一种多相臭氧催化氧化池及其废水处理方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种多相臭氧催化氧化池及其废水处理方法。

背景技术

近年来臭氧催化氧化技术在污水深度处理领域得到了大量应用。臭氧催化氧化技术通常将过渡金属负载于特定载体上形成催化剂，污水流过载体床层，结合通入的臭氧，实现催化氧化作用，污水中的有机污染物被氧化降解，污水得以被净化。

然而，如何构建污水、臭氧、催化剂三相高效传质反应体系，以提高催化氧化反应效果，实现污染物的高效去除是一个非常棘手的问题。并且，现有的臭氧催化氧化反应装置，在实际运行中，通入污水而反应一段时间后，催化剂床层会出现阻力增大甚至阻塞现象，无法维持长久有效运行。另外，在臭氧催化氧化反应过程中，需要投加大量的臭氧化空气。反应完后的臭氧尾气往往被消解破坏，以避免危害大气环境，却未能被有效利用，造成资源的浪费。如何实现尾气资源化利用也是臭氧催化氧化池需要解决的难题。

发明内容

本发明提供一种多相臭氧催化氧化池及其废水处理方法，以实现水、气、固三相的高效接触反应，同时将尾气收集利用，提高废水的深度处理净化效果。

本发明的第一方面，提供一种多相臭氧催化氧化池，包括第一反应池、第二反应池以及缓冲池；所述第一反应池、第二反应池和缓冲池通过各自的进水口和出水口而依次连通，使得所述废水通过进水管进入第一反应池的进水口后，在第一反应池、第二反应池以及缓冲池中呈S形折流式流动，并通过缓冲池的出水口而排出；所述第一反应池和第二反应池内均设置有催化剂床层；所述第二反应池通过第二反应池出水管与缓冲池连通；所述进水管、第二反应池出水管上均安装有调节阀，以使所述臭氧催化氧化池等水头运行；在所述催化剂床层的下方池体上均设有臭氧进气口；所述第二反应池和缓冲池的池体上方均设有尾气收集装置，所述第二反应池的尾气收集装置与缓冲池连通，所述缓冲池的尾气收集装置与氧气利用单元连通。

可选的，所述第一反应池的进水口位于催化剂床层下方的池体上，所述第一反应池的出水口位于池体上方，并与位于第二反应池上方的第二反应池进水口连通；所述第二反应池的出水口位于催化剂床层下方的池体上，并通过第二反应池出水管与设置于池体下方的缓冲池进水口连通。

可选的，所述第二反应池设有药剂投加点，投加的药剂包括碱、双氧水。

可选的，所述催化剂床层从上到下依次包括催化剂层、承托层和过滤板。

可选的，所述缓冲池设有还原剂加药管；缓冲池内设置有轻质载体。

可选的，所述尾气收集装置包括依次连接的尾气收集阀、尾气收集管、增压风机、风机出口阀、风机出口管路；第二反应池的风机出口管路通入缓冲池底部，所述还原剂加药管与第二反应池的风机出口管路连通；缓冲池的风机出口管路上设置有臭氧浓度检测仪。

可选的，所述第一反应池和第二反应池的催化剂床层下方的池体上均分别设置有压力计；所述压力计与所述调节阀联锁。

可选的，所述多相臭氧氧化催化池还包括反洗系统，所述反洗系统分别设置于第一反应池和第二反应池上，均包括反洗进水管、反洗排水管、反洗排水槽、反洗进气管、反洗排气管；所述反洗进气管和反洗进水管均设置于第一反应池和第二反应池的催化剂床层下方的池体上，所述反洗排气管设置于第一反应池和第二反应池池体上方；所述反洗排水槽设置为V型倾斜式，反洗时可避免上升的催化剂填料随高速水流被冲出池外。

可选的，所述第一反应池和第二反应池的催化剂床层下方的池体上均分别设置有压力计；所述压力计与反洗系统联锁，所述反洗系统为定期开启或者根据压力计的数值自动开启。

本发明的第二方面，还提供一种废水臭氧催化氧化处理方法，将待处理废水通入上述的多相臭氧催化氧化池中处理后获得出水。

可选的，本处理方法采用可变水力停留时间方式运行，所述第一反应池中，催化剂床层空床HRT≥15min，空床滤速为6～8m/h；所述第二反应池中，催化剂床层空床HRT≥10min，空床滤速为5～7m/h；缓冲池HRT≥15min。

从本发明的方案中可见，本发明在池体内设置三段式反应区，并保持等水头模式运行，水流依次经过三区，以折流式流动。在气、水同向流、逆向流、多相、多模式串级组合传质体系中，实现高效催化氧化反应。并且，通过尾气收集装置形成的尾气收集利用系统，可将反应完成的臭氧尾气中的氧气继续利用，提高了系统的资源利用效率。此外，通过在第二反应段投加药剂、调整pH，提高污染物去除效率。进一步地，通过在池内设置反洗系统，能够在出现阻力过大时，启动反洗程序，通过气洗、气水联合冲洗、水洗等措施使池底的污染物冲洗出床层，高效便捷地进行臭氧催化氧化池的运行维护。

附图说明

图1为本发明的臭氧催化氧化反应池俯视结构示意图；

图2为本发明的臭氧催化氧化反应池正剖视结构示意图。

图中，1-第一反应池，10-第一反应池进水口，11-第一反应池出水口，12-第一反应池催化剂床层，121-催化剂层，122-承托层，123-过滤板，13-第一反应池臭氧进气口，131-第一反应池反洗进水管，132-第一反应池反洗排水管，133-第一反应池反洗进气管，134-第一反应池反洗排气管，135-第一反应池反洗排水槽，14-第一反应池压力计；2-第二反应池，20-第二反应池进水口，21-第二反应池出水口，22-第二反应池出水调节阀，23-第二反应池催化剂床层，24-第二反应池尾气收集装置，241-尾气收集阀，242-尾气收集管，243-增压风机，244-风机出口阀，245-风机出口管路，25-第二反应池臭氧进气口，26-第二反应池压力计，27-药剂投加点；

3-缓冲池，30-缓冲池进水口，31-缓冲池出水口，32-轻质载体，33-还原剂加药管，34-缓冲池尾气收集装置，35-臭氧浓度检测仪；

4-出水管，5-进水管，51-电磁流量计，6-进水调节阀，71-反应池安全阀，72-缓冲池安全阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供的臭氧催化氧化池，包括第一反应池、第二反应池、缓冲池。也即，本发明将催化反应池分为三段：第一段、第二段为催化反应区，第三段为缓冲段，缓冲段将未反应完成的臭氧进一步反应，并将第一段、第二段的臭氧尾气进一步利用。

所述第一反应池、第二反应池和缓冲池通过各自的进水口和出水口而依次连通，使得所述废水通过进水管从第一反应池的进水口通入后，在第一反应池、第二反应池以及缓冲池中呈S形折流式流动，并通过缓冲池的出水口而排出。所述S形折流式流动，即废水在三个池内流线为上下曲线折流形式。通过三个池体的进水口和出水口的上下对角设置，使得水流流向呈上下折流。例如，废水从第一反应池底部进入，向上流动并从顶部流出而进入第二反应池，再从第二反应池向下流动而从底部进入缓冲池。

所述第一反应池和第二反应池内均设置有催化剂床层，在所述催化剂床层的下方池体上均设有臭氧进气口。反应池池体前段中部设置催化剂床层，所述催化剂床层中有臭氧催化剂。臭氧从臭氧进气口通入，废水中的有机污染物在催化剂和臭氧的作用下通过催化氧化反应而被分解，废水由此被净化。

缓冲池中则添加轻质载体，随水流扰动悬浮于水中，必要时可延长该段HRT，通过载体内附着生物菌落，起到生物氧化作用，进一步彻底分解废水有机物，净化水质。

以从第一反应池底部进水而形成的S形折流为例，通过上述的折流式流动和臭氧进气口设置于底部的构思，在第一反应池可形成气、水同向流动(即臭氧气体和水流从池底底部向上流经催化剂层后出水)，即废水首先经过气、固、液三相区，然后经过上部气、液两相区，反应完全后进入第二段反应池。在第二段反应池内为气、水逆向流动，即臭氧气体从池底底部向上流动，而水流从上方向下流动；也即，在第二段反应池内，废水由上部进入，废水首先经过上部气、液两相区，后进入气、固、液三相区，反应后由底部进入缓冲池。通过多流态、多相区串联变换组合方式使多相传质接触面浓度差增大，进一步提高了传质效果。

进一步地，第一反应池进水设置调节阀，随着进水时间及进水压力的变化，不断调节开启度，用阀门阻力逐渐减小的方法，克服催化剂层增大的水头损失，使滤层内压力保持在一个平稳状态，确保传质效果。第一反应池通过控制上升流速，保持床层处于微膨胀状态，增大颗粒间空隙，可有效增强传质反应效果。第二反应池出水设置调节阀，根据压力变化，逐渐调大阀门开度，减小阻力，保持第二反应池上部水位趋于平稳，确保颗粒间流速均匀变化，保证反应效果。臭氧池整体保持等水头运行，即第一段进水阀门开度逐渐变大，第二段出水阀门开度逐渐变大，保持两段床层水头平稳，避免水量变化冲击。实际应用中，调节阀可联锁压力计，形成自动控制系统，根据两个反应池内的压力变化调整调节阀的开度，实现等水头运行。

所述第二反应池设有药剂投加点。具体地，可在第二反应池中投加碱和氧化剂，如双氧水，提高氧化反应效果。必要时，通过碱的投加，可调高废水pH值，从而优化催化氧化反应条件。也可联合投加氧化剂，实现臭氧、双氧水联合催化氧化，从而提高反应效率。

所述第二反应池和缓冲池的池体上方均设有尾气收集装置，所述第二反应池的尾气收集装置与缓冲池连通，所述缓冲池的尾气收集装置与氧气利用单元连通。第一反应池、第二反应池的顶部池顶开孔，从而保证尾气联通，并在第二反应池的顶部设置尾气收集装置，将第一、第二反应池产生的尾气收集并通入缓冲池中。在缓冲池中，使前段未反应完成的臭氧进一步利用消耗，也为污水下一处理单元做好进水准备。所述氧气利用单元即污水处理中的其他段需氧处理单元，例如生化池的曝气系统等。所述缓冲池设有还原剂加药管，在缓冲池中投加还原剂。设置还原剂的目的是将尾气中的臭氧消耗，保证尾气利用至其他单元时比如生化系统曝气时，避免残余臭氧破坏生化单元微生物系统。所述还原剂可使用废水处理中常用的药剂，例如硫酸亚铁。

从本发明的方案中可见，本发明在池体内设置三段式反应区，水流依次经过三区，在气、水同向流、逆向流、多相、多模式串联组合传质体系中，通过控制调节阀开度，保证床层内压力均匀，流速变化稳定，保持等水头模式运行，实现高效催化氧化反应。并通过在第二反应段投加药剂，并调整pH，优化催化氧化反应条件，提高污染物去除效率。此外通过尾气收集利用，将尾气中的氧气继续利用，提高了系统的资源利用效率。

实施例

如图1-2所示，示出了本发明具体实施的一种臭氧催化氧化池的方案。

本实施例的多相臭氧催化氧化反应池，依水流方向具体分为三个组成部分。第一反应池1、第二反应池2、缓冲池3。反应池可以为混凝土结构，也可采用钢制结构，本实例优选混凝土结构。

(1)正常运行

开启进水管5上的调节阀即进水调节阀6，待处理废水经进水管5从第一反应池进水口10进入，依次经过第一反应池1、第一反应池出水口11、第二反应池2、第二反应池出水口21、缓冲池3、最终由出水管4排出，池内流线为上下曲线折流形式。也即，所述第一反应池进水口10位于催化剂床层下方的池体上，所述第一反应池出水口11位于池体上方，并与位于第二反应池2上方的第二反应池进水口20连通；第二反应池出水口21位于催化剂床层下方的池体上，第二反应池出水口21通过第二反应池出水管与缓冲池进水口30连通，在第二反应池出水管上设置有调节阀，即第二反应池出水调节阀22。缓冲池进水口30相应地设置于池体下方并与所述第二反应池出水口21连通，所述缓冲池的出水口31设置于池体一侧，通过出水管4排出净化后尾水。

第一反应池催化剂床层12从上到下依次包括催化剂层121、承托层122和过滤板123；过滤板底部为进水室。水流通过过滤板123，承托层122，催化剂层121由底部向上流经催化剂床层，与底部进入的臭氧气体同向向上，发生臭氧催化氧化反应。催化剂床层空床水力停留时间≥15min，或者根据小试试验数据确定。第一反应池的空床滤速设定在6～8m/h左右，保证反应传质效果。

水流从第一反应池顶部出水，通过第一反应池出水口11及第二反应池进水口20进入第二反应池的顶部。第二反应池催化剂床层23使用同样结构，水流由顶部向下依次流过第二反应池2的催化剂床层23，包括催化剂层、承托层、滤板，与底部进入的臭氧气体逆向接触，发生臭氧催化氧化反应。催化剂床层空床水力停留时间≥10min，或者根据小试试验数据确定。第二反应池的空床滤速设定在5～7m/h左右，保证反应传质效果。

对于第一反应池和第二反应池的催化剂床层的催化剂，本实施例优选陶粒负载型催化剂。并设置催化剂床层高度2m～4m。此外，第二反应池设置药剂投加点27，根据需要投加碱、双氧水药剂，提高氧化反应效果，必要时，可调高废水pH值，优化催化氧化反应条件。也可实现臭氧、双氧水联合催化氧化，提高反应效率。

第三段的缓冲池3为缓冲降解段，即将前段未反应完成的臭氧进一步利用消耗，为下一处理单元做好准备。该段内水由池底的缓冲池进水口30进入，缓冲池一侧面上端通过出水管4流出。将前段臭氧尾气通入池底部进一步利用。彻底将臭氧消耗完毕。缓冲池反应时间HRT约15min。池内装填耐臭氧腐蚀轻质载体32，增加缓冲池内的传质及扰动，提高反应降解效率。

三段反应池(即第一反应池1、第二反应池2和缓冲池3)内水位应保证一定的落差，每段应有0.5m～1.0m左右，保证水流通畅。池体上设置安全阀(包括反应池安全阀71，缓冲池安全阀72)、尾气管等必要的安全装置，保证池体安全运行。

(2)臭氧投加及尾气利用

在第一、第二反应池的池体底部设置有臭氧进气口，分别为第一反应池臭氧进气口13、第二反应池臭氧进气口25。臭氧进气口分别通过臭氧进气管与外部臭氧发生装置如臭氧发生器连接，为反应池提供臭氧源。臭氧进气口均设置于催化床层底部，结合两个反应池的S形折流式水流，分别形成气水同向和气水逆向两种形式，达到高效传质的效果。

第一反应池进水口10连接进水管5，进水管5上设置有电磁流量计51和TOC检测仪。运行时根据进水流量、TOC值依据经验值设置臭氧投加量，对第一反应池、第二反应池的投加量可按照70％、30％的比例投加，亦可根据实际运行情况调整。臭氧发生器系统可采用成品装置。进气可采用空气或氧气，本实例优选氧气。

第一反应池1、第二反应池2的顶部池顶开孔，保证尾气联通。所述第二反应池2和缓冲池3的池体上方均设有尾气收集装置，分别为第二反应池尾气收集装置24和缓冲池尾气收集装置34。所述第二反应池尾气收集装置24与缓冲池3连通，所述缓冲池尾气收集装置34与氧气利用单元连通。

更具体地，所述尾气收集装置，以第二反应池尾气收集装置24为例，包括依次连接的尾气收集阀241、尾气收集管242、增压风机243、风机出口阀244、风机出口管路245。第二反应池的风机出口管路245通入缓冲池3底部，将第一、第二反应池的尾气引入第三段缓冲池3底部。在第二反应池风机出口管路245设置还原剂加药管33，所述还原剂加药管33与第二反应池2的风机出口管路245连通。通过向缓冲池3中投加还原剂，将残余臭氧消耗。还原剂本实施例采用硫酸亚铁。还原剂能将尾气中的臭氧消耗，保证尾气利用至其他单元比如生化系统曝气时，避免臭氧破坏生化单元微生物系统。缓冲池尾气收集装置34同样包括上述结构组件。缓冲池3的风机出口管路上还设置有臭氧浓度检测仪35，根据仪表的浓度判断尾气是排放还是通入其他水处理单元使用。

(2)反冲洗

反洗系统由反洗进水管、排水管、反洗进气、排气以及配套的阀门、压力计组成。根据压力计的数值判断进而开启反洗系统。本实施例中，所述第一反应池1和第二反应池2的催化剂床层下方的池体上均分别设置有压力计，分别为第一反应池压力计14、第二反应池压力计26；更具体地，第一反应池压力计14设置在位于催化剂床层下方的池体一侧的进水管5上。第二反应池压力计26设置在第二反应池2催化剂床层下方的池体上。各压力计与反洗系统联锁，使得所述反洗系统得以根据压力计的数值自动控制自身的开启。反洗系统还可设置为定期开启。进行反洗时，开启反洗系统，并调节减少进水阀的开度，打开反洗水、气管路相应阀门，进行气洗、气水同时洗、水洗等过程，清除催化剂床层内杂质，避免床层内压力损失过大。具体地，所述反洗系统分别设置于第一反应池1和第二反应池2上，均包括反洗进水管、反洗排水管、反洗排水槽、反洗进气管、反洗排气管；以第一反应池为例，包括第一反应池反洗进水管131、第一反应池反洗排水管132、第一反应池反洗进气管133、第一反应池反洗排气管134，第一反应池反洗排水槽135。

反洗进气管和反洗进水管均设置于第一反应池和第二反应池的催化剂床层下方的池体上，所述反洗排气管设置于第一反应池和第二反应池池体上方，反冲洗水通过反洗排水槽、反洗排水管而排出。所述反洗排水槽为V型倾斜式，反洗时可避免上升的催化剂填料随高速水流被冲出池外。

反洗时，可先气洗2～3min，气水联合反洗3～5min，水冲洗3～5min，气洗强度为10L/(m

上述具体实施方案可见，本发明在池体内设置三段式反应区，水流依次经过三区，在气、水同向流、逆向流、多相、多模式串联组合传质体系中，实现高效催化氧化反应。通过控制调节阀开度，保证床层内压力均匀，流速变化稳定。并通过在第二反应段投加药剂，并调整pH，优化催化氧化反应条件，提高污染物去除效率。此外通过尾气收集利用，将尾气中的氧气继续利用，提高了系统的资源利用效率。并且，在池内设置反洗装置，正常过滤出现阻力过大时，启动反洗程序，依次采用气洗、气水联合冲洗，水洗等措施，使池底的污染物冲洗出床层，保证正常过滤的水头损失需要。