突然下降，出现喘振现象的同时泵的扬程和效率会急速降低，因此气液两相泵的气水比一般为 5-7%，对于高浓度有机废水，其绝对臭氧投加量太低，处理效果不好。

文丘里射流溶气技术利用文氏效应产生负压的原理，将臭氧从文丘里吸气口吸入，与文丘里内高速流动的液体混合，产生的气泡小，臭氧溶解效率高。但是文丘里的吸气量会随着曝气压力的增加而下降，当曝气压力过大时（大于3个大气压），文丘里吸入的气量急剧下降，其气水比低于7%，且文丘里的特性会极大消耗泵的扬程，能耗大。

水泵、气泵联合溶气技术可提高气水比（15-20%），但不适用臭氧投加。原因是臭氧经压缩后温度升高，分解加剧，浓度衰减，且装置的密封材料很快被氧化，不能长期工作。

因此要发挥臭氧溶气氧化工艺的优点，必须解决其低气水比的问题。针对这一问题，本发明提出了一种高气水比的臭氧溶气氧化装置及方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高气水比的臭氧溶气氧化装置及方法，解决了臭氧溶气氧化工艺中低气水比的问题，其气水比可达90％以上。

本发明的目的是这样实现的：一种高气水比的臭氧溶气氧化装置，包括水箱、气水混合柱、柱塞式隔膜泵、压力溶气罐、溶气释放器、催化反应柱、臭氧发生器；

所述水箱的出水口连接气水混合柱的进水口，所述进水口设置在气水混合柱的下部；

所述气水混合柱的底部设有第一曝气头，所述第一曝气头连接在臭氧发生器上，所述气水混合柱的顶部设有收缩圆管，收缩圆管连接柱塞式隔膜泵的进水口；

所述柱塞式隔膜泵的出水口接压力溶气罐的进水口，所述压力溶气罐的顶部经出气口接尾气收集装置；

所述压力溶气罐的出水口接催化反应柱内位于下部的溶气释放器；

所述催化反应柱的底部设有第二曝气头，第二曝气头连接在臭氧发生器上，所述催化反应柱的中间位置设有催化剂，上部设有出水口，顶部设有出气口，出气口接尾气收集装置。

作为本发明的进一步改进，所述水箱为恒位水箱，所述恒位水箱包括进水口和溢流口，溢流口位于进水口上方。

作为本发明的进一步改进，所述水箱与气水混合柱之间的管道上设有液流调节阀和液体流量计。

作为本发明的进一步改进，所述第一曝气头与臭氧发生器之间的管道上设有气体流量计。

作为本发明的进一步改进，所述压力溶气罐的进水口开设在底部，所述压力溶气罐的出水口开设在侧部，所述压力溶气罐的出气口与尾气收集装置之间安全阀，所述压力溶气罐出水口与溶气释放器之间的管路上设有压力表。

作为本发明的进一步改进，所述第一曝气头和第二曝气头均为微孔曝气头。

一种高气水比的臭氧溶气氧化方法，采用上述高气水比的臭氧溶气氧化装置，包括以下步骤：

步骤1）向恒位水箱中注入待处理废水，水位上升到溢流口位置，打开液流调节阀和溢流阀，让待处理废水自流进入低压气液混合柱，多余废水从溢流口排出；

步骤2）在低压气液混合柱内的水位上升到出水口高度后，启动柱塞式隔膜泵，并根据液体流量计示数测定污水流量，再通过调节柱塞式隔膜泵的功率来控制污水流量；

步骤3）启动臭氧发生器，将其制备的高浓度臭氧经过进气管、气体流量计和第一曝气头进入低压气液混合柱，在低压气液混合柱底部不断进行臭氧曝气，并使用气体流量计调节臭氧流量，实现设定比例的臭氧气体和待处理废水的同向流动；

步骤4）臭氧气体和待处理废水垂直同向流动进入收缩圆管，在圆管内混合形成高含气率水后，经隔膜泵加压进入溶气罐；隔膜泵连续工作中，压力溶气罐内压力不断增加至溶气压力，当压力上升至安全阀开启压力时，安全阀开始释放臭氧，当溶气罐内压力低于安全阀开启压力时，安全阀停止释放臭氧；由安全阀释放的臭氧气体经排气管进入尾气处理装置集中处理；

步骤5）当溶气罐压力上升至溶气释放器启动压力时，加压气水会通过出水管，经溶气释放器减压释放，产生乳白色的微纳米气泡水后进入催化反应柱，配合催化剂进行催化反应，污水在催化反应柱内的停留时间为10-30min，反应结束后即可得到干净出水。

本发明的工作原理为：

原水水泵将待处理废水抽送至恒位水箱，一段时间后水位上升至溢流口高度后多余的废水从溢流孔流出， 在水箱中形成恒定的水位，保证装置运行过程中充足的废水供给；将进水口和进气口放在低压气液混合柱底部，在低压条件下注入待处理废水并通入臭氧曝气，达到水气垂直向上流动状态并初步混合，通过调节加压泵的功率和气体流量计分别控制废水和臭氧的流量，当臭氧流量相对废水流量足够大时，在收缩圆管内形成环状流，臭氧和废水在惯性力和剪切力的作用下进一步混合，气水比达到90％以上。加压泵采用适应高气水比的柱塞式容积泵来加压高含气率水，气液混合物自压进入隔膜泵，完成水气气同步加压并进入溶气罐中溶气。根据亨利定律，气体在水中的溶解度与其平衡分压成正比，即气相压力越大，气体在水中的溶解度也就越大，并且气泡直径会随着压力的增大而减小，因此加压溶气会极大增加臭氧的接触面积。当压力上升至安全阀开启压力时，安全阀开始释放臭氧，释放的臭氧经气体管路被收集，当溶气罐内压力低于安全阀开启压力时，安全阀停止释放臭氧，即通过调节安全阀来维持溶气罐的压力在3-4个大气压。加压后的溶气水经溶气释放器减压释放，产生乳白色的微纳米气泡水，微纳米气泡破碎后会生成氧化能力更强的羟基自由基（-OH），相对臭氧的选择性降解，羟基自由基可以广谱降解大部分有机物，配合催化反应柱中的催化剂进一步降解废水中的有机物。对于较难处理的废水，采用两点投加臭氧的方式，同时向低压气液混合柱和催化反应柱底部通入臭氧，提高处理效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.该装置中的低压气液混合柱采用下进上出的进出水方式，配合底部曝气头曝气，达到低压状态下水气向上同流的效果。通过调节臭氧和废水的流速，在收缩圆管内达到环状流，在惯性力和剪切力作用下切割气泡，将气水充分混合，得到气水比90％以上的高含气率水；

2.隔膜泵因其稳定的工作性能，具有加压高含气率水的能力，气液混合物自压进入隔膜泵，完成水气同步加压并进入溶气罐中溶气；

3.该装置中低压气液混合柱的创新得到了气水比90％以上的高含气率水，隔膜泵的选择解决了高含气率水的加压问题，突破了目前溶气氧化工艺低气水比的难题，应用前景广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

其中，1进水阀、2溢流阀、3恒位水箱、4液流调节阀、5液体流量计、6微孔曝气头、7低压气液混合柱、8 收缩圆管、9 柱塞式隔膜泵、10压力式溶气罐、11安全阀、12压力表、13溶气释放器、14微孔曝气头、15催化反应柱、16气体流量计、虚线表示气体管路、实线表示液体管路。

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技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

如图1所示的一种高气水比的臭氧溶气氧化装置，包括恒位水箱3、低压气液混合柱7、收缩圆管8、柱塞式隔膜泵9、压力溶气罐10、溶气释放器13、催化反应柱15、臭氧发生器等设备。

恒位水箱在左下侧设置进水口，上侧设置溢流出口，底部设有出水口，通过输水管与低压气液混合柱7进水口连接，液流调节阀4和液体流量计5安装在输水管上。

低压气液混合柱7左下侧设置进水口，顶部设有透明的圆型通道的收缩圆管8，通过出水管与柱塞式隔膜泵9连接，底部设有微孔曝气头6（第一曝气头），通过气体管路与臭氧发生器贯通连接，气体管路上设有气体流量计16。

柱塞式隔膜泵9固定在低压气液混合柱7上端，通过水管连接在低压气液混合柱7和压力溶气罐10之间，水管一端与低压气液混合柱7顶部出水口连接，另一端与压力溶气罐9底部进水口连接。

压力溶气罐10底部设有进水口，通过输水管与柱塞式隔膜泵9连接；顶部设有出气口和安全阀11，通过排气管与尾气收集装置连接；右侧设有出水口，通过出水管与催化反应柱15内的溶气释放器13连接，出水管上设有压力表12。

催化反应柱15为圆柱形结构，左下侧设有进水口，溶气释放器13放在进水口处，底部设有微孔曝气头14（第二曝气头），中间位置设有催化剂，右上侧设有出水口，顶部设有出气口，通过排气管与尾气处理装置连接。

一种高气水比的臭氧溶气氧化方法，包括以下步骤：

步骤1）关闭液流调节阀4和溢流阀2，打开进水阀门1并启动进水水泵向恒位水箱3中注入待处理废水，一段时间后水位上升到溢流口位置，打开液流调节阀4和溢流阀2，让待处理废水自流进入低压气液混合柱7，多余废水从溢流口排出；

步骤2）在低压气液混合柱7内的水位上升到出水口高度后，启动柱塞式隔膜泵9，并根据液体流量计5示数测定污水流量，再通过调节柱塞式隔膜泵9的功率来控制污水流量；

步骤3）启动臭氧发生器，将其制备的高浓度臭氧经过进气管、气体流量计15和微孔曝气头6进入低压气液混合柱7，在低压气液混合柱7底部不断进行臭氧曝气，并使用气体流量计16调节臭氧流量，实现一定比例的臭氧气体和待处理废水的同向流动；

步骤4）臭氧气体和待处理废水垂直同向流动进入收缩圆管，在圆管内混合形成高含气率水后，经隔膜泵9加压进入溶气罐10；隔膜泵9连续工作中，压力溶气罐10内压力不断增加至溶气压力，实现高浓度臭氧处理废水的目的。当压力上升至安全阀11开启压力时，安全阀11开始释放臭氧，当溶气罐10内压力低于安全阀11开启压力时，安全阀11停止释放臭氧；由安全阀11释放的臭氧气体经排气管进入尾气处理装置集中处理；

步骤5）溶气罐10的结构采用下进侧出的方式，当溶气罐压力上升至溶气释放器13启动压力时，加压气水会通过出水管，经溶气释放器13减压释放，产生乳白色的微纳米气泡水后进入催化反应柱15，配合催化剂进行催化反应，污水在催化反应柱内的停留时间为10-30min，反应结束后即可得到干净出水。

高气水比投加臭氧的可行性分析：

空气在水中溶解度存在极限，在一定压力范围内，其在水中的溶解度符合亨利定律，即压力越高，溶解度越大。在水温 40℃时，3 个大气压下空气的溶解度约为 40mg/L，而臭氧溶解度是氧气的 13 倍，3 个大气压下其饱和溶解度约为 500mg/L；根据亨利定律，气体溶解度随温度升高而下降，因此在常温下高气水比投加臭氧进行溶气远达不到臭氧的饱和浓度，不会造成臭氧的浪费， 只会增加水中的臭氧浓度，强化氧化效果。运用纯氧做为制备臭氧的气源进行了初步实验，实验表明，溶气罐中的臭氧基本溶解在废水中，剩余大量达到饱和溶解度的纯氧最终通过安全阀排出。

本发明工艺方法先进有效，结构简易合理，节能减排。本发明提供的高气水比的臭氧溶气氧化工艺，结构上主要由恒位水箱、低压气液混合柱、柱塞式隔膜泵、压力溶气罐、溶气释放器、催化反应柱、臭氧发生器等设备构成。本工艺将进水口和进气口放在低压气液混合柱底部，在低压条件下注入待处理废水并通入臭氧曝气，在收缩圆管内完成气水混合，实现水气全程同流，提高臭氧利用效率；采用适应高气水比的柱塞式容积泵加压高含气率水，通过调节隔膜泵的功率和气体流量计，实现不同比例的气水混合，气水比可以达到90％以上；对于较难处理的污废水，可以采用两点投加臭氧的方式，同时向低压气液混合柱和催化反应柱底部通入臭氧，提高处理效果。对比传统曝气投加方式，本发明实现了水气全程同流，增加了臭氧在水中的停留时间，通过加压提升了臭氧在水中的溶解度，提高了臭氧的利用率，减少了臭氧的投加量，节约能源。相对于目前的溶气氧化工艺，本发明通过水气向上同流的方式混合气水，采用适应高含气水的隔膜泵加压气水，解决了臭氧投加以及低气水比的问题，实现了高气水比的理想溶气，提高臭氧处理效果，为溶气氧化工艺工程化奠定基础。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高气水比的臭氧溶气氧化装置，其特征在于，包括水箱、气水混合柱、柱塞式隔膜泵、压力溶气罐、溶气释放器、催化反应柱、臭氧发生器；

所述水箱的出水口连接气水混合柱的进水口，所述进水口设置在气水混合柱的下部；

所述气水混合柱的底部设有第一曝气头，所述第一曝气头连接在臭氧发生器上，所述气水混合柱的顶部设有收缩圆管，收缩圆管连接柱塞式隔膜泵的进水口；

所述柱塞式隔膜泵的出水口接压力溶气罐的进水口，所述压力溶气罐的顶部经出气口接尾气收集装置；

所述压力溶气罐的出水口接催化反应柱内位于下部的溶气释放器；

所述催化反应柱的底部设有第二曝气头，第二曝气头连接在臭氧发生器上，所述催化反应柱的中间位置设有催化剂，上部设有出水口，顶部设有出气口，出气口接尾气收集装置。

2.根据权利要求1所述的高气水比的臭氧溶气氧化装置，其特征在于，所述水箱为恒位水箱，所述恒位水箱包括进水口和溢流口，溢流口位于进水口上方。

3.根据权利要求1或2所述的高气水比的臭氧溶气氧化装置，其特征在于，所述水箱与气水混合柱之间的管道上设有液流调节阀和液体流量计。

4.根据权利要求1或2所述的高气水比的臭氧溶气氧化装置，其特征在于，所述第一曝气头与臭氧发生器之间的管道上设有气体流量计。

5.根据权利要求1或2所述的高气水比的臭氧溶气氧化装置，其特征在于，所述压力溶气罐的进水口开设在底部，所述压力溶气罐的出水口开设在侧部，所述压力溶气罐的出气口与尾气收集装置之间安全阀，所述压力溶气罐出水口与溶气释放器之间的管路上设有压力表。

6.根据权利要求1或2所述的高气水比的臭氧溶气氧化装置，其特征在于，所述第一曝气头和第二曝气头均为微孔曝气头。

7.一种高气水比的臭氧溶气氧化方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一项所述的高气水比的臭氧溶气氧化装置，包括以下步骤：

步骤1）向恒位水箱中注入待处理废水，水位上升到溢流口位置，打开液流调节阀和溢流阀，让待处理废水自流进入低压气液混合柱，多余废水从溢流口排出；

步骤2）在低压气液混合柱内的水位上升到出水口高度后，启动柱塞式隔膜泵，并根据液体流量计示数测定污水流量，再通过调节柱塞式隔膜泵的功率来控制污水流量；

步骤3）启动臭氧发生器，将其制备的高浓度臭氧经过进气管、气体流量计和第一曝气头进入低压气液混合柱，在低压气液混合柱底部不断进行臭氧曝气，并使用气体流量计调节臭氧流量，实现设定比例的臭氧气体和待处理废水的同向流动；

步骤4）臭氧气体和待处理废水垂直同向流动进入收缩圆管，在圆管内混合形成高含气率水后，经隔膜泵加压进入溶气罐；隔膜泵连续工作中，压力溶气罐内压力不断增加至溶气压力，当压力上升至安全阀开启压力时，安全阀开始释放臭氧，当溶气罐内压力低于安全阀开启压力时，安全阀停止释放臭氧；由安全阀释放的臭氧气体经排气管进入尾气处理装置集中处理；

步骤5）当溶气罐压力上升至溶气释放器启动压力时，加压气水会通过出水管，经溶气释放器减压释放，产生乳白色的微纳米气泡水后进入催化反应柱，配合催化剂进行催化反应，污水在催化反应柱内的停留时间为10-30min，反应结束后即可得到干净出水。

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