CN115818822A - 一种逆流式臭氧氧化反应器及其污水处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逆流式臭氧氧化反应器及其污水处理工艺，属于污水处理领域。本发明通过设置逆流式臭氧反应器结构，使反应器形成两级不同氧化原理的反应区，在第一多相反应区内，为含有相对低浓度COD的污水提供相对高浓度的臭氧，并且在第二多相反应区内，为含有相对高浓度COD的污水提供相对低浓度的臭氧，充分利用臭氧直接氧化和间接氧化能力，提高臭氧利用率，提高臭氧氧化反应效率，最大化去除污水中的有机污染物。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种逆流式臭氧氧化反应器及其污水处理工艺。
背景技术
臭氧、氯和二氧化氢的氧化势(还原电位)分别是2.07、1.36、1.28伏特，可见臭氧在水处理中是氧化能力最强的一种，臭氧的氧化作用导致不饱和的有机分子破裂。使臭氧分子结合在有机分子的双键上，生成臭氧化物。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子，后者是不稳定的，可分解成酸和醛。同时臭氧很不稳定，在常温下即可分解为氧气。臭氧反应的原理可分为直接氧化和间接氧化，直接氧化的原理为臭氧与水中有机污染物之间发生的直接氧化反应，可包含亲电取代反应和偶极加成反应；间接氧化的原理为利用臭氧分解产生的自由基与有机污染物发生氧化反应。
现有臭氧反应器形式多种多样，例如有反应塔形式、反应器形式和反应池形式，臭氧接触氧化塔和反应器的优点是占地面积小，反应条件控制灵活，同时可通过更改进水出水方式、采用微纳米曝气方式、添加催化填料等方式提高臭氧利用率。例如，申请号：202110936813.1，申请日：2021年8月16日的中国发明专利申请公开了一种新型臭氧催化氧化反应器，所述反应器的内部，沿所述污水进口至所述出水口、所述气体收集装置的路径上，依次设有布水器、砂滤层、微孔曝气装置、催化反应层和活性炭过滤层，通过从下往上的缓慢进水方式能够保证臭氧足够的溶解和反应时间，提高臭氧利用率，减少损耗；并且采取砂滤+活性炭过滤的物理方法对污水进行预处理和保障处理，配合催化剂反应，可高效处理污水。但是，现有技术主要是通过提高间接氧化能力，以提高臭氧反应效率，而无法实现臭氧直接氧化和间接氧化能力的最大化。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有臭氧氧化处理污水技术中存在臭氧消耗量大、臭氧利率低、氧化效果差的问题，本发明提供一种逆流式臭氧氧化反应器及其污水处理工艺。本发明通过设置逆流式臭氧反应器结构，使反应器形成两级不同氧化原理的反应区，并且控制不同反应区内的反应条件，使污水处理过程中既保证高浓度臭氧，又可以最大化去除有机污染物，提高臭氧利用率，提高臭氧氧化反应效率。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种逆流式臭氧氧化反应器，包括反应器本体，所述反应器本体下方设置有出水口，反应器本体上方设置有进水口，所述反应器本体顶部设置有尾气处理装置，并且所述反应器本体内部设置有曝气区、第一多相反应区和第二多相反应区，曝气区位于靠近反应器本体的出水口位置处，并且第一多相反应区位于曝气区与第二多相反应区之间；其中，所述曝气区内设置有曝气装置，第一多相反应区内设置有吸附填料，第二多相反应区内设置有催化填料。
优选地，所述第一多相反应区与第二多相反应区由隔板分隔开，所述第一多相反应区与曝气区之间由隔板分隔开，所述隔板上均匀分布有孔洞，孔洞的直径小于16mm。
优选地，所述吸附填料的体积占第一多相反应区体积的3％～20％，所述催化填料的体积占第二多相反应区体积的3％～20％。
优选地，所述吸附填料为吸附树脂。
优选地，所述催化填料为金属氧化物填料，所述金属氧化物填料包括SiO2、TiO2、Al2O3、ZrO2中的一种或多种。
优选地，所述第一多相反应区外部设置有第一回流出口和第一回流入口，第一回流出口通过第一回流管道与第一回流入口相连接，并且第一回流管道上设置有第一回流泵；所述第二多相反应区外部设置有第二回流出口和第二回流入口，第二回流出口通过第二回流管道与第二回流入口相连接，并且第二回流管道上设置有第二回流泵。
优选地，所述曝气装置位于自曝气区底部600～1500mm高度处。
优选地，所述第一回流管道上设置有第一pH调节口，第二回流管道上设置有第二pH调节口。
本发明的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，包括将污水从进水口自上而下进入反应器本体，同时将臭氧通过曝气装置自下而上进入反应器本体，使得污水在第二多相反应区中，在催化填料的催化作用下进行间接臭氧氧化反应，污水中的COD被羟基自由基氧化氧化；而后污水在第一多相反应区中，在吸附填料的吸附富集作用下进行直接臭氧氧化反应，污水中的剩余COD与臭氧反应被进一步去除，处理后的污水从出水口排出反应器本体。
本发明的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，还包括控制第一多相反应区的pH为2～5；控制第二多相反应区的pH为8～10。
优选地，污水在第一多相反应区的停留时间为3～7min，第二多相反应区的停留时间为30～120min。
本发明的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，还包括在第一多相反应区和第二多相反应区内对污水进行回流处理，回流处理过程中控制污水上升流速为1～3m/h。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种逆流式臭氧氧化反应器，设置逆流式臭氧反应器结构，使反应器形成两级不同氧化原理的反应区，充分利用臭氧直接氧化和间接氧化能力，最大程度地去除污水中的有机污染物，提高臭氧利用率，提高臭氧氧化反应效率；
(2)本发明的一种逆流式臭氧氧化反应器，第一多相反应区和第二多相反应区均各自设有回流泵，控制上升流速在1～3m/h，不仅提高反应区内混合程度、臭氧与填料之间的接触概率、反应效率，而且为两反应区内不同pH调节带来混合作用，并为反冲洗填料提供动力；
(3)本发明的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，通过逆流式接触氧化的方式，在第一多相反应区内，为含有相对低浓度COD的污水提供相对高浓度的臭氧，并且在第二多相反应区内，为含有相对高浓度COD的污水提供相对低浓度的臭氧，以提高臭氧利用率，降低剩余气体中臭氧含量，提高反应器的氧化效果。
附图说明
图1为本发明的一种逆流式臭氧氧化反应器的结构示意图；
图中：
100、反应器本体；101、出水口；102、进水口；103、尾气处理装置；
110、曝气区；120、第一多相反应区；121、第一回流出口；122、第一回流入口；
130、第二多相反应区；131、第二回流出口；132、第二回流入口；
1101、曝气装置；1210、第一回流管道；1220、第一回流泵；
1230、第一pH调节口；1310、第二回流管道；1320、第二回流泵；
1330、第二pH调节口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
如图1所示，本发明的一种逆流式臭氧氧化反应器，包括反应器本体100，所述反应器本体100下方设置有出水口101，反应器本体100上方设置有进水口102，所述反应器本体100顶部设置有尾气处理装置103；所述反应器本体100内部设置有曝气区110、第一多相反应区120和第二多相反应区130，曝气区110位于靠近反应器本体100的出水口101位置处，并且第一多相反应区120位于曝气区110与第二多相反应区130之间；所述第一多相反应区120与第二多相反应区130之间，以及第一多相反应区120与曝气区110之间分别由隔板分隔开，所述隔板上均匀分布有孔洞，孔洞的直径小于16mm。
所述曝气区110内设置有曝气装置1101，所述曝气装置1101位于自曝气区110底部600～1500mm高度处，并且所述第一多相反应区120内设置有吸附填料，所述吸附填料为吸附树脂，吸附填料的体积占第一多相反应区120体积的3％～20％；所述第二多相反应区130内设置有催化填料，所述催化填料为金属氧化物填料，所述金属氧化物填料包括SiO2、TiO2、Al2O3、ZrO2中的一种或多种，催化填料的体积占第二多相反应区130体积的3％～20％。
此外，所述第一多相反应区120外部设置有第一回流出口121和第一回流入口122，第一回流出口121通过第一回流管道1210与第一回流入口122相连接，并且第一回流管道1210上设置有第一回流泵1220和第一pH调节口1230；所述第二多相反应区130外部设置有第二回流出口131和第二回流入口132，第二回流出口131通过第二回流管道1310与第二回流入口132相连接，并且第二回流管道1310上设置有第二回流泵1320和第二pH调节口1330。
臭氧从底部曝气区110进入反应器本体100，随后由于气体的上升作用，进入第一多相反应区120，在此反应区域内臭氧浓度最高；接着臭氧进入第二多相反应区130，此反应区域内臭氧在催化填料(例如金属氧化物填料，所述金属氧化物填料包括SiO2、TiO2、Al2O3、ZrO2中的一种或多种)的催化作用下开始大量分解为羟基自由基，臭氧浓度相对较低，羟基自由基浓度高；最终剩余的尾气从反应器本体100顶部离开，进入尾气处理装置103。
与此同时，污水从反应器本体100上方设置的进水口102进入反应器本体100，在第二多相反应区130，即此反应区域内污水含有相对较高浓度的COD，可以称为高浓度多相反应区，污水与羟基自由基发生反应，大部分COD被羟基自由基氧化；接着污水进入第一多相反应区120，即此反应区域内污水含有相对较低浓度的COD，可以称为低浓度多相反应区，此时污水中的剩余COD浓度较低，通过吸附填料(例如，吸附树脂)的吸附富集作用，在高浓度的臭氧条件下，与臭氧发生直接反应，氧化剩余COD和不能被羟基自由基氧化的COD，使污水中COD得到最大程度的去除，处理后的污水最终从反应器本体100下方设置的出水口101出水。
需要说明的是，低浓度多相反应区(第一多相反应区120)为以臭氧直接氧化为主的反应区。臭氧在水中的分解速率快、易受有机污染物影响分解，因此在本发明的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺中，污水在低浓度多相反应区的停留时间控制为3～7min，同时由于臭氧可受氢氧根离子的影响分解产生羟基自由基，将低浓度多相反应区内的pH控制在2～5的酸性条件，以确保此反应区域内形成直接氧化反应条件。并且由于低浓度区域内水中污染物浓度相对较低，设置的吸附填料可吸附富集水中的有机物，然后被吸附的有机物与液相中的臭氧发生反应。
高浓度多相反应区(第二多相反应区130)为以羟基自由基间接氧化为主的反应区。反应区内设置有金属氧化物填料，臭氧被物理吸附或化学吸附在氧化物的表面，并在氧化物的作用下催化分解为羟基自由基，污水在第二多相反应区130的停留时间为30～120min。此外，通过调节控制此反应区域内的pH为8～10的碱性条件，提供更多的氢氧根离子，促进羟基自由基的产生。
本发明通过控制pH和填料，使反应器形成两级不同氧化原理的反应区。且由于臭氧直接氧化反应速率低于羟基自由基的氧化反应速率，本发明设置逆流式臭氧反应器结构，控制在低有机污染物的浓度下，发生高浓度的臭氧直接氧化反应，既保证了臭氧高浓度，又可最大化去除有机污染物；控制在高有机污染物的浓度下，发生羟基自由基氧化反应，利用羟基自由基的高氧化性去除有机污染物，既提高了反应的去除效率，又提高了臭氧利用率，确保臭氧分解为羟基自由基。
此外，两反应区均各自设有回流泵，控制上升流速在1～3m/h，提高区域内混合程度、介质之间的接触概率、反应效率，并为pH调节带来混合作用，同时也可为反冲洗填料提供动力。
实施例1
本实施例的逆流式臭氧氧化反应器体积为48.75m3，反应器直径为3.09m，总高度6.5m，其中曝气区110的高度为1m，第一多相反应区120的高度为0.23m，第二多相反应区130的高度为4.77m，超高0.5m。污水在反应器内有效停留时间为1.5h，在第一多相反应区120停留时间为0.07h，在第二多相反应区130停留时间为1.43h。第一多相反应区120内吸附填料填充量为8％，第二多相反应区130内催化填料填充量为10％，第一多相反应区120与第二多相反应区130内上升流速均控制为2m/h。
采用本实施例的逆流式臭氧氧化反应器进行污水处理，所处理的污水为某医药厂生化尾水，水量600m3/d，进水COD＝300mg/L，经过本实施例的反应器处理后，出水COD<150mg/L，此时臭氧投加量为150mg/L，而常规臭氧反应器需臭氧投加量237mg/L。
实施例2
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例的逆流式臭氧氧化反应器体积为21.67m3，反应器直径为2.06m，总高度6.5m，其中曝气区110的高度为1m，第一多相反应区120的高度为0.1m，第二多相反应区130的高度为4.9m，超高0.5m。污水在反应器内有效停留时间为0.5h，在第一多相反应区120停留时间为0.1h，在第二多相反应区130停留时间为0.4h。第一多相反应区120内吸附填料填充量为20％，第二多相反应区130内催化填料填充量为3％，第一多相反应区120内上升流速控制为3m/h，第二多相反应区130内上升流速控制为1m/h。
采用本实施例的逆流式臭氧氧化反应器进行污水处理，所处理的污水为某生活污水项目生化尾水，水量800m3/d，进水COD＝100mg/L，经过本实施例的反应器处理后，出水COD<50mg/L，此时臭氧投加量为62.5mg/L，而常规臭氧反应器需臭氧投加量100mg/L。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例的逆流式臭氧氧化反应器体积为32.5m3，反应器直径为2.52m，总高度6.5m，其中曝气区110的高度为1m，第一多相反应区120的高度为0.63m，第二多相反应区130的高度为4.37m，超高0.5m。污水在反应器内有效停留时间为2h，在第一多相反应区120停留时间为0.05h，在第二多相反应区130停留时间为4.32h。第一多相反应区120内吸附填料填充量为3％，第二多相反应区130内催化填料填充量为20％，第一多相反应区120内上升流速控制为1m/h，第二多相反应区130内上升流速控制为2m/h。
采用本实施例的逆流式臭氧氧化反应器进行污水处理，所处理的污水为某农药废水项目生化尾水，水量300m3/d，进水COD＝500mg/L，在经过本实施例的反应器处理后，出水COD<150mg/L，此时臭氧投加量为350mg/L，而常规臭氧反应器需臭氧投加量525mg/L。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所用的数据也只是本发明的实施方式之一，实际的数据组合并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出于该技术方案相似的实施方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种逆流式臭氧氧化反应器，包括反应器本体(100)，所述反应器本体(100)下方设置有出水口(101)，反应器本体(100)上方设置有进水口(102)，其特征在于：所述反应器本体(100)顶部设置有尾气处理装置(103)，并且所述反应器本体(100)内部设置有曝气区(110)、第一多相反应区(120)和第二多相反应区(130)，曝气区(110)位于靠近反应器本体(100)的出水口(101)位置处，并且第一多相反应区(120)位于曝气区(110)与第二多相反应区(130)之间；其中，所述曝气区(110)内设置有曝气装置(1101)，第一多相反应区(120)内设置有吸附填料，第二多相反应区(130)内设置有催化填料。
2.根据权利要求1所述的一种逆流式臭氧氧化反应器，其特征在于：所述第一多相反应区(120)与第二多相反应区(130)之间，以及第一多相反应区(120)与曝气区(110)之间分别由隔板分隔开，所述隔板上均匀分布有孔洞，孔洞的直径小于16mm。
3.根据权利要求1所述的一种逆流式臭氧氧化反应器，其特征在于：所述吸附填料的体积占第一多相反应区(120)体积的3％～20％，所述催化填料的体积占第二多相反应区(130)体积的3％～20％。
4.根据权利要求1所述的一种逆流式臭氧氧化反应器，其特征在于：所述第一多相反应区(120)外部设置有第一回流出口(121)和第一回流入口(122)，第一回流出口(121)通过第一回流管道(1210)与第一回流入口(122)相连接，并且第一回流管道(1210)上设置有第一回流泵(1220)；所述第二多相反应区(130)外部设置有第二回流出口(131)和第二回流入口(132)，第二回流出口(131)通过第二回流管道(1310)与第二回流入口(132)相连接，并且第二回流管道(1310)上设置有第二回流泵(1320)。
5.根据权利要求1所述的一种逆流式臭氧氧化反应器，其特征在于：所述曝气装置(1101)位于自曝气区(110)底部600～1500mm高度处。
6.根据权利要求4所述的一种逆流式臭氧氧化反应器，其特征在于：所述第一回流管道(1210)上设置有第一pH调节口(1230)，第二回流管道(1310)上设置有第二pH调节口(1330)。
7.一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，其特征在于：包括将污水从进水口(102)自上而下进入反应器本体(100)，同时将臭氧通过曝气装置(1101)自下而上进入反应器本体(100)，使得污水在第二多相反应区(130)中，在催化填料的催化作用下进行间接臭氧氧化反应，污水中的COD被羟基自由基氧化氧化；而后污水在第一多相反应区(120)中，在吸附填料的吸附富集作用下进行直接臭氧氧化反应，污水中的剩余COD与臭氧反应被进一步去除，处理后的污水从出水口(101)排出反应器本体(100)。
8.根据权利要求7所述的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，其特征在于：还包括控制第一多相反应区(120)的pH为2～5；控制第二多相反应区(130)的pH为8～10。
9.根据权利要求7所述的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，其特征在于：污水在第一多相反应区(120)的停留时间为3～7min，第二多相反应区(130)的停留时间为30～120min。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的一种逆流式臭氧氧化处理污水工艺，其特征在于：还包括在第一多相反应区(120)和第二多相反应区(130)内对污水进行回流处理，回流处理过程中控制污水上升流速为1～3m/h。
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