CN115571969A - 一种芬顿反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种芬顿反应器，包括底部的至少一个进水管和至少一个氧化剂管、顶部的出水管、内部的催化单元，所述催化单元由上至下包括上布水板、催化剂床层和下布水板；在芬顿反应器的外侧设有至少一个氧化剂回流管，氧化剂回流管的顶端处于上布水板的下方，氧化剂回流管的底端处于下布水板的上方，用于将催化剂床层上部的氧化剂回流至催化剂床层下部。

Description

一种芬顿反应器
技术领域
本发明属于芬顿污水处理技术领域，具体涉及一种芬顿反应器。
背景技术
芬顿技术是一种应用较广泛且较为成熟的高级氧化技术，主要原理是通过Fe2+催化H2O2产生·OH，·OH的氧化电位为2.8V，是自然界中仅次于氟的氧化剂，氧化效率高。然而，芬顿技术中也有几项缺点限制该技术的进一步发展，比如Fe2+快速形成Fe3+，Fe3+易产生铁盐沉淀从而导致产泥较多，氧化剂H2O2的投加量较大且利用率较低，对催化剂的利用率也较低。
发明内容
为了解决上述的技术问题之一，本发明提供一种芬顿反应器，包括底部的至少一个进水管和至少一个氧化剂管、顶部的出水管、内部的催化单元，所述催化单元由上至下包括上布水板、催化剂床层和下布水板；
在芬顿反应器的外侧设有至少一个氧化剂回流管，氧化剂回流管的顶端处于上布水板的下方，氧化剂回流管的底端处于下布水板的上方，用于将催化剂床层上部的氧化剂回流至催化剂床层下部。
可选的，所述芬顿反应器的内壁设有若干道竖直的滑轨槽，滑轨槽围绕芬顿反应器内壁的周向均匀设置一圈；上布水板的外侧边缘对应滑轨槽的位置设有滑块，滑块用于卡在滑轨槽内部，从而带动上布水板上下移动，以改变催化剂床层的厚度。
可选的，所述氧化剂回流管设有一个支管，用于实时取样回流的氧化剂和废水。
可选的，所述上布水板和下布水板均为纳米布水板，均匀分布纳米级通孔。
可选的，所述催化剂床层的厚度为芬顿反应器高度的1/2-4/5，催化剂在催化剂床层的填充量为80-98％。
为了提高催化剂床层的催化剂利用率，可选的，所述催化剂床层包括螺旋上升的第一催化剂层和螺旋下降的第二催化剂层，且两者相互互补嵌套，形成一个圆柱体；
所述第一催化剂层的外侧设有螺旋形的支撑体，所述支撑体包相互平行的上板和下板，上板与下板之间设有侧板，所述侧板处于上板和下板的同一侧，上板和下板的另一侧与芬顿反应器的内壁相接，即在上板、下板、侧板和芬顿反应器内壁之间形成封闭空间，用于装填粗粒催化剂，形成第一催化剂层；所述封闭空间以外的催化剂床层区域装填细粒催化剂，形成第二催化剂层。
进一步可选的，所述粗粒催化剂的粒径大于细粒催化剂的粒径，第二催化剂层的堆积密度大于第一催化剂层。
进一步可选的，所述支撑体具有上下两个开口，分别处于催化剂床层的顶部和底部；上下开口均面对芬顿反应器的内壁，且与芬顿反应器的内壁之间留有一定空隙，使得进水能够从下开口进入支撑体，沿着支撑体通过螺旋的第一催化剂层，进行第一道氧化处理；再从上开口流出到相同高度的第二催化剂层，沿着支撑体相邻上下圈之间的空间，通过螺旋的第二催化剂层，进行第二道氧化处理。
可选的，所述芬顿反应器为套层结构，内桶套设在外桶内部，且内桶和外桶同心设置，所述催化剂床层设在内桶中，进水管和氧化剂管穿入内桶，向催化剂床层下方空间供应污水和氧化剂；
内桶底部设有第一连接口，上部设有第二连接口，用于连通内桶和外桶，第一连接口和第二连接口分别处于催化剂床层的下方和上方。
进一步可选的，所述上布水板和下布水板均为实体板材，下布水板对应支撑体下开口的位置设有进水口，使得从芬顿反应器底部进入的污水和氧化剂从该进水口直接进入催化剂床层；下布水板对应第二催化剂层的位置设有出水口，该出水口通过水管连接第一连接口，用于将经过催化剂床层处理后的废水导入外桶，废水通过外桶后，再由第二连接口溢流至内桶，最终由出水管溢流排出。
附图说明
图1为芬顿反应器的结构示意图(一)；
图2为芬顿反应器的结构示意图(二)；
图3为催化剂床层的结构示意图。
附图中，1-进水管，2-氧化剂管，3-出水管，4-上布水板，5-催化剂床层，6-下布水板，7-氧化剂回流管，8-出水口，9-中心板，10-支管，11-第一催化剂层，12-第二催化剂层，13-支撑体，14-上板，15-下板，16-侧板，17-上开口，18-下开口，19-内桶，20-外桶，21-第一连接口，22-第二连接口，23-进水口。
具体实施方式
本实施例提供一种芬顿反应器，如图1所示，包括底部的至少一个进水管1和至少一个氧化剂管2、顶部的出水管3、内部的催化单元，所述催化单元由上至下包括上布水板4、催化剂床层5和下布水板6；
在芬顿反应器的外侧设有至少一个氧化剂回流管7，氧化剂回流管7的顶端处于上布水板4的下方，氧化剂回流管7的底端处于下布水板6的上方，用于将催化剂床层5上部的氧化剂回流至催化剂床层5下部。
可选的，所述芬顿反应器的内壁设有若干道竖直的滑轨槽，滑轨槽围绕芬顿反应器内壁的周向均匀设置一圈；上布水板4的外侧边缘对应滑轨槽的位置设有滑块，滑块用于卡在滑轨槽内部，从而带动上布水板4上下移动，以改变催化剂床层5的厚度，适应不同废水的处理要求。
当上布水板4移动到需要的位置后，存在限位问题。第一，每个滑块上设有限位部件，限位部件可散开后支撑在芬顿反应器的内壁上，固定滑块。第二，每个滑轨槽内设有可伸缩卡位部件，伸出后阻止滑块继续移动。
可选的，每个氧化剂回流管7设有一个支管10，用于实时取样回流的氧化剂和废水，判断补充新鲜氧化剂的量和时机。
所述氧化剂回流管7的顶端和底端均贯穿芬顿反应器的侧壁，伸入反应器的内部。所述氧化剂回流管7的长度可调节，其顶端可拆卸地连接芬顿反应器的侧壁，便于根据上布水板4的位置而调整氧化剂回流管7。
可选的，所述上布水板4和下布水板6均为纳米布水板，均匀分布纳米级通孔，使得进水通过下布水板6时，沿催化剂床层5的横截面布水均匀后再通过催化剂床层5，防止催化剂床层5内的断流或死区，处理后水体通过上布水板4，同理再次均匀布水。
可选的，所述催化剂床层5的厚度为芬顿反应器高度的1/2-4/5，催化剂在催化剂床层5的填充量为80-98％。本发明中优选选用铁铜催化剂，Fe2+与双氧水氧化污水后，会转变为Fe3+，进而产生部分污泥，铁铜催化剂中的铜能将Fe3+还原为Fe2+，继续发挥作用，进而提高催化剂的利用率。例如使用硕士论文《铁/铜/沸石非均相Fenton催化剂降解水中卡马西平、苯并三唑的研究》(北京化工大学，尚晓涵，2020年6月12日)中制备的铁铜催化剂。
可选的，所述芬顿反应器的内部设有竖直的中心板9，用于将芬顿反应器内部均分为两部分；每部分的底部设有一个进水管1和一个氧化剂管2，催化剂床层5也被中心板9分为两个独立的分床层，每个分床层均对应设有所述氧化剂回流管7，用于单独回流氧化剂；中心板9的顶端与芬顿反应器的顶部留有空隙，便于不同部分的处理后水体由出水管3排出。
使用时，待处理污水通过进水管1自下而上地通过催化剂床层5，催化剂先对污水中的污染物质进行吸附，反应一段之后，关闭进水管1，打开氧化剂管2，向反应器中通入新鲜的双氧水，进行氧化处理，同时开启氧化剂回流管7，将催化剂床层5的氧化剂进行循环反复利用，从支管10处取样测得反应器中氧化剂及污染物质的含量，从而对氧化剂、催化剂和进水废水进行有效的调整，尤其是补充氧化剂。处理后的污水从出水管3流出。芬顿反应器内部被中心板9分隔为两部分，两个催化剂床层5可相互独立运行，各自调节催化剂、氧化剂状态，提高它们的利用率。
可选的，如图2-图3所示，所述芬顿反应器为套层结构，内桶19套设在外桶20内部，且内桶19和外桶20同心设置，所述催化剂床层5设在内桶19中，进水管1和氧化剂管2穿入内桶19，向催化剂床层5下方空间供应污水和氧化剂；
内桶19底部设有第一连接口21，上部设有第二连接口22，用于连通内桶19和外桶20，第一连接口21和第二连接口22分别处于催化剂床层5的下方和上方。
可选的，所述催化剂床层5包括螺旋上升的第一催化剂层11和螺旋下降的第二催化剂层12，且两者相互互补嵌套，形成一个圆柱体；
所述第一催化剂层11的外侧设有螺旋形的支撑体13，所述支撑体13包相互平行的上板14和下板15，上板14与下板15之间设有侧板16，所述侧板16处于上板14和下板15的同一侧，上板14和下板15的另一侧与芬顿反应器的内壁相接，即在上板14、下板15、侧板16和芬顿反应器内壁之间形成封闭空间，用于装填粗粒催化剂，形成第一催化剂层11；所述封闭空间以外的催化剂床层5区域装填细粒催化剂，形成第二催化剂层12。
所述支撑体13以芬顿反应器横截面的中心轴为中心，并围绕该中心螺旋上升，环绕若干圈，所述上板14和下板15均是螺旋形的，同一竖直线上的上板14和下板15始终平行，形成类似旋转楼梯的结构，所述侧板16靠近中心轴，但留有一定孔隙，保证支撑体13为封闭空间，粗粒催化剂与细粒催化剂互不掺混。
进一步可选的，所述粗粒催化剂的粒径大于细粒催化剂的粒径，第二催化剂层的堆积密度大于第一催化剂层。
进一步可选的，所述支撑体13具有上下两个开口，分别处于催化剂床层5的顶部和底部，上下开口均面对芬顿反应器的内壁，且与芬顿反应器的内壁之间留有一定空隙，使得进水能够从下开口18进入支撑体13，沿着支撑体13通过螺旋的第一催化剂层11，进行第一道氧化处理；再从上开口17流出到相同高度的第二催化剂层12，沿着支撑体13上下圈之间的空间，通过螺旋的第二催化剂层12，进行第二道氧化处理。
可选的，所述上布水板4和下布水板6均为实体板材，下布水板6对应支撑体13下开口18的位置设有进水口23，使得从芬顿反应器底部进入的污水和氧化剂从该进水口23直接进入催化剂床层5；下布水板6对应第二催化剂层12的位置设有出水口8，该出水口8通过水管连接第一连接口21，用于将经过催化剂床层5处理后的废水导入外桶20，废水通过外桶20后，再由第二连接口22溢流至内桶19，最终由出水管3溢流排出。
由于第二催化剂层12的堆积密度大、粒径小，废水通过第二催化剂层12的阻力远大于通过第一催化剂层11的阻力，因此，污水优先从支撑体13的下开口18进入第一催化剂层11，由于支撑体13的封闭，污水沿着螺旋上升的第一催化剂层11流动，再从支撑体13的上开口17流出；由于上布水板4的阻挡，出水沿第二催化剂层12螺旋向下，经过第二道氧化处理，再由下布水板6的出水口8排出到外桶20；废水在外桶20内的上升过程中以及经过两次溢流从内桶19经出水管3排出的过程中，固体杂质都能进行沉降分离，提高废水处理效果。图2中为了清楚展示第一催化剂层的上开口和下布水板的进水口、出水口的结构，以及清楚展示第一催化剂层和第二催化剂层的结构，所以将上布水板上移了，将下布水板下移了。
由于氧化剂在催化剂床层5内的流向与污水相同，为了更好的循环利用氧化剂，所述第一催化剂层11对应设置若干个氧化剂回流管7，称为第一回流管，第二催化剂层12对应设置若干个氧化剂回流管7，称为第二回流管，第一回流管的数量大于第二回流管；第一回流管和第二回流管均贯穿外桶20，再穿入内桶19；
每个第一回流管的两端均穿入第一催化剂层11内，且顶端高于底端，可竖直，也可倾斜；每个第二回流管的两端均穿入第二催化剂层12内，且顶端高于底端，可竖直，也可倾斜。
使用时，待处理污水通过进水管1和下布水板的进水口23进入第一催化剂层11，螺旋上升后，由支撑体的上开口17进入同高度的第二催化剂层12，螺旋下降后，由下布水板的出水口8和第一连接口21进入外桶20，再由外桶20溢流至内桶19的催化剂床层5上方，再溢流至出水管3。由于污水要经过第一催化剂层11和第二催化剂层12，所以污水在催化剂床层5内的停留时间延长了，又由于污水在外桶和内桶的流道延长，所以出水管3出现产水的时间也延长了。当出水管3出现产水时，关闭进水管1，打开氧化剂管2，向反应器中通入新鲜的氧化剂，进行氧化处理，同时开启所有的氧化剂回流管7，将催化剂床层5的氧化剂进行循环反复利用，从每个支管10处取样测得反应器中氧化剂及污染物质的含量，适时补充氧化剂。
本发明所述的芬顿反应器，能够显著节约氧化剂用量，优化了催化剂床层的结构，提高了处理效果。

Claims (9)

1.一种芬顿反应器，其特征在于，包括底部的至少一个进水管和至少一个氧化剂管、顶部的出水管、内部的催化单元，所述催化单元由上至下包括上布水板、催化剂床层和下布水板；
在芬顿反应器的外侧设有至少一个氧化剂回流管，氧化剂回流管的顶端处于上布水板的下方，氧化剂回流管的底端处于下布水板的上方。
2.根据权利要求1所述的芬顿反应器，其特征在于，所述芬顿反应器的内壁设有若干道竖直的滑轨槽，滑轨槽围绕芬顿反应器内壁的周向均匀设置一圈；上布水板的外侧边缘对应滑轨槽的位置设有滑块，滑块用于卡在滑轨槽内部，从而带动上布水板上下移动，以改变催化剂床层的厚度。
3.根据权利要求1所述的芬顿反应器，其特征在于，所述氧化剂回流管设有一个支管，用于实时取样回流的氧化剂和废水；
所述催化剂床层的厚度为芬顿反应器高度的1/2-4/5，催化剂在催化剂床层的填充量为80-98％。
4.根据权利要求1所述的芬顿反应器，其特征在于，所述上布水板和下布水板均为纳米布水板，均匀分布纳米级通孔。
5.根据权利要求1所述的芬顿反应器，其特征在于，所述催化剂床层包括螺旋上升的第一催化剂层和螺旋下降的第二催化剂层，且两者相互互补嵌套，形成一个圆柱体；
所述第一催化剂层的外侧设有螺旋形的支撑体，所述支撑体包相互平行的上板和下板，上板与下板之间设有侧板，所述侧板处于上板和下板的同一侧，上板和下板的另一侧与芬顿反应器的内壁相接，在上板、下板、侧板和芬顿反应器内壁之间形成封闭空间，用于装填粗粒催化剂，形成第一催化剂层；所述封闭空间以外的催化剂床层区域装填细粒催化剂，形成第二催化剂层。
6.根据权利要求5所述的芬顿反应器，其特征在于，所述粗粒催化剂的粒径大于细粒催化剂的粒径，第二催化剂层的堆积密度大于第一催化剂层。
7.根据权利要求6所述的芬顿反应器，其特征在于，所述支撑体具有上下两个开口，分别处于催化剂床层的顶部和底部；上下开口均面对芬顿反应器的内壁，且与芬顿反应器的内壁之间留有一定空隙，使得进水能够从下开口进入支撑体，沿着支撑体通过螺旋的第一催化剂层，进行第一道氧化处理；再从上开口流出到相同高度的第二催化剂层，沿着支撑体相邻上下圈之间的空间，通过螺旋的第二催化剂层，进行第二道氧化处理。
8.根据权利要求7所述的芬顿反应器，其特征在于，所述芬顿反应器为套层结构，内桶套设在外桶内部，且内桶和外桶同心设置，所述催化剂床层设在内桶中，进水管和氧化剂管穿入内桶，向催化剂床层下方空间供应污水和氧化剂；
内桶底部设有第一连接口，上部设有第二连接口，用于连通内桶和外桶，第一连接口和第二连接口分别处于催化剂床层的下方和上方。
9.根据权利要求8所述的芬顿反应器，其特征在于，所述上布水板和下布水板均为实体板材，下布水板对应支撑体下开口的位置设有进水口，使得从芬顿反应器底部进入的污水和氧化剂从该进水口直接进入催化剂床层；下布水板对应第二催化剂层的位置设有出水口，该出水口通过水管连接第一连接口，用于将经过催化剂床层处理后的废水导入外桶，废水通过外桶后，再由第二连接口溢流至内桶，最终由出水管溢流排出。
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