CN210438469U - 一种用于废水深度处理的催化氧化反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于废水深度处理的催化氧化反应系统，包括催化反应池，铁基复合催化剂在液下推进器的作用下均匀分散于催化反应池内；与催化反应池连通以向催化反应池中进废水的布水堰；与催化反应池连通的臭氧发生器，O₃气体与铁基复合催化剂协同作用于废水以氧化去除废水中的有机物；通过开孔的隔墙与催化反应池连通的膜分离池，其内设置有用于固液分离的陶瓷分离膜，混合物中的铁基复合催化剂被阻隔在陶瓷分离膜的外部；与膜分离池连通以将陶瓷分离膜内的分离后的清液导出至下个处理单元或排放的出水泵。该催化氧化反应系统中的催化反应速度快、反应更充分、臭氧利用率更高、有效反应时间及水力停留时间短。

Description

一种用于废水深度处理的催化氧化反应系统

技术领域

本实用新型涉及水处理，更具体地涉及一种用于废水深度处理的催化氧化反应系统。

背景技术

随着我国工农业的迅猛发展，水中有毒或难降解的有机物成分越来越多，而如何处理这类物质并提高其处理效果成为水处理行业中较为关注的课题。高级氧化法(Advanced Oxidation processible，简称AOP)，水处理过程中以羟基自由基为主要氧化剂的氧化过程称为AOP过程，臭氧催化氧化是一种常用的高级氧化技术，具有操作过程简单、反应物易得、无须复杂设备且对环境友好性等优点，已被逐渐应用于各种化工、染料、农药等废水处理工程中，具有很好的应用前景。臭氧催化氧化以其独特的优越性在处理化工废水、印染废水等，尤其是在废水深度处理中具有广阔的应用前景。

臭氧高级氧化是水处理技术中去除有机污染物的一种重要方法，能将很多有机物降解并改善其生物降解性能。在不需要调整废水pH值情况，以铁基复合催化材料为催化剂，与以微气泡形式释放的O₃与废水在液下推进器及臭氧微气泡的共同搅拌作用下，在催化反应器的反应区内完全混合、充分反应，能够促进O₃分解产生羟基自由基HO·，HO·(E0＝2.8V)电位高，可以提高臭氧的利用效率、氧化速度和氧化能力，并提高了污染物的去除率。混合液在膜分离池由陶瓷膜组成的分离膜组进行固液分离。达成反应速度快、反应充分、臭氧利用率更高、有效反应时间及水力停留时间短、反应器全容积有效、处理后出水水质稳定、催化剂更换方便、系统操作和维护方便等优势。

高级氧化法的本质是间接氧化，以形成氧化能力极强的自由基(主要是·OH)氧化有机物。高级氧化方法中经典的是Fenton法，为解决Fenton工艺材料消耗高、产泥量大、残余大量硫酸根、操作复杂的问题，臭氧直接化学氧化，对大多数有机污染物氧化速率极慢，但经催化形成·OH，氧化速率成数量级的增长。

在使用臭氧工艺处理工业废水时，需要考虑臭氧气体的生产成本、臭氧在水中的混合均匀程度、臭氧与污染物的接触反应、臭氧气体的整体利用效率等技术关键。因此，设计一个有利于臭氧气体在废水中扩散、反应底物能够充分混合的反应器，对提升污水处理效率、降低工艺成本，实现催化臭氧功能特点有重要意义。但目前，对于臭氧催化氧化的研发多集中在催化剂研发方面，而对于臭氧催化氧化反应器的研发改进较少，而且现有的臭氧催化氧化反应器催化剂床层空隙率低，臭氧利用率低；同时还存在着气、液、固三者难分离，催化剂难以回收利用，反冲洗操作复杂、效果差等问题。

现催化臭氧的反应器形式，以流化床形式或固定床形式为主，制造成本大，运输成本高、易堵塞、需反洗、出水存在悬浮物问题、更换催化剂麻烦及成本较高。同时臭氧催化氧化反应器组成复杂，往往包含滤板、滤头、滤帽、微孔曝气盘、催化剂床层、布水或出水单元等，装填及更换催化剂麻烦、因曝气盘易损坏或堵塞而难于更换等问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中的反应器的成本高等问题，本实用新型提供一种用于废水深度处理的催化氧化反应系统。

根据本实用新型的用于废水深度处理的催化氧化反应系统，包括侧壁上布置有液下推进器的催化反应池，铁基复合催化剂在液下推进器的作用下均匀分散于催化反应池内；与催化反应池连通以向催化反应池中进废水的布水堰；与催化反应池连通以向催化反应池中通入O₃气体的臭氧发生器，O₃气体与铁基复合催化剂在催化反应池内协同作用于废水以氧化去除废水中的有机物；通过开孔的隔墙与催化反应池连通的膜分离池，废水、O₃气体以及铁基复合催化剂的混合物以推流方式通过隔墙上的开孔进入膜分离池内，膜分离池内设置有用于固液分离的陶瓷分离膜，混合物中的铁基复合催化剂被阻隔在陶瓷分离膜的外部；以及与膜分离池连通以将陶瓷分离膜内的分离后的清液导出至下个处理单元或排放的出水泵。

优选地，催化反应池的底部设置有臭氧微孔释放器，臭氧发生器所产生的O₃气体通过臭氧微孔释放器从催化反应池的底部以微气泡的形式均匀释放于催化反应池中。

优选地，该催化氧化反应系统还包括与膜分离池连通以向膜分离池中通入冲刷气的循环风机。

优选地，膜分离池的底部设置有曝气器，循环风机通过曝气器将冲刷气输送到膜分离池中以利用冲刷气的强力冲刷作用防止陶瓷分离膜的污堵。

优选地，冲刷气为空气或纯氧。

优选地，该催化氧化反应系统还包括回流泵，被陶瓷分离膜截留下来的膜分离池中的铁基复合催化剂由回流泵打回催化反应池中被循环使用或直接排放。

优选地，陶瓷分离膜包括模块化的多个单元。

根据本实用新型的用于废水深度处理的催化氧化反应系统，反应速度快、反应更充分、臭氧利用率更高、有效反应时间及水力停留时间短、反应器全容积有效(不需考虑填充率、无效区域等，投资成本更低)、处理后出水水质稳定，催化剂排放、补充及更换均非常容易，整个系统操作和维护更方便，避免了其它的催化反应器中配套设备难以维护的问题如因其它反应器中的臭氧释放器均设置在催化剂下方造成堵塞后无法维护。而且，以催化臭氧工艺和膜分离设备相结合实现高效反应机理、阻止了催化剂流失，同时具备了膜过滤连续稳定运行。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个优选实施例的用于废水深度处理的催化氧化反应系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，根据本实用新型的一个优选实施例的用于废水深度处理的催化氧化反应系统包括催化反应池1和膜分离池2，两者通过底部开孔的隔墙1a连通，其中，在催化反应池1中，废水中的有机物得以催化氧化反应以去除有机物并降低COD浓度，分离后的清液从膜分离池2导出。

催化反应池1与布水堰(图未示)连通以向催化反应池1中进废水。催化反应池1与臭氧发生器3连接以向催化反应池1内通入O₃气体。具体地，催化反应池1的底部设置有臭氧微孔释放器11，臭氧发生器3所产生的O₃气体通过臭氧微孔释放器11从催化反应池1的底部以微气泡的形式均匀释放于催化反应池1中。催化反应池1的侧壁上布置有液下推进器12，铁基复合催化剂13在液下推进器12和臭氧微气泡的强力搅拌作用下均匀分散于催化反应池1内。如此，在液下推进器12及O₃气体的共同搅拌作用下，废水、臭氧和铁基复合催化剂13快速并完全混合，进行催化反应，从而提高臭氧利用率并缩短反应时间。如此，催化反应池1将完全混合式的模型引入催化反应单元，以高效率的均相催化反应模型实现了非均相催化反应。特别地，催化反应池1中也可以投加少量H₂O₂，配合铁基复合催化剂13辅助催化臭氧，形成以铁基复合催化剂13在催化反应池1中对H₂O₂的催化，同样产生HO·自由基实现对COD的去除。

催化反应池1中的得以充分反应和处理的废水、臭氧和铁基复合催化剂13的混合物以推流方式通过隔墙1a上的孔进入膜分离池2内。

膜分离池2与出水泵4连通以将膜分离池2中的分离后的清液导出至下个处理单元或排放。具体地，膜分离池2中设置有用于固液分离的陶瓷分离膜21，混合物中的铁基复合催化剂13被阻隔在陶瓷分离膜21的外部，仅分离后的清液通过出水泵4导出。膜分离池2与循环风机5连通以向膜分离池2中通入冲刷气。具体地，膜分离池2的底部设置有曝气器22，循环风机 5通过曝气器22将冲刷气输送到膜分离池2中，从而利用该冲刷气的强力冲刷作用降低陶瓷分离膜21的污堵。在本实施例中，收集催化反应池1所排的废气作为冲刷气，该冲刷气接近纯氧(含少量残余臭氧)，催化反应在膜分离池2中仍保持持续的降解效率。应该理解，该冲刷气也可采集外部空气做为冲刷气。

另外，催化反应池1和膜分离池2还通过回流泵6连通。具体地，被陶瓷分离膜21截留下来的膜分离池2中的铁基复合催化剂13由回流泵6打回催化反应池1中被循环使用，也可由该回流泵6将铁基复合催化剂13排放。

为了进一步提高催化反应效率和催化效果，催化反应池1中还可投加粉末活性炭和双氧水(H₂O₂)，利用粉末活性炭的吸附捕捉能力及H₂O₂的氧化能力达到协同催化作用。

在本实施例中，陶瓷分离膜21采用无机陶瓷膜，陶瓷膜孔径为200nm 规格，提标废水经膜分离后的废水色度<5NTU、固体悬浮物<3mg/l，COD去除率达50-80％，达成排放需求。经分离后的铁基复合催化剂13保留在催化反应池1内持续参与反应从而避免了催化剂的流失，确保了催化剂的寿命，若进水固体悬浮物浓度(SS)控制在5mg/l以下，可确保催化剂长期有效，为降低进水SS影响催化效果，可定期排放一部分含催化剂的混合液并投加一部分新的催化剂，从而保持催化的持续高效。显然，根据本实用新型的反应系统中的催化剂的排放、补加及更换均非常容易。而催化反应池1所排废气因残余臭氧并接近饱和溶解氧，为强化残留臭氧的利用和分离，为减少对环境污染，将此排气进行收集后作为膜分离池2的膜片曝气、冲洗、反洗气体的气源加以利用，接近纯氧并残留臭氧的气体在分离单元由于催化剂和陶瓷膜材料中的金属氧化物的协同催化作用可确保系统持续保持对污染物的处理效果，对膜分离池2的排放废气收集后进行无害化处理再排放。该尾气收集后也可回用于生物处理单元。

在本实施例中，陶瓷分离膜21包括模块化的多个单元。这种模块化设计、安装简单易行，占地小，土建投资小；使用寿命长；通量高；药耗小；能耗低；耐高温(60℃)和抗化学性极强，pH、水温适用范围广，高恢复性：膜表面光滑且亲水性能好、附着污染物易脱落、可长期维持膜过滤性能；膜间隔为均一配置、杂物或污泥等不易附着；对应膜堵塞(膜通量衰减)有选取多种清洗方式。维护管理方便：反洗及在线药洗可自动化管理、更便于日常维护管理。

在本实施例中，陶瓷分离膜21的膜片易保管，不需要进行特殊保养(浸泡保存等)、可进行备用保存。可循环利用，粉碎后可作为陶瓷制品原料再利用。陶瓷膜中的金属氧化物成分也起到协同催化的作用。

在本实施例中，陶瓷分离膜21采用由Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂和SiO₂等无机材料制备的多孔膜结构，孔径为200纳米，由无机陶瓷膜元件组成膜分离单元。无机膜具有优异的化学稳定性和高的机械强度，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐强氧化剂；机械强度大，可反向冲洗；抗微生物能力强；耐高温；孔径分布窄，分离效率高、使用寿命长等特点。

在本实施例中，陶瓷分离膜21的膜结构及材料的技术参数包括：α氧化铝材料中空平板支撑体，膜材料为α氧化铝；平均孔径0.2μm；过滤膜及过渡层厚度<10μm；操作压力(bar)0.5-4；操作温度(℃)5-80；渗透率(l/m2*h*bar) 400-5000。

例1

依据图1所示制作小试反应装置，废水由泵打入催化反应器，将铁基复合催化剂以5g-50g/l的量投入催化反应器中，臭氧发生器所产生的O₃气体由臭氧微孔释放器以微气泡的形式均匀释放于催化反应器，废水通过布水堰进入催化反应器，启动液下推进器使废水、臭氧快速并完全混合，水力停留时间选择15～45分钟，充分反应和处理后的废水，在膜分离池进行固液分离，分离后的清液排放，截留下来的催化剂由循环泵打回催化反应器循环使用。

催化O₃氧化性能：某印染厂污水处理站二级生化出水，COD为 125mg/L。O₃催化氧化反应时间为30min；O₃投加量90mg/l，投加铁基复合催化剂浓度为10g/L。催化氧化反应后COD为60mg/L，去除率达50％以上，出水总铁含量小于0.5mg/l，出水水质和催化剂使用寿命均具有非常好的工程价值。

例2

反应系统的设置同例1。

催化O₃氧化性能：某电子厂污水处理站二级生化出水，COD为90mg/L。 O₃催化氧化反应停留时间为40min，O₃投加量75mg/l，投加制备后的铁基复合催化剂浓度为8g/L。催化氧化反应后COD为40mg/L，去除率达55％，出水总铁含量小于0.5mg/l，出水水质和催化剂使用寿命均具有非常好的工程价值。

例3

反应系统的设置同例1。

催化O₃氧化性能：某涂料化工厂污水处理站二级生化出水，COD为 100mg/L。O₃催化氧化反应停留时间为50min，O₃投加量80mg/l，投加制备后的铁基复合催化剂浓度为12g/L。催化氧化反应后COD为55mg/L，去除率达40％以上，出水总铁含量小于0.5mg/l，出水水质和催化剂使用寿命均具有非常好的工程价值。

例4

反应系统的设置同例1。

催化O₃氧化性能：某印染厂污水处理站二级生化出水，COD为 140mg/L、色度100、苯胺4mg/l。O₃催化氧化反应时间为30min；O₃投加量 100mg/l，投加臭氧氧化铁基复合催化剂浓度为20g/L。催化氧化反应后COD 为60mg/L、色度20、苯胺未检出，COD去除率达50％以上，出水总铁含量小于0.5mg/l，出水水质和催化剂使用寿命均具有非常好的工程价值。

例5

反应系统的设置同例1。

催化O₃氧化性能：某印染厂污水处理站二级生化出水，COD为 150mg/L、苯胺3mg/l、色度80倍。O₃催化氧化反应停留时间为25min，O₃投加量70mg/l，投加预处理后的铁基复合催化材料浓度为12g/L。催化氧化反应后COD为100mg/L、苯胺未检出、色度10倍，各项指标均稳定达到排放标准。

例6

反应系统的设置同例1。

催化O₃氧化性能：某化学制药厂污水处理站二级生化出水，COD为 128mg/L、TOC为78mg/L。O₃催化氧化反应停留时间为120min，O₃投加量 140mg/l，投加制备后的粉体铁基催化剂浓度为30g/L。催化氧化反应后COD 为48mg/L、TOC为29mg/l，COD去除率达62.5％，TOC也低于排放标准，达到了催化氧化的目标。

例7

反应系统的设置同例1。

催化O₃氧化性能：某煤化工厂污水处理站二级生化出水，COD为507mg/L。O₃催化氧化反应停留时间为90min，O₃投加量520mg/l，投加制备后的铁基复合催化剂浓度为30g/L。催化氧化反应后COD为247mg/L，去除率大于40％，达到了排放要求。

实践表明，本实用新型的用于废水深度处理的催化氧化反应系统适用于各类pH范围的废水，无需调节酸碱度，不增加废水盐度，没有重金属污染风险；有效成份100％，确保了更长的使用寿命。本实用新型的催化剂催化臭氧氧化时，对一般工业废水二级生化处理出水COD的去除率在50～80％之间，具有很高的去除效率。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种用于废水深度处理的催化氧化反应系统，其特征在于，该催化氧化反应系统包括：

侧壁上布置有液下推进器(12)的催化反应池(1)，铁基复合催化剂(13)在液下推进器(12)的作用下均匀分散于催化反应池(1)内；

与催化反应池(1)连通以向催化反应池(1)中进废水的布水堰；

与催化反应池(1)连通以向催化反应池(1)中通入O₃气体的臭氧发生器(3)，O₃气体与铁基复合催化剂(13)在催化反应池(1)内协同作用于废水以氧化去除废水中的有机物；

通过开孔的隔墙(1a)与催化反应池(1)连通的膜分离池(2)，废水、O₃气体以及铁基复合催化剂(13)的混合物以推流方式通过隔墙(1a)上的开孔进入膜分离池(2)内，膜分离池(2)内设置有用于固液分离的陶瓷分离膜(21)，混合物中的铁基复合催化剂(13)被阻隔在陶瓷分离膜(21)的外部；以及

与膜分离池(2)连通以将陶瓷分离膜(21)内的分离后的清液导出至下个处理单元或排放的出水泵(4)。

2.根据权利要求1所述的催化氧化反应系统，其特征在于，催化反应池(1)的底部设置有臭氧微孔释放器(11)，臭氧发生器(3)所产生的O₃气体通过臭氧微孔释放器(11)从催化反应池(1)的底部以微气泡的形式均匀释放于催化反应池(1)中。

3.根据权利要求1所述的催化氧化反应系统，其特征在于，该催化氧化反应系统还包括与膜分离池(2)连通以向膜分离池(2)中通入冲刷气的循环风机(5)。

4.根据权利要求3所述的催化氧化反应系统，其特征在于，膜分离池(2)的底部设置有曝气器(22)，循环风机(5)通过曝气器(22)将冲刷气输送到膜分离池(2)中以利用冲刷气的强力冲刷作用防止陶瓷分离膜(21)的污堵。

5.根据权利要求3所述的催化氧化反应系统，其特征在于，冲刷气为空气或纯氧。

6.根据权利要求1所述的催化氧化反应系统，其特征在于，该催化氧化反应系统还包括回流泵(6)，被陶瓷分离膜(21)截留下来的膜分离池(2)中的铁基复合催化剂(13)由回流泵(6)打回催化反应池(1)中被循环使用或直接排放。

7.根据权利要求1所述的催化氧化反应系统，其特征在于，陶瓷分离膜(21)包括模块化的多个单元。

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