申请日2015.04.29
公开(公告)日2015.09.02
IPC分类号C02F9/08; C02F1/30; C02F1/78
摘要
本发明涉及一种深度氧化水处理方法及装置。高溶臭氧量溶气技术和微气泡曝气技术，结合使用臭氧、紫外光催化和光敏化学催化剂形成一种深度氧化水处理方法及装置，不仅利用溶氧和臭氧，更主要利用紫外光催化化学反应激发的大量羟基自由基参与氧化的所谓链式反应，是一种氧化能力更高，氧化速度更快的深度氧化技术。该发明不仅适合普通饮用水的消毒，更适用于氧化降解难生物降解的高浓度高毒性的有机污染物。既可以作为独立的污水处理方法及装置使用，也可以作为一种降低污水浓度和毒性的预先处理方法与现有生物降解的水处理技术方法和设备配套使用。
权利要求书
1.一种深度氧化的水处理方法和装置，其特征在于，水处理过程 分为三段，并在三种装置中顺序完成，它们分别是臭氧和污水混合装置、 高压下光化学催化氧化反应装置和延续反应微气泡曝气装置。
2.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述臭氧和污水混合装置由氧气源及配属的减压阀、氧气流量计、 氧气输送管、臭氧发生器、气液混合泵、文丘里液气混合嘴等组成。
3.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述臭氧和污水混合装置的工作过程是，文丘里结构的气液混合嘴 同时吸进污水和调节了流量的臭氧，气液混合泵高速叶轮击碎气泡形成 高溶臭氧量的溶臭氧水，泵的出口端输出高压溶(臭氧)气水。
4.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述臭氧和污水混合装置中，位于臭氧发生器和文丘里液气混合嘴 之间的进气管设有单向阀，以防污水反向进入臭氧发生器。
5.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述臭氧和污水混合装置中，臭氧流量的调节以满足混合泵输出压 力下的饱和溶气所需气量为上限，超出该饱和气量将导致气液混合泵输 出压力下降，甚至流体停止流动。
6.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述高压下光化学催化氧化反应装置由高压溶气罐及装在罐外的进 水接口，出水接口、压力表、出口流量调节阀、取水样阀门、溶气水输 送管、罐顶部自动放气阀、回流气管、罐底部的放流阀，装在罐内的紫 外灯、光敏催化剂等组成。
7.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述高压下光化学催化氧化反应装置的工作过程是：高压下的污水 溶解有高于常压下饱和溶解量的臭氧，在紫外光和紫外光敏催化剂环境 下臭氧氧化反应能产生大量氧化性能更强的羟基自由基，同其它氧化成 分，如臭氧离子、溶氧分子等一起参与氧化反应，获得更强的氧化能力 和更快的氧化速度。
8.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述高压下光化学催化氧化反应装置中，催化剂应具有大的表面积， 方便照射紫外光和接触流动的污水，催化剂可以以涂层形式和填料的形 式存在，不受具体存在形式和形状的限制。
9.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述高压下光化学催化氧化反应装置中，顶部安装的自动排气阀出 气口接一回流气管，回流气管通过三通和氧气输送管汇流，反应装置内 少量溢出的氧气重新加以利用，设备系统运行实现无气体泄漏。
10.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述高压下光化学催化氧化反应装置中，罐压的产生和维持通过压 力表、出水调节阀和进气量调节阀(氧气流量计)共同完成，压力表不 仅显示压力，也是进气量调节的依据：进气量为零时的显示压力最大， 当进气量超过饱和溶气量时，显示压力会急剧下降，当压力稳定在略低 于最高压力的水平时，进气量为恰当。
11.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述延续反应微气泡曝气装置由高压污水放流管和微气泡释放器组 成，其中输送管深入污水原容器底部，输送管头部安装一个或一组微气 泡释放器。
12.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述延续反应微气泡曝气装置的工作过程是：高压溶气水通过微气 泡释放器向污水水体底部释放溶气水，高压溶气水中溶解的气体在释放 器湍流结构作用下溢出并被击碎成微纳米尺寸的气泡。微气泡长时间弥 散在水体当中，气泡中的氧气、臭氧继续向水体溶解，再加上反应装置 中产生并留存的羟基自由基在水体中延续其氧化反应过程。
13.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述延续反应微气泡曝气装置的微气泡释放器是激发湍流绕动和振 动，用以击碎气泡的喷嘴装置，本发明采用振动双薄片串联孔结构释放 器，但不限于使用此释放器。
14.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述延续反应微气泡曝气装置采用的振动双薄片串联孔结构释放器 由释放器主体、安装密封圈、前后同轴排列的相同尺寸薄片孔板、为孔 板提供密封和间隔支撑的弹性密封圈和扩散器组成。
15.如权利要求1所述的深度氧化的水处理方法和装置，其特征在 于，所述延续反应微气泡曝气装置采用的振动双薄片串联孔结构释放器 的工作原理是：高压溶气水通过垂直孔板后会产生固定高频率的涡街， 溶气水通过第一孔板产生的涡街在两孔板之间高频震荡，这种震荡在两 孔板之间的弹性间隔空间引发共振并延续这种共振，高压下的饱和溶气 在震荡中析出，又被震荡击碎成为微气泡，微气泡随水流通过扩散器进 入水体，欠饱和污水水体将继续吸收和溶解气泡中的氧化气体，延续其 氧化行为。
说明书
一种深度氧化水处理方法及装置
技术领域：
采用高溶臭氧量溶气技术和微气泡曝气技术，结合使用臭氧、 紫外光催化和光敏化学催化剂形成一种深度氧化水处理方法及装置，不 仅利用溶氧和臭氧，更主要利用化学反应激发的大量羟基自由基参与氧 化形成所谓链式反应，是一种氧化能力更高，氧化速度更快的深度氧化 技术。该发明不仅适合普通饮用水的消毒，更适用于氧化降解水中难生 物降解的高浓度高毒性的有机污染物。既可以作为独立的污水处理方法 及装置使用，也可以作为降低污水浓度和毒性的预先处理方法与现有生 物降解的水处理方法和设备配套使用。属于水处理技术领域。
背景技术：
臭氧是一种强氧化剂，能够氧化各种有机物。20世纪70年代， 人们开始研究利用臭氧作为饮用水、游泳池水的消毒剂，并取得较好的 效果。臭氧不仅可以应用到饮用水处理中，也可用于废水的处理中。臭 氧在水和废水中的作用可以归纳成三类：一是用作消毒剂或杀菌剂;二 是用作氧化有机污染物的氧化剂;三是为其他处理单元(包括混凝、絮 凝、沉淀、生物氧化、活性炭吸附等)提供溶氧和上浮气泡。
高压溶气罐溶解臭氧是提高臭氧溶解量的有效方法。中国专利 (公开号CN104043356A)、(公开号CN201330188Y)都提出了利用 微气泡提高溶气罐内水体溶气率的方法;中国专利(公开号 CN103736409A)、(公开号CN202415245U)采用分别控制向气液混合 泵输送气体量和水流量的办法在溶气罐获得溶气水，溶气水再配以适当 的释放器将产生大量均匀的微气泡。但这些技术方案中溶气罐功能单 一，只提供和存储高浓度溶气水。
臭氧氧化技术虽然具有氧化水中有机污染物能力强、分解速度 快、无二次污染等优点，但单独使用臭氧，仍存在O3在水中的溶解度低， 影响氧化效率的问题，臭氧氧化具有选择性，不同种类的有机物降解能 力和速度存在很大差异。在臭氧氧化过程中加入紫外光和具有光催化 效应的催化剂是解决这一问题的有效方法之一，属于深度氧技术的范 畴。深度氧化技术，又称高级氧化技术(Advanced Oxidation Process， AOP)是指氧化能力超过所有常见氧化剂或氧化电位接近或达到羟基自 由基HO·水平，可与有机污染物进行系列自由基链式反应，从而破坏其 结构，使其逐步降解为无害的低分子量的有机物，最后降解为CO2、H2O和 其他矿物盐的技术，是目前水处理技术研究的热点领域。紫外光催化氧 化法属于深度氧化技术，它主要以溶于水的臭氧O3、过氧化氢H2O2、氧 气O2和空气作为氧化剂，在光辐射作用下产生羟基自由基HO·。光催化 氧化法是在反应溶液中加入一定量的催化剂，使其在紫外光(UV)的照射 下产生羟基自由基HO·，通过HO·的强氧化作用对有机污染物进行处 理。
臭氧含量、光照频率和强度、催化剂成分和质量等都会影响氧 化反应的能力和污水的氧化速度。中国专利(公开号CN202625991U) 提出了一种紫外光臭氧催化反应装置，但催化反应环境是在常压容器 中，臭氧饱和溶解度比较小，光催化下的臭氧氧化反应(以后称臭氧化) 的臭氧饱和溶解度低仍制约着紫外光催化氧化反应的能力和速度。
根据所用催化剂的相态，将臭氧催化分为均相催化臭氧化和多 相催化臭氧化。前者主要是液体催化剂，而后者主要是固体催化剂。由 于均相催化剂能在溶液中形成均一浓度，因此具有活性高、反应速度快 等优点。但反应后催化剂与污水掺混，很难重新分离出来，导致催化剂 因流失而造成经济损失，也增加了臭氧催化氧化反应的后续处理的负 担，增加了臭氧催化氧化工艺的复杂性，提高了水处理成本。与均相催 化剂相比，非均相催化剂以固态形式存在，容易与水分离，工艺流程简 单，既避免了催化剂的流失，也降低了后续的处理成本。在近十几年的 研究中非均相催化剂获得了更多的青睐。
常规技术的曝气装置只能产生毫米级气泡，气泡直接上浮。臭 氧或其它气体在水中停留时间很短，所以水中溶臭氧量较低。由于臭氧 不能充分溶进水体当中，有些污染物在水体中的少量存留很难去除干 净，即使如通常采用的过量曝臭氧的方法，收效也不明显。痕量化学污 染物难去除也是处理化学污染的难题之一。往往需要生物降解等后续处 理方法加以补充。
本发明在建立一个新的化学反应装置系统的基础上提出一种更 高效率的深度氧化水中有机污染物的方法，通过在高溶臭氧水环境的罐 体内增加光催化功能产生大量羟基自由基，达到增加氧化能力、提高氧 化降解速度的目的。
发明内容：
本发明涉及一种深度氧化的水处理方法和装置，水处理过程分 为三段，并在三种装置中顺序完成，它们分别是臭氧和污水混合装置、 高压下光化学催化氧化反应装置和延续反应微气泡曝气装置。
臭氧和污水混合装置由氧气源及配属的减压阀、氧气流量计、 氧气输送管、臭氧发生器、气液混合泵、文丘里液气混合嘴等组成。
臭氧和污水混合装置的工作过程是，文丘里结构的气液混合嘴 同时吸进污水和调节了流量的臭氧，气液混合泵高速叶轮击碎气泡形成 高溶臭氧量的溶臭氧水，泵的出口端输出高压溶(臭氧)气水。
臭氧和污水混合装置中，位于臭氧发生器和文丘里液气混合嘴 之间的进气管设有单向阀，以防污水反向进入臭氧发生器。
臭氧和污水混合装置中，臭氧流量的调节以满足混合泵输出压 力下的饱和溶气所需气量为上限，超出该饱和气量将导致气液混合泵输 出压力下降，甚至流体停止流动。
高压下光化学催化氧化反应装置由高压溶气罐及装在罐外的进 水接口，出水接口、压力表、出口流量调节阀、取水样阀门、溶气水输 送管、罐顶部自动放气阀、回流气管、罐底部的放流阀，装在罐内的紫 外灯、光敏催化剂等组成。
高压下光化学催化氧化反应装置的工作过程是：高压下的污水 溶解有高于常压下饱和溶解量的臭氧，在紫外光和紫外光敏催化剂环境 下臭氧氧化反应能产生大量氧化性能更强的羟基自由基，配以其它氧化 成分，如臭氧离子、溶氧分子等，获得更强的氧化能力和更快的氧化速 度。
高压下光化学催化氧化反应装置中，催化剂应具有大的表面积， 以方便照射紫外光和接触流动的污水，催化剂可以以涂层形式和填料的 形式存在，不受具体存在形式和形状的限制。
高压下光化学催化氧化反应装置中，顶部安装的自动排气阀出 气口接一回流气管，回流气管通过三通和氧气输送管汇流，反应装置内 少量溢出的氧气重新加以利用，设备系统运行实现无气体泄漏。
高压下光化学催化氧化反应装置中，罐压的产生和维持通过压 力表、出水调节阀和进气量调节阀(氧气流量计)共同完成，压力表不 仅显示压力，也是进气量调节的依据：进气量为零时的显示压力最大， 当进气量超量时，显示压力会急剧下降，当压力稳定在略低于最高压力 的水平时，进气量为恰当。
延续反应微气泡曝气装置由高压污水放流管和微气泡释放器组 成，其中输送管深入污水原容器底部，输送管头部安装一个或一组微气 泡释放器。
延续反应微气泡曝气装置的工作过程是：高压溶气水通过微气泡 释放器向污水水体底部释放溶气水，高压溶气水中溶解的气体在释放器 湍流结构作用下溢出并被击碎成微纳米尺寸的气泡。微气泡长时间弥散 在水体当中，气泡中的氧气、臭氧继续向水体溶解，再加上反应装置中 产生并留存的羟基自由基在水体中延续其氧化反应过程。
延续反应微气泡曝气装置的微气泡释放器是激发湍流绕动 和振动，用以击碎气泡的喷嘴装置，本发明采用振动双薄片串联孔结构 释放器，但不限于使用此释放器。
延续反应微气泡曝气装置采用的振动双薄片串联孔结构释放器 由释放器主体、安装密封圈、前后同轴排列的相同尺寸薄片孔板、为孔 板提供密封和间隔支撑的弹性密封圈和扩散器组成。高压溶气水通过垂 直孔板后会产生固定高频率的涡街，溶气水通过第一孔板时产生的涡街 在两孔板之间高频震荡，这种震荡在两孔板之间的弹性间隔空间引发共 振并延续和强化这种共振，高压下的饱和溶气在震荡中析出，又被震荡 击碎成为微气泡，微气泡随水流通过扩散器进入水体，欠饱和污水水体 将继续吸收和溶解气泡中的氧化气体。
有益效果：
1)臭氧无浪费。气体状态的臭氧在产生后很容易还原成为氧气， 臭氧产生后直接和污水混合，能最大程度利用臭氧;
2)提高氧化效率。气液混合泵高速叶轮的转动既是增压过程也 是混合过程。气液混合增压可使液体和气体的压强比，动能比和位能比 等发生转换。此时，臭氧形成大量的微气泡，气体直径为0.2-0.3um， 因此O3与水的接触面积骤增，总面积比一般气泡高103-104倍，O3的 溶解速度大幅提高，所以出水基本处于高压饱和溶气状态。在高压溶气 罐内水中溶臭氧量充足，有利于强化氧化反应;
3)增加氧化能力，提高氧化速度。在紫外灯和光敏化学催化剂 的催化作用下，生成大量氧化性能更强的羟基自由基，水中溶解的氧分 子、臭氧离子和活性更强的羟基自由基与有机污染物成分在液相中密切 接触，不仅增加了氧化能力，而且提高了氧化速度。
4)催化剂选择余地大。依据污染物类型可适当选用广谱性的催 化剂或选择性的催化剂。通过适当组合，不仅能处理普通的含氮磷的富 营养污水、化学染料污水等，还能够处理农药、激素和电镀废水、垃圾 渗滤液等公认的难以处理的工业废水。
5)臭氧利用率高、消耗量小。由于气液两相同时并连续吸入气 液混合泵，混合泵不允许吸入过量气体，气体超过饱和溶解气量将导致 泵压降低甚至流量为零;气液混合泵的这种以饱和溶解气体量作为限制 条件的特性也成就了本发明臭氧利用率高、耗气量小的特点。
6)附带臭味小。由于不过量使用臭氧，臭氧味道和带载的污水 气味也相应减少;
7)氧化反应持续、作用范围大。高压下饱和溶解的臭氧在释放 器作用下在常压污水容器中产生微气泡曝气，微气泡呈牛奶状态弥漫在 水体中，臭氧继续向欠饱和水体溶解，臭氧氧化反应仍在水体中继续进 行。
8)无二次污染物。深度氧化水处理方法只引入氧气一种物质。 只会反应生成氧化气体、氧化物沉淀和水，不会产生二次污染。
9)体积效率高。设备系统简单，功能集中。所以体积小、功能 强。
10)使用灵活。既可以单独作为处理化学有机物废水的深度氧 化方法及设备，也可以作为生物处理污水的前处理方法，为后续生物水 处理技术提供必要的降低有机污染物浓度和弱化化学毒性的预先处理。