一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置的制作方法

1.本技术涉及污水处理技术领域，特别是一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置。


背景技术：

2.在水处理领域，臭氧氧化技术因氧化效率较高、经济性优良、无二次污染兼具脱色、除臭及杀菌作用等技术特点，而广泛应用于印染、焦化、制药等高毒性、难生化降解废水的预处理或深度处理。现阶段，臭氧氧化技术所面临的主要困境在于氧化效果有限、臭氧利用率低以及产生臭氧化副产物等。臭氧分子具有亲电性，容易选择性进攻不饱和有机物或还原性无机物，因而对水中cod去除效果有限。通过外加电场、光照、超声场或投加催化剂降低活化能，可使臭氧分解为活性自由基，从而提高有机物去除率。此外，臭氧浓度及溶解度低、反应器传质效果差造成臭氧利用率普遍较低(＜40％)，大部分臭氧分子以尾气形式排放或分解。当前，行业主要通过优化气液接触方式(如逆流接触式、膜接触式、射流混合式等)、优化反应器构件、采用臭氧微气泡、尾气回收利用等方式提升臭氧利用效率。另外，臭氧氧化过程中容易产生溴酸盐、醛类等潜在致癌物质，存在生态和健康风险。目前，主要通过降低体系ph值或后端活性炭吸附等方式来控制这些氧化副产物形成。
3.臭氧反应器普遍面临臭氧投加量大且利用率低、催化剂占据大量空间、尾气需要额外处理以及出水携带高溶氧影响后端生化处理等问题。专利号 cn101497014b公开了一种光催化结合臭氧氧化的流化床反应器及水处理方法，通过切换两套反应装置并利用臭氧尾气再生水中流化态的催化剂，以解决催化剂再生及臭氧尾气处理问题，但该方法流程繁琐，且总体效率偏低。专利号cn204369635u公开了一款紫外线催化臭氧氧化的反应装置，通过紫外照射控制ppcps及edcs等微污染物形成，又可有效抑制贾第虫和隐孢子虫等抗氯微生物，但该设备的臭氧利用效率不高。因此，臭氧反应器如何高效利用臭氧去除水中污染物，如何高效地与紫外照射、超声、超重力等其他技术结合等问题需进行深入研究。


技术实现要素：

4.鉴于所述问题，提出了本技术以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置，包括：
5.一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置，所述装置包括反应塔；
6.其中，从所述反应塔内的底部往上依次设有臭氧氧化区、流化床填料区、紫外-臭氧协同氧化区以及气液分离区，所述反应塔外还设有气液外循环区，所述气液外循环区分别与所述臭氧氧化区和所述流化床填料区连接；
7.所述气液外循环区包括循环溶气泵和外循环管路，所述循环溶气泵与所述外循环管路连接，所述外循环管路的进水口设置于所述流化床填料区和所述紫外-臭氧协同氧化区之间，所述外循环管路的出水口设置于所述臭氧氧化区内。
8.优选地，所述流化床填料区由若干片多孔挡板组成，所述流化床填料区包括臭氧
催化氧化单元以及设于所述臭氧催化氧化单元上方的紫外-臭氧催化氧化单元，所述紫外-臭氧催化氧化单元和所述紫外-臭氧协同氧化区之间还设有一片所述多孔挡板，其中，所述紫外-臭氧催化氧化单元和所述紫外
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臭氧协同氧化区之间的所述多孔挡板设于所述外循环管路的进水口上方。
9.优选地，所述臭氧氧化区包括曝气器和旋转布水器，所述曝气器设于反应塔内的底部，所述旋转布水器设置于所述曝气器上方。
10.优选地，所述臭氧氧化区还包括进气管和进水管；
11.所述进气管的臭氧进气口连接有臭氧浓度检测仪，所述进气管的臭氧出气口与所述曝气器连接，所述进水管与所述旋转布水器连接。
12.优选地，所述紫外-臭氧协同氧化区内设有紫外灯组，所述紫外灯组呈同心圆分布，所述紫外灯组的两端分别设置有检修口。
13.优选地，所述气液分离区包括出水堰、出水口和排气口，所述出水口设于所述气液分离区的一侧，所述出水堰与所述出水口连接，所述排气口设于所述气液分离区的上侧。
14.优选地，所述反应塔的外底部设置有排空口，所述排空口与截止阀连接。
15.优选地，所述流化床填料区的一侧还设有填料口。
16.本技术具有以下优点：
17.(1)浓度分区：通过在反应塔底部设置臭氧氧化区(适合处理较中高浓度污染物)，顶部设置紫外-臭氧协同氧化区(适合处理低浓度污染物)，同时在底部进水，顶部出水，分别形成污染物的高、低浓度区。大部分有机污染物在高浓度区被催化剂吸附并被臭氧或自由基降解，而残余难氧化的有机物在低浓度区吸收紫外照射活化产生激发态，被残余臭氧去除，从而提高整体效率以及臭氧利用率。
18.(2)局部气液外循环：核心功能由循环溶气泵实现，即在高浓度区的气液外循环区中，循环溶气泵可不断地将聚并的大气泡通过机械剪切作用分割成微气泡，重新进入底部浓相区降解进水污染物，同时使臭氧得到充分利用。臭氧微气泡的气液传质效率更高、停留时间更长，有助于臭氧催化转化以及污染物降解。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对本技术的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本技术一实施例提供的一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置的结构示意图；
21.图2是本技术一实施例提供的一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置的另一结构示意图；
22.图3是本技术一实施例提供的一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置的俯视示意图；
23.图4是本技术一实施例提供的曝气器及旋转布水器的俯视示意图；
24.图5是本技术一实施例提供的紫外灯组的侧视示意图。
25.说明书附图中的附图标记如下：
26.100、臭氧氧化区；200、流化床填料区；210、臭氧催化氧化单元；220、紫外-臭氧催化氧化单元；300、气液外循环区；400、紫外-臭氧协同氧化区； 500、气液分离区；1、进水管；2、旋转布水器；3、进气管；4、催化剂；5、填料口；6、多孔挡板；7、紫外灯组；8、检修口；9、出水堰；10、法兰； 11、截止阀；12、出水口；13、排气口；14、外循环管路；15、循环溶气泵； 16、电磁流量计；17、臭氧进气口；18、臭氧浓度检测仪；19、气体流量计；20、曝气器；21、排空口；22、支腿。
具体实施方式
27.为使本技术的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.参照图1-图5，示出了本技术一实施例提供的一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置，所述装置包括反应塔；
29.其中，从所述反应塔内的底部往上依次设有臭氧氧化区100、流化床填料区200、紫外-臭氧协同氧化区400以及气液分离区500，所述反应塔外还设有气液外循环区300，所述气液外循环区300分别与所述臭氧氧化区100 和所述流化床填料区200连接；
30.所述气液外循环区300包括循环溶气泵15和外循环管路14，所述循环溶气泵15与所述外循环管路14连接，所述外循环管路14的进水口设置于所述流化床填料区200和所述紫外-臭氧协同氧化区400之间，所述外循环管路14的出水口设置于所述臭氧氧化区100内。
31.在本技术的实施例中，通过从所述反应塔内的底部往上依次设有臭氧氧化区100、流化床填料区200、紫外-臭氧协同氧化区400以及气液分离区500，所述反应塔外还设有气液外循环区300，所述气液外循环区300分别与所述臭氧氧化区100和所述流化床填料区200连接；所述气液外循环区300包括循环溶气泵15和外循环管路14，所述循环溶气泵15与所述外循环管路14 连接，所述外循环管路14的进水口设置于所述流化床填料区200和所述紫外-臭氧协同氧化区400之间，所述外循环管路14的出水口设置于所述臭氧氧化区100内。通过气液外循环区300调控进水与循环流量的比例，充分稀释进水，降低局部负荷，提升处理能力；在紫外-臭氧协同氧化区400中，紫外光活化难氧化的有机污染物，同时促进残余臭氧分解去除残余污染物，这种基于分质处理的水处理装置可解决污染物去除效率低、臭氧利用率低、易产生臭氧化副产物以及紫外灯管污染等问题。
32.下面，将对本示例性实施例中一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置作进一步地说明。
33.作为一种示例，所述循环溶气泵15的进水口设置于流化床填料区200 的上端，具体地，设于所述流化床填料区200和所述紫外-臭氧协同氧化区 400之间；所述循环溶气泵15的出水口设置于所述流化床填料区200的下端，具体地，设于所述臭氧氧化区100内，其作用在于将通过流化床填料区200 的并聚臭氧气泡通过机械剪切作用重新打破成臭氧微气泡，与流化床填料区 200上端的出水充分混合，共同回流至流化床填料区200下端与进水混合，进行臭氧再次利用。在高浓度区(流化床填料区200)设置气液外循环区300，可根据进水
水质变化及去除效率的需求，通过调控进水与循环流量的比例，充分稀释进水，降低局部负荷，提升处理能力。
34.在高浓度区的外循环中，循环溶气泵15可不断地将聚并的大气泡通过机械剪切作用分割成微气泡，重新进入底部的臭氧氧化区100降解进水污染物，使臭氧得到充分利用。臭氧微气泡的气液传质效率更高、停留时间更长，有助于臭氧催化转化以及污染物降解。
35.作为一种示例，所述外循环管路14上设置有所述循环溶气泵15、电磁流量计16以及截止阀11，所述电磁流量计16设于所述循环溶气泵15的下端，所述外循环管路14的进水口和出水口两端分别设置有法兰10。
36.在本实施例中，所述流化床填料区200由若干片多孔挡板6组成，所述流化床填料区200包括臭氧催化氧化单元210以及设于所述臭氧催化氧化单元210上方的紫外-臭氧催化氧化单元220，所述紫外-臭氧催化氧化单元220 和所述紫外-臭氧协同氧化区300之间还设有一片所述多孔挡板6，其中，所述紫外-臭氧催化氧化单元220和所述紫外-臭氧协同氧化区300之间的所述多孔挡板6设于所述外循环管路14的进水口上方。
37.需要说明的是，所述多孔挡板6为可透紫外光的石英多孔挡板。
38.作为一种示例，由若干所述多孔挡板6组成多边形的区域(流化床填料区)用于放置催化剂4。所述流化床填料区200下方的多孔挡板6设置于所述曝气器20和所述旋转布水器2上方，用于截留或阻挡催化剂4的沉积或上浮，使催化剂4在流化床填料区200处于流化态；所述流化床填料区200 上方的多孔挡板6用于分隔流化床填料区200与紫外-臭氧协同氧化区400，同时允许紫外线透过多孔挡板6照射至流化床填料区200，在流化床填料区 200上部形成紫外-臭氧催化氧化单元220。通过控制催化剂4粒径密度、臭氧曝气量以及液体上升流速在流化床填料区200形成局部流化床，既能缓解完全流化态的动力消耗大、催化剂磨损严重、催化剂流失等问题，又可发挥流化床的充分传质特点。
39.在一具体实现中，由若干所述多孔挡板6组成多边形的区域与所述紫外
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臭氧协同氧化区400之间，还设有一片多孔挡板6，这片多孔挡板6设于所述外循环管路14的进水口上方。高、低浓度区通过石英多孔挡板分隔，低浓度区的紫外线可透过挡板照射至流化床填料区200顶部的催化剂，因此流化床填料区200顶部存在臭氧耦合光催化氧化区域，污染物去除途径更为丰富。
40.在本实施例中，所述臭氧氧化区100包括曝气器20和旋转布水器2，所述曝气器20设于反应塔内的底部，所述旋转布水器2设置于所述曝气器20 上方。
41.作为一种示例，所述曝气器20为钛合金微孔曝气器，设置于反应塔内的底部，作用在于产生微米级臭氧气泡，促进气液高效传质。所述旋转布水器2设置于所述曝气器20上方，通过臭氧微气泡与污染物的浓度匹配实现易氧化污染物的快速降解，并且通过机械搅拌作用强化气液、液液混合。
42.在本实施例中，所述臭氧氧化区100还包括进气管3和进水管1；
43.所述进气管3的臭氧进气口17连接有臭氧浓度检测仪18，所述进气管 3的臭氧出气口与所述曝气器20连接，所述进水管1与所述旋转布水器2 连接。
44.作为一种示例，所述进气管3的臭氧进气口17设于反应塔的外部，进气口的一端与臭氧浓度检测仪18连接，所述进气管3的臭氧进气口的另一端还与截止阀11连接，反应塔外部的所述进气管3上还设置有气体流量计 19和法兰10。
45.在本实施例中，所述紫外-臭氧协同氧化区400内设有紫外灯组7，所述紫外灯组7呈同心圆分布，所述紫外灯组7的两端分别设置有检修口8。
46.作为一种示例，参照图5，为紫外灯组7的侧视图，紫外灯组7在图1 的紫外-臭氧协同氧化区400中横向排布；在左视图中呈同心圆状排布。所述紫外灯组7分布于所述多孔挡板6的上方，作用在于促进难氧化有机污染物活化，促使臭氧分解产生活性自由基进一步降解难氧化有机污染物，同时降低尾气中的臭氧浓度。在低浓度区(紫外-臭氧协同氧化区)，紫外照射不但可以促进难降解污染物的活化，还可以促使臭氧分解产生活性自由基，进一步提高污染物去除率以及臭氧利用率，减缓紫外灯管污染并降低尾气中的臭氧浓度，同时显著削减消毒副产物的生成潜势。
47.在本实施例中，所述气液分离区500包括出水堰9、出水口12和排气口 13，所述出水口12设于所述气液分离区500的一侧，所述出水堰9与所述出水口12连接，所述排气口13设于所述气液分离区500的上侧。
48.作为一种示例，所述出水堰9设置于紫外灯组7的上方，作用在于分隔出水区与臭氧区，使出水臭氧得到充分分解，减少对后续二次生化的影响。
49.在一具体实现中，所述排气口13上设置有法兰10，所述出水口12与截止阀11连接，所述出水口12上设置有法兰10。
50.在本实施例中，所述反应塔的外底部设置有排空口21，所述排空口21 与截止阀11连接。
51.作为一种示例，所述反应塔的外底部还设置有支腿22，用于支撑所述反应塔，所述排空口21上还设置有法兰10。
52.在本实施例中，所述流化床填料区200的一侧还设有填料口5。具体地，所述填料口5上还设有法兰10。
53.在一具体实现中，本实施例通过构建高、低浓度反应区使臭氧利用更为充分合理，大部分有机污染物在高浓度区(流化床填料区200)被催化剂吸附并被臭氧或羟基自由基降解，残余难氧化的有机物在低浓度区(紫外-臭氧协同氧化区400)吸收紫外照射活化产生激发态，剩余臭氧及其吸收紫外照射所产生的活性自由基夺取激发态有机物的外层电子，从而进一步去除残余有机物，同时减少尾气中的臭氧浓度，避免空气污染问题。此外，分区及臭氧曝气可有效解决紫外灯管的污染问题，减少紫外灯管的清洗及维护工作。
54.实施例1：
55.离心泵将待处理废水通过所述臭氧氧化区100的进水管1送入反应塔内，废水由所述旋转布水器2均匀分散；同时，臭氧发生系统(含空气压缩机、 abs变压吸附塔、臭氧发生器、臭氧浓度在线检测器、气体转子流量计以及循环冷水机)将一定浓度的臭氧气体通过所述曝气器20以微气泡形式通入反应塔塔底，在所述臭氧氧化区100，高浓度臭氧微气泡与原水中高浓度有机物进行快速反应，高还原活性的有机物被氧化去除。
56.随后，汽水混合液通过所述多孔挡板6进入所述臭氧催化氧化单元210，控制循环回流比、进水流量以及臭氧曝气量使得流化床填料区200的催化剂 4处于局部流化态。然后，气液混合物上升至流化床填料区200上端，紫外
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臭氧协同氧化区400的紫外线通过多孔挡板6照射至流化床填料区200上端形成紫外-臭氧催化氧化单元220。
57.通过流化床填料区200的剩余臭氧微气泡容易发生气泡并聚，气液外循环区300的
循环溶气泵15从流化床填料区200上端吸取汽水混合液，通过机械剪切作用将并聚的臭氧大气泡重新切割为臭氧微气泡通入反应器底部再次利用；并且，可通过调控进水与循环流量的比例，提升反应器的抗负荷能力。
58.此外，部分流化床填料区200出水携带臭氧气泡通过多孔挡板进入紫外-臭氧协同氧化区400；此时，剩余的低浓度有机物一般为难氧化有机物，紫外照射可活化这些难降解有机物的分子结构，同时具有紫外吸收的臭氧容易吸收紫外线分解产生羟基自由基，促进污染物活化分解的同时提高臭氧利用率。此外，在紫外-臭氧协同氧化区400，臭氧大气泡不断冲刷紫外灯管，可缓解紫外灯管污染问题，减少灯组清洗及维护。
59.最后，汽水混合液通过气液外循环区300上升至气液分离区500，大部分未溶解的气体(主要为氧气，含有极低浓度的臭氧)以鼓泡形式从液面逸散，并通过排气口13进入臭氧尾气破坏装置处理后排入大气；而液体进入出水堰，溶解的剩余臭氧在出水堰9中逐步自行分解，最后通过出水口12 流出。
60.实施例2
61.选取山东某焦化污水处理厂的生化出水进行中试试验，运行流程参见实施例1。该污水处理厂的工艺流程为进水-粗细格栅-提升泵房-调节池-水解酸化池-aao-ao(厌氧池-缺氧池-好氧池-二级缺氧池-二级好氧池)-二沉池
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磁混凝沉淀池-臭氧氧化池-baf池(曝气生物滤池)-活性砂滤池-消毒池-出水。取磁混凝沉淀池出水作为紫外协同臭氧催化氧化水处理装置的进水，进出水水质如表1所示，实验参数如表2所示，其中，cod为化学需氧量。
62.项目水温(℃)phcod(mg/l)b/c全盐量(mg/l)进水27.67.5664.30.163162臭氧出水28.07.2451.70.233085臭氧 催化剂出水28.26.9535.50.253318臭氧 紫外出水28.77.2847.30.303028臭氧 催化剂 紫外出水28.86.8828.60.353271
63.表1紫外协同臭氧催化氧化水处理装置的进出水水质
64.项目数值臭氧浓度15
±
1mg/l气体流量1m3/h进水流量500l/h水力停留时间≈1.5h旋转布水器搅拌速度60rpm气液外循环比例2:1催化剂粒度60-80目催化剂密度1.21-1.35g/cm3催化剂投加量10kg紫外灯功率360w紫外灯数量12支
65.表2紫外协同臭氧催化氧化水处理装置的中试实验参数
66.尽管已描述了本技术实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基
本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术实施例范围的所有变更和修改。
67.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
68.以上对本技术所提供的一种基于分质处理的紫外协同臭氧催化氧化水处理装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。