一种臭氧同步多重催化氧化系统及其应用的制作方法

本发明涉及一种臭氧同步多重催化氧化系统及其应用，属于污水处理系统。

背景技术：

1、工业污水大多含有难降解有机污染物，具有成分复杂、浓度高、浊度高且有毒有害等特点。众所周知，污水处理厂是有效治理该类废水的重要手段，但随着更为严格的污水排放标准的进一步提高，采用传统的“生化法+混凝沉淀+消毒”污水处理工艺并不能使其满足排放标准。鉴于此，污水处理厂常采用膜分离法、吸附法、臭氧高级氧化法等方法进行深度处理。其中，臭氧高级氧化法因其可有效氧化难降解有机物、无二次污染而备受青睐。

2、尽管如此，在实际的应用过程中，臭氧高级氧化法也日渐暴露出一些问题。一是常温常压下臭氧在水中的溶解度低，因而在实际废水处理过程中需投加大量的臭氧，造成臭氧的浪费，增加了运行过程中的处理成本。二是臭氧自身虽然是一种氧化剂，但其氧化有机物的能力有限，不能将有机物完全降解，因而单独臭氧处理废水效果有限。因此，开发高效的臭氧催化技术成为工业废水处理领域研究的热点。

3、现有技术中，通过微纳米气泡(中国专利cn 112058107 a)、臭氧加压(中国专利cn203284204u，中国专利cn 208103931 u)等方法可以提高臭氧在水中的浓度，然而，臭氧自身的氧化效率并未提高。为此，利用非均相催化剂(中国专利cn 102070238a、中国专利cn104418423a)催化臭氧产生羟基自由基可有效提高单独臭氧的氧化效率，但实际废水处理过程中催化剂容易板结而失活。因此，开发配套设备同时提升臭氧浓度及臭氧的氧化效率是十分必要的。

4、目前，虽然例如cn211170044u所展示的气液混合的臭氧催化氧化的基础结构，但是由于其气液混合方式采用的方案是射流器混合且催化剂布置方式是具有一定厚度的床层，过程存在臭氧混合后的气泡尺度大、臭氧溶解度低、臭氧利用率低、催化剂床层扰动易磨损、气液混合透过催化剂床层的动能消耗大的问题，导致无法实现高效的利用臭氧和高效的催化氧化污染物的目的。

5、另外，当前的臭氧催化氧化系统虽有例如cn117699950a的结构能够形成旋流态气液混合流体，但是其前端加压技术方案是采用臭氧气体和回流液体分开单独加压后再在水气高频切割溶气器中混合，首先臭氧气体在单独压缩时存在发热衰减臭氧分解的问题，会导致臭氧损失过多利用率低，其次在水气高频切割溶气器中的旋流的作用仅仅是混合气水的作用，导致臭氧在到达后面的催化氧化单元前又增加滞留时间，并没有在该单元立即进行催还氧化，臭氧又会进一步的衰减分解，导致臭氧利用率再次降低。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种臭氧同步多重催化氧化系统，包括：

2、臭氧发生设备，用于产生臭氧；

3、进气液管，所述进气液管分叉为主通管和次通管，用于通过污水；

4、气液增压泵，与所述臭氧发生设备和所述次通管连接；以及

5、臭氧催化氧化池，与所述气液增压泵和所述主通管连接；

6、其中，所述臭氧催化氧化池包括位于底部的主通口和次通口、位于顶部的出液口、位于内部且连接底部中心位置和顶部的套管，所述套管内装有紫外灯，所述臭氧催化氧化池内壁还贴附有非均相多金属活性炭纤维材料。

7、进一步地，所述臭氧发生设备包括纯氧罐以及与纯氧罐连接的臭氧发生器。所述臭氧发生器和所述气液增压泵之间设置有气体止回器、气体流量阀、气体流量表，所述次通管上设置有液体止回器、液体流量阀、液体流量表。

8、在本发明的一种实施方式中，所述臭氧催化氧化池是圆锥筒形结构，设置成这种结构的好处是下部的进水形成的旋流半径大，过水断面大，流速相对较低，停留时间较长，由于刚进入的污染浓度最高，需要较长的停留时间进行催化氧化。随着旋流上升，污染物浓度降低，但剩余的都是更难降解有机物，圆锥筒形结构上部半径更小，旋流更加靠近紫外灯，紫外光照强度更大，催化氧化强度更高，实现强化催化氧化难降解有机物。

9、进一步地，所述次通管沿所述臭氧催化氧化池底部圆周的切向与所述次通口连接，所述主通管与所述主通口连接，当污水通过次通管和次通口后能够在所述套管和所述臭氧催化氧化池内壁之间形成上升的旋流和湍流并不断进行内外侧污水的循环转换，所述内侧指的是臭氧催化氧化池内部靠近紫外灯的一侧，所述外侧指的是臭氧催化氧化池内部靠近非均相多金属活性炭纤维材料的一侧；旋流上升的污水不断湍流并转换内外侧，在内外侧臭氧同步多重催化氧化作用下，污水中的多环芳烃、多氯联苯或偶氮染料类别的难降解有机物可以得到显著的强化去除，所述套管为石英套管。

10、进一步地，所述均相多金属活性炭纤维材料的具体制备方法包括：

11、首先，制备feceti溶胶，将一定量的硝酸铁、硝酸铈和钛酸四丁酯溶解于无水乙醇中，然后加入一定量的乙酰丙酮，用浓硝酸或浓盐酸调节ph至4-5，持续搅拌一段时间后加入一定量的聚乙二醇，随后在水浴20-80℃下持续搅拌1-4h即可得到feceti溶胶，在室温下陈化5-15h；其次，采用浸渍法将活性炭纤维毡浸渍于feceti溶胶中，取出后烘干，重复浸渍3次后，将活性炭纤维毡烘干后在200℃以上温度下煅烧制备得到非均相多金属活性炭纤维材料，这种非均相多金属活性炭纤维材料能够和uv联合促进催化臭氧产生羟基自由基，提高臭氧的利用效率。

12、在本发明的一种实施方式中，所述紫外灯产生的uv波长为254mm，可通过uv/o3或uv/非均相多金属活性炭纤维材料促进羟基自由基的产生。

13、第二方面，本发明提供应用臭氧同步多重催化氧化系统处理污水的方法，所述方法包括如下步骤：

14、s1：将污水通过主通管通入臭氧催化氧化池，直至臭氧催化氧化池内充满污水；

15、s2：打开气液增压泵，打开并调整液体流量阀，将污水通过次通管通入臭氧催化氧化池，使所述次通管上的液体流量表控制在0.1～1m3/h水平；

16、s3：打开紫外灯，功率或照度控制在100～300w水平，等待臭氧汇入后自行开始uv催化氧化反应；

17、s4：依次打开臭氧发生设备、所述臭氧发生设备和所述气液增压泵之间的气体流量阀，将进入臭氧发生设备的进气流量控制在0.1～0.3m3/h水平，随后气液增压泵开始向臭氧发生设备汇入臭氧气体，并保持固定比例汇入；

18、s5：在气液增压泵中混合臭氧气体和污水，并将气水比例条件控制在10:1～1:1，使得饱含溶解态和纳米气泡状气态臭氧的污水从臭氧催化氧化池底部进入，在紫外灯和非均相多金属活性炭纤维材料的双重催化氧化作用下将多环芳烃、多氯联苯或偶氮染料类别的难降解有机物强化去除，最后将处理后的污水从出液口排出。

19、在本发明的一种实施方式中，控制所述气液增压泵提高臭氧和污水混合液压力至0.1mpa-0.4mpa，通过气液混合加压过程，利用液体较大的比热容可吸收气体压缩产生的热量而温度不明显上升，避免臭氧热衰减。气体溶解随压强增加而增加，加压至0.1mpa-0.4mpa可显著提高液体中溶解态液臭氧的浓度，可提高催化氧化的效果。

20、第三方面，本发明还提供该方法在处理市政生活污水、印染行业污水、电镀行业污水、光伏行业污水的应用。

21、本发明的有益效果：

22、1、本发明通过设置气液增压泵连接臭氧发生设备和污水源以实现同时进气和进水，大大提高臭氧在水中的浓度，且高于传统的射流器气水混合技术方案下末端臭氧在水中的溶解度，高浓度溶解态的臭氧能够更好的促进对溶解态污染物的氧化效果，气液同步加压溶解生成高浓度臭氧水的技术方案能够更好的促进臭氧氧化去除污染物；同时，气液同步加压过程中液体和气体混合在一起加压，由于液体比热容大，气体压缩发热被液体迅速吸收而温度升高幅度极小，气液同步加压能够解决传统臭氧单独加压的发热分解衰减的问题，提高了臭氧利用率。

23、2、在气液同步增压产生的气液混合水中，一方面由于加压作用，水中的溶解态臭氧浓度会提高，另一方面由于气液增压泵增压后未溶解的臭氧气体会以纳米级气泡分散在液体中，这类气泡稳定分散于液相中，当溶解态臭氧被消耗后，纳米气泡中的臭氧可以迅速补充到液体中，因而系统中气液增压泵的使用方案增强了气液传质过程。

24、3、臭氧催化氧化池进水采用沿圆锥形臭氧催化氧化池的底部切线方向进水的技术方案，使得进入的臭氧与污水的混合物呈旋流上升流态，即使溶解态的臭氧有析出为气态，但在旋流的湍流流态中仍混合在污水中；同时，前端气液增压泵产生的纳米气泡由于分散稳定性好，可保持与污水及催化剂或uv的持续接触作用，而非迅速上浮到液体表面逸散，臭氧利用率高。气液增压泵与新型的臭氧催化氧化池联用的技术方案具有显著的提高臭氧利用率的效果。

25、4、通过非均相多金属碳纤维材料和uv联合促进催化臭氧产生羟基自由基，提高臭氧的利用效率。废水在沿着池体切线方向旋转上升的过程中，靠近臭氧催化氧化池中心附近可以通过uv/o3促进羟基自由基的产生，而靠近池体内壁附近可以通过贴负在内表面的非均相多金属碳纤维材料催化臭氧实现高效产生羟基自由基，从而极大提升废水的处理效果。同步采用非均相催化剂催化氧化和uv催化氧化，且在同一反应器的旋流内外侧的空间布置的技术方案，并非采用分段式的分段布置，可以节约反应池的空间需求，减小工艺系统的体积，节约空间。

26、5、将非均相多金属碳纤维材料贴附在臭氧催化氧化池的圆锥形结构内表面上，废水在池体中持续通过切线方向旋流上升和材料进行接触反应，非均相多金属碳纤维材料表面始终有较大的污水流速，连续的水流自清洁条件下，污泥不会在非均相多金属活性炭纤维材料表面沉积，可以避免非均相催化材料在处理过程中因结垢而失活问题。

27、6、臭氧催化氧化池中用于uv催化氧化的套管始终有旋流环绕，旋流中由于还含有臭氧水中析出的气泡，石英套管外表面即会不断有气水混合液的冲刷，进而也具有自清洁的功能，可避免石英套管表面污染或结垢覆盖后uv透射率下降导致的uv催化氧化效能降低的技术问题。

28、7、整个系统从主进水管中部分引水加压溶解臭氧气体，加压溶解气体涉及的水量小，相比于传统射流溶气技术中所有污水都参与循环射流溶气的工艺路线，本发明采用了加压溶气、旋流混合、同步多重催化的技术方案，所需气水混合能耗更小，工艺系统更加节能高效。