CN116605978A - 一种强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置与方法。本发明通过气料分质、分区域投加、固相曳力分离、流体动力合理利用、反应动力学优化控制、强化传质等方面的有机结合，实现更高效率的利用气料中的有效组分与分子运动动力，采用微米气泡与废水上下逆流接触，增加气‑液接触频率，强化传质与反应的效率，提高废水处理矿化程度，反应区与分离区一体化耦合，实现污泥的原位与性质分离。这种模式的发明适用于催化剂投加的臭氧催化氧化以及生物活性污泥(厌氧、好氧、水解)的污废水高级氧化与高级生物处理反应器设计。
Description
技术领域
本发明涉及污废水处理领域，尤其涉及一种强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置与方法。
背景技术
传统的废水处理反应器中，气体物料和废水的接触方式较为单一，一般的反应器，气-液两相之间通过同向流的方式在反应器内接触反应，导致气料与废水之间接触不够充分，限制了气料与废水中污染物的传质过程效率，造成处理能耗高并影响废水处理成本。因此，如何利用流体力学原理强化气-液-固之间的相间传质，提高气料的利用率，使整个工艺的技术效率获得提升。
相较于传统底部曝气的污废水处理反应器装置，现阶段研究热点集中于使气料在反应器内均匀分布与微气泡的应用。反应器中的气体传输方式可以归为两种。第一，利用多孔板负载硅砂填装层对气-液流速均衡分配和流化床内循环对气-液的有效调控，实现气料的均匀分布。第二，将微气泡发生装置与常规筒状反应器耦合，发现相比于大气泡(平均直径1mm)，微气泡(平均直径<45μm)表现出更高的有机物去除效率，主要原因是微气泡可增大气-液接触比表面积，增强气泡内部蒸汽压，并延长气-液接触时间，同时与常规气泡相比，在相同气体流量下，微气泡的体积传质系数提高了32.59％。一般来说，对于传统鼓泡式气-液两相或气-液-固三相反应，气料与污染物反应的机理和动力学本质上受限于前端气体在反应器内的流体力学行为，包括气体均匀有序地运动、水力停留时间、气-液传质、气泡稳定性(聚并)等。发明人认为可以突破流体力学行为的限制，着力于延长气泡在反应器中的水力停留时间，充分利用流体曳力，在利于气-液充分接触、传质的同时，提高气料的利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置与方法。本发明通过控制反应器内部气料的流体力学分配行为，结合气-液传质与反应动力学的匹配，可以显著提高反应器效率。
本发明通过深入研究反应器内部气料的流体力学分配行为，延长气料的水力停留时间，充分利用流体曳力使气料与水体中污染物更充分地接触，强化气-液传质，同时与反应过程效率相匹配；反应器四周内嵌的分离区用于气-液-固三相的分离。本发明适用于催化剂投加的催化臭氧化反应及生物活性污泥(厌氧、好氧、水解)的污废水高级氧化与高级生物处理反应器设计。
本发明通过下述技术方案实现：
一种强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，包括：
反应器外筒6；
置于反应器外筒6内的导流内筒5；
导流内筒5的内部通道，作为流体上升区1；
导流内筒5外壁与反应器外筒6内壁之间的通道，作为流体下降区2；
导流内筒5的上端区域与反应器外筒6顶部之间的空间，作为出水分离区3；
导流内筒5的下端区域与反应器外筒6底部之间的空间，作为底隙区4。
导流内筒5的顶部设置有漏斗型折流挡板13；
出水分离区3主要由三相分离装置32和出水堰槽34构成；
三相分离装置32和出水堰槽34安装于反应器外筒6的内侧壁上；
三相分离装置32和出水堰槽34之间的空间形成沉淀分离区31；
三相分离装置32的底部管口，通过一漏斗形罩连接污泥回流管33；污泥回流管33的管口伸入流体下降区2内；
流体下降区2还内置有进水管21和微米气泡进气管23；
进水管21具有一进水口22；
微米气泡进气管23具有一微米曝气头24；
污泥回流管33的管口、微米曝气头24和进水口22在液面下所处位置依次抬高；
在底隙区12放置布气管12和位于布气管12上方的整流挡板42，布气管12形成的大气泡，由进气管11连接外部曝气装置供给。
在流体下降区2的通道内，分布有多个大气泡收集气罩25；
大气泡收集气罩25收集的大气泡通过管路汇集至出气总管后进入流体上升区1。
污泥回流管33的管口、微米曝气头24和进水口22在液面下所处位置依次抬高，具体是指污泥回流管33的管口在液面下的位置，低于微米曝气头24在液面下的位置；微米曝气头24在液面下的位置，低于进水口22在液面下的位置。
三相分离装置32内部空间构成沉淀分离区31，在沉淀分离区31进行气-液-固三相分离后，经开设和在出水堰槽34侧壁上的孔洞35，溢流至出水堰槽34内。
三相分离装置32由垂直的三根管构成，气-液-固三相混合物从沉淀分离区31外横置的短管进入，流入与横管垂直的短管后到竖管中，水和泥由于重力作用向下流走，污泥回流管33将污泥回流至流体下降区2，气体从竖管上部排出；
三相分离管中间的横管与水平面的倾角为0°-45°；
流体上升区1与流体下降区2的比例为0.4-0.6。
底隙区4的底部安装有排泥管41。
反应器外筒6上部还设有进料孔8。
整流挡板42使流体在高速回流的过程中与挡板发生刚性碰撞，改变流体运动方向，削减因多流体矢量聚并造成的能量耗散，使底部区域中的流体表现出矢量分离，实现气料的有序流动，提高了反应器气料的利用效率。底隙区收集整个反应器产生的污泥，置入水下推流器，由排泥管最终将污泥选择性排出。
气料释放位置为液流下降区1.0-1.5m的水下，采用微米孔曝气头或者高压溶气的混合流体。
漏斗型折流挡板13的中部为凹陷的漏斗，漏斗由四块倾斜的平板组装而成，构成漏斗型挡板与水平面的倾斜角为10°-60°。
大气泡收集气罩25为倒三角结构，凸起处接有大气泡收集管，用于将大气泡转移至流体上升区，斜板下置有横板，引导液体流动，防止气泡从斜板两侧溢出，影响水流搅动。
本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置运行方法，包括如下步骤：
大气泡经由进气管11和布气管12进入反应器内，在反应器中部，与从流体下降区2收集的微米气泡聚并形成的大气泡一同提供向上搅动的动力，在反应器上部受到漏斗型折流挡板13的导流作用，大部分废水高速回到流体下降区2，实现高倍数循环流动；
在流体下降区2中，废水经由进水管21通过进水口22均匀流入流体下降区2内部，因重力向下流动，为加快化学反应速率，在进水口22下方0.5-1.0m处，与经由微米气泡进气管23进入，由微米曝气头24加入的高压溶气的混合流体逆流接触反应；未参与反应的微米气料在高速流动废水的曳力作用下下压、扩散，在下降过程中随着压力的增加，部分微米气泡聚并成大气泡上浮；
为不影响下降过程中的流体力学行为，在流体下降区2设置了大气泡收集气罩25，收集底部曝气溢出进入流体下降区2的大气泡和因聚并产生的大气泡，防止大气泡上移带起污泥引起水流搅动变化，影响流态化过程；废水在搅动的过程中，水路、气路的相向运动，增加了气-液的接触频率，延长气料的反应时间；
气-液-固三相混合物从三相分离管中间的横管进入，流入与横管垂直的短管后进入竖管，水和泥由于重力作用向下流走，沉淀分离区31底部的污泥回流管33在流体曳力的作用下，将污泥回流至流体下降区2，气体从排气孔7排出；水体经循环回流后，进入出水堰槽34，由出水管36排出；
在底隙区4中，来自流体下降区2高速回流的废水在此汇集，废水流量相近、速度相似，发生碰撞时可能造成巨大的能量耗散，此外发生碰撞的流体在反应器底部会形成局部环流，影响布气、布水的均匀性。因此，在底隙区4中设置了型整流挡板42，使流体在高速回流的过程中与整流挡板42发生刚性碰撞，改变流体运动方向，减少湍流动能，避免因多流体矢量聚并造成的能量耗散；底隙区4收集沉降在反应器底部的污泥/催化剂/吸附剂，置入水下推流器，可通过排泥管41选择性排出；
排气孔7排出多余气体；催化剂、吸附剂可通过进料孔8加入。
本发明原理：
气料经过微米气泡进气管从反应器上部进入到位于流体下降区的微米曝气头，经微米曝气头被分散成微米气泡，凭借着流体曳力，微米气泡被强制下压、扩散，气-液两相充分接触，气相物质溶解并分布到液相中。微米气泡在下降的过程中，一部分微米气泡随着压力的增大不断加速溶解，剩余的微米气泡根据Ostwald熟化机理，较小的微米气泡内部存在较大的压强，与周围较大的微米气泡间存在压强差，气泡间的压强差会使气体从压强大的地方向较小的地方扩散，出现较大的微米气泡不断增大，较小的微米气泡逐渐消失的情况。与其同时，较大的微米气泡的浮力不断增大，到达一定程度时，流体曳力与气泡浮力达到平衡，微米气泡在反应器中匀速运动，延长了气泡与废水间的接触时间。
微米气泡产生于流体下降区，虽然在废水中有上升运动的趋势，由于流体曳力的作用会随着废水一同下降。根据Young-Laplace公式和亨利定律，对于具有球形界面的气泡，压力的上升会使其体积不断压缩，伴随着比表面积的增加，增加气体的溶解速度，气泡缩小的速度会变的越来越快，最终溶解到水中。同时，废水中气-液界面的存在使得气泡会受到水的表面张力的作用，表面张力能压缩气泡内的气体，从而使更多的气泡内的气体穿过气泡界面溶解到水中。因此，微米气泡在气-液逆流接触过程中的增压特性，使得气-液界面传质效率得到增强，并且这种特性使得微米气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1.气料分质、分区域投加，实现更高效地利用。本发明中气料通过微米曝气头从流体下降区的上部投加，与废水上下逆流充分接触增加气-液接触频率，微米气泡具有巨大的比表面积，增大了气-液接触面积、强化臭氧传质效率，提高废水处理效率，空气以大气泡的形式从反应器底部投加，提供流化床搅动的动力，用于废水、污泥等流体的充分搅拌、沸腾。
2.强化相际传质，提高气料的利用率。气-液逆流接触气料投加反应器利用少量的大气泡空气实现流化床内流体的循环导流，将微米气泡导入循环的流体下降区，利用向下流动不同流速液体的曳力与不同平均直径微米气泡颗粒向上浮力的平衡关系，通过气泡停留时间的调控实现微米气泡的高效利用；采用内循环流化床的流体流动原理实现微米气泡逆流接触液相，强化微米气泡的相际传质过程，提高溶解效率。
3.改变前端气体在反应器内的流体力学行为，使气料与污染物反应更迅速、彻底。在流体下降区注入废水原水，构建浓度梯度，与微米气泡流场实现逆分布，依靠内循环导流作用，在控制微米气泡流体力学行为的同时，实现废水中污染物的优势动力学分解。
4.内嵌三相分离区耦合反应区与沉淀分离区。将沉淀分离区置于反应器内，实现污泥的原位分离，减少传统工艺中沉淀池的设计，占地面积小，建设成本低。
附图说明
图1为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的内部结构图(实施例1、2、3)。
图2为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的分离区三相分离装置俯视图(实施例1、2)。
图3为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的微米气泡进气管俯视图(实施例1、2)。
图4为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的进水管俯视图(实施例1、2)。
图5为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的大气泡进气管仰视图(实施例1、2)。
图6为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的漏斗型引导折流挡板三视图(实施例1、2)。
图7为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的大气泡收集气罩三视图(实施例1、2)。
图8为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的(十字)型整流挡板三视图(实施例1、2)。
图9为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的单边出水堰示意图(实施例1、2)。
图10为本发明中，微米气泡和大气泡溶解臭氧浓度及臭氧的体积溶氧系数(实施例1)。
图11为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的分离区三相分离装置、微米气泡进气管、进水管俯视图和大气泡进气管仰视图(实施例3)。
图12为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的漏斗型折流挡板、大气泡收集气罩、型整流挡板三视图(实施例3)。
图13为本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置的出水堰槽示意图(实施例3)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例1：
一种强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，包括：
反应器外筒6；
置于反应器外筒6内的导流内筒5；
导流内筒5的内部通道，作为流体上升区1；
导流内筒5外壁与反应器外筒6内壁之间的通道，作为流体下降区2；
导流内筒5的上端区域与反应器外筒6顶部之间的空间，作为出水分离区3；
导流内筒5的下端区域与反应器外筒6底部之间的空间，作为底隙区4。
导流内筒5的顶部设置有漏斗型折流挡板13；
出水分离区3主要由三相分离装置32和出水堰槽34构成；三相分离装置32和出水堰槽34可一体化设计。
三相分离装置32和出水堰槽34安装于反应器外筒6的内侧壁上；
三相分离装置32和出水堰槽34之间的空间形成沉淀分离区31；
三相分离装置32的底部管口，通过一漏斗形罩连接污泥回流管33；污泥回流管33的管口伸入流体下降区2内；
流体下降区2还内置有进水管21和微米气泡进气管23；
进水管21具有一进水口22；
微米气泡进气管23具有一微米曝气头24；
污泥回流管33的管口、微米曝气头24和进水口22在液面下所处位置依次抬高；
在底隙区12放置布气管12和位于布气管12上方的整流挡板42，布气管12形成的大气泡，由进气管11连接外部曝气装置供给。
在流体下降区2的通道内，分布有多个大气泡收集气罩25；
大气泡收集气罩25收集的大气泡通过管路汇集至出气总管后进入流体上升区1。大气泡收集气罩25用于防止因聚并形成大气泡上移(逆流)。
污泥回流管33的管口、微米曝气头24和进水口22在液面下所处位置依次抬高，具体是指污泥回流管33的管口在液面下的位置，低于微米曝气头24在液面下的位置；微米曝气头24在液面下的位置，低于进水口22在液面下的位置。
三相分离装置32内部空间构成沉淀分离区31，在沉淀分离区31进行气-液-固三相分离后，经开设和在出水堰槽34侧壁上的孔洞35，溢流至出水堰槽34内。
三相分离装置32由垂直的三根管构成，气-液-固三相混合物从沉淀分离区31外横置的短管进入，流入与横管垂直的短管后到竖管中，水和泥由于重力作用向下流走，污泥回流管33将污泥回流至流体下降区2，气体从竖管上部排出；
三相分离管中间的横管与水平面的倾角为0°-45°；
流体上升区1与流体下降区2的比例为0.4-0.6。
底隙区4的底部安装有排泥管41。
反应器外筒6上部还设有进料孔8。
本发明强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置运行方法，包括如下步骤：
大气泡经由进气管11和布气管12进入反应器内，在反应器中部，与从流体下降区2收集的微米气泡聚并形成的大气泡一同提供向上搅动的动力，在反应器上部受到漏斗型折流挡板13的导流作用，大部分废水高速回到流体下降区2，实现高倍数循环流动；
在流体下降区2中，废水经由进水管21通过进水口22均匀流入流体下降区2内部，因重力向下流动，为加快化学反应速率，在进水口22下方0.5-1.0m处，与经由微米气泡进气管23进入，由微米曝气头24加入的高压溶气的混合流体逆流接触反应；未参与反应的微米气料在高速流动废水的曳力作用下下压、扩散，在下降过程中随着压力的增加，部分微米气泡聚并成大气泡上浮；
为不影响下降过程中的流体力学行为，在流体下降区2设置了大气泡收集气罩25，收集底部曝气溢出进入流体下降区2的大气泡和因聚并产生的大气泡，防止大气泡上移带起污泥引起水流搅动变化，影响流态化过程；废水在搅动的过程中，水路、气路的相向运动，增加了气-液的接触频率，延长气料的反应时间；
气-液-固三相混合物从三相分离管中间的横管进入，流入与横管垂直的短管后进入竖管，水和泥由于重力作用向下流走，沉淀分离区31底部的污泥回流管33在流体曳力的作用下，将污泥回流至流体下降区2，气体从排气孔7排出；水体经循环回流后，进入出水堰槽34，由出水管36排出；
在底隙区4中，来自流体下降区2高速回流的废水在此汇集，废水流量相近、速度相似，发生碰撞时可能造成巨大的能量耗散，此外发生碰撞的流体在反应器底部会形成局部环流，影响布气、布水的均匀性。因此，在底隙区4中设置了型整流挡板42，使流体在高速回流的过程中与整流挡板42发生刚性碰撞，改变流体运动方向，减少湍流动能，避免因多流体矢量聚并造成的能量耗散；如表1所示。(十字型)整流挡板42的加入使底部区域中的流体表现出矢量分离，实现气料的有序流动，提高了反应器气料的利用效率。
底隙区4收集沉降在反应器底部的污泥/催化剂/吸附剂，置入水下推流器，可通过排泥管41选择性排出；
排气孔7排出多余气体；催化剂、吸附剂可通过进料孔8加入。
表1十字型整流挡板对平均湍流动能的影响
在本发明中，选取臭氧气泡作为气料，在微米曝气器(头)处投加，为验证微米气泡提高传质的能力，两种粒径分别为1.00mm的大气泡和5.00μm的微米气泡被用于实验。当臭氧投加流量为1.00L/min、臭氧浓度为38.10mg/L、水溶液中臭氧饱和浓度为332.65μM时，分别采用大气泡和微气泡进行曝气，在0、1、3、5和10min检测水溶液中臭氧的溶解浓度，根据公式(1)和公式(2)计算出臭氧的体积溶氧系数(KLa)，如图10所示。
dC/dt＝KLa×(C*-Ct) (1)
ln(C*-Ct)＝-KLa×t+C (2)
其中，KLa为臭氧的体积溶氧系数(min-1)，C*为溶液的饱和溶解臭氧浓度(μM)，Ct为t时刻溶液中臭氧的溶解浓度(μM)。
从图10a中可以看出，采用微气泡曝气相比于大气泡曝气，在1min内臭氧的溶解浓度未发生太大差异，随着曝气时间的延长，溶液中溶解的臭氧浓度展现出差异。根据图10b，臭氧的体积溶氧系数在大气泡曝气时为0.149min-1，在微米气泡曝气时为0.277min-1.改用微米曝气后KLa显著提高，是大气泡曝气时的1.86倍，可见微气泡曝气强化臭氧传质，用于废水处理时可进一步提高矿化程度。
气泡的上升速度大致由根据Stokes定律(公式(3))的理论值描述：
u ＝ 1/18×gd2/ν (3)
其中，u是气泡的上升速度(m/s)，g是重力加速度(m/s2)，d是气泡的直径(m)，ν是水的运动粘度(1.34×10-6m2/s)。根据计算，1.00mm的大气泡在静止、常温常压水体中的自然上升速度为406mm/s，5.00μm的微米气泡在相同条件下的自然上升速度为0.0102mm/s，可见微气泡上升速度慢、停留时间长，增加了气-液接触的频率。流化床反应器平均流速在0.15-0.50m/s，当控制流速大于大气泡(粒径1.00mm)上升速度时，大气泡有被下压的趋势，但若液体流速小于0.40m/s，大气泡上移扩散直至到达液面处破裂消失。而微米气泡的上升速度远小于液体流速，因此在流化床内循环液体的曳力作用下，微米气泡被强制下压、定向导流，气-液两相充分接触，气相物质溶解并分布到液相中。微米气泡在下降的过程中，一部分微米气泡随着压力的增大不断加速溶解，剩余的微米气泡根据Ostwald熟化机理，较小的微米气泡内部存在较大的压强，与周围较大的微米气泡间存在压强差，气泡间的压强差会使气体从压强大的地方向较小的地方扩散，出现较大的微米气泡不断增大，较小的微米气泡逐渐消失的情况。
微米气泡产生于流体下降区，虽然在废水中有上升运动的趋势，由于流体曳力的作用会随着废水一同下降。根据Young-Laplace公式和亨利定律，对于具有球形界面的气泡，压力的上升会使其体积不断压缩，伴随着比表面积的增加，增加气体的溶解速度，气泡缩小的速度会变的越来越快，最终溶解到水中。同时，废水中气-液界面的存在使得气泡会受到水的表面张力的作用，表面张力能压缩气泡内的气体，从而使更多的气泡内的气体穿过气泡界面溶解到水中。因此，微米气泡在气-液逆流接触过程中的增压特性，使得气-液界面传质效率得到增强，并且这种特性使得微米气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。
实施案例2：
本实施案例针对焦化废水处理过程中催化剂投加的催化臭氧化单元；强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，催化臭氧反应器外形尺寸：L×B×H＝1.6m×1.6m×6.7m，有效水深：6.4m，有效容积：16.384m3，材质：钢结构，具体包括以下步骤。
在流体上升区中，空气大气泡经由进气管和布气管进入反应器内，在反应器中部，与从流体下降区收集的臭氧微米气泡聚并形成的大气泡一同提供向上搅动的动力，在反应器上部受到漏斗型引导折流挡板的导流作用，绝大部分废水高速回到流体下降区，实现高倍数循环流动。
在流体下降区中，焦化废水生物出水经由进水管通过进水口均匀流入反应器内部，因重力从反应器下降区向下流动，为加快化学反应速率，在进水口下方0.5-1.0m处，与臭氧微米气泡逆流接触反应。
未参与反应的臭氧微米气料在高速流动废水的曳力作用下下压、扩散，在下降过程中随着压力的增加，部分臭氧微米气泡聚并成大气泡上浮。为不影响下降过程中的流体力学行为，在流体下降区设置了大气泡收集气罩，收集底部曝气溢出进入下降区的空气大气泡和因聚并产生的臭氧大气泡，防止大气泡上移带起污泥引起水流搅动变化，影响流态化过程。
焦化废水生物出水在搅动的过程中，水路、气路的相向运动，增加了气-液的接触频率，延长了气料的反应时间。出水分离区位于反应器内部，置于外筒壁四周，包含三相分离沉淀区。在三相分离沉淀区，三相分离装置由相互垂直的三根管构成，气-液-固三相混合物从三相分离区外横置的短管进入，流入与横管垂直的短管后进入竖管，水和泥由于重力作用向下流走，三相分离沉淀区底部的污泥回流管在流体曳力的作用下，将污泥回流至流体下降区，气体从上部排出。水体经循环回流后，经四周出水穿孔板进入出水堰槽，由出水管排出。
在底隙区中，来自四周流体下降区高速回流的废水在此汇集，四股废水流量相近、速度相似，发生碰撞时可能造成巨大的能量耗散。十字型整流挡板的加入使底部区域中的流体表现出矢量分离，实现两种气料的有序流动，提高了反应器气料的利用效率。底隙区收集沉降在反应器底部的污泥和臭氧催化剂，置入水下推流器，可通过排泥管选择性排出。臭氧催化剂采用粉末活性炭，以投药的方式由反应器顶部的进料孔加入。
三相分离管中间的横管与水平面的倾角为10°；
流体上升区与流体下降区的比例为0.5625:1；
反应器(立方体)的高径比为4:1；
构成挡板的平板与水平面的倾斜角为45°。
进水COD＝200-300mg/L，BOD5＝12.8-15.4mg/L，NH4 +-N＝0.67-1.31mg/L，TN＝22.1-36.6mg/L；
工艺有机负荷率＝1.44kg COD/m3/d；臭氧投加量＝239g/h；反应器水力停留时间2h；反应器污泥停留时间2d；
反应器COD、BOD5、NH4 +-N、TN的去除率分别为56.2％、23.4％、71.7％、39.9％。
实施案例3：
本实施例的主要内部结构与实施例1相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：如图11至图13所示，强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合反应器的长宽比不同，本实施案例采用生物好氧流态化降解的方式处理焦化废水，反应器设计与实施例1遵循相同的上升区与下降区的比例，改变长宽比实现生物好氧降解。
本实施例强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，生物好氧流化床外形尺寸：L×B×H＝1.6m×3.1m×6.7m，有效水深：6.4m，有效容积：31.744m3，材质：钢砼结构，具体包括以下步骤。
在流体上升区中，空气大气泡经由大气泡进气管和布气管进入反应器内，在反应器中部，与从下降区收集的氧气微米气泡聚并形成的大气泡一同提供向上搅动的动力，在反应器上部受到漏斗型引导折流挡板的导流作用，绝大部分废水高速回到流体下降区，实现高倍数循环流动。
在流体下降区中，焦化废水经由进水管通过进水口均匀流入反应器内部，因重力从反应器下降区向下流动，为加快化学反应速率，在进水口下方0.5-1.0m处，与氧气微米气泡逆流接触反应。未参与反应的氧气微米气料在高速流动废水的曳力作用下下压、扩散，在下降过程中随着压力的增加，部分氧气微米气泡聚并成大气泡上浮。
为不影响下降过程中的流体力学行为，在流体下降区设置了大气泡收集气罩，收集底部曝气溢出进入下降区的空气大气泡和因聚并产生的氧气大气泡，防止大气泡上移带起污泥引起水流搅动变化，影响流态化过程。焦化废水在搅动的过程中，水路、气路的相向运动，增加了气-液的接触频率，延长了气料的反应时间。
出水分离区位于反应器内部，置于外筒壁四周，包含三相分离沉淀区。在三相分离沉淀区，三相分离装置由相互垂直的三根管构成，气-液-固三相混合物从三相分离区外横置的短管进入，流入与横管垂直的短管后进入竖管，水和泥由于重力作用向下流走，三相分离沉淀区底部的污泥回流管在流体曳力的作用下，将污泥回流至流体下降区，气体从上部排出。水体经循环回流后，经四周出水穿孔板进入出水堰槽，由出水管排出。在底隙区中，来自四周流体下降区高速回流的废水在此汇集，四股废水流量相近、速度相似，发生碰撞时可能造成巨大的能量耗散。十字型整流挡板的加入使底部区域中的流体表现出矢量分离，实现两种气料的有序流动，提高了反应器气料的利用效率。底隙区收集沉降在反应器底部的污泥和混凝药剂，置入水下推流器，可通过排泥管选择性排出。混凝剂等药剂以投药的方式由反应器顶部的进料孔加入。
三相分离管中间的横管与水平面的倾角为30°；
上升区与下降区的比例为0.5625:1；
所述立方体反应器的高径比为4:1；
构成挡板的平板与水平面的倾斜角为45°。
进水COD＝352-414mg/L，BOD5＝68.4-128.1mg/L，NH4 +-N＝6.61-9.73mg/L，TN＝22.1-37.8mg/L；
工艺有机负荷率＝0.50kg COD/m3/d；溶解氧DO＝3.46mg/L；反应器水力停留时间44h；反应器污泥停留时间18d；
反应器COD、BOD5、NH4 +-N、TN的去除率分别为41.8％、85.6％、86.5％、3.17％。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于包括：
反应器外筒(6)；
置于反应器外筒(6)内的导流内筒(5)；
导流内筒(5)的内部通道，作为流体上升区(1)；
导流内筒(5)外壁与反应器外筒(6)内壁之间的通道，作为流体下降区(2)；
导流内筒(5)的上端区域与反应器外筒(6)顶部之间的空间，作为出水分离区(3)；
导流内筒(5)的下端区域与反应器外筒(6)底部之间的空间，作为底隙区(4)。
2.根据权利要求1所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：
导流内筒(5)的顶部设置有漏斗型折流挡板(13)；
出水分离区(3)主要由三相分离装置(32)和出水堰槽(34)构成；
三相分离装置(32)和出水堰槽(34)安装于反应器外筒(6)的内侧壁上；
三相分离装置(32)和出水堰槽(34)之间的空间形成沉淀分离区(31)；
三相分离装置(32)的底部管口，通过一漏斗形罩连接污泥回流管(33)；污泥回流管(33)的管口伸入流体下降区(2)内；
流体下降区(2)还内置有进水管(21)和微米气泡进气管(23)；
进水管(21)具有一进水口(22)；
微米气泡进气管(23)具有一微米曝气头(24)；
污泥回流管(33)的管口、微米曝气头(24)和进水口(22)在液面下所处位置依次抬高；
在底隙区(4)放置布气管(12)和位于布气管(12)上方的整流挡板(42)，布气管(12)形成的大气泡，由进气管(11)连接外部曝气装置供给。
3.根据权利要求2所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：
在流体下降区(2)的通道内，分布有多个大气泡收集气罩(25)；
大气泡收集气罩(25)收集的大气泡通过管路汇集至出气总管后进入流体上升区(1)。
4.根据权利要求2所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：污泥回流管(33)的管口、微米曝气头(24)和进水口(22)在液面下所处位置依次抬高，具体是指污泥回流管(33)的管口在液面下的位置，低于微米曝气头(24)在液面下的位置；微米曝气头(24)在液面下的位置，低于进水口(22)在液面下的位置。
5.根据权利要求2所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：三相分离装置(32)内部空间构成沉淀分离区(31)，在沉淀分离区(31)进行气-液-固三相分离后，经开设和在出水堰槽(34)侧壁上的孔洞35，溢流至出水堰槽(34)内。
6.根据权利要求5所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：三相分离装置(32)由垂直的三根管构成，气-液-固三相混合物从沉淀分离区(31)外横置的短管进入，流入与横管垂直的短管后到竖管中，水和泥由于重力作用向下流走，污泥回流管(33)将污泥回流至流体下降区(2)，气体从竖管上部排出。
7.根据权利要求6所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：三相分离管中间的横管与水平面的倾角为0°-45°；
流体上升区(1)与流体下降区(2)的比例为0.4-0.6。
8.根据权利要求2所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：底隙区(4)的底部安装有排泥管(41)。
9.根据权利要求2所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置，其特征在于：反应器外筒(6)上部还设有进料孔(8)。
10.权利要求1-6中任一项所述强化逆流传质的气料投加反应与分离耦合装置运行方法，其特征在于包括如下步骤：
大气泡经由进气管(11)和布气管(12)进入反应器内，在反应器中部，与从流体下降区(2)收集的微米气泡聚并形成的大气泡一同提供向上搅动的动力，在反应器上部受到漏斗型折流挡板(13)的导流作用，大部分废水高速回到流体下降区(2)；
在流体下降区(2)中，废水经由进水管(21)通过进水口(22)均匀流入流体下降区(2)内部，因重力向下流动，为加快化学反应速率，在进水口(22)下方0.5-1.0m处，与经由微米气泡进气管(23)进入，由微米曝气头(24)加入的高压溶气的混合流体逆流接触反应；未参与反应的微米气料在高速流动废水的曳力作用下下压、扩散，在下降过程中随着压力的增加，部分微米气泡聚并成大气泡上浮；
为不影响下降过程中的流体力学行为，在流体下降区(2)设置了大气泡收集气罩(25)，收集底部曝气溢出进入流体下降区(2)的大气泡和因聚并产生的大气泡，防止大气泡上移带起污泥引起水流搅动变化，影响流态化过程；废水在搅动的过程中，水路、气路的相向运动，增加了气-液的接触频率，延长气料的反应时间；
气-液-固三相混合物从三相分离管中间的横管进入，流入与横管垂直的短管后进入竖管，水和泥由于重力作用向下流走，沉淀分离区(31)底部的污泥回流管(33)在流体曳力的作用下，将污泥回流至流体下降区(2)，气体从排气孔(7)排出；水体经循环回流后，进入出水堰槽(34)，由出水管(36)排出；
在底隙区(4)中，来自流体下降区(2)高速回流的废水在此汇集，在底隙区(4)中设置了型整流挡板(42)，使流体在高速回流的过程中与整流挡板(42)发生刚性碰撞，改变流体运动方向，减少湍流动能，避免因多流体矢量聚并造成的能量耗散；
底隙区(4)收集沉降在反应器底部的污泥/催化剂/吸附剂，置入水下推流器，可通过排泥管(41)选择性排出；
排气孔(7)排出多余气体；催化剂、吸附剂可通过进料孔(8)加入。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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