膨胀床臭氧催化氧化反应器及其污水处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种膨胀床臭氧催化氧化反应器，反应器内部自底部向上依次设置有臭氧分布器、进水分布器和催化剂床层，反应器上部设有尾气管和污水出水管，尾气管上设有尾气回流管，污水出水管上设有污水回流管，尾气回流管和污水回流管分别连通至水射器的气相进口和水相进口；催化剂床层和进水分布器之间设有回流水\气分布器，水射器出口通过管路连通至回流水\气分布器。反应器在运行过程中，在进水和回流污水的水力作用下，催化剂床层呈膨胀状态。本发明公开了一种应用该膨胀床臭氧催化氧化反应器的污水处理方法，能够提高污水处理深度，大幅度提高臭氧利用率，能够满足尾气达标排放要求，绿色环保，节约资源。
【专利说明】膨胀床臭氧催化氧化反应器及其污水处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于污水处理【技术领域】，涉及污水处理臭氧催化氧化设备，具体为一种膨 胀床臭氧催化氧化反应器及其污水处理方法。
【背景技术】
[0002] 臭氧作为一种强氧化剂，在废水处理方面得到了广泛的应用。为提高臭氧利用率 以及污水处理效率，目前普遍采用臭氧催化氧化的方式进行污水处理。臭氧催化氧化已成 功应用于污水深度处理、污水回用、高浓度难生化污水预处理等方面，臭氧利用率及污水处 理效率较单独臭氧氧化有较大提高。然而目前臭氧催化氧化的研宄主要集中在催化剂研发 方面，开发出了不同载体和负载不同活性组分的催化剂，所开发出的催化剂应用范围不同， 处理效果各有差异。目前各研宄机构将研发重点放在开发高效催化剂以提高臭氧利用率和 污水处理效率上，而较少有通过研宄、设计开发高效反应器来提高臭氧利用率和污水处理 效率的。目前研宄和应用的反应器主要为两种固定床催化氧化反应器：一是污水、臭氧同向 流动，由反应器底部自下而上通过反应器催化剂床层，发生催化氧化反应；另一种是污水、 臭氧逆向流动，污水自上而下、臭氧自下而上通过反应器催化剂床层，发生催化氧化反应。
[0003] 现有固定床臭氧催化氧化反应器存在的主要问题有：
[0004] (1)固定床催化反应器在运行一段时间后，如6?7天，催化剂床层空隙和催化剂 表面会被污水中带入的或反应产生的悬浮物、胶体堵塞或污染，需定期对催化剂床层进行 反冲洗；增加了反应器操作难度，提高了自控要求，且产生一定量的反冲洗废水需进一步处 理；
[0005] (2)固定床催化反应器，在布水器、布气器设计不合理或加工、安装精度不高的情 况下，以及运行管理不善的情况下，会发生沟流现象，严重影响处理效果；
[0006] (3)主要采用穿孔管或微孔曝气的方式将臭氧通入污水中，由于臭氧在污水中形 成的气泡较大，且溶解率较低，从而导致臭氧利用率低，外排尾气中的臭氧含量较多；反应 后尾气中未溶解和未反应的臭氧未回收，造成臭氧的浪费；
[0007] (4)污水中未来得及反应的溶解性臭氧被直接排出，如果后续的污水处理接有生 物处理单元，还需对污水进行臭氧吹脱等处理，一方面增加了处理工序，另一方面造成了臭 氧的浪费；
[0008] (5)污水在反应器内停留时间一般为0. 5-1. 0小时，污水中部难氧化物质未来得 及被氧化就排出，反应深度不够，导致污水处理效率不高。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种膨胀床臭氧催 化氧化反应器，可用于污水深度处理，污水回用，高浓度难生化污水预处理等领域，较传统 固定床催化氧化反应器，大大提高臭氧利用率。
[0010] 本发明的技术方案如下：
[0011] -种膨胀床臭氧催化氧化反应器，反应器内部自底部向上依次设置有臭氧分布 器、进水分布器和催化剂床层，反应器上部设有尾气管和污水出水管，其特征在于：尾气管 上设有尾气回流管，污水出水管上设有污水回流管，尾气回流管和污水回流管分别连通至 水射器的气相进口和水相进口；催化剂床层和进水分布器之间设有回流水\气分布器，水 射器出口通过管路连通至回流水\气分布器。
[0012] 更进一步地，反应器顶部设置有尾气收集罩，尾气收集罩顶部连通所述尾气管，尾 气管排出口与尾气回流管之间设有尾气控制阀；污水出水管排出口与污水回流管之间设有 污水控制阀，污水回流管上设有回流水增压泵；臭氧分布器连通臭氧进气管，进水分布器连 通进水管，进水管上设有进水增压泵；催化剂床层下方依次设置有催化剂垫层和催化剂支 撑格栅，催化剂支撑格栅位于回流水\气分布器上方。
[0013] 更进一步地，在反应器尾气收集罩与反应器筒体衔接部设置有一圈溢流堰，溢流 堰连通所述污水出水管。
[0014] 更进一步地，尾气管排出口与尾气控制阀之间连通有臭氧分解器。
[0015] 更进一步地，在反应器运行过程中，催化剂床层在进水和回流污水的水力作用下 呈膨胀状态，催化剂床层膨胀率为10% -30%。
[0016] 一种应用上述膨胀床臭氧催化氧化反应器处理污水的污水处理方法，其特征在于 包括以下步骤：
[0017] (1)待处理污水经过进水管后通过进水布水器均匀的分布在膨胀床臭氧催化氧化 反应器下部，臭氧经过臭氧进气管后通过臭氧分布器均匀的分布在反应器底部，待处理污 水和臭氧向上流经催化剂床层，在催化剂床层内发生臭氧催化氧化反应；
[0018] (2)经步骤（1)处理过的污水溢流进入出水管，污水一部分经出水管排出口排出 到外部，另一部分经过污水回流管进入水射器水相入口；步骤（1)反应过程中产生的尾气 经尾气收集罩收集后进入尾气管，尾气一部分经臭氧分解器处理后达标排出至反应器外 部，另一部分尾气经过尾气回流管进入水射器气相入口；
[0019] (3)回流的污水和尾气在水射器内混合形成气水混合物，并通过管路回流至回流 水\气分布器，进入反应器内再次参加催化氧化反应。
[0020] 更进一步地，反应器尾气回流比为200?400% :污水回流比为200?400%。
[0021] 更进一步地，反应器中装填的催化剂为颗粒状催化剂，粒径2?8_。
[0022] 更进一步地，反应器有效水力停留时间为0. 5?I. 0小时。
[0023] 本发明的有益效果是提供了一种膨胀床臭氧催化氧化反应器，用于污水深度处 理、污水回用和高浓度难生化污水预处理等领域，较传统固定床催化氧化反应器其臭氧利 用率提高30%左右；同时避免了常规固定床反应器定需定期进行反冲洗的问题，降低了反 应器操作难度和自控水平，避免了常规固定床催化反应器可能存在的沟流现象，提高了传 质能力和处理效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明提供的外循环污水处理臭氧催化氧化反应器的结构示意图；
[0025] 图中：
[0026] 1.臭氧分布器；2.臭氧进气管；3.污水进水管；4.进水增压泵；5.进水布水器； 6.回流水/气分布器；7.催化剂支撑格栅；8.催化剂垫层；9.催化剂床层；10.反应器外 壁；11.溢流堰；12.尾气收集罩；13.尾气管；14.尾气控制阀；15.臭氧分解器；16.尾气 管排出口； 17.尾气回流管；18.出水管；19.污水控制阀；20.出水管排出口；21.污水回流 管；22.回流水增压泵；23.水射器。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和【具体实施方式】 对本发明作进一步的详细说明。
[0028] 如图1所示的，一种膨胀床臭氧催化氧化反应器，反应器横截面形状为圆形或者 矩形，在反应器外壁10内部自其底部向上依次设置有臭氧分布器1、进水布水器5和催化剂 床层9,反应器上部设有尾气管13和污水出水管18 ;臭氧分布器1连接臭氧进气管2,进水 布水器5连接污水进水管3,进水管3上设有进水增压泵4 ;催化剂床层9下方设置有催化 剂垫层8,催化剂垫层8下方设有催化剂支撑格栅7 ;反应器10顶部设有尾气收集罩12,尾 气收集罩12和反应器的筒体衔接部设置有一圈溢流堰11，溢流堰11的溢流口设置在反应 器外壁10上位于催化剂床层9上方且位于尾气收集罩12下方的位置，溢流堰连通污水出 水管18。
[0029] 尾气收集罩12顶部连通尾气管13,尾气管13和出水管18上均有排出口，尾气管 上设有为尾气回流管17,出水管18上设有污水回流管21，且尾气回流管17和污水回流管 21分别连通至水射器23的气相进口和水相进口，水射器23出口通过管路连通至回流水 \气分布器6,所述回流水\气分布器6设置在反应器10内并位于催化剂支撑格栅7下方 且在进水布水器5上方。水射器也称射流器，能够将回流污水和尾气返回反应器下部，使得 回流的尾气可以在常压甚至负压的情况下，与回流的污水形成气水混合物回到反应器再次 参与催化氧化反应。
[0030] 尾气管排出口 16与尾气回流管17之间的尾气管上设有尾气控制阀14,尾气控制 阀14与排出口 16之间连通臭氧分解器15 ;污水回流管21与出水管排出口 20之间的管路 上设有污水控制阀19,污水回流管21上设有回流水增压泵22。
[0031] 本发明膨胀床臭氧催化氧化反应器在运行过程中，催化剂床层在进流污水和回流 污水的水力作用下呈膨胀状态，催化剂床层膨胀率为10% -30%，催化剂床层膨胀率所需 水力条件，根据所使用催化剂的比重、粒径等确定。
[0032] 利用本发明提供的膨胀床臭氧催化氧化反应器进行污水处理的方法步骤如下：
[0033] (1)待处理污水进入进水管3经进水增压泵4增压后，通过进水布水器5均匀的分 布在反应器10下部，臭氧经过臭氧进气管2后通过臭氧分布器1均匀的分布在反应器10 底部，待处理污水和臭氧向上流，进入催化剂床层9,在催化剂床层9内发生臭氧催化氧化 反应，去除污水中的污染物；臭氧催化氧化反应过程中使用催化剂，催化剂为颗粒状，粒径 为2?8mm ;此时，催化剂床层在上升水流的水力作用下呈膨胀状态，膨胀率为10-30%。
[0034] (2)经步骤（1)处理过的污水通过溢流堰11收集后进入出水管18,处理后的污水 一部分经出水管排出口 20排出到外部，另一部分进入污水回流管21，污水回流比通过污水 控制阀19和回流污水增压泵25控制在100?400%之间；回流污水经增压泵25增压后进 入水射器23的水相进口；步骤（1)反应过程中产生的含臭氧尾气经尾气收集罩12收集后 进入尾气管13, 一部分尾气经臭氧分解器15处理后达标排出至外部，另一部分尾气经过尾 气回流管17进入水射器23气相进口；尾气回流比由尾气控制阀14控制在100?400%之 间；
[0035] (3)回流的污水和尾气在水射器23内混合形成气水混合物，并通过管路回流至反 应器10内的回流水\气分布器6,上流进入催化剂床层9,再次参加催化氧化反应。
[0036] 反应器中的催化剂在进入的污水、臭氧、回流污水和回流臭氧的作用下，呈膨胀状 态，避免了常规催化剂固定床反应器需定期进行反冲洗的问题，降低了反应器操作难度和 自控水平；根据催化剂的比重、粒径以及催化剂床层的膨胀率等确定反应器内污水的上升 线速，使催化剂达到所需膨胀状态。本发明中催化剂床层的膨胀率优选为10%-30%。另 夕卜，通过污水和尾气的回流，充分利用污水中溶解的臭氧和尾气中剩余的臭氧，提高了臭氧 利用率和污水处理深度。
[0037] 本发明在进行催化氧化反应时反应器的有效水力停留时间为0. 5?I. 0小时。
[0038] 为确定本发明的效果，分别设计制作了本发明所提供的膨胀床臭氧催化氧化反应 器和固定床臭氧催化氧化反应器，并进行了对比试验。两种反应器处理规模均为〇. 2m3/h， 有效水力停留时间均为〇. 5小时，均装填相同粒径为4mm左右以活性氧化铝为载体的负载 型催化剂。固定床臭氧催化氧化反应器为污水、臭氧同向流反应器，无污水、尾气回流。对 比试验结果分述如下：
[0039] 实施例1 :
[0040] 某污水回用装置反渗透浓水COD在120mg/l左右，采用此股污水作为试验用水，对 比试验结果见表1。
[0041] 表1膨胀床臭氧催化氧化反应器与固定床臭氧催化氧化反应器对比试验结果
[0042]
【权利要求】
1. 一种膨胀床臭氧催化氧化反应器，反应器内部自底部向上依次设置有臭氧分布器、 进水分布器和催化剂床层，反应器上部设有尾气管和污水出水管，其特征在于：尾气管上设 有尾气回流管，污水出水管上设有污水回流管，尾气回流管和污水回流管分别连通至水射 器的气相进口和水相进口；催化剂床层和进水分布器之间设有回流水\气分布器，水射器 出口通过管路连通至回流水\气分布器。
2. 根据权利要求1所述的膨胀床臭氧催化氧化反应器，其特征在于：反应器顶部设置 有尾气收集罩，尾气收集罩顶部连通所述尾气管，尾气管排出口与尾气回流管之间设有尾 气控制阀；污水出水管排出口与污水回流管之间设有污水控制阀，污水回流管上设有回流 水增压泵；臭氧分布器连通臭氧进气管，进水分布器连通进水管，进水管上设有进水增压 泵；催化剂床层下方依次设置有催化剂垫层和催化剂支撑格栅，催化剂支撑格栅位于回流 水\气分布器上方。
3. 根据权利要求2所述的膨胀床臭氧催化氧化反应器，其特征在于：在反应器尾气收 集罩与反应器筒体衔接部设置有一圈溢流堰，溢流堰连通所述污水出水管。
4. 根据权利要求3所述的膨胀床臭氧催化氧化反应器，其特征在于：尾气管排出口与 尾气控制阀之间连通有臭氧分解器。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的膨胀床臭氧催化氧化反应器，其特征在于：在反 应器运行过程中，催化剂床层在进水和回流污水的水力作用下呈膨胀状态，催化剂床层膨 胀率为10% -30%。
6. -种污水处理方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 待处理污水经过进水管后通过进水布水器均匀的分布在膨胀床臭氧催化氧化反应 器下部，臭氧经过臭氧进气管后通过臭氧分布器均匀的分布在反应器底部，待处理污水和 臭氧向上流经催化剂床层，在催化剂床层内发生臭氧催化氧化反应； (2) 经步骤（1)处理过的污水溢流进入出水管，污水一部分经出水管排出口排出到外 部，另一部分经过污水回流管进入水射器水相入口；步骤（1)反应过程中产生的尾气经尾 气收集罩收集后进入尾气管，尾气一部分经臭氧分解器处理后排出至反应器外部，另一部 分尾气经过尾气回流管进入水射器气相入口； (3) 回流的污水和尾气在水射器内混合形成气水混合物，并通过管路回流至回流水 \气分布器，进入反应器内再次参加催化氧化反应。
7. 根据权利要求6所述的污水处理方法，其特征在于：反应器尾气回流比为200? 400% :污水回流比为200?400%。
8. 根据权利要求6所述的污水处理方法，其特征在于：反应器中装填的催化剂为颗粒 状催化剂，粒径2?8mm〇
9. 根据权利要求6所述的污水处理方法，其特征在于：反应器有效水力停留时间为 0. 5?1. 0小时。
【文档编号】C02F1/78GK104478065SQ201410775079
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】李光辉, 王甦, 董军, 石淼, 吴建平, 杨鹏, 刘嘉昱, 范亚斌 申请人:浙江中凯瑞普环境工程股份有限公司