臭氧微气泡催化氧化装置的制作方法

本实用新型属于环保工程中的污水处理，特别是指一种臭氧微气泡催化氧化装置。

背景技术：

随着城镇化发展和工业生产的日益增长，所产生的城市污水和工业废水已成为水环境污染的重要原因。水污染对生态环境及人们的用水安全和健康造成的威胁愈加严峻。随着人与自然和谐相处的理念逐渐深入人心和新时期水污染防治政策的出台，对于污水处理技术的要求和难度也在逐渐增加。

经过常规生物处理的工业废水，仍含有一些难降解的有机物，如酚类、苯类、氰化物、农药等，使得经过生物处理后的出水COD浓度仍在80-90mg/L，达不到排放标准。因此，需要对生物处理出水进行深度处理。此外，有些城市制订了更严格的污水排放标准，比如北京市污水一级A标准为15mg/L，而一般城市污水处理厂的出水COD浓度在30-50mg/L，离达到北京市标准还有一定距离。

臭氧是一种高效且无二次污染的强氧化剂，可直接降解废水中的有机污染物，然而它对有机污染物的降解有选择性，限制了其在处理废水中的应用。催化臭氧氧化技术利用催化剂促使臭氧分解产生大量的羟基自由基(·OH)，可无选择地降解水中绝大多数有机污染物。Gracia等人指出，在有金属催化剂的条件下，臭氧氧化腐殖质会达到较高的TOC去除率。并且催化臭氧氧化技术还具有反应速度快、操作简单、运行成本较低的优点。因此，催化臭氧氧化技术在难降解废水处理和提高废水的可生化性中具有广泛的应用前景。

现有技术中在水处理行业的有机废水所使用的臭氧催化氧化过程中，只是将臭氧通入到水中，通过投加重金属诱发剂后，引起均相催化氧化反应，常常只是建造一个简单封闭水池作为反应器，有着臭氧利用率低，反应不完全，占地面积大等敝端。

臭氧微气泡催化氧化废水处理技术是基于普通的曝气盘或钛合金曝气盘基础上产生的，其目的是为微生物去除污染物提供溶解氧，提高曝气气中的氧传质效率。而微细气泡有比表面积大、停留时间长、界面ζ电位高、自身增压溶解、产生自由基、强化传质效率等优点。采用臭氧微气泡技术，有助于提高臭氧的气液传质速率和臭氧利用效率；同时微气泡在液相中具有收缩和破裂特性，可促进臭氧分解产生羟基自由基，显著提高臭氧的氧化能力。

近年来，采用臭氧微气泡催化氧化技术工艺进行工业废水深度处理的研究较为多见，无论从专利文献料还是从学术研究资料看，多是科研角度提出一种系统、方法、工艺，少有针对具体应用设备进行详细论述。另外所提出装置、方法普遍采用曝气盘方式较多，存在臭氧利用率低等缺陷。

申请人所检索的背景技术包括：

申请号为201410327169.8的专利文献中公开了一种臭氧催化氧化水处理装置，提出了一种多级臭氧催化氧化高级氧化水处理装置，装置设置固液态两种催化剂投加。由于单纯采用普通曝气盘曝气臭氧利用率低，液态催化剂需要持续供给，不可重复利用，固态催化单元也未提出投加和更换方法。

申请号为201511013150.7的专利文献中公开了一种臭氧催化氧化的方法与装置，公开了一种多段分流催化氧化的废水处理方式，缺点在于没有采取提高臭氧利用率的根本措施，催化剂更换不方便，臭氧管道多段连通会受到气压、气体入口距离差异、安装因素影响造成各段分布不均匀的隐患。

申请号为201510822328.6的专利文献中公开了一种臭氧催化装置，结构中采用了溶气罐来产生气泡，气泡直径一般较大，由于臭氧溶水率极低，尤其在受到金属离子影响时，所溶于水的臭氧会快速分解为氧气，不能有效提高臭氧利用率。装置臭氧尾气也未采取处理措施，不但污染空气而且造成了浪费。

申请号为201510984211.8的专利文献中公开了一种基于微气泡臭氧非均相催化氧化的尾水深度处理系统，系统包括臭氧发生器、反应柱和臭氧破坏器等组成。所采用曝气方式仍然采用曝气盘方式，臭氧气泡难以达到微气泡程度，臭氧利用率也难以保证；催化剂单元采用单一的活性炭对于复杂水质或波动水质适应性不强。

综上所述，现阶段关于微气泡臭氧催化氧化的论述与研究虽然较多，所提出的微孔曝气方式多以曝气盘、曝气头为多，臭氧利用率低，氧化能力弱。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种臭氧微气泡催化氧化装置，针对现有技术存在的技术缺陷，采用本实用新型的装置能够有效提高臭氧利用率，并可根据需要方便实现催化单元的更换及布置。

本实用新型的整体技术构思是：

臭氧微气泡催化氧化装置，包括塔体，给塔体提供臭氧的臭氧发生器，给塔体提供催化剂的催化单元，塔体上设有进水口、出水口，所述的进水口包括开设于塔体侧壁上方及下方的上进水口、下进水口，出水口包括侧壁上方及下方的上出水口、下出水口；臭氧发生器通过气液混合泵将混合后的气液混合物输送至微气泡发生器，微气泡发生器的输出端接塔体下方的微气泡发生器循环管路入口，催化单元采用纵向间隔且水平设置的至少两层催化剂箱，催化剂箱通过支架架设于塔体内，位于催化单元上方塔体侧壁开设的微气泡发生器循环管路出口接气液混合泵。

本实用新型的具体技术构思还有：

为提高装置中的溶氧，便于好氧微生物对装置中的污水进行处理，优选的技术实现方式是，所述的塔体内部下方设有曝气盘。

为便于装置中残余的水进行排空，优选的技术实现方式是，所述的塔体底部侧壁设有排空口。

为去除气液混合泵产生的大气泡，保留混合液中的较细的气泡；使经过微气泡发生器处理产生的气泡进一步细化及均匀化，优选的技术实现方式是，所述的气液混合泵的输出经气液分离器接微气泡发生器的输入端，气液分离器将分离的气液混合物逸出的大气泡输出至气液混合泵。

为便于的塔体内的反应进行观察，同时便于排放塔体内多余的气体，优选的技术方案是，所述的塔体顶部及侧壁设有透明窗、观察窗及排气阀。

为便于取样检测，优选的技术实现方式是，塔体侧壁上设置有取样器。

为便于对塔体底部的曝气盘等设备进行检修及更换，优选的技术实现方式是，塔体侧壁上开设有安装法兰口。为便于塔体顶部盖板的打开和关闭，塔体顶板与塔体通过快装螺栓装配固定。该快装结构同样可用于安装法兰口与塔体的结构装配。

更为优选的技术方案是，为进一步提高臭氧的利用率，排气阀排出的气体可通过气液混合泵进一步循环利用。

为避免塔体内尾气随出水排出，优选的技术方案是，所述的上出水口呈倒置的U形。

催化剂箱的设计原则是便于催化剂的释放，同时满足其与反应物的充分接触，并利于实现催化剂更换。优选的技术实现方式是，所述的催化剂箱包括由表面开设有微孔的筛板组成的中空腔体，开设于筛板表面的封盖。

为便于催化剂箱的取放，优选的技术实现方式是，所述的位于两侧或上表面的筛板上固定有提手。

为便于提高催化剂箱的结构强度，优选的技术实现方式是，所述的中空腔体的边角处设有加强筋。

微气泡发生器的主要作用是为了提高臭氧的利用率，微气泡发生器包括两端开设有入口及出口的主管，主管的入口接气液混合泵输出端，主管的入口通过第一文氏管接气液混合泵输出端，主管的出口通过第二文氏管输出，第一文氏管及第二文氏管自外向内包括依次连接的入口段、收缩段、喉道及扩散段，主管内固定有与物料行进方向同向的螺旋叶片，螺旋叶片上设有开孔，开孔孔径沿径向自内向外依次减小，孔径为0.5mm-2.5mm，同一径向上相邻的开孔间距为0.8mm-5mm，环向上相邻的开孔间距为0.8mm-5mm，位于同一圆周上的开孔等角度间隔分布。因上述微气泡发生器采用文丘里原理设计，因此可称为文丘里微气泡发生器。

螺旋叶片上开孔分布的主要机理是：在水力旋流作用下，气液混合液中气泡直径在离心力作用下沿径向接近内壁方向由小到大分布，同时螺旋叶片开孔大小分布与气泡分布相反呈由大至小分布，小直径的微气泡在经过大孔其直径得以保持，大气泡直径的微气泡经过开孔时经历渐缩渐扩的变化，得以进一步破碎细化。

为便于螺旋叶片与主管实现快速固定装配，优选的技术方案是，主管内壁与螺旋叶片外侧之间的间距不大于0.3mm。间隙配合的主要目的是装配时在螺旋叶片安装到位后，方便地通过点焊或焊接的方式将外侧的螺旋叶片与主管内侧固定，进而实现螺旋叶片在主管内的定位。

螺旋叶片的主要作用是在水流压力和其导流作用下，气液混合液产生离心力，微气泡在离心力作用下其直径沿径向自内向外呈由小至大分布。小直径微气泡经螺旋叶片上的开孔直接流出，大直径微气泡经螺旋叶片的开孔进一步破碎，使大直径的微气泡得以破碎细化。优选的技术方案是，所述的相邻螺旋叶片的间距自主管入口至出口依次减小，相邻螺旋叶片的间距为200mm-50mm。随着气液混合物的流动，螺旋叶片间距逐渐减小，离心力增大，对于微气泡的细化破碎效果进一步增强。这样在总流量不变条件下，由于旋流截面面积减小，气液混合液流速及压力逐渐增大，气液混合液中直径较大的微气泡在离心力作用下也沿径向接近主管内壁方向分布。根据水力旋流特征流体压力沿径向接近壁面方向压力逐渐增大，气泡在流速增大与压力增大作用下被破碎细化。另外，气液混合液经过螺旋叶片开孔时经过渐缩渐扩的变化，直径较大的微气泡得以细化。

为使气液混合液导流至螺旋叶片，提高气液混合液在圆周方向的均布效果，优选的技术方案是，所述的主管内沿轴线设置有分水轴，分水轴与主管内壁之间固定有螺旋叶片，螺旋叶片内侧与分水轴之间的间距不大于0.3mm，间隙配合的主要目的是便于装配时螺旋叶片内侧与分水轴的焊接定位。

更为优选的技术方案是，主管入口相邻的分水轴端部呈锥度角为β的圆锥形，10°≤β≤20°。

为便于微气泡发生器与气液混合泵及其他设备的连接，优选的技术方案是，所述的第一文氏管及第二文氏管的入口段外侧设有连接卡箍。可以显而易见的是，连接卡箍可以采用其它形式的连接接口及固定构件，并不脱离本实用新型的技术实质。

为便于获得较好的微气泡产生效果，优选的技术实现方式是，气液混合泵17输出的气液混合液的流速为1m/s-10m/s，压力为0.1MPa-0.5MPa。

第一文氏管及第二文氏管的主要作用是使气液混合液经第一文氏管的扩散段时截面直径变大，流速变小，压力减小，微气泡变大；经第二文氏管的扩散段时截面直径变小，流速增大，压力增大，微气泡变小；为获得较为理想的微气泡直径，优选的技术方案是，第一文氏管及第二文氏管的扩散段的锥度角为α，10°≤α≤20°。

开孔的结构设计主要是为了进一步提高微气泡的破碎效果，使其进一步细化，优选的技术方案是，开孔的外侧及内侧为锥孔，所对应的锥度角分别为γ1、γ2，100°≤γ1≤160°，100°≤γ2≤160°；开孔13G的中部为圆形通孔，孔径为φ，0.5mm≤φ≤2.5mm；螺旋叶片的厚度为δ，1mm≤δ≤5mm。开孔设计主要采用文丘里的设计原理，开孔的大小是影响孔内和孔外压差的直接因素，孔径越小压差越大，孔径越大压差越小。小孔径开孔对于气液混合体中气体细化程度大，大孔径对于气液混合液中气体细化程度低。

为便于催化剂箱布置，同时便于实现支架具有较好的通配性，优选的额技术实现方式是，支架包括设于塔体底部的第一支架，以及纵向叠置架设于第一支架上方的第二支架；第一支架以及第二支架由纵向支撑杆及横向支撑杆固定装配组成，第一支架顶部水平设有上锥台，第一支架底部设有底脚；第二支架顶部及底部水平设有形状适配的上锥台及下锥台。

为便于实现支架的取放，优选的技术实现方式是，所述的支架上设有吊耳。

本实用新型的工作原理是：

使用时可根据水质和工艺情况，选用单层或多层，单种或多种催化剂，采用普通曝气盘或微气泡混合液循环回路曝气，选用上进水下出水或下进水上出水方式，根据出水水质变化情况调节臭氧发生器出气量。

申请人需要说明的是：

在本实用新型的描述中，术语“下方”、“上方”、“底部”、“顶部”、“侧壁”、“纵向”、“水平”、“上表面”、“两侧”、“径向”、“环向”、“内壁”、“内侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型所取得的技术进步在于：

1、本实用新型整体结构紧凑，维修拆解方便，便于运输和安置。可作为催化氧化处理工艺单独处理工业废水，也可与其他工艺串联结合进行联合处理。既可作为中型试验设备进行污水处理技术研究，也可作为点式污水源的应急水处理设备。

2、塔体内采用组合式的催化剂箱及支架，支架上部和底部设有锥台型连接嵌套台，便于支架准确稳定置于塔体内。一是便于催化剂支架从顶部提升的同时，可单层使用也可多层组合，可单层取出也可多层叠加取出；二是催化剂箱内可根据不同工艺设置不同的催化剂，针对不同水质、不同污染物分别催化，优于单组份催化剂；三是催化剂层多层设置可促进水力扰动，便于气液混合和传动。

3、采用微气泡发生器、循环回路可进一步提高臭氧利用率，同时采用曝气盘进行直接曝气。可以根据水质情况进行灵活选择，选用微气泡曝气方式可提高臭氧利用率，应对SS较高的水质，选用传统曝气盘曝气可适较复杂水质。

4、气液分离器的结构设计，可有效去除气液混合泵产生的大气泡，保留混合液中的较细的气泡；使经过微气泡发生器处理产生的气泡进一步细化及均匀化。

5、塔体进出水口采用上进下出即下向流和下进上出即上向流两种方式，其中上出水口采用倒U形出水管，可避免塔内气体随水流流出。从工艺角度看，采用下向流利于气液充分接触，采用上向流利于水和催化剂的接触。可根据水质情况选择合理的流向(例如，对于易于催化的，催化性能好的水质选择上向流；对于水质较差，难于氧化降解的水质选择下向流)。

6、塔体顶部和侧壁设有透明窗及观察窗，用以采光和观察塔内状态，尤其利于满足微气泡调整需求。

7、利用文丘里设计原理对微气泡发生器的管路及开孔进行设计，有效实现了微气泡的破碎机细化。经对比试验证实，采用本实用新型的装置催化氧化废水处理技术效果明显优于现有曝气设备。

8、螺旋叶片采用间距逐渐缩小的结构设计，使微气泡的细化破碎效果进一步增强。

9、根据利用水力旋流的特点，进行开孔在螺旋叶片上的布局以及采用文丘里原理设计的开孔结构，进一步提高了微气泡破碎细化程度，并提高了微气泡的均匀度。

10、分水轴的结构设计，使螺旋叶片的定位装配更加便利，分水轴端部采用锥形结构设计，使气液混合液导流至螺旋叶片，提高气液混合液在圆周方向的均布效果。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是图1中的Ⅰ部局部放大图。

图3是图1的A-A向视图。

图4是本实用新型的立体图。

图5是本实用新型中催化剂箱的结构示意图。

图6是图5仰视图。

图7是催化剂箱的立体图。

图8是本实用新型中的底部支架的结构示意图。

图9是图8的俯视图。

图10是底部支架的立体图。

图11是本实用新型的中部支架的结构示意图。

图12是图11的俯视图。

图13是中部支架的立体图。

图14是本实用新型中的支架与催化剂箱的配合示意图。

图15是本实用新型中的微气泡发生器的结构示意图。

图16是图15的B-B向放大视图。

图17是微气泡发生器的开孔结构示意图。

附图中的附图标记如下：

1、透明窗；2、快装螺栓；3、塔体；4、上出水口；5、观察窗；6、催化剂箱；6A、筛板；6B、封盖；6C、微孔；6D、提手；6E、加强筋；7、支架；7A、上锥台；7B、吊耳；7C、纵向支撑杆；7D、横向支撑杆；7E、底脚；7F、下锥台；8、曝气盘；9、下出水口；10、进水管；11、排空口；12、下进水口；13、微气泡发生器；13A、连接卡箍；13B、第一文氏管；13C、螺旋叶片；13D、分水轴；13E、主管；13F、第二文氏管；13G、开孔；14、微气泡发生器循环管路入口；15、安装法兰口；16、微气泡发生器循环管路出口；17、气液混合泵；18、气液分离器；19、臭氧发生器；20、上进水口；21、塔体顶板；22、排气阀；23、取样器。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型做进一步描述，但不应理解为对本实用新型的限定，本实用新型的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本实用新型的保护范围。

本实施例的整体结构如图示，包括塔体3，给塔体3提供臭氧的臭氧发生器19，给塔体3提供催化剂的催化单元，塔体3上设有进水口、出水口，所述的进水口包括开设于塔体3侧壁上方及下方的上进水口20、下进水口12，出水口包括侧壁上方及下方的上出水口4、下出水口9；臭氧发生器19通过气液混合泵17将混合后的气液混合物输送至微气泡发生器13，微气泡发生器13的输出端接塔体3下方的微气泡发生器循环管路入口14，催化单元采用纵向间隔且水平设置的三层催化剂箱6，催化剂箱6通过支架7架设于塔体3内，位于催化单元上方塔体3侧壁开设的微气泡发生器循环管路出口16接气液混合泵17。

所述的塔体3内部下方设有曝气盘8。

所述的塔体3底部侧壁设有排空口11。

所述的气液混合泵17的输出经气液分离器18接微气泡发生器13的输入端，气液分离器18将分离的气液混合物逸出的大气泡输出至气液混合泵17。

所述的塔体3顶部及侧壁设有透明窗1、观察窗5及排气阀22。

塔体3侧壁上设置有取样器23。

塔体3侧壁上开设有安装法兰口15。

塔体顶板21与塔体3通过快装螺栓2装配固定。该快装结构同样用于安装法兰口15与塔体3的结构装配。

排气阀22排出的气体通过气液混合泵17进一步循环利用。

所述的上出水口4呈倒置的U形。

所述的催化剂箱6包括由表面开设有微孔6C的筛板6A组成的中空腔体，开设于筛板6A表面的封盖6B。

所述的位于两侧或上表面的筛板6A上固定有提手6D。

所述的中空腔体的边角处设有加强筋6E。

微气泡发生器13包括两端开设有入口及出口的主管13E，主管13E的入口接气液混合泵输出端，主管13E的入口通过第一文氏管13B接气液混合泵输出端，主管13E的出口通过第二文氏管13F输出，第一文氏管13B及第二文氏管13F自外向内包括依次连接的入口段、收缩段、喉道及扩散段，主管13E内固定有与物料行进方向同向的螺旋叶片13C，螺旋叶片13C上设有开孔13G，开孔13G孔径沿径向自内向外依次减小，孔径为0.5mm-2.5mm，同一径向上相邻的开孔13G间距为0.8mm-5mm，环向上相邻的开孔13G间距为0.8mm-5mm，位于同一圆周上的开孔13G等角度间隔分布。因上述微气泡发生器采用文丘里原理设计，因此可称为文丘里微气泡发生器。

主管13E内壁与螺旋叶片13C外侧之间的间距不大于0.3mm。

所述的相邻螺旋叶片13C的间距自主管13E入口至出口依次减小，相邻螺旋叶片13C的间距为200mm-50mm。

所述的主管13E内沿轴线设置有分水轴13D，分水轴13D与主管13E内壁之间固定有螺旋叶片13C，螺旋叶片13C内侧与分水轴13D之间的间距不大于0.3mm。

主管13E入口相邻的分水轴13D端部呈锥度角为β的圆锥形，10°≤β≤20°。

所述的第一文氏管13B及第二文氏管13F的入口段外侧设有连接卡箍13A。

气液混合泵17输出的气液混合液的流速为1m/s-10m/s，压力为0.1MPa-0.5MPa。

第一文氏管13B及第二文氏管13F的扩散段的锥度角为α，10°≤α≤20°。

开孔13G的外侧及内侧为锥孔，所对应的锥度角分别为γ1、γ2，100°≤γ1≤160°，100°≤γ2≤160°；开孔13G的中部为圆形通孔，孔径为φ，0.5mm≤φ≤2.5mm；螺旋叶片13C的厚度为δ，1mm≤δ≤5mm。

支架7包括设于塔体3底部的第一支架，以及纵向叠置架设于第一支架上方的第二支架；第一支架以及第二支架由纵向支撑杆7C及横向支撑杆7D固定装配组成，第一支架顶部水平设有上锥台7A，第一支架底部设有底脚7E；第二支架顶部及底部水平设有形状适配的上锥台7A及下锥台7F。

所述的支架7上设有吊耳7B。

为验证本实施例的技术效果，申请人进行了如下试验：

申请人通过将本实施例中的装置应用于臭氧催化氧化废水处理，并与普通曝气设备进行对比以验证微气泡产生效果，具体试验过程如下：

1、时间：2016年10月-12月；

2、试验内容：臭氧微气泡催化氧化装置在工业废水应用处理试验；

3、试验设备：微气泡臭氧催化氧化一体式试验设备；

4、试验水源：晋州化工园区废水；

5、试验工艺

(1)臭氧催化氧化；

(2)催化剂：原始AC，投加量为反应器有效体积的1/3；

(3)水力停留时间0.5h；

(4)曝气方式：曝气盘曝气及微气泡曝气。

6、试验结果

(1)采用曝气盘臭氧曝气试验出水COD120mg/L左右，臭氧利用率50％-60％；采用本实施例中的设备出水COD30mg/L以下，臭氧平均利用率90.8％以上，出水pH较稳定。

(2)采用本实施例中的设备处理废水效果优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A排放标准。