一种强化臭氧传质和氧化过程的水处理装置和方法与流程

本发明属于臭氧体系的化工及环境领域，具体涉及一种强化臭氧传质和氧化过程的水处理装置和方法。

背景技术：

臭氧(O3)是氧气(O2)的同素异形体，在常温常压下是一种具有特殊气味的淡蓝色气体，它于1840年在德国科学家Schonbein的硫酸电解实验中被发现并命名。臭氧具有很强的氧化性，其在水中的氧化还原电位为2.07eV，单质中仅次于氟(2.50eV)，高于氯气(1.36eV)。臭氧氧化过程有两种方式，一是臭氧直接氧化方式，另一种是臭氧在水中分解生产氧化性更强的羟基自由基(·OH)，进行间接氧化。

臭氧的氧化可导致不饱和的有机分子的破裂，故其常用于处理难降解有机废水，如焦化废水、印染废水、造纸废水、炼油废水等，使其降解为无毒的水和二氧化碳或氧化成可降解的小分子有机物。虽然臭氧氧化技术具有氧化能力强、氧化速率快、一般不产生二次污染等优势，但臭氧生产成本高(耗能约10kW/kg O3)，水中的溶解度低。

根据化工多相传质理论，要强化臭氧传质过程可通过两种方式：一是提高臭氧体积传质系数，这需要通过改进或设计新型臭氧接触设备，以达到增加气液传质面积如减小臭氧气泡尺寸，或加快气液界面更新速率即增强气液相间湍流程度等方式进行实现；另一种是提高两相间的臭氧浓度梯度。针对第一种方式，现有的臭氧接触设备，如鼓泡塔产生的气泡尺寸大且难以控制，湍动程度低，表面更新慢，故传质效率低下，实际操作只能通过增加设备体积，来达到需求，极大增加工业成本；釜式反应器内设搅拌桨，即使改善传统搅拌桨叶强度或材质，由于搅拌桨的设备或功率限制，流体单纯通过搅拌的湍动程度较低，无法实现高效的气液传质和混合。并且由于目前臭氧发生设备技术有限，针对第二种方式若通过增加气相中臭氧浓度，则成本很高、危险性大，较难实现。

此外，臭氧直接氧化方式存在选择性氧化问题，对氧化环境要求较高，故这些不足严重限制了臭氧氧化技术在工业应用中的推广。故为解决当前臭氧技术的发展瓶颈，一种基于以上两种思路强化臭氧传质效率，同时又能解决臭氧氧化问题的技术有待开发。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种强化臭氧传质和氧化过程的水处理装置和方法，解决了上述背景技术中臭氧传质和氧化过程效率低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种强化臭氧传质和氧化过程的水处理装置，包括臭氧发生器、进液储罐、反应器和废液储罐；

所述反应器包括底座、壳体、转动装置、传动装置、电机组件；所述壳体设置于底座上，壳体开设若干气液进出口；壳体内壁间隔纵向设置有若干挡板且壳体顶部设有顶盖，所述顶盖与壳体、底座包围形成一密封的中空腔体，所述顶盖的下表面等角度设有若干挡条，所述挡条由顶盖中心向四周轴向延伸；所述转动装置设置于壳体内，包括转动轴和转子，所述转动轴竖立与壳体中心且穿透顶盖，所述转子套设于转动轴的下部，所述转子外周包围设置有多孔泡沫填料，所述多孔泡沫填料的上下面分别装设压盖和固定底板，所述多孔泡沫填料上负载有臭氧氧化用催化剂；所述电机组件设置于底座上，与壳体并列，通过传动装置与转动装置连接，用于控制转动装置旋转；

所述臭氧发生器与反应器的气液进出口相连，用于向反应器提供臭氧；

所述进液储罐与反应器的气液进出口相连，用于存储待处理水体；

所述废液储罐与反应器的气液进出口相连，用于接收经反应器反应后排出的废液。

在本发明一较佳实施例中，所述多孔泡沫填料为空心圆柱体，圆柱体的空心部分为圆柱或圆台，圆柱体的外周与壳体内壁间具有一定空隙，所述挡板设置于空隙内，用于增加液体湍动系数。多孔泡沫填料可选择金属泡沫填料、金属氧化物泡沫填料及非金属泡沫填料，在具有良好机械强度的同时，具有高的孔隙率(最高可达97％)和比表面积(从100达到9000m²/m³)。利用泡沫填料的快速旋转所产生的强离心力和强剪切力有效地强化流体湍动程度，促进臭氧与待处理水体的气液相混合；并通过泡沫填料内多孔介质环境对臭氧气泡进行切割、破碎，大部分气泡的直径由1～0.1毫米(亚毫米级)到2mm，增加气液相间接触面积使其达到强化臭氧传质效率的目的促进各相混合，提高相间传质效率。

同时，多孔泡沫填料可作为催化剂载体，根据不同需求负载不同活性物质，催化剂主要包括金属氧化物(Al2O3、TiO2、MnO2等)、负载于载体上的金属或金属氧化物(Cu/TiO2、Cu/Al2O3、TiO2/Al2O3等)，增加了催化剂的接触面积和催化效率，强化臭氧分解成氧化能力更强、无选择性的羟基自由基，这不仅大大降低液相侧臭氧浓度，提高两相间的臭氧浓度梯度，强化臭氧传质效率，同时有效解决了臭氧选择性氧化的问题。因此，本发明的装置可有效的减少臭氧使用量，降低臭氧体系运行成本。

在本发明一较佳实施例中，所述传动装置包括联轴器、盖板、皮带轮和皮带；所联轴器与转动轴的上端部连接，所述盖板设置于联轴器的顶端，盖板内设有至少二皮带轮，分别与联轴器和电机组件连接，所述皮带套设于皮带轮。

在本发明一较佳实施例中，述电机组件包括电机、支架、电机轴和变频器；所述支架设置于底座上方且支撑于盖板下部，所述电机与变频器连接且通过支架固定于底座上，所述电机轴设置于电机顶部并与皮带轮连接。

在本发明一较佳实施例中，所述壳体为圆柱形，高径比为0.5-2，所述挡板数量为4～8。

在本发明一较佳实施例中，所述壳体的高径比为1，壳体上挡板数量为4。

在本发明一较佳实施例中，所述气液进出口包括进液口、出液口、进气口和出气口，所述进气口位置于壳体底部中心；所述出气口设置于顶盖，所述进液口设置于壳体的顶部、底部或周壁，所述出液口设置于壳体底部或周壁。

在本发明一较佳实施例中，所述臭氧发生器通过进气管与反应器底部的进气口连接，所述进气管上设有气体流量计。

在本发明一较佳实施例中，所述进液储罐通过进液管与反应器底部的进液口连接，所述进液管上设有水泵和液体流量计。

在本发明一较佳实施例中，所述废液储罐通过出液管与反应器周壁的出液口连接。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种强化臭氧传质和氧化过程的水处理方法，使用上述的强化臭氧传质和氧化过程的水处理装置，采用半连续操作和/或连续操作，操作时转子的转速为50-2000rpm，反应器内操作温度为0～90℃，操作压力为0.1～5MPa。

半连续操作时，液相为间歇操作，气相为连续操作；贮液量范围为反应器容积的70-90％。优选地，气体从壳体底部中心进入，从反应器的顶盖排出。

连续操作时，气液体积流量比为0.5-1，液体从顶部或从壳体底部进入，从壳体周壁流出；气体从壳体底部中心进入，从反应器的顶盖排出。

本技术方案与现有技术相比，它具有如下优点：

1.本发明相对于采用传统搅拌桨的釜式反应器，传质系数高出50％左右(最高单位液相体积功耗6000W/m³时)；本发明利用泡沫填料的旋转所产生的强离心力和强剪切力场及泡沫填料的多孔环境，把反应器内的气体切割破碎成微小的气泡，即能增加气液表面接触面积，又可强化气液流体的湍动程度，并极大提高了气液相间表面更新速率，大大降低了臭氧从气相向液相传递的阻力，从而达到强化臭氧的传质效果。

2.本发明的多孔泡沫填料可作为催化剂载体，能负载催化活性物质，改善了传统多相搅拌反应器中固体催化剂随液体共同运动而相间相对速度较小导致液固间传质效率不高的问题，促进臭氧转换成氧化能力更为优异的且无选择性的羟基自由基，该法即能有效地减少了液相侧臭氧浓度，提高相间臭氧浓度梯度，进而加快臭氧传质速率，又解决了臭氧选择性氧化的问题，强化臭氧体系氧化效果，强化多相催化反应过程，大大减少催化剂使用量及损耗。

3.相比传统臭氧接触设备，该系统装置具有臭氧传质效率高、臭氧使用量少、氧化能力强、占地面积小的优点。

附图说明

图1为反应器结构示意图。

图2为反应器侧面结构示意图。

图3为水处理装置结构示意图。

其中，其中：1-底座，2-壳体，3-泡沫填料，4-转动轴，5-挡板，6-顶盖，7-进液口，8-联轴器，9-盖板，10-皮带轮，11-皮带，12-电机轴，13-密封轴，14-出气口，15-电机，16-顶盖挡条，17-出/进液口，18-变频器，19-压盖，20-转子，21-底部进气口，22-底部进液口，23-气/液进/出口，24-固定底板，25-支架，26-臭氧发生器，27-气体流量计，28-进液储罐，29-水泵，30-液体流量计，31-废液储罐。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明的内容：

实施例1

如图3，本实施例的一种强化臭氧传质和氧化过程的水处理装置，包括臭氧发生器、进液储罐、反应器和废液储罐；

所述反应器包括底座、壳体、转动装置、传动装置、电机组件；

所述壳体设置于底座上，壳体开设若干气液进出口；壳体内壁间隔纵向设置有若干挡板且壳体顶部设有顶盖，所述顶盖与壳体、底座包围形成一密封的中空腔体，所述顶盖的下表面等角度设有若干挡条，所述挡条由顶盖中心向四周轴向延伸；所述转动装置设置于壳体内，包括转动轴和转子，所述转动轴竖立与壳体中心且穿透顶盖，所述转子套设于转动轴的下部，所述转子外周包围设置有多孔泡沫填料，所述多孔泡沫填料的上下面分别装设压盖和固定底板，所述多孔泡沫填料上负载有臭氧氧化用催化剂；所述多孔泡沫填料为空心圆柱体，圆柱体的空心部分为圆柱或圆台，圆柱体的外周与壳体内壁间具有一定空隙。

所述气液进出口包括进液口、出液口、进气口和出气口，所述进气口位置于壳体底部中心，所述出气口设置于顶盖，所述进液口设置于壳体的顶部、底部或周壁，所述出液口设置于壳体底部或周壁。

所述传动装置包括联轴器、盖板、皮带轮和皮带；所联轴器与转动轴的上端部连接，所述盖板设置于联轴器的顶端，盖板内设有至少二皮带轮，分别与联轴器和电机组件连接，所述皮带套设于皮带轮。

所述电机组件包括电机、支架、电机轴和变频器；所述支架设置于底座上方且支撑于盖板下部，所述电机与变频器连接且通过支架固定于底座上，所述电机轴设置于电机顶部并与皮带轮连接。

所述臭氧发生器与反应器的气液进出口相连，所述臭氧发生器通过进气管与反应器底部的进气口连接，所述进气管上设有气体流量计。

所述进液储罐用于存储待处理水体，通过进液管与反应器底部的进液口连接，所述进液管上设有水泵和液体流量计。

所述废液储罐与反应器的气液进出口相连，用于接收经反应器反应后排出的废液。

在本实施例中，所述壳体为圆柱形，高径比为1，所述挡板数量为4。壳体高度为100～200mm，顶盖根据壳体与多孔泡沫填料高度实现将高速甩出的液体隔离或强制液体返回填料去内。壳体高度与顶盖的搭配，结合本实施例多孔泡沫填料的形状，实现更好地捕捉臭氧气泡进入填料内缘区，并对更多气泡进行破碎，进一步强化臭氧的传质效率。

一、臭氧-水体系的体积传质系数的测定

采用实施例1的装置，以去离子水和氧气为原料，分别采用半连续操作和连续操作方式测量本发明系统装置内臭氧-水体系的体积传质系数。

半连续操作如下：

通过调节原料氧气气体流量调节阀27，使气体通过臭氧发生器生成臭氧，并通过调节臭氧发生器上电压，设置臭氧浓度为20mg/L，气量控制在1-3L/min。臭氧混合气从反应器底部气体进口21进入。量取一定量的去离子水3-5L倒入至反应釜内。之后，开启电机15，并通过变频器18调节转子20转速在100-500rpm。在旋转的转子作用下，气体会被吸入到转子内缘，之后再受离心力作用，穿过泡沫填料3，甩出转子区。多余气体从反应器顶盖气体出口14排出。气体在反应器内被切割破碎成微小的气泡，实现了臭氧传质强化。结果表明转子转速越高、反应器内处理液量越多或气量越大，反应器内臭氧的传质效率越高且液相中臭氧平衡浓度越大。操作条件最优时，臭氧的平衡浓度达到4.36mg/L，传质系数kLa达到0.0305s^-1。在气液比和臭氧浓度近似的操作条件下，体积传质系数相比与传统臭氧接触设备如鼓泡塔可高出2倍，搅拌釜式反应器高出57.2％。

连续操作如下：

气体操作方式与半连续操作时相同。去离子水通过泵29从储罐28输运到反应器内。液体从反应器底部液体进口22进入，从反应器外壳2边缘液体出口17流出。控制液量在0.5-5L/min液体最终靠重力流入到储罐31。在气液流动达到稳定后，开启电机15，并通过变频器18调节转子20转速在100-500rpm。液体受旋转的转子20及反应器外壳处挡板5及顶盖挡条16的影响，得到充分湍动，实现快速混合，气液接触表面得到快速更新，进而提高了臭氧传质效率。结果表明，随着转速增加，体积传质系数和液相中的臭氧浓度的逐渐增高，达到一定转速时不再增加。随着进气量增加，体积传质系数相对稳定，而液相中臭氧浓度随气量增加逐渐增高。随着进液量增加，体积传质系数逐渐升高，液相中臭氧浓度逐渐降低。在操作最优时，液相中臭氧浓度达到4.75mg/L，传质系数kLa达到0.0342s^-1。

实施例2

本实施例以酸性红B模拟印染废水，采用连续操作方式处理模拟废水。多孔泡沫填料采用泡沫陶瓷(Al2O3)材料，所镀催化剂为铁钴双金属氧化物。模拟废水从储罐28通过泵打入到反应器内，处理后液体进入到储罐31中。设置臭氧浓度为20mg/L，气液流量比为0.5-1。转速设置在300-500rpm。

结果表明，随着转速升高，酸性红B脱除率升高，当达到500rpm时，脱除率增加不明显。气液比越大，酸性红B脱除率越高。有镀催化剂的泡沫填料与未镀催化剂的泡沫填料相比，酸性红B脱除率可提高了10％左右。最优操作条件下，酸性红B脱除率可达到98％，臭氧利用率为96％。

实施例3

本实施例取游泳池水样存储在进液储罐28中，其中水样中尿素含量10.23mg/L，菌落总数5.4×10⁴cfu/mL，总大肠菌群230MPN/L。本实施例采用连续操作方式进行，设置臭氧浓度为10mg/L，气液流量比为0.2-0.6，转速为200-500rpm。

结果表明，随着转速和气液比增加，尿素脱除率增加，菌落总数和总大肠菌群量减小。最优操作条件下，尿素脱除率达到93％、菌落总数小于1cfu/mL、总大肠菌群量小于3MPN/L。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。