公布日：2023.11.03
申请日：2022.04.24
分类号：C02F9/00(2023.01)I;C02F1/72(2023.01)I;C02F1/78(2023.01)I;C02F3/02(2023.01)I;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本公开涉及一种臭氧催化氧化联合生物活性炭的污水处理装置及处理方法。该装置包括催化氧化反应器和生物活性炭反应器；生物活性炭反应器同中心轴地外嵌于催化氧化反应器的外部，催化氧化反应器包括流化区、沉降区、固液分离区、第一进水口、臭氧进口、含生物膜活性炭进口、脱生物膜活性炭出口、第一出气口和第一出水口；生物活性炭反应器设有第二进水口、含氧气体进口、脱生物膜活性炭进口、含生物膜活性炭出口、第二出气口和第二出水口；第二进水口与第一出水口连通，脱生物膜活性炭进口与脱生物膜活性炭出口连通，含生物膜活性炭出口与含生物膜活性炭进口连通，含氧气体进口与第一出气口连通。提高污水处理效率，降低冲洗能耗。
权利要求书
1.一种臭氧催化氧化联合生物活性炭的污水处理装置，其特征在于，包括催化氧化反应器(I)和生物活性炭反应器(II)；其中，所述生物活性炭反应器(II)同中心轴地外嵌于所述催化氧化反应器(I)的外部；所述催化氧化反应器(I)包括流化区(1)、沉降区(3)、固液分离区(4)、第一进水口(7)、臭氧进口(8)、含生物膜活性炭进口、脱生物膜活性炭出口、第一出气口(10)和第一出水口(12)；其中所述沉降区(3)设置于所述流化区(1)上方且与所述流化区(1)连通，所述第一进水口(7)、臭氧进口(8)和含生物膜活性炭进口设于所述流化区(1)，所述脱生物膜活性炭出口和第一出气口(10)设于所述沉降区(3)；所述固液分离区(4)套设于所述沉降区(3)的外部，所述沉降区(3)内设有三相分离器(9)，且所述沉降区(3)通过位于其上部的溢流装置(11)与所述固液分离区(4)连通，所述第一出水口(12)设于所述固液分离区(4)；所述生物活性炭反应器(II)设有第二进水口(15)、含氧气体进口(14)、脱生物膜活性炭进口、含生物膜活性炭出口、第二出气口(16)和第二出水口(17)；所述第二进水口(15)与所述固液分离区(4)的第一出水口(12)连通，所述脱生物膜活性炭进口与所述沉降区(3)的脱生物膜活性炭出口连通，所述含生物膜活性炭出口与所述流化区(1)的含生物膜活性炭进口连通，所述含氧气体进口(14)与所述沉降区(3)的第一出气口(10)连通，所述臭氧进口(8)与臭氧源连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化氧化反应器(I)还包括过渡区(2)，所述流化区(1)、过渡区(2)和沉降区(3)由下至上依次连通且同轴设置；所述流化区(1)、过渡区(2)和沉降区(3)的水平截面积依次增大；所述第一进水口(7)、臭氧进口(8)和含生物膜活性炭进口设于所述流化区(1)的底部；所述第一出气口(10)设于所述沉降区(3)的顶部；并且所述含生物膜活性炭进口位于所述臭氧进口(8)的上方；所述第一出水口(12)设于所述固液分离区(4)的上部；所述固液分离区(4)的底部还设有排渣口(13)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述生物活性炭反应器(II)内，所述脱生物膜活性炭进口和所述第二出水口(17)分别设于所述生物活性炭反应器(II)的上部；所述第二出气口(16)设于所述生物活性炭反应器(II)的顶部；所述第二进水口(15)、含氧气体进口(14)和含生物膜活性炭出口分别设于所述生物活性炭反应器(II)的下部；所述生物活性炭反应器(II)的脱生物膜活性炭进口与所述沉降区(3)的脱生物膜活性炭出口通过上填料管(5)连通；所述生物活性炭反应器(II)的含生物膜活性炭出口与所述流化区(1)的含生物膜活性炭进口通过下填料管(6)连通。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述催化氧化反应器(I)的脱生物膜活性炭出口的水平位置高于所述生物活性炭反应器(II)的脱生物膜活性炭进口，以使所述上填料管(5)从所述脱生物膜活性炭出口到所述脱生物膜活性炭进口向下倾斜；所述生物活性炭反应器(II)的含生物膜活性炭出口的水平位置高于所述催化氧化反应器(I)的含生物膜活性炭进口，以使所述下填料管(6)从所述含生物膜活性炭出口到所述含生物膜活性炭进口向下倾斜；可选地，所述生物活性炭反应器(II)的底部位于所述催化氧化反应器(I)的流化区(1)底部之上，所述生物活性炭反应器(II)的顶部位于所述催化氧化反应器(I)的沉降区(3)的顶部之下；可选地，所述装置还包括臭氧发生器(III)，所述臭氧发生器(III)的臭氧出口与所述催化氧化反应器(I)的臭氧进口(8)连通。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述催化氧化反应器(I)包括沿垂直方向设置的内壳体和外壳体，所述内壳体包括由下至上依次连通的圆筒状的流化区(1)、过渡区(2)和圆筒状的沉降区(3)，所述沉降区(3)的直径大于所述流化区(1)的直径，所述过渡区(2)形成为倒圆台筒状；所述外壳体套设于所述沉降区(3)的内壳体外侧，且形成为圆筒状的固液分离区(4)；可选地，所述固液分离区(4)的底面与所述沉降区(3)的底面水平方向上平齐；所述固液分离区(4)的顶边沿低于所述沉降区(3)的顶边沿；所述生物活性炭反应器(II)包括沿垂直方向设置的圆筒状壳体，所述生物活性炭反应器(II)的壳体直径大于所述流化区(1)和所述过渡区(2)的直径。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述过渡区(2)的顶面直径与所述流化区(1)的直径之比为1.5～20：1，优选为2～10：1；所述流化区(1)的高度与直径之比为2～20：1，优选为5～10：1；所述过渡区(2)与所述沉降区(3)高度之比为0.2～5：1，优选为0.5～2：1；所述固液分离区(4)与所述沉降区(3)的直径之比为1.2～5：1，优选为1.5～3：1。
7.一种臭氧催化氧化联合生物活性炭的污水处理方法，该方法采用权利要求1～6中任意一项所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：S1、使含有机物质的待处理污水、臭氧和活性炭载体进入所述催化氧化反应器(I)的流化区(1)进行流化式催化氧化反应，所得的反应混合物进入所述沉降区(3)经所述三相分离器(9)进行沉降分离，得到脱生物膜活性炭、第一气体和固液混合物料；使所述固液混合物料进入所述固液分离区(4)进行固液分离，得到第一处理水和残渣；S2、使来自所述催化氧化反应器(I)的所述第一处理水、所述脱生物膜活性炭和含氧气体进入所述生物活性炭反应器(II)，使所述第一处理水中剩余有机物质与生物活性炭反应器(II)内的污水处理菌株在曝气条件下进行好氧生化反应，得到净化水、含生物膜活性炭和第二气体；其中所述含氧气体包括来自所述催化氧化反应器(I)的第一气体；S3、使来自所述生物活性炭反应器(II)的所述含生物膜活性炭返回所述催化氧化反应器(I)的流化区(1)与所述待处理污水和臭氧接触，对所述含生物膜活性炭进行洗脱再生。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1中，以1L所述待处理污水引入量计算，所述臭氧的流速为50～20000mL/min，优选为200～5000mL/min；以1L所述待处理污水引入量计算，所述活性炭载体的引入量为50～5000g，优选为100～2000g；待处理污水在所述流化区(1)内停留时间为0.05～5h，优选为0.1～2h，反应温度为10～40℃，优选为15～30℃；所述待处理废水的COD为60～150mg/L，BOD/COD小于0.25。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S2中，以1L所述待处理污水引入量计算，所述生物活性炭反应器(II)中溶解氧为1～8mg，优选为2～4mg；以1L所述待处理污水引入量计算，所述脱生物膜活性炭的引入量为2～500g，优选为5～200g；所述第一处理污水在所述生物活性炭反应器(II)中停留时间为0.2～12h，优选为1～6h；反应温度为10～40℃，优选为20～35℃。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述活性炭载体的平均粒径为60～200目，平均孔径为0.01～10nm，总孔体积为0.001～0.5cm3/g，BET比表面积为1～1000m2/g。
发明内容
本公开的目的是提供一种臭氧催化氧化联合生物活性炭的污水处理装置及污水处理方法，能够将臭氧催化氧化工艺与生化工艺耦合，污水处理效果好，避免催化剂板结，避免生化填料板结，并且生化单元无需反冲洗。
为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种臭氧催化氧化联合生物活性炭的污水处理装置，包括催化氧化反应器、生物活性炭反应器和臭氧发生器；其中，所述生物活性炭反应器同中心轴地外嵌于所述催化氧化反应器的外部；所述催化氧化反应器包括流化区、沉降区、固液分离区、第一进水口、臭氧进口、含生物膜活性炭进口、脱生物膜活性炭出口、第一出气口和第一出水口；其中所述沉降区设置于所述流化区上方且与所述流化区连通，所述第一进水口、臭氧进口和含生物膜活性炭进口设于所述流化区，所述脱生物膜活性炭出口和第一出气口设于所述沉降区；所述固液分离区套设于所述沉降区的外部，所述沉降区内设有三相分离器，且所述沉降区通过位于其上部的溢流装置与所述固液分离区连通，所述第一出水口设于所述固液分离区；所述生物活性炭反应器设有第二进水口、含氧气体进口、脱生物膜活性炭进口、含生物膜活性炭出口、第二出气口和第二出水口；所述第二进水口与所述固液分离区的第一出水口连通，所述脱生物膜活性炭进口与所述沉降区的脱生物膜活性炭出口连通，所述含生物膜活性炭出口与所述流化区的含生物膜活性炭进口连通；所述含氧气体进口与所述沉降区的第一出气口连通，所述臭氧进口与臭氧源连通。
可选地，所述催化氧化反应器还包括过渡区，所述流化区、过渡区和沉降区由下至上依次连通且同轴设置；所述流化区、过渡区和沉降区的水平截面积依次增大；所述第一进水口、臭氧进口和含生物膜活性炭进口设于所述流化区的底部；所述第一出气口设于所述沉降区的顶部；并且所述含生物膜活性炭进口位于所述臭氧进口的上方；所述第一出水口设于所述固液分离区的上部；所述固液分离区的底部还设有排渣口。
可选地，在所述生物活性炭反应器内，所述脱生物膜活性炭进口和所述第二出水口分别设于所述生物活性炭反应器的上部；所述第二出气口设于所述生物活性炭反应器的顶部；所述第二进水口、含氧气体进口和含生物膜活性炭出口分别设于所述生物活性炭反应器的下部；所述生物活性炭反应器的脱生物膜活性炭进口与所述沉降区的脱生物膜活性炭出口通过上填料管连通；所述生物活性炭反应器的含生物膜活性炭出口与所述流化区的含生物膜活性炭进口通过下填料管连通。
可选地，所述催化氧化反应器的脱生物膜活性炭出口的水平位置高于所述生物活性炭反应器的脱生物膜活性炭进口，以使所述上填料管从所述脱生物膜活性炭出口到所述脱生物膜活性炭进口向下倾斜；所述生物活性炭反应器的含生物膜活性炭出口的水平位置高于所述催化氧化反应器的含生物膜活性炭进口，以使所述下填料管从所述含生物膜活性炭出口到所述含生物膜活性炭进口向下倾斜；可选地，所述生物活性炭反应器的底部位于所述催化氧化反应器的流化区底部之上，所述生物活性炭反应器的顶部位于所述催化氧化反应器的沉降区的顶部之下；可选地，所述装置还包括臭氧发生器，所述臭氧发生器的臭氧出口与所述催化氧化反应器的臭氧进口连通。
可选地，所述催化氧化反应器包括沿垂直方向设置的内壳体和外壳体，所述内壳体包括由下至上依次连通的圆筒状的流化区、过渡区和圆筒状的沉降区，所述沉降区的直径大于所述流化区的直径，所述过渡区形成为倒圆台筒状；所述外壳体套设于所述沉降区的内壳体外侧，且形成为圆筒状的固液分离区；可选地，所述固液分离区的底面与所述沉降区的底面水平方向上平齐；所述固液分离区的顶边沿低于所述沉降区的顶边沿；所述生物活性炭反应器包括沿垂直方向设置的圆筒状壳体，所述生物活性炭反应器的壳体直径大于所述流化区和所述过渡区的直径。
可选地，所述过渡区的顶面直径与所述流化区的直径之比为1.5～20：1，优选为2～10：1；所述流化区的高度与直径之比为2～20：1，优选为5～10：1；所述过渡区与所述沉降区高度之比为0.2～5：1，优选为0.5～2：1；所述固液分离区与所述沉降区的直径之比为1.2～5：1，优选为1.5：3：1。
本公开第二方面提供一种臭氧催化氧化联合生物活性炭的污水处理方法，该方法采用本公开第一方面所述的装置，包括以下步骤：S1、使含有机物质的待处理污水、臭氧和活性炭载体进入所述催化氧化反应器的流化区进行流化式催化氧化反应，所得的反应混合物进入所述沉降区经所述三相分离器进行沉降分离，得到脱生物膜活性炭、第一气体和固液混合物料；使所述固液混合物料进入所述固液分离区进行固液分离，得到第一处理水和残渣；S2、使来自所述催化氧化反应器的所述第一处理水、所述脱生物膜活性炭和含氧气体进入所述生物活性炭反应器，使所述第一处理水中剩余有机物质与生物活性炭反应器内的污水处理菌株在曝气条件下进行好氧生化反应，得到净化水、含生物膜活性炭和第二气体；其中所述含氧气体包括来自所述催化氧化反应器的第一气体；S3、使来自所述生物活性炭反应器的所述含生物膜活性炭返回所述催化氧化反应器的流化区与所述待处理污水和臭氧接触，对所述含生物膜活性炭进行洗脱再生。
可选地，步骤S1中，以1L所述待处理污水引入量计算，所述臭氧的流速为50～20000mL/min，优选为200～5000mL/min；以1L所述待处理污水引入量计算，所述活性炭载体的引入量为50～5000g，优选为100～2000g；待处理污水在所述流化区内停留时间为0.05～5h，优选为0.1～2h，反应温度为10～40℃，优选为15～30℃；所述待处理废水的COD为60～150mg/L，BOD/COD小于0.25。
可选地，步骤S2中，以1L所述待处理污水引入量计算，所述生物活性炭反应器中溶解氧为1～8mg，优选为2～4mg；以1L所述待处理污水引入量计算，所述脱生物膜活性炭的引入量为2～500g，优选为5～200g；所述第一处理污水在所述生物活性炭反应器中停留时间为0.2～12h，优选为1～6h；反应温度为10～40℃，优选为20～35℃。
可选地，所述活性炭载体的平均粒径为60～200目，平均孔径为0.01～10nm，总孔体积为0.001～0.5cm3/g，BET比表面积为1～1000m2/g。
通过上述技术方案，本公开提供了一种臭氧催化氧化联合生物活性炭的污水处理装置及污水处理方法，将臭氧催化氧化工艺与生物活性炭工艺相耦合，污水处理效果好；通过将生物活性炭反应器II中生化反应得到的含生物膜活性炭引入催化氧化反应器I中，既可以利用活性炭载体的催化进行臭氧催化氧化反应，又可以利用流化区1中水流和气流的冲刷作用以及臭氧的氧化作用，使得活性炭载体中老化的生物膜脱落，载体得到更新，无需额外增加装置来对在生物活性炭反应器II反应后的载体进行反冲洗；通过流化式催化氧化反应还可以避免催化氧化反应器I中催化剂板结；在生物活性炭反应器II中通过悬浮式生化反应还可以避免生化填料板结；本公开采用独特的反应器设计，结合了流化床和悬浮床的优势，简化了内部结构，减少了对催化剂单独进行反冲洗去除生物膜所需能耗。
（发明人：高峰;曹晓磊）