旋流气液均布式污水处理装置、污水处理系统及污水处理方法

摘要

本发明涉及一种旋流气液均布式污水处理装置、污水处理系统及污水处理方法；包括塔体，塔体的底部设有气液进口，顶部设有污水出口和尾气出口，塔体内设承托孔板，承托孔板将塔体内部分隔成上催化氧化腔室和下气液混合腔室；承托孔板上设有多个再分孔，下气液混合腔室内安装有旋流气液均布机构；上催化氧化腔室内设有挡流板，挡流板一侧设有向下弯折的折边，相邻两挡流板错位设置，挡流板周向侧壁与塔体内壁紧密贴合，折边与塔体内壁间设有液相上升通道，各挡流板上面周向间隔布设有多个气孔，上催化氧化腔室内还填充有催化剂；通过旋流气液均布式污水处理装置的设计以解决现有技术中存在的臭氧催化氧化的效率低和运行成本高的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种旋流气液均布式污水处理装置、污水处理系统及污水处理方法。

背景技术

近年来，随着城市与工业的快速发展，市政和工业污水的排放量与日俱增，给整个污水处理系统带来了巨大的压力。为了改善环境水质，降低水环境污染负荷，国家出台的相关法律对污水排放标准提出了更高的要求，以往传统的污水处理技术已经难以满足要求。在此基础上，高级氧化等新兴水处理技术得到了快速的发展。作为高级氧化技术之一，臭氧(催化)氧化由于其处理效果好、二次污染少和操作简便而广泛用于市政、工业污水深度处理、污水回用、高浓度难生化污水处理等领域。

但在实际应用过程中，臭氧催化氧化技术仍存在一些问题：1)臭氧溶解效率低，传质效果差，传统的臭氧催化氧化反应器受制于气泡大小对气液混合效果的影响，缺乏高效的气液混合系统，使得传质效果差，臭氧利用率较低。2)臭氧催化氧化反应器结构过于简单，样式单一，除基本的气液再分布(承托)装置外，催化剂装填方式均为简单的重力式堆积，反应过程中由于“壁流”效应以及气体“短路”现象的存在，导致气液接触时间短，接触面积不够充分，从而使得催化剂使用效果较差，催化氧化效率低，运行成本较高。

中国专利CN203625104U公开了一种炼油污水臭氧催化氧化深度处理装置，采用两个催化氧化塔串联。第一个催化氧化塔采用高压，第二个采用常压，主要通过高压、高浓度臭氧先将大分子有机物降解为小分子，再用低压、低浓度的臭氧进行二次氧化，即通过高压、高浓度的臭氧来提高臭氧溶解、传质效率，并通过两塔串联提高气液接触时间从而提高催化氧化效率。该方法可以在一定程度提高污染物的处理效果，但是臭氧利用率提高不明显，且设备投资、运行成本均较高，操作较为复杂，不适合工程应用。

中国专利CN209922993U公开了一种臭氧高级氧化装置，采用单独设置的发生箱进行气液混合。通过高压水泵加压后的待处理污水高速通过射流板进入负压氧化区，产生的负压吸入臭氧并完成混合后高速通过过流孔，压力骤减达到蒸气压甚至负值时，形成局部真空，溶解气体释放，同时流体汽化。大量气泡在稳压区急剧溃灭，产生的局部高温高压使得臭氧大量转换成羟基自由基，同时氧化污染物。该工艺本质是利用水力空化效果来提高传质、反应速率，但是水力空化设备投资成本较高，运行能耗巨大，空化条件过于苛刻，工程应用中难以实现理想化的空化效果。

因此，针对上述问题本发明急需提供一种旋流气液均布式污水处理装置、污水处理系统及污水处理方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋流气液均布式污水处理装置、污水处理系统及污水处理方法，通过旋流气液均布式污水处理装置的设计以解决现有技术中存在的臭氧催化氧化的效率低和运行成本高的技术问题。

本发明提供一种旋流气液均布式污水处理装置，包括塔体，塔体的底部设有气液进口，塔体的顶部设有污水出口和尾气出口，塔体内设承托孔板，承托孔板将塔体内部分隔成上催化氧化腔室和下气液混合腔室；承托孔板上均匀布设有多个再分孔，下气液混合腔室内安装有与气液进口连通的旋流气液均布机构；上催化氧化腔室内纵向间隔布设有多个挡流板，挡流板一侧设有向下弯折的折边，相邻两挡流板错位设置，挡流板周向侧壁与塔体内壁紧密贴合，折边与塔体内壁间设有液相上升通道，各挡流板上周向间隔布设有多个气孔，上催化氧化腔室内还填充有催化剂，催化剂填充高度高于与塔体顶部紧邻的挡流板安装高度。

进一步地，挡流板为圆形，开孔率为0.5-5％；相邻两挡流板的间距为20-100cm；各挡流板上的气孔的直径为1-6mm；挡流板的横截面积占上催化氧化腔室横截面积的80-89％；折边的高度为1-10cm。

进一步地，旋流气液均布机构包括与气液进口连通的气液输送管，气液输送管顶部周向间隔布设有多个横向布设的喷射管，各喷射管与气液输送管连通，沿喷射管的长度方向间隔布设有多个气液喷孔，气液喷孔斜向下布置，与水平面的夹角为0°-45°。

进一步地，气液喷孔的直径为1-10mm，相邻两气液喷孔的间距为4-20cm。

进一步地，再分孔的直径为1-8mm。

进一步地，承托孔板的开孔率为1-10％。

进一步地，塔体底部还设有排空孔，排空孔与排空管连接，排空管上连通有球阀；污水出口与出水管连通。

本发明还提供了一种污水处理系统，包括臭氧气源、污水调节池和射流混合器、如上述中任一项所述的旋流气液均布式污水处理装置以及臭氧尾气处理器；其中，塔体的气液进口通过管路与射流混合器的气液出口连通，射流混合器的进气口通过管路与臭氧气源连通，射流混合器的进液口与污水调节池连通，污水调节池和射流混合器间连通有污水泵，尾气出口通过管路与臭氧尾气处理器连通。

进一步地，臭氧气源和射流混合器连通的管路上还连通有流量调节阀和止回阀。

本发明还提供了一种基于如上述所述的污水处理系统的污水处理方法，包括如下步骤：

污水泵将污水调节池的污水输送到射流混合器中，臭氧气源产生臭氧，通过管路输送到射流混合器，污水和臭氧在射流混合器内混合，获得混合气液；

射流混合器将混合气液经管路从塔体的气液进口输送至旋流气液均布机构，旋流气液均布机构将臭氧和污水在下气液混合腔室均匀混合并呈漩涡式上升；

混合气液经承托孔板的再分孔后进入上催化氧化腔室，在催化剂作用下，气液两相接触反应，未反应完全的气体在挡流板及折边作用下，聚集在挡流板下方形成气垫层，并通过挡流板上布置的气孔继续向上扩散，液相受气垫层限制，在相邻两挡流板之间横向流动；并从单侧的液相上升通道进入上一层，继续在催化剂作用下与臭氧接触反应；处理后的污水经出水管排出，废气经尾气出口进入臭氧尾气处理器。

本发明提供的一种旋流气液均布式污水处理装置与现有技术相比具有以下优势：

1、本发明提供的一种旋流气液均布式污水处理装置，臭氧和污水通过旋流气液均布机构的作用，可以在塔体中的下气液混合腔室底部实现均匀分布，并形成上升旋流，提高气液均布效果，射流混合效果十分优异，高速液流的剪切力甚至可将气泡尺度控制在微米级；相同气水流量下，旋流速度越快，混合气液分布越均匀，气相溶解效率越高；同时，旋流作用延长了气相在反应器内部的扩散路径，增加了气液两相接触时间，提高了气相溶解效率。

2、本发明提供的一种旋流气液均布式污水处理装置，通过挡流板为圆形；相邻两挡流板的间距为20-100cm；各挡流板上的气孔的直径为1-6mm；挡流板的横截面积占上催化氧化腔室横截面积的80-89％的设计，确保气液两相充分接触，提高污水处理效果；通过挡流板的低开孔率和折边的设置，可以在挡流板下方形成气垫层，从而实现对液相的流向控制，引导液相在反应器内折流上升，而上升气相进入气垫层后通过挡流板上的气孔再分布后重新进入上方的催化剂床层，经多级折流后，气液两相实现多级错流接触，大幅提高臭氧利用率以及臭氧催化氧化效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中所述旋流气液均布式污水处理装置的结构示意图(主视图)；

图2为本发明中所述旋流气液均布机构的结构示意图(俯视图)；

图3为本发明中所述挡流板的结构示意图(俯视图)；

图4为本发明中所述污水处理系统的结构示意图(主视图)。

附图标记说明：

1、塔体；101、气液进口；102、污水出口；103、尾气出口；104、上催化氧化腔室；105、下气液混合腔室；2、射流混合器；3、臭氧气源；4、污水调节池；5、承托孔板；6、旋流气液均布机构；61、气液输送管；62、喷射管；621、气液喷孔；7、挡流板；8、液相上升通道；9、折边；10、气孔；11、排空管；12、球阀；13、污水泵；14、催化剂；15、流量调节阀；16、排空孔；17、臭氧尾气处理器；18、出水管；19、压力表；20、安全阀；21、止回阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2、图3所示，本实施例中的一种旋流气液均布式污水处理装置，包括塔体1，塔体1的底部设有气液进口101，塔体1的顶部设有污水出口102和尾气出口103，塔体1内设承托孔板5，承托孔板5将塔体1内部分隔成上催化氧化腔室104和下气液混合腔室105；承托孔板5上均匀布设有多个再分孔，下气液混合腔室105内安装有与气液进口101连通的旋流气液均布机构6；上催化氧化腔室104内纵向间隔布设有多个挡流板7，挡流板7一侧设有向下弯折的折边9，相邻两挡流板7错位设置，挡流板7周向侧壁与塔体1内壁紧密贴合，折边9与塔体1内壁间设有液相上升通道8，各挡流板7上周向间隔布设有多个气孔10，上催化氧化腔室104内还填充有催化剂14，催化剂14填充高度高于与塔体1顶部紧邻的挡流板7安装高度。

本发明提供的一种旋流气液均布式污水处理装置，通过塔体1的底部设有气液进口101，塔体1的顶部设有污水出口102和尾气出口103，塔体1内设承托孔板5，承托孔板5将塔体1内部分隔成上催化氧化腔室104和下气液混合腔室105；承托孔板5上均匀布设有多个再分孔(图中未画出，为现有技术，此处不再赘述)，下气液混合腔室105内安装有与气液进口101连通的旋流气液均布机构6；上催化氧化腔室104内纵向间隔布设有多个挡流板7，挡流板7一侧设有向下弯折的折边9，相邻两挡流板7错位设置，挡流板7周向侧壁与塔体1内壁紧密贴合，折边9与塔体1内壁间设有液相上升通道8,即与塔体1内壁相对的的折边一面与塔体1内壁间设有液相上升通道，各挡流板7上周向间隔布设有多个气孔10，上催化氧化腔室104内还填充有催化剂14，催化剂14填充高度高于与塔体1顶部紧邻的挡流板7安装高度的设计，从气液进口101进入的气液经旋流气液均布机构6进入到下气液混合腔室105，气液两相在下气液混合腔室105均匀混合并旋流上升，使得气液两相充分接触，混合气液经承托孔板5的再分孔进入上催化氧化腔室104，在催化剂14、挡流板7和折板9的作用下，实现对污水的催化氧化处理。受挡流板7低开孔率限制，未反应完全的气体在挡流板7的下板面聚集并形成气垫层，从而阻挡了待处理污水的纵向上升，使得相邻两挡流板之间的污水横向移动，并从单侧的液相上升通道8上升，进而与上一层的催化剂14进行接触，未反应完全的气体从气孔10慢慢扩散到上一层的催化剂14间隙内，继续对污水进行催化氧化，相邻两挡流板7错位设置，使得待处理污水在上催化氧化腔室104内折流上升，提高了气液两相接触面积和时间，进而提升了臭氧的溶解效果，大幅度提高了臭氧催化剂的催化氧化效果，从而达到了提升污水处理效果、降低能耗、降低污水处理成本的目的。

本发明的催化剂为介孔碳基臭氧催化剂；挡流板7和折边9之间的夹角为90°。

如图3所示，本实施例的挡流板7为圆形，开孔率为0.5-5％；相邻两挡流板7的间距为20-100cm；各挡流板7上的气孔10的直径为1-6mm；挡流板7的横截面积占上催化氧化腔室104横截面积的80-89％；折边9的高度为1-10cm。

本发明通过挡流板7为圆形，开孔率为0.5-5％；相邻两挡流板7的间距为20-100cm；各挡流板7上的气孔10的直径为1-6mm；挡流板7的横截面积占上催化氧化腔室104横截面积的80-89％；折边9的高度为1-10cm的设计，可以在挡流板7下方形成气垫层，从而实现对液相的流向控制，引导液相在反应器内折流上升，而上升气相进入气垫层后通过挡流板7上的气孔10再分布后重新进入上方的催化剂床层，经多级折流后，气液两相实现多级错流接触，大幅提高臭氧利用率以及臭氧催化氧化效果。

如图2所示，本实施例的旋流气液均布机构6包括与气液进口101连通的气液输送管61，气液输送管61顶部周向间隔布设有多个横向布设的喷射管62，各喷射管62与气液输送管61连通，沿喷射管62的长度方向间隔布设有多个气液喷孔621，气液喷孔621斜向下布置，与水平面的夹角为0°-45°。

本发明通过旋流气液均布机构6包括与气液进口101连通的气液输送管61，气液输送管61顶部周向间隔布设有多个横向布设的喷射管62，各喷射管62与气液输送管61连通，沿喷射管62的长度方向间隔布设有多个气液喷孔621，气液喷孔621斜向下布置，与水平面的夹角为0°-45°的设计，使得气液两相在下气液混合腔室105底部实现均匀混合，并形成上升旋流，提高气液均布效果；射流混合效果十分优异，高速液流的剪切力甚至可将气泡尺度控制在微米级；相同气水流量下，旋流速度越快，混合气液分布越均匀，气相溶解效率越高；同时，旋流作用延长了气相在反应器内部的扩散路径，增加了气液两相接触时间，提高了气相溶解效率。

本发明的气液喷孔621的直径为1-10mm，优选地，气液喷孔621的直径为6.0mm，相邻两气液喷孔621的间距为4-20cm，优选地，相邻两气液喷孔621的间距为10.0cm；确保混合气液流速满足旋流要求，并在下气液混合腔室105底部实现均布。

本发明通过再分孔的直径为1-8.0mm；承托孔板5的开孔率为1-10％的设计，使得下气液混合腔室105中的混合气液均匀通过承托孔板5并在上层催化剂14作用下进行催化氧化反应。

本实施例优选再分孔的直径为8.0mm；承托孔板5的开孔率为4.2％。

如图1所示，本实施例的塔体1底部还设有排空孔16，排空孔16与排空管11连接，排空管11上连通有球阀12；污水出口102与出水管18连通。

本发明通过塔体1底部还设有排空孔16，排空孔16与排空管11连接，排空管11上连通有球阀12；污水出口102与出水管18连通的设计，在清洗和维护时，可以停机，打开球阀12进行排空。

本发明还提供了一种污水处理系统，包括臭氧气源3、污水调节池4和射流混合器2、如上述中任一项所述的旋流气液均布式污水处理装置以及臭氧尾气处理器17；其中，塔体1的气液进口101通过管路与射流混合器2的气液出口连通，射流混合器2的进气口通过管路与臭氧气源3连通，射流混合器2的进液口与污水调节池4连通，污水调节池4和射流混合器2间连通有污水泵13，尾气出口103通过管路与臭氧尾气处理器17连通。

本发明通过包括臭氧气源3、污水调节池4和射流混合器2、如上述中任一项所述的旋流气液均布式污水处理装置以及臭氧尾气处理器17；其中，塔体1的气液进口101通过管路与射流混合器2的气液出口连通，射流混合器2的进气口通过管路与臭氧气源3连通，射流混合器2的进液口与污水调节池4连通，污水调节池4和射流混合器2间连通有污水泵13，尾气出口103通过管路与臭氧尾气处理器17连通的设计，可以实现对污水的催化氧化处理，并提高污水处理效果，降低能耗及污水处理成本。

本发明的臭氧尾气处理器选用青岛国林环保科技股份有限公司生产的臭氧尾气处理器/臭氧尾气毁灭器/臭氧尾气破坏器，也可以选用其他品牌的其他型号，图中未标出，为现有设备，此处不再赘述。

如图4所示，本实施例臭氧气源3和射流混合器2连通的管路上还连通有流量调节阀15和止回阀18。

本发明通过臭氧气源3和射流混合器2连通的管路上还连通有流量调节阀15和止回阀18的设计，可以灵活调节臭氧流量，在进水波动时保证出水达标的同时最大程度降低运行成本，并通过止回阀16的设计，在气源设备故障后，可以有效防止液体倒流。

本发明的塔体1顶部还安装有压力表19和安全阀20，实时监测塔体1内部压力，避免塔体1内部压力过大，保证安全生产。

本发明还提供了一种基于如上述所述的污水处理系统的污水处理方法，包括如下步骤：

S1)污水泵13将污水调节池4的污水输送到射流混合器2中，臭氧气源3产生臭氧，通过管路输送到射流混合器2，污水和臭氧在射流混合器2内混合，获得混合气液；

S2)射流混合器2将混合气液经管路从塔体1的气液进口101输送至旋流气液均布机构6，旋流气液均布机构6将臭氧和污水在下气液混合腔室105均匀混合并呈漩涡式上升；

S3)混合气液经承托孔板5的再分孔后进入上催化氧化腔室104，在催化剂14作用下，气液两相接触反应，未反应完全的气体在挡流板7及折边9作用下，聚集在挡流板7下方形成气垫层，并通过挡流板7上布置的气孔10继续向上扩散；液相受气垫层限制，在相邻两挡流板7之间横向流动，并从单侧的液相上升通道8进入上一层，继续在催化剂14作用下与臭氧接触反应；处理后的污水经出水管18排出，废气经尾气出口103后进入臭氧尾气处理器17。

采用本发明的污水处理系统对某企业纺丝生产污水进行处理，污水COD为800-1000mg/L，园区外排要求污水COD不高于500mg/L，为达到排放要求，考察了本发明提供的污水处理系统和常规的上向流催化氧化反应器(HT型)，均装填介孔碳基臭氧催化剂，水力停留时间为1h，臭氧投加量为600mg/L，塔体1内设置四个挡流板7，相邻两挡流板7的间距为0.3m,处理后的污水的COD为416mg/L，低于500mg/L，满足排放要求，具体数值见表1。

采用本发明的污水处理系统，气液分布效果良好，气相在射流混合器2中被高速液流剪切形成的气泡尺寸在200-400μm之间；混合气液通过气液喷孔621喷出后，在塔体1底部形成明显旋流，旋流速度接近2m/s，局部气液两相甚至达到乳化状态，大幅提高了臭氧溶解效率；上升气相在各层挡流板7下方均形成了厚度约3-5cm不等的气垫层，通过气液喷孔621的气相再分布效果良好。从表1中实验结果来看，相较于常规上向流催化氧化反应器，相同条件下，本发明提供的污水处理系统对污水处理效果更优，COD去除率提高了近39％，臭氧利用率也得到了大幅提高，满足该企业处理要求的同时实现了提高污水处理效果的目的。

采用本发明的污水处理系统对生活污水厂的MBR出水进行处理，MBR出水的COD为30-40mg/L，排放要求MBR出水的COD不高于20mg/L；为达到排放要求，考察了本发明提供的污水处理系统和常规的上向流催化氧化反应器，均装填介孔碳基臭氧催化剂，水力停留时间均为20min，臭氧投加量均为25mg/L，试验结果见表2所示。

从表2实验结果来看，相较于常规上向流催化氧化反应器，相同条件下，本发明提供的污水处理系统的市政污水处理效果较好，COD去除率提高了31％左右，臭氧利用率也大幅提升，满足该污水厂排放要求。

采用本发明的污水处理系统对生活污水厂的DF浓水进行处理，DF浓水的COD为100-120mg/L，要求处理至60mg/L以下与DF产水混排，在现场分别考察了本发明提供的污水处理系统和常规的上向流催化氧化反应器。两组实验水力停留时间均为1h，臭氧投加量均为70mg/L。试验数据见表3。

根据表3实验结果，本发明提供的污水处理系统在相同条件下的浓水处理效果要优于常规的上向流催化氧化反应器，COD去除率提高了约25％，同时提高了臭氧利用率，处理结果满足该污水厂要求。

表1某企业纺丝生产污水处理结果对比

表2生活污水厂的MBR出水处理结果对比

表3生活污水厂的DF浓水处理结果对比

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。