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        基于臭氧生物膜生化反應系統及廢水凈化工藝

        發布時間:2019-7-14 8:04:43  中國污水處理工程網

          申請日2019.03.30

          公開(公告)日2019.05.31

          IPC分類號C02F9/14; C02F101/30

          摘要

          本發明屬于廢水處理領域,特別涉及一種基于臭氧的生物膜生化系統及廢水凈化工藝。臭氧反應器,所述臭氧反應器通過利用臭氧對廢水進行凈化處理;富氧曝氣生物膜生化反應器,所述富氧曝氣生物膜生化反應器與所述臭氧發生器連通,用于對凈化后的廢水進行深度凈化處理并排放;臭氧分解反應器,所述臭氧分解反應器分別與所述臭氧發生器、所述富氧曝氣生物膜生化反應器連通,用于將經過所述臭氧反應器后未反應完全的臭氧分解成氧氣。本發明提供一種低能耗,高效率,經濟的廢水深度凈化工藝:臭氧催化氧化串聯固定生物膜生化反應器。能在較低的能耗下,使廢水凈化達標排放。

         

          權利要求書

          1.一種基于臭氧的生物膜生化反應系統,其特征在于,包括:

          臭氧反應器,所述臭氧反應器通過利用臭氧對廢水進行凈化處理;

          富氧曝氣生物膜生化反應器,所述富氧曝氣生物膜生化反應器與所述臭氧發生器連通,所述富氧曝氣生物膜生化反應器用于對凈化后的廢水進行深度凈化處理并排放;

          臭氧分解反應器,所述臭氧分解反應器分別與所述臭氧發生器、所述富氧曝氣生物膜生化反應器連通,所述臭氧分解反應器用于將經過所述臭氧反應器后未反應完全的臭氧分解成氧氣。

          2.如權利要求1所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統,其特征在于,所述臭氧反應器包括:

          反應器殼體,所述反應器殼體內自底部向上依次設置有臭氧分布器、進水分布器、導流支撐環、催化劑承托板、催化劑層、催化劑壓板。

          3.如權利要求2所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統,其特征在于:

          所述導流支撐環沿著所述臭氧反應器內壁一圈設置,所述導流支撐環下表面是斜面且與所述臭氧反應器內壁呈120~160°夾角;

          所述催化劑承托板與所述催化劑壓板為多孔板,開孔大小為2~8mm,催化劑的裝填量為所述臭氧反應器容積的30~70%。

          4.如權利要求3所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統,其特征在于:

          所述富氧曝氣生物膜生化反應器內自底部向上依次設置布氣管、布水管、生物膜填料層;

          所述布氣管的進氣口處連通設置補氣管。

          所述布氣管與所述富氧曝氣生物膜生化反應器底部的間距為h1,所述布水管與所述布氣管相距h2,所述生物膜填料層與所述富氧曝氣生物膜生化反應器底部相距h3;其中h1:h2:h3為(3~10):(2~5):(6~15);

          所述生物膜填料層的填料裝填比例為池容的50%,所述富氧曝氣生物膜生化反應器內空氣中的富氧濃度為23~28%。

          5.如權利要求4所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統,其特征在于:

          所述臭氧反應器的出氣口與除霧器的進氣口連通,所述除霧器的出水口與所述臭氧反應器的回水口連通,所述除霧器的出氣口與所述臭氧分解反應器的進氣口連通,所述除霧器用于除去游離水。

          6.一種基于臭氧的生物膜生化反應系統的廢水凈化工藝,其特征在于:

          同時進入臭氧反應器的臭氧與廢水,在所述臭氧反應器內催化劑的作用下,廢水中難降解的芳香烴有機物被開環和斷鏈,分解成易降解有機物;

          經過臭氧催化氧化后、含有易降解有機物的廢水從所述臭氧反應器中排出,并送至富氧曝氣生物膜生化反應器進行深度凈化處理,深度凈化處理后的廢水到達廢水的化學需氧量標準后排放;

          所述臭氧反應器內未反應完全的臭氧尾氣進入臭氧分解反應器,在所述臭氧分解反應器中臭氧分解催化劑的作用下將所述臭氧尾氣中的臭氧分解成無害的氧氣,再將分解后無害的氧氣與空氣混合,送至所述富氧曝氣生物膜生化反應器進行曝氣。

          7.如權利要求6所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統的廢水凈化工藝,其特征在于:

          所述臭氧反應器內的壓力為-1~5KPa,溫度為20~50℃;臭氧的投加濃度為5~60mg/L;反應的液時空速為0.5~3h-1;

          所述催化劑使用的是金屬負載型催化劑。

          8.如權利要求7所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統的廢水凈化工藝,其特征在于;

          所述金屬負載型催化劑活性組分為過渡金屬Fe、Ti、Mn、Ni、Cu、V、Co中的兩種或兩種以上的復配,或上述金屬氧化物的兩種以上進行復配;

          助劑為Ru、Zr的氧化物;

          載體為氧化鋁或氧化硅或活性炭。

          9.如權利要求6所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統的廢水凈化工藝,其特征在于:

          所述臭氧分解反應器內反應的空速:500~5000h-1,溫度:常溫,壓力:-1~5KPa。

          10.如權利要求6所述的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統的廢水凈化工藝,其特征在于:

          所述臭氧分解催化劑采用復合金屬氧化物,即Fe、Mn、Ti、Cu、Co、Mg、K的氧化物兩種或兩種以上的復配體系;

          活性金屬氧化物為:氧化錳:10~40%,氧化鐵:20~60%,氧化鎂:0~3%,氧化鈦:2~10%,氧化鈷:0~5%,氧化鉀:0~2%。

          說明書

          一種基于臭氧的生物膜生化反應系統及廢水凈化工藝

          技術領域

          本發明屬于廢水處理領域,特別涉及一種基于臭氧的生物膜生化反應系統及廢水凈化及工藝,用于深度處理有機廢水。

          背景技術

          為了應對日益惡化的生態環境,國家不斷頒布更為嚴格的環境保護標準,對污水處理的要求也在不斷的提高,并且隨著工業快速發展,工業廢水水量不斷增加,組分越來越復雜,處理難度也越來越大,尤其是那些難降解有機物或對生物有毒害作用的有機污染物的處理問題引起人們極大的重視,但是這些有機污染物不僅難以生物降解,也很難用一般的氧化劑氧化去除。

          為了達到深度處理有機廢水的目的,目前普遍采用臭氧催化氧化的方式進行污水處理。臭氧催化氧化法是基于臭氧的高級氧化技術,其原理是臭氧在催化劑的作用下產生羥基自由基·OH,·OH是一種氧化性僅次于F2的強氧化劑,能夠有效氧化難降解有機污染物。然而現有的技術至少存在以下問題:

          1)臭氧催化氧化技術應用的經濟性較低。如臭氧反應器內產生溝流、壁流現象,導致臭氧利用率低,處理效果差;尾氣臭氧破壞器需要高溫加熱才能有效破壞臭氧,能耗較高;經過臭氧分解后的尾氣中氧氣(尾氧)含量仍高達80%以上,因其無害基本都直接排入大氣,從而造成了能量的大量浪費。

          2)臭氧催化氧化對于難降解有機物的氧化并不完全,難以將氧化后的小分子物質進一步氧化,因此單純的臭氧催化氧化對于有機物的處理具有一定的局限性。

          專利CN201620061049.2提出了一種兩級臭氧催化氧化的廢水處理裝置,廢水經過一級臭氧催化氧化后再進入到二級臭氧催化氧化,臭氧尾氣破壞后直接排放大氣,雖然這種方法提高了廢水中有機污染物的處理程度,但是不能解決臭氧利用率低的問題,而且耗氧量及設備投資成本高。

          為解決臭氧尾氣利用的問題,專利CN205603366U提出了將臭氧催化氧化的臭氧尾氣破壞后,返回上游生化反應器回收,雖然這種方法降低了上游生化反應的曝氣量,降低了電耗,但是并不能解決臭氧催化氧化后廢水中小分子有機物的處理問題。

          發明內容

          本專利旨在針對現有技術的不足,提供一種低能耗,高效率,經濟的廢水深度凈化工藝和基于臭氧的生物膜生化反應系統及廢水凈化工藝,能在較低的能耗下,使廢水凈化達標排放。

          即通過提高臭氧氧化反應效率,提高開環斷鏈率的同時,降低臭氧氧化的能耗;有效利用臭氧催化氧化工藝的臭氧尾氣,在對該尾氣經低能耗的分解反應處理后,作為高濃度氧氣對生物膜生化反應器進行曝氣,將常規的生物膜生化反應器優化為富氧生物膜生化反應器,提升廢水處理效果、降低廢水處理運行成本。

          本發明提供一種基于臭氧的生物膜生化反應系統,包括:

          臭氧反應器,所述臭氧反應器通過利用臭氧對廢水進行凈化處理;

          富氧曝氣生物膜生化反應器,所述富氧曝氣生物膜生化反應器與所述臭氧發生器連通,用于對凈化后的廢水進行深度凈化處理并排放;

          臭氧分解反應器,所述臭氧分解反應器分別與所述臭氧發生器、所述富氧曝氣生物膜生化反應器連通,用于將經過所述臭氧反應器后未反應完全的臭氧分解成氧氣。

          本技術方案中,將臭氧(其余為氧氣)混合氣體,與廢水一同進入臭氧反應器,在臭氧反應器內催化劑的作用下,廢水中難降解的芳香烴有機物被開環和斷鏈,分解成易降解的有機物,經過臭氧催化氧化后的廢水從臭氧反應器排出,然后送至富氧曝氣生物膜生化反應器進行進一步生化處理,凈化后廢水的化學需氧量(COD)達標排放。臭氧催化氧化反應器內未反應完全的臭氧尾氣收集進入臭氧分解器,將尾氣中的臭氧分解成無害的氧氣,然后將這股富含氧氣的尾氣通過尾氣輸送風機增壓后與增壓空氣混合,送至富氧曝氣生物膜生化反應器曝氣,不僅可以減少空氣曝氣量,降低能耗,同時富氧曝氣的氧傳遞速率快,可以提高有機物的生化效率。

          優選地,所述臭氧反應器連通臭氧發生器,所述臭氧發生器用于分解純氧,生成臭氧和氧氣混合氣體。

          優選地,所述臭氧反應器包括:反應器殼體,所述反應器殼體內自底部向上依次設置有臭氧分布器、進水分布器、導流支撐環、催化劑承托板、催化劑層、催化劑壓板。

          本技術方案中,將純氧引入臭氧發生器,發生臭氧濃度為8~10%的臭氧和氧氣混合氣體(簡稱臭氧),臭氧通入臭氧反應器的底部,通過臭氧分布器,達到在臭氧反應器界面上的均勻曝氣。廢水進入反應器下部,通過進水分布器均勻分布于臭氧反應器界面上,同時,進入的廢水被下方的臭氧曝氣所攪拌混合后,由下至上進入催化劑層,以涓流形式經過催化劑表面,在催化劑表面,臭氧不僅直接氧化難降解有機物,使其開環斷鏈,而且與水反應,釋放出大量羥基自由基·OH,·OH可以在水相直接與有機物反應使其降解,轉化成容易降解的短鏈有機物甚至是終產物水和二氧化碳。

          進一步,優選地,所述導流支撐環的下表面是斜面,與所述臭氧反應器的內壁呈120~160°夾角并沿著所述臭氧反應器的內壁一圈設置。

          本技術方案中使得靠近器壁的臭氧氣體經過斜面后,導流至催化劑層內部,而不會沿著器壁形成壁流。

          進一步,優選地,所述催化劑承托板與所述催化劑壓板為多孔板,開孔大小為2~8mm,防止催化劑流失,催化劑的裝填量為所述臭氧反應器容積的30~70%,催化劑填充量若低于30%,廢水與催化劑的接觸時間過小,反應不完全。催化劑填充量若高于70%,床層阻力增大,且不利于反沖洗。

          優選地,所述臭氧反應器的出氣口與除霧器的進氣口連通,所述除霧器的出水口與所述臭氧反應器的回水口連通,所述除霧器的出氣口與所述臭氧分解反應器的進氣口連通,所述除霧器用于除去游離水。

          本技術方案中,臭氧在臭氧反應器中進行催化氧化后的尾氣主要成分是氧氣,此外,還含有少量的未反應的臭氧和少量游離水,所以尾氣排出臭氧反應器后首先進入除霧器除去游離水,再進入臭氧分解器。

          優選地,所述臭氧分解反應器內部從氣體入口到出口依次設置:氣體分布器、催化劑下支撐板、臭氧分解催化劑層、催化劑上支撐板。

          本技術方案中,脫除游離水的臭氧尾氣中主要是氧氣和少量未反應的臭氧。因為臭氧對微生物有毒害作用,所以,必須將臭氧尾氣中臭氧破壞分解為氧氣,才能進入生化利用。

          臭氧進入臭氧分解反應器后,通過氣體分布器流經臭氧分解催化劑表面,在臭氧分解催化劑表面被分解為氧氣。

          所述催化劑上支撐板、催化劑下支撐板優選為多孔固定壓板,防止催化劑流失。

          優選地,所述富氧曝氣生物膜生化反應器內自底部向上依次設置布氣管、布水管、生物膜填料層;

          所述布氣管的進口處連通設置補氣管。

          本技術方案中,將從臭氧反應器分解出的氧氣與補氣管中引入的空氣混合為富氧空氣。經臭氧氧化分解后的廢水,從布水管進入所述富氧曝氣生物膜生化反應器,與所述富氧空氣均勻混合后,與所述富氧曝氣生物膜生化反應器反應器內裝填的生物膜填料接觸,被進一步深度生化降解為水和二氧化碳,廢水達標排放。

          優選地,所述布氣管與所述富氧曝氣生物膜生化反應器底部的間距為h1,所述布水管與所述布氣管相距h2,所述生物膜填料層與所述富氧曝氣生物膜生化反應器底部相距h3;其中h1:h2:h3為(3~10):(2~5):(6~15);其中h1優選為300~1000mm;h2優選為200~500mm;h3優選為600~1500mm;將布水管設置在布氣管上方,可以利用布氣管出來的氣流將廢水迅速混合,提高傳質效率。

          所述生物膜填料層的填料裝填比例為池容的30~50%,所述富氧曝氣生物膜生化反應器內空氣中的富氧濃度為23~28%。

          本技術方案中,將布水管設置在布氣管上方,可以利用布氣管出來的氣流將廢水迅速混合,提高傳質效率。若生物膜填料層的填料裝填比例太低,廢水與生物膜填料的接觸時間短,處理效果差,比例太高,生物膜填料產生的污泥反沖洗困難。

          若富氧濃度太高,曝氣量小,則不利于氣液混合傳質,反之,富氧濃度過低,則起不到富氧效果。反應器的COD容積負荷可達2~3kg/m3/d,生化效率高于90%。

          優選地,所述臭氧分解反應器的出氣口連通粉塵收集器,所述粉塵收集器連通所述布氣管。

          本技術方案中,所述粉塵收集器用于去除凈化后的氣體中的粉塵,從而確保通入布氣管中的氣體的純凈,不會堵塞布氣管,使用時間更長。

          本發明還提供了一種基于臭氧的生物膜生化反應系統的廢水凈化工藝:

          同時進入臭氧反應器的臭氧與廢水,在所述臭氧反應器內催化劑的作用下,廢水中難降解的芳香烴有機物被開環和斷鏈,分解成易降解有機物;

          經過臭氧催化氧化后、含有易降解有機物的廢水從所述臭氧反應器中排出,并送至富氧曝氣生物膜生化反應器進行深度凈化處理,深度凈化處理后的廢水到達廢水的化學需氧量標準后排放;

          所述臭氧反應器內未反應完全的臭氧尾氣進入臭氧分解反應器,在所述臭氧分解反應器中臭氧分解催化劑的作用下將所述臭氧尾氣中的臭氧分解成無害的氧氣,再將分解后無害的氧氣與空氣混合,送至所述富氧曝氣生物膜生化反應器進行曝氣。

          優選地,所述臭氧反應器內的壓力為-1~5KPa,溫度為20~50℃;臭氧的投加濃度為5~60mg/L;反應的液時空速為0.5~3h-1;

          所述催化劑使用的是金屬負載型催化劑。

          本技術方案中,臭氧發生器內發生臭氧濃度為8~10%的臭氧和氧氣混合氣體,此范圍內的濃度能夠提高改變臭氧在水中的溶解平衡,使水中臭氧的濃度上升,進而提高臭氧氧化的效果。若臭氧濃度過高,不僅能耗消耗過大,而且受制于臭氧發生器的限制;反之臭氧濃度過低,則會降低臭氧氧化效果。

          本技術方案中若臭氧反應器內的溫度過高,則不利于臭氧在水中的溶解,反之,溫度過低,則反應活性較弱。臭氧投加量與廢水中COD相關,COD高,則臭氧投加量大,COD低,則臭氧投加量小。反應的液時空速為0.5~3h-1,空速太高,轉化率低,空速太高,投資成本大且對轉化率提升效果不明顯。該技術方案能使開環斷鏈率高于80%,廢水可生化性(B/C)大于0.5。

          凈化過程中無需加壓和升溫,降低能耗。

          優選地,所述催化劑層使用的是金屬負載型催化劑,包括;

          催化劑活性組分為過渡金屬Fe、Ti、Mn、Ni、Cu、V、Co中的兩種或兩種以上的復配,或上述金屬氧化物的兩種以上進行復配;

          助劑為Ru、Zr的氧化物;

          載體為氧化鋁或氧化硅或活性炭。本發明技術方案中通過引入少量的以Ru、Zr等過渡金屬元素中的一種或幾種制成的固溶體氧化物作為催化劑載體的改性劑,提高催化劑產生氧化態金屬直接氧化有機物的幾率。

          催化劑不僅能在催化劑表面催化氧化分解有機物,而且能通過激發活性更高的自由基,通過自由基間接催化水相中的有機物氧化分解,從而提高催化劑的催化效率。

          優選地,所述臭氧分解反應器中:

          反應的空速:500~5000h-1,溫度:常溫,壓力:-1~5KPa。

          本技術方案中臭氧分解無需加壓和升溫,能耗低。臭氧分解效率大于99%。分解后,尾氣中的臭氧含量小于0.1mg/L。

          優選地,所述臭氧分解反應器中:

          所述臭氧分解催化劑采用復合金屬氧化物,即Fe、Mn、Ti、Cu、Co、Mg、K的氧化物兩種或兩種以上的復配體系;

          進一步,優選地,活性金屬氧化物組分的含量范圍為:氧化錳:10~40%,氧化鐵:20~60%。氧化鎂:0~3%,氧化鈦:2~10%,氧化鈷:0~5%,氧化鉀:0~2%。

          本技術方案中氧化鐵、氧化鈦和氧化錳為主催化劑,其余為催化劑助劑,用于改進催化劑對臭氧的分解活性。

          本發明提供的一種基于臭氧的生物膜生化反應系統及廢水凈化工藝能夠帶來以下至少一種有益效果:

          1)本發明提供一種低能耗,高效率,經濟的廢水深度凈化工藝:臭氧催化氧化串聯固定生物膜生化反應器。能在較低的能耗下,使廢水凈化并達標排放。

          2)高效臭氧氧化:通過在臭氧催化反應器中催化劑層下部設置導流支撐環,提高氣液兩相之間的混合均勻度和傳質效率,避免臭氧氣體的壁流現象,減少臭氧的損失,提高臭氧利用率和有機物處理效率。

          3)常溫常壓臭氧破壞技術,避免了尾氣加熱,降低臭氧破壞裝置的能耗。

          4)臭氧尾氣進固定生物膜生化反應器,提高了溶解氧,加快了氧傳遞速率和生化反應速度和反應效率,具有較強的耐沖擊負荷性能,而且降低鼓風曝氣能耗。

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