用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，所述装置主要由1个中心接触塔、1~4个催化氧化塔和1~4根辐流式连接管组成。待处理水由中心接触塔顶部进水总管流入，与底部曝气头通入的臭氧气流逆向接触，再经导流斜面、连接管送至催化氧化塔。臭氧气流经曝气盘进入催化氧化塔内，与水流同向流动，使固体催化剂呈完全流化状态。催化氧化塔中部设有膜分离组件和出水管，用于实现出水分离，底部装有收集斗和放空口。在线监测溶解臭氧浓度，以控制臭氧投加量。利用通气压力实现各塔的加压操作，尾气由集气罩上的排放管排出。与现有技术相比，本实用新型可将微米级固体催化剂用于连续处理，具有净化效率高、适用范围广、运行稳定、操作灵活等优点。
【专利说明】用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种水处理装置，具体涉及一种用于非均相催化臭氧氧化处理水 的装置，属于环保【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在原水净化和废水处理领域中，臭氧（03)因具有强氧化性（E°=2. 07V)，常被用于 实现杀菌消毒、脱色除臭、去除难降解污染物和改善原水可生化性等目的。依据直接氧化 原理，水中的〇 3能优先破坏有机物中的不饱和、芳香类结构，将大分子物质转化为小分子产 物，但随着反应的进行，体系对总有机碳（T0C)的去除速率将显著降低。此时，若持续投加 臭氧，不仅会使处理成本大幅上升，限制其实用价值，甚至可能造成潜在致癌产物(如醛类 和溴酸盐）的积累，导致二次污染。
[0003] 当反应体系中存在0H'紫外光、过氧化氢、活性炭、过渡金属及其氧化物时，溶解 臭氧能分解生成羟自由基（·〇Η)，后者对有机污染物具有极强的矿化能力。其中，以固体催 化剂为核心的非均相催化臭氧氧化法，因具有除污能力强、臭氧利用率高、无需投加化学药 剂和处理能耗低等优点，而成为国内外水处理领域的研究和应用热点。
[0004] 非均相催化臭氧氧化水处理装置是进行水处理的场所，其是水处理效果、效率的 关键因素。现有的非均相催化臭氧氧化水处理装置无法充分发挥非均相催化臭氧氧化水处 理的优势，原因包括（1)现有装置都采用常压操作，臭氧分子在水中较低的溶解度极大地限 制了 ·〇Η的生成量；（2)现有装置中，固体催化剂与水中芳香类、疏水性有机物直接接触，会 因强烈的吸附作用而导致催化点位的减少，削弱其反应活性；（3)现有装置中，固体催化剂 一般以固定床形式存在，如此设计固体催化剂与水接触面积小，导致催化效果无法充分体 现，也会导致处理不均匀，还增加了处理时间。一般认为，当固体催化剂粒径小于500 μ m 时，且处于完全流化状态时，臭氧在其内、外表面的传质阻力将被有效消除，反应装置处理 效能显著提升，水力停留时间可大幅降低；但小尺寸固体催化剂极易随出水流失，这使得配 置传统出水堰(管）的气、液两相反应器，如折流板接触池、喷淋塔、填料塔和筛板塔等，均无 法保障系统获得良好的操作稳定性，这也是目前分散式固体催化剂无法实际应用的最主要 原因。
[0005] 因此，如何创新反应装置构型设计，最大程度地优化气、液、固三相传质反应过程， 强化系统处理效能是推动非均相催化臭氧氧化法实用化进程的关键。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其充分发 挥非均相催化臭氧氧化法的优越性，水处理效率高、出水水质稳定、操作方式灵活、适用范 围较广。
[0007] 为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
[0008] 包括1个中心接触塔、1?4个催化氧化塔、辐流式连接管以及固体催化剂、进水总 管；所述中心接触塔与催化氧化塔通过辐流式连接管连接；
[0009] 所述中心接触塔塔体为圆柱形结构，高径比为6?8 : 1 ;
[0010] 所述中心接触塔顶部设有集气罩；该集气罩上设有尾气排放管；所述尾气排放管 上设有压力表与电磁节流阀；
[0011] 所述进水总管穿过集气罩伸入中心接触塔内；所述进水总管位于中心接触塔塔内 部分的长度为中心接触塔塔体高度的20?25% ;
[0012] 所述中心接触塔底部设有钛制曝气头；所述钛制曝气头的孔径为2?5μπι ;所述 钛制曝气头周边设有导流斜面；所述斜面的上端与钛制曝气头的底面接触，下端与辐流式 连接管接触；
[0013] 所述催化氧化塔塔体为圆柱形结构，其有效高度与中心接触塔的有效高度一致， 高径比为4?6:1;
[0014] 所述催化氧化塔顶部设有集气罩；该集气罩上设有尾气排放管；所述尾气排放 管上设有压力表与电磁节流阀；
[0015] 所述催化氧化塔中部设有圆柱形膜分离组件；所述膜分离组件的长度为催化氧化 塔塔体高度的30?60% ;所述膜分离组件的直径为催化氧化塔塔体直径的30?50% ;所述 膜分离组件的过滤精度为〇. 1?1. 〇 μ m ;
[0016] 所述膜分离组件顶端设有出水管；所述出水管穿出催化氧化塔，并且穿出部分设 有真空表；
[0017] 所述催化氧化塔中下部设有圆柱形固体催化剂加料管；所述固体催化剂加料管上 设有截止阀；
[0018] 所述催化氧化塔底部设有钛制曝气盘；所述钛制曝气盘的孔径为2?5 μ m ;所述 钛制曝气盘直径为膜分离组件直径的1. 0?1. 5倍；所述钛制曝气盘的顶端低于辐流式连 接管的底端；
[0019] 所述催化氧化塔底端设有收集斗；所述收集斗底部设有放空口和截止阀；
[0020] 所述固体催化剂位于催化氧化塔内；
[0021] 所述中心接触塔、催化氧化塔中部均设有封闭的溶解臭氧计量槽。
[0022] 上述技术方案中，溶解臭氧计量槽位于塔外侧，与塔连通；溶解臭氧计量槽内设在 线监测仪。
[0023] 上述技术方案中，中心接触塔、催化氧化塔都为圆柱形结构，有效高度一致，高径 比设置合理，由此，装置可以获得高的气、液传质效率。
[0024] 上述技术方案中，所述集气罩通过法兰与塔体连接；所述收集斗通过法兰与塔体 连接。
[0025] 上述技术方案中，所述中心接触塔顶部的集气罩为平顶锥形；所述催化氧化塔顶 部的集气罩为圆锥形；所述催化氧化塔底端的收集斗为倒圆锥形。
[0026] 上述技术方案中，所述膜分离组件固定于支架上；所述支架固定于催化氧化塔内 壁上。
[0027] 上述技术方案中，所述辐流式连接管上设有电磁节流阀，用于调节水力停留时间 和控制催化氧化塔的工作数量；所述辐流式连接管上还设有取样口，用于收集中心接触塔 出水水样，或作为放空管。
[0028] 优选的技术方案中，所述固体催化剂的堆积密度为450?900 kg/m3,其可以为粒 径为0· 05?0· 30 mm的颗粒、长边为1?20 mm的片状材料或长为1?20 mm的线状材料。 其投入浓度根据处理水质选择。可选用商业成品臭氧催化剂。催化氧化塔中下部外侧的加 料管，用于补充新的催化剂；底部的收集斗和放空口，用于收集和排出旧的催化剂。
[0029] 上述技术方案中，所述中心接触塔内，钛制曝气头的的服务面积为塔体截面积的 1. 5倍，导流斜面的倾角为45度，进水总管位于集气罩中轴线位置。导流面的设置可使水流 以较大流速进入连接管，并避免水回流。
[0030] 本实用新型中，所述膜分离组件由多个管式膜单元并联，膜单元个数根据实际产 水量确定；所述膜分离组件中，膜单元为管式氧化铝制陶瓷膜、管式氧化锆制陶瓷膜、管式 二氧化钛制陶瓷膜或者管式钛金属膜。
[0031] 利用上述装置可以进行臭氧氧化处理水，包括以下步骤：
[0032] (1)将待处理水加压后由进水总管送入中心接触塔内；同时臭氧由中心接触塔底 部的钛制曝气头通入中心接触塔内；水与臭氧逆向接触、混合；
[0033] 所述中心接触塔内，操作压力0. 15?0. 2 MPa，溶解臭氧浓度1. (Γ3. 0 mg/L ;
[0034] (2)溶解有臭氧的水由辐流式连接管进入催化氧化塔内，同时催化氧化塔底部的 钛制曝气盘通入臭氧，气流与水流均由下向上运动；臭氧、水、固体催化剂混合、反应后，处 理水经膜分离组件由出水管排出，即完成水处理过程；
[0035] 所述催化氧化塔内，操作压力0. 15?0. 2 MPa，溶解臭氧浓度0. 2~0. 5 mg/L ;所述 膜分离组件内，跨膜操作压力为〇· 15?0· 3 MPa。
[0036] 上述技术方案中，所述中心接触塔内水力停留时间为0. 5~3 min ;所述催化氧化塔 内水力停留时间为2~20 min。中心接触塔和催化氧化塔的操作压力通过调节臭氧进气量和 尾气排放管上的节流阀来控制。当操作压力持续增大时，应适当调低臭氧进气量，调高排气 量，反之，调高臭氧进气量，调低排气量。水处理后，剩余臭氧由顶部集气罩收集后排出，固 体催化剂滞留在塔内。
[0037] 上述技术方案中，中心接触塔和催化氧化塔中的溶解臭氧浓度通过溶解臭氧计量 槽内设在线监测仪测定；通过调节水力停留时间和进气臭氧浓度来控制。当溶解臭氧浓度 持续增大时，应适当调低进气臭氧浓度，调高水力停留时间，反之，调高进气臭氧浓度，调低 水力停留时间。
[0038] 本实用新型中，钛制曝气头连接以空气或氧气为气源的臭氧发生器，通过调节机 器功率和气源气量可以控制臭氧投加量。所述中心接触塔、催化氧化塔和辐流式连接管均 优选为AISL-316L不锈钢或其他耐压、耐臭氧腐蚀材质。
[0039] 本实用新型中，固体催化剂在气流、水流的共同作用下呈完全流化状态；膜分离组 件采用外压方式运行，利用塔内加压与出水管抽真空的联合作用，提供跨膜操作压力，这使 得微米级固体催化剂也能被用于连续的水处理过程，有利于显著提升反应器的除污效能和 操作稳定性；另外，借助于膜表面气、液相的剪切力和臭氧的强氧化性，膜孔堵塞和产生凝 胶层等问题将得到有效抑制，膜组件透水性能良好，使用寿命更长。
[0040] 本实用新型可以以多塔组合的方式运行，即1个中心接触塔连接1?4个催化氧 化塔，催化氧化塔之间为并联方式，位于中心接触塔四周，使中心接触塔位于反应装置中心 位置；水流经过中心接触塔后，由导流斜面进入辐流式连接管，再分流入各个催化氧化塔 内；极大地拓展了本实用新型的适用范围，提升了其操作灵活性和处理经济性；而且根据 处理量，可以选择联用塔的数量，明显区别于有效体积固定的传统反应器。
[0041] 由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
[0042] (1)本实用新型公开的用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置中，中心接触塔一 方面可提高臭氧分子在水中的溶解度，有利于提高后续非均相催化反应的处理效能；另一 方面可利用高浓度臭氧有选择性地去除水中部分的不饱和、大分子有机物，防止其吸附于 固体催化剂表面，导致催化剂的活性降低。
[0043] (2)本实用新型利用的膜分离组件能耐受臭氧腐蚀，可以有效地截留固体催化剂； 并且塔内加压与出水管抽真空的联合作用给膜分离组件提供跨膜操作压力，进一步提高了 膜分离组件截留固体催化剂的能力，实现固体催化剂与水的高效分离。
[0044] (3)本实用新型公开的装置适用微米级固体催化剂，固体催化剂在气流、水流的共 同作用下呈完全流化状态，增加催化效果的同时，克服了现有技术中催化剂易流失的缺陷， 显著提升反应装置的水处理效能和操作稳定性；还解决了现有技术中膜孔堵塞和产生凝胶 层等问题，增加了膜分离组件的透水性能，使用寿命更长。
[0045] (4)本实用新型提供的处理方法中，首次在臭氧处理时引入压力，臭氧在水中的溶 解度高，可以有效的去除污水中的不饱和、大分子有机物，避免了现有技术中由于催化剂表 面吸附高分子而导致其催化性能下降的缺点。
[0046] (5)本实用新型提供的处理方法中，首次提出基于溶解臭氧浓度进行装置的运行 调控；与传统监测气相臭氧浓度的方法相比，本实用新型的控制手段更加灵敏、可靠，可适 用于饮用水净化和废水处理等多种情形，能在最大程度上优化装置的水力停留时间和臭氧 投加量，实现节能、降耗的目的。
[0047] (6)本实用新型可以以多塔组合的方式运行，根据待处理水水质、水量选择催化氧 化塔的数量，水处理灵活，气、液传质效率高，方法简单，易于操作，处理时间短，成本低，适 合工业化应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0048] 图1是实施例一中用于非均相催化臭氧氧化处理水装置的结构示意图；
[0049] 图2是实施例一中用于非均相催化臭氧氧化处理水装置中中心接触塔纵剖面结 构示意图；
[0050] 图3是实施例一中用于非均相催化臭氧氧化处理水装置中催化氧化塔纵剖面结 构示意图；
[0051] 图4是实施例二中用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置的俯视图。
【具体实施方式】
[0052] 下面结合附图、实施例对本实用新型作进一步描述：
[0053] 实施例中未注明具体的实验方法时，遵照国家标准方法和条件进行。
[0054] 实施例一
[0055] 将本实用新型装置用于净化中度富营养化的湖水。参见附图1-3,非均相催化臭 氧氧化处理水装置由1个中心接触塔1〇、2根辐流式连接管30和2个催化氧化塔20组成。 其中，中心接触塔10塔体高度900 mm，塔体直径120 mm ;催化氧化塔20塔体高度900 mm， 塔体直径170 mm;中心接触塔与催化氧化塔通过辐流式连接管30连接，辐流式连接管上设 有电磁节流阀31，辐流式连接管上还设有取样口 32,取样口设置截止阀33 ;中心接触塔顶 部设有集气罩11 ;集气罩通过法兰15与塔体连接；该集气罩上设有尾气排放管112 ;尾气 排放管上设有压力表113与电磁节流阀114 ;进水总管111穿过集气罩伸入中心接触塔内； 进水总管位于中心接触塔塔内部分的长度为200 mm ;中心接触塔底部设有钛制曝气头13 ; 钛制曝气头的平均孔径为5 μ m ;钛制曝气头通过进气管131连接臭氧发生器；钛制曝气头 周边设有导流斜面14 ;斜面的上端与钛制曝气头的底面接触，下端与辐流式连接管接触； 催化氧化塔顶部设有集气罩27 ;集气罩通过法兰28与塔体连接；该集气罩上设有尾气排放 管271 ;尾气排放管上设有压力表272与电磁节流阀273 ;催化氧化塔中部设有圆柱形膜分 离组件24 ;膜分离组件固定于支架243上，支架243固定于催化氧化塔内壁上；膜分离组件 长500 mm，横截面直径80 mm，选用4根7通道氧化锆陶瓷膜，单根膜单元尺寸为Φ30Χ450 mm，每根膜单元间距20 mm;过滤精度0.2 μπι;膜分离组件顶端设有出水管241;出水管穿 出催化氧化塔，并且穿出部分设有真空表242 ;催化氧化塔中下部设有圆柱形固体催化剂 加料管26 ;固体催化剂加料管上设有截止阀261 ;催化氧化塔底部设有钛制曝气盘21 ;钛 制曝气盘直径80 mm，平均孔径5 μπι;钛制曝气盘的顶端低于辐流式连接管的底端；钛制 曝气头通过进气管211连接臭氧发生器；催化氧化塔底端设有收集斗22 ;收集斗底部设有 放空口 221和截止阀222 ;固体催化剂23位于催化氧化塔内；中心接触塔中部均设有封闭 的溶解臭氧计量槽12,溶解臭氧计量槽内设在线监测仪121 ;催化氧化塔中部设有封闭的 溶解臭氧计量槽25,溶解臭氧计量槽内设在线监测仪251。
[0056] 实际处理步骤为：
[0057] (1)原水经混凝预处理后以10 L/min流量由进水总管流入中心接触塔，并与底部 钛制曝气头通入的臭氧气流逆向接触，塔内水力停留时间为1. 0 min，操作压力0. 15 MPa ; 根据顶部尾气排放管的压力表读数，调节排气节流阀和臭氧进气量，以实现压力控制。钛制 曝气头平均孔径5 μπι，进气管连接一台CF-G-2-lOg型臭氧发生器(青岛国林实业股份有 限公司），后者以空气为气源。中心接触塔的进气臭氧浓度20 g/Nm3,气流流量0.4 Nm3/h， 控制水中溶解臭氧浓度为2. 1 ± 0. 5 mg/L，尾气经集气罩送至尾气破坏装置；
[0058] (2)水流经导流面均匀分配至2根连接管内，再从催化氧化塔底部进入，单塔水力 停留时间为4.0 min，操作压力0.15 MPa;根据顶部尾气排放管的压力表读数，调节排气节 流阀和臭氧进气量，以实现压力控制。由塔内压力与出水管抽真空的压力联合作用控制膜 分离组件跨膜操作压力0. 2~0. 25 MPa。钛制曝气盘直径80 mm，平均孔径5 μ m，进气管连 接至一台CF-G-2-20g型臭氧发生器，后者以空气为气源。单个催化氧化塔的进气臭氧浓度 10 g/Nm3,气流流量0. 75 Nm3/h，控制水中溶解臭氧浓度为0. 2 ± 0. 1 mg/L，尾气经集气罩 送至尾气破坏装置。固体催化剂采用正方形改性活性炭纤维(上海活性炭制品有限公司）， 边长3 mm，堆积密度500 kg/m3,单位塔容积的投加量为200 g/m3,其在气流、水流作用下呈 完全流化状态。处理水通过膜分离组件，进入出水管排出，即完成水处理过程。
[0059] 使用本实用新型连续处理中度富营养化的湖水6 h，结果如表1所示。
[0060] 表1本实施例的装置对天然湖水的处理效果
[0061]
【权利要求】
1. 一种用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：包括1个中心接触塔、 1?4个催化氧化塔、辐流式连接管以及固体催化剂、进水总管；所述中心接触塔与催化氧 化塔通过辐流式连接管连接； 所述中心接触塔塔体为圆柱形结构，高径比为6?8 : 1; 所述中心接触塔顶部设有集气罩；该集气罩上设有尾气排放管；所述尾气排放管上设 有压力表与电磁节流阀； 所述进水总管穿过集气罩伸入中心接触塔内；所述进水总管位于中心接触塔塔内部分 的长度为中心接触塔塔体高度的20?25% ; 所述中心接触塔底部设有钛制曝气头；所述钛制曝气头的孔径为2?5 μ m ;所述钛制 曝气头周边设有导流斜面；所述斜面的上端与钛制曝气头的底面接触，下端与辐流式连接 管接触； 所述催化氧化塔塔体为圆柱形结构，其有效高度与中心接触塔的有效高度一致，高径 比为4?6 : 1 ; 所述催化氧化塔顶部设有集气罩；该集气罩上设有尾气排放管；所述尾气排放管上 设有压力表与电磁节流阀； 所述催化氧化塔中部设有圆柱形膜分离组件；所述膜分离组件的长度为催化氧化塔塔 体高度的30?60% ;所述膜分离组件的直径为催化氧化塔塔体直径的30?50% ;所述膜分 离组件的过滤精度为0. 1?1. 0 μ m ; 所述膜分离组件顶端设有出水管；所述出水管穿出催化氧化塔，并且穿出部分设有真 空表； 所述催化氧化塔中下部设有圆柱形固体催化剂加料管；所述固体催化剂加料管上设有 截止阀； 所述催化氧化塔底部设有钛制曝气盘；所述钛制曝气盘的孔径为2?5 μ m ;所述钛制 曝气盘直径为膜分离组件直径的1. 0?1. 5倍；所述钛制曝气盘的顶端低于辐流式连接管 的底端； 所述催化氧化塔底端设有收集斗；所述收集斗底部设有放空口和截止阀； 所述固体催化剂位于催化氧化塔内； 所述中心接触塔、催化氧化塔中部均设有封闭的溶解臭氧计量槽。
2. 根据权利要求1所述用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：所述集 气罩通过法兰与塔体连接；所述收集斗通过法兰与塔体连接。
3. 根据权利要求1所述用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：所述中 心接触塔顶部的集气罩为平顶锥形；所述催化氧化塔顶部的集气罩为圆锥形；所述催化氧 化塔底端的收集斗为倒圆锥形。
4. 根据权利要求1所述用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：所述膜 分离组件固定于支架上；所述支架固定于催化氧化塔内壁上。
5. 根据权利要求1所述用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：所述辐 流式连接管上设有电磁节流阀和取样口。
6. 根据权利要求1所述用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：所述固 体催化剂的堆积密度为450?900 kg/m3 ;所述固体催化剂为粒径为0. 05?0. 30 mm的颗 粒、长边为1?20 mm的片状材料或长为1?20 mm的线状材料。
7. 根据权利要求1所述用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：所述中 心接触塔内，钛制曝气头的的服务面积为塔体截面积的1. 5倍，导流斜面的倾角为45度，进 水总管位于集气罩中轴线位置。
8. 根据权利要求1所述用于非均相催化臭氧氧化处理水的装置，其特征在于：所述膜 分离组件中，膜单元为管式氧化铝制陶瓷膜、管式氧化锆制陶瓷膜、管式二氧化钛制陶瓷膜 或者管式钛金属膜。
【文档编号】C02F1/78GK204058048SQ201420452864
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】钱飞跃, 陈重军, 梅娟, 王建芳, 沈耀良, 吴鹏 申请人:苏州科技学院