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臭氧投加装置>池式鼓泡反应器

 
     
     
     
 

 1.臭氧通过多孔管鼓泡

    此法始终是最广泛用于水臭氧化的接触装置,特别在净水处理中。扩散元件一般是多孔陶瓷管。不过,不锈钢底板或塑料扩散头也可以用。

    扩散器装于喷射或接触池的底部,在池内必须保持充分的反应时间,例如水平均停留时间达到 20min 。标准布置是隔成一连串的四到六间径流室。如图3 和图4 所示。


 

    此法基于活塞流反应器原理,接近“间歇型”反应动力学。所以,总臭氧消耗可分成相应几股支流进到每座相邻室内,以维持一个较稳定的溶解臭氧剩余浓度。这一方法的目的是来分解难降解化合物并保证最后处理的杀病毒作用。大多数情况下,第一次投加满足直接臭氧要求,可设计成投加总臭氧量的 50%~70% 。在第一接触室内一般保持 8.333 × 10 -6 mol/L ( 0.4mg/L )的剩余臭氧浓度,它是靠投加平衡量的臭氧予以保持的。

    扩散器应产生具有平均有效直径约 2mm 的气泡。实际应用中是将孔径大小 50~100μm 的扩散器安装在水深 4~6m 的池底上。此种淹没式多孔扩散器的水头损失必须保持在 300~500mmH 2 O 。每座接触池内平均气体流量一般保持在水流量的 10% 以下。

    气泡直径 r=2mm ,然后根据气泡表面积估计每 m 3 水气液交换总有效面积,近似等于 0.150m 2 /m 3 水。

    在传统接触池中,水的平均下流速度约等于 4~5cm/s ,它对气泡上升速度作用有限。目前趋势是水的下流速度提高到 10~15cm/s 。这种方法要求在足够的压力下(例如达到 0.07MPa )投加臭氧化气以克服水柱的以及扩散装置的水头损失。为防止水中夹吸的气泡进入到邻室,隔板之间水的移动速度应限制在低于 30cm/s 。要想利用它们作为一项防护设施,各个隔开的室必须在气相上相通。投加室应设计成在每一可能的情况下均能避免短路,以及避免随之发生的投加到过量区或不足区(图5 )。


 

    依试验条件不同扩散固有损失可在进气浓度的 5%~20% 间变化。

扩散法的优点有:

( 1 )稳定运行无需麻烦的机电维护;

( 2 )通过简单重复投中操作可保持其臭氧剩余浓度;

( 3 )可使气体投加能力一定的设备容量加倍。

此法的缺点是:

( 1 )空气气泡未经空气与水的密切混合而垂直“沟流”的可能性,臭氧气泡接触效果差;

( 2 )喷射管道上孔隙分布对确保均匀投加十分重要。管道破裂或泄漏,形成臭氧化空气的“喷枪”,会缩短可用于传递的时间;

( 3 )在多孔管表面上那些喷出高浓臭氧化空气的地方,有铁、锰氧化物沉积在上面的可能性,结果孔隙率改变;

( 4 )上升过程,气泡由于静水压的降低而膨胀,浓度和压力降低,趋向使溶解减少。为确保足够的空气压力,要投加的臭氧需要电能 2~3W · h/g 。

2.改良型涡流扩散器

    为预防臭氧接触过程短路,前联邦德国的迪伦( Doren )市设计了一座很精致的塔式接触装置,采用液体环流涡轮运行。其原理图,就像是把扩散器用于静止接触一样的用于动态扩散装置。在这一设计中,传递区内净接触时间延长到约 150s 。此处所举的接触塔的基本设计能力 600m 3 /h 。使用气液环流涡轮运行即使在出水剩余臭氧浓度 1~ 1.2g/m 3 时,其损失也在 5% 以下。此方法的成功在很大程度上归因于对称构造避免出现短路。

3. 加格诺克斯重复扩散器

    瑞士索特( Sauter )公司的加格诺克斯( Gagnaux )创立了一种供二次投加用,单室立式重复喷射叠加接触池的特殊设计方案,如图7 所示。


 

    这项工艺是基于用水平流动液体传输气体的设想,能利用首次预臭氧化过程中部分用过的工艺气体。特别令人感兴趣的是除了使水流动以外它不需要别的能量,而且,同前面讨论过的双室扩散池相比,能用比较低的造价达到较长的接触时间。此系统建议用固定混合器作扩散器,因此运行费和用扩散器时的相类似(每投加 1g 臭氧约需 2~3W · h )。鉴于这项工艺完成臭氧投加的能力主要依气泡上升与水的水平流动的相对速度而定,因此,它的适应能力低。在这种双层投加中,总臭氧损失能降低到小于 5% 。

4. 范德梅式和威尔士巴哈式扩散器

    其他以多孔元件向水中扩散臭氧用的较古老装置有范德梅( Van der Made )式扩散装置 [ 图8 ( a ) ] (顺流),以及威尔士巴哈( Welbach )式扩散装置 [ 图8 ( b ) ] (逆流)。这两种类型接触装置中的臭氧损失,在单位接触电耗 2~3W · h/g 时普遍达到 20%~30% 。


 

5. 托里拆利接触池

    另一种臭氧接触装置是托里拆利( Torricelli )接触池,池内尾气中的臭氧再次扩散到进水下游的水里(图9 )。含臭氧气体的主要扩散是在用隔板隔开的 2m 高的池内,以及 10~12m 高的进水和出水管中,用多孔芒散器完成的。此装置的典型特点是,工艺气体首次投加后水力加压到 30~50kPa ;所以,气相的泄漏是该装置运行的主要问题之一。向下流的预臭氧化柱内,水流速度低于 160mm/s 。

    在停留室内传统剩余臭氧浓度( 4.17~8.33 )× 10 -6 mol/L ( 0.2~0.4g/m 3 )情况下,该装置内的损失小于所加臭氧的 5% 。运行费可按如下估算:用于臭氧接触(水头损失 >1m )至少 1W · h/g 臭氧;用于臭氧生产工艺气体加压按 4~5 W · h/g 臭氧估算。

6. 固定混合器和超声混合器

最近研制出的固定混合器能代替多孔扩散器。或许除了索特公司制造的 VAR 混合器外,这种设备的使用还没有普及。其他类似设备包括有肯尼克斯( Kenics )型、高河( Koch )型、科马克斯( Komax )型等混合器 [ 图10 ( a ) ] 、罗斯( Ross ) ISG 型和扬克尔斯超声( Yonkerssonic )型混合器 [ 图10 ( b ) ] 。

    同用于快速反应化合物处理(包括瞬时杀菌作用)相比,这些装置似乎不大适合于维持其剩余浓度的臭氧投加。在无臭氧反应化合物存在情况下的精确臭氧损失不得而知,但估计要 10%~20% 。此型装置运行所用水气比适应性,是用来选择专用设备的一项基本条件。生产规模使用的运行费尚未得知,但可按每接触 1g 臭氧 4~5W · h 估计:其中气体调节用 2~3W · h ;校准水流量用 2 W · h 。在超声混合情况下,引进到高能场内的液体被扩散成水滴状,通过气液交换,气体被扩散成“微小气泡”进到液体内。在高水流量和低气量(约 1% )情况下,超声混合器产生极微型气泡。这种装置在较传统运行方式下,例如每四份液体一份气体,其产量类似于传统装置的结果。关于超声混合装置的中型或大型应用实际费用估算,目前还没有。

7. 喷射器接触器

    历史上,自 1906 年奥托法子尼斯应用以来,用喷射器溶解臭氧是大规模应用的头一种装置。最新的改型为部分喷射器(用一般支流同臭氧接触),由此还产生了直接“管道喷射”和完善的重复喷射,诸如“缓慢降流喷射”包括:“深井”法或“大湮没”法等。现时称作联合碳化公司分压喷射器的格瑞斯( Grace )同向流接触器也是基于相同原理的接触器。

    奥托全喷射装置(图11 )——文丘里喷射器中,臭氧化气被水系统的流动抽吸到 5~6m 深的接触塔内。使用无压工艺气体时,在水射器膨胀区内必须保持最低降流速度为 40cm/s 。喷射的各相“最小”水头损失,约为 2m ,不过,实际生产中水头损失高达 20m 也是经常碰到的。为防止尾气流量的骤然变化这项水头,损失是必要的。

    在上述情况下,臭氧接触所需能耗达到 15~20W · h/g 臭氧(有可能达到 31W · h/g 臭氧)。对于一级简单喷射来说,损失常高达引进臭氧量的 30%~40% 。因此,除了用于某些预臭氧系统或许有益外,这种装置是不太适合的。鉴于工艺气体可以是无压的,尾气抽吸到另外的接触池似乎是该装置有吸引力的方面之一。气水流量比往往是严格的,但这一困难可利用几只喷射器并联运行消除。

    臭氧化气直接喷射到输水管内,对开发臭氧接触装置将会有吸引力。该工艺被命名为“水动力学喷射”法,并做过试验。这种装置含溶解臭氧水的喷射支管,方向与主水流的方向相反。其相对速度如图12 所示。支流流量约为总流量的 1/10~1/15 。当支流水加入到主水流中时因气泡形成引起一定膨胀,支流水的总压力有一定增加。无需长时间溶解臭氧剩余杀菌作用,即可得到良好的杀菌效果。

    有关溶解率或排气口臭氧逸散损失率尚无实际运行数据发表。此项工艺的主要问题是气体喷射后附带有气体洗提,这对排放吹脱出的氮气是必要的,但尾气中可含有数量变化不可预计的臭氧。由于此法不宜使用一般材料,对腐蚀问题必须给以特别注意。

    在臭氧处理水量低的情况下,如果主流水压为 5kgf/cm 2 ( 1kgf/cm 2 = 10 5 Pa ),采用水动力学喷射法投加能耗可下降到 0.5W · h/g 臭氧。此法适用于部分原水的预臭氧化以促进混合效果。

    还有文献中叙述了为改善臭氧总效率用的多级总喷射器系统。为控制“喷射器系统”的费用,已建议用部分喷射法,此时臭氧化空气为部分水吸入并与之混合,然后,混合水再投加到接触池底部,在池内要处理的水是循环流动的。显然,从反应机理和反应动力学观点看,该装置使一部分水过度暴露,而其余最主要部分的水没有直接用高浓度下的臭氧化空气予以处理。通常,喷射器运行的气与水的体积比由以下决定:

( 1 )喷射器管在水中淹没深度的降低作用;

( 2 )水压的提高作用;

( 3 )对某一定喷射器在足够水压下所能达到的最大值。

    在理想操作情况下,臭氧损失可能低于 15% ,但适应能力差(气水体积比变化小于 20% 是允许的)。在不适宜环境下此装置往往难以运行从而不能满足实际需要,如果这样运行损失明显增加。

    支流喷射器可在低反压下(法国 CEO 或杜塞尔多夫系统)运行,也可在高反压下( Chlorator 系统)运行(图13 )。这些装置适合于无压臭氧化气喷射使用,喷射深度一般限制在 5m 以内。

    支流占总水量的 5%~10% 。低反压系统,在理想运行条件下,能以电耗 4W · h/g 臭氧实现臭氧接触(如杜塞尔多夫系统)。至于高反压法,平均电耗可上升到 10~20W · h/g 臭氧,但也有过实际电耗高达 30~45 W · h/g 臭氧的报道。如在柯尼斯堡( Konigsberg )和萨尔斯堡( Salzburg )。

    最重要的是,必须认识到这种方法正为更新的方法所超过,在目前开发中,只在有可利用的水压时,例如通过重力水头以及在某些用做预臭氧化阶段重复投加的情况下,才可以强调它的使用。这种装置因缺乏灵活性可导致系统复杂化,系统内装有若干不同额定流量的喷射器才可使运行能比较灵活。

    臭氧在喷射器系统内的传递,是由于喷射器筒内的强烈搅动使压力逐渐增加达到某最大值而被加速的。喷射筒内降流速度 >2m/s 。

    对气泡移动速度和臭氧气体传递较好理解的结果是降低待处理水的降流速度(图14 )。这一方法的优点有:

( 1 )可以不用机械设备搅拌;

( 2 )该法当臭氧在空气中的浓度逐渐降低时,作用在空气气泡上的静水压力逐渐增加,可加速溶解。

此法的缺点有:

( 1 )空气气泡有垂直通过的趋势,只一部分臭氧气泡直接与水接触;

( 2 )气水比的极端重要性使得某一定设备运行的灵活性差。该法特定在空气流量为水流量 5%~10% 的实际运行条件下使用;

( 3 )设备安全需要高度可靠性,以免水流量不足时臭氧泄漏;

( 4 )接触塔内的废空气一排放就有吹掉剩余臭氧的可能性。


 

    为利于臭氧化空气的扩散,进入装置的气体最好至少有 50kPa 的压力,由此造成的比能耗约为 2~3W · h/g 臭氧。臭氧化气的投加点必须设在出水水位之上至少 30~50cm 处。由临界降流速度产生的水头损失为 80~150cm 。总压力需要有效范围在 1.2~2m 水柱之间。附加总消耗依水流的整体设计而定,所需能耗一般约 2W · h/g 臭氧。为投加 1g/h 所需总能耗在 4~5W · h/g 范围内,虽然运行的灵活性差,全部喷射工艺显示出可与多孔管喷射装置相比的性能。

    这种方法已有生产装置,诸如维也纳华格纳 - 比洛( WaagnerBiro )制造的多少有些像格瑞丝( Grace )顺流接触器(现名联合碳化公司正压喷射器)的萨莫斯( Submers )反应器。

    萨莫斯反应器(图15 )内,一台潜水泵按系统运行所需水头使处理水循环。臭氧化处理所用基本设计值为:喷射筒内降流速度≥ 30cm/s ,循环管内水头约 1~1.2m 。喷射筒深根据总设计可 4~10m 不等。

    萨莫斯反应器基本设计是设想用 1 : 5 的气水体积比循环总水量的 10%~20% 。在总接触池内按需要可安装多台萨莫斯设备,以便满足要求。所以,原则上此种方法适合于低臭氧需量之用。如游泳池水处理或地下水消毒。至于高度污染水的处理要靠安装必要数量的设备。

    为扩散进气,臭氧化处理最好在气压 50kPa 下运行,因而为此目的 2~3W · h/g 臭氧是必要的,每台设备水提升附加电耗达 2W · h/g 臭氧。因此,对于一台用空气作工艺气体的设备来讲,总电耗为 4W · h/g 臭氧。同样扩散,用快速潜水泵水射器装置时更费,而且溶解率会降低些(如潘博塞 Penberthy 水射器)。

    格瑞斯顺流接触器中,可供设计用的基本方案是那些缓慢降流喷射器(图16 )。此装置需要通过进气与进水(假定进水是高臭氧耗量的水,如污水)直接接触形成气泡。因此该法与同用于氧饱和的 ICI 型深井工艺有关。该装置基本上建议使用富氧工艺气体,结果,它很适合在一次运行中同时做延时充氧和臭氧化用。用在接触上的能耗,应是在缓慢降流喷射系统的能耗上加上在连续隔板内供阶梯形溢流用的附加水头。这种接触装置应同臭氧化 - 充气(爆气)综合工艺相比,而不是单同臭氧化相比。


 

8. 涡轮混合器

    曲面叶片径向气体涡轮混合器臭氧接触

    比利时布鲁塞尔梅塞河上的泰尔费给水站,用一种空气扩散涡轮混合器进行过一些生产性试验。在水流通过带隔板的池子时,完成臭氧向水中的喷射(图17 )。每一间喷射室的平均停留时间为 2min ,经 5min 总接触时间(喷射时间 2min ,剩余作用时间 4min )后测定水中溶解臭氧的剩余浓度。

    无论臭氧化还是预臭氧化,每一间喷射室都是 3m × 3m 的方室。涡轮混合器装在臭氧化水面下 5m 处。在循环室或再喷射室,臭氧化空气是在 3m 水柱之下扩散。预臭氧化部分设有一台压缩机。臭氧化空气扩散器是一台工业用带反向曲面桨叶叶轮的径向涡轮混合器。当涡轮以 2840r/min 旋转时,为有利于导入涡轮的空气向横向扩散,在水平板上装有复杂的导流板。只有由扩散作用产生的运动通过涡轮传递到液体。装置的一般构造如图18 所示。运行电耗按喷射情况平均 2~3W · h/g 臭氧。

为改进气体涡轮混合器的臭氧接触,已采用液体(如水)部分循环。尽管仍然基本上是气体扩散装置,但凯拉格( Kerag )涡轮能使部分液体循环(图19 )。

    此型装置在标准水压力下,能扩散 25~1000m 3 /h , 2m 淹没深度下 15~500m 3 /h. 该设备的扩散能力随淹没深度急剧下降,如在 0.05Mpa 时 7~250m 3 是它的可比极限。因此,这种装置基本上是一种能使部分液体环流的表面气体扩散器,经常安装在待处理水水面之下。其本质是密集的臭氧化气气泡同水的瞬时相互作用,而不是某种剩余臭氧浓度的延迟作用。根据中试研究,出口处臭氧损耗有 20%~30% 。同时,为保证充分抽吸作用,扩散器约需 7~10W · h/g 臭氧。该法似乎不大适合用于主臭氧化,但能有益的适合于预臭氧化。这项工艺是先进的,能产生极微小的气泡。所以,它多少有点与双层传递原理不同。为限制能耗适合采用支流工艺。例如,像克拉林根( Kralingen )的鹿特丹水厂那样(20 ),重复接触也能对这种装置有利。

    虽然这种设备不是按机械搅拌器的历史发展,但目前所采用的液体环流设备原理要比气体扩散涡轮更有效。况且,还考虑过在气体扩散装置中无液体环流时免不了因压缩 - 减压使部分臭氧分解的可能性。 Kerag 型涡轮混合器是对这些气液环流理论的一次探讨。

    某些根据此种气液环流理论设计的小型和中型试验装置已得出满意结果,并提高了杀菌作用的效率。

    当将一台螺桨混合器淹没到容器约 1/3 的深度时,通过以适当速度转动涡轮能造成一股涡流。这种运动传动到液体上能将 0.05Mpa 的臭氧化空气卷吸到涡流区造成臭氧的直接溶解(图21 )。在适当操作条件下,此法能得到良好的溶解率,而且臭氧损失量小于投加量的 5%~10% 。

    在臭氧溶解过程中,总接触时间起重要的作用,并且极大的影响着液体环流接触过程的处理效率。所以,进行了液体环流旋转混合器进气有帽分散和无帽分散试验。

这项工艺的优点有:

( 1 )保证每一部分水同引进的浓臭氧化空气密切接触;

( 2 )臭氧化空气压力可限制在 0.015~0.02Mpa, 因为喷射点不需要淹没 1.5m 以上。

( 3 )溶解率高,而且环流法促使“密集臭氧气泡接触”,瞬时杀灭细菌。


 

    螺桨混合器环流特性可按连续混合进行计算。该法提供一种好的喷射管环形构造,进水在其内的降流速度最好保持在 15~20cm/s 。这种速度有助于空气气泡的镇定。

    此法的运行能耗:用于空气压缩为 0.5~1W · h/g 臭氧,用于使螺桨混合器能产生一级喷射时约 3W · h/g 臭氧(图22 )。

    在泰尔费水厂初步生产性试验后,该厂已用液体环流爆气涡轮装备了二次喷射系统(图23 ),这种环流叶轮构成的涡轮,抽吸并混合臭氧化空气到环流水中。一台喷射能力 100m 3 /h 的涡轮装置,配以 1450r/min 电机(防止明显超负荷)。在正常运行期间,水和空气是等量运行的,例如:每小时 100m 3 的空气加到 100 m 3 /h 的水里所用电机功率为 5.5kW · h. 此设备允许正常运行范围可从其总运行能力的 50% 至 170% 。如减少进入系统的空气量,循环的水量就加多,环流的空气 / 水混合流体,通过一系列设置在偏转叶片间的轮齿形成流管扩散到待处理水中。这种涡轮起着如同在水平偏转叶片间隆起部分有一系列喷射器的作用。


 

    此型装置的一个明显优点是,即使在水中保持了较高剩余臭氧浓度时也可获得良好的溶解。当减少空气量而增加水量运行时,溶解量增加。由于涡轮是自吸的,因而臭氧化空气在投加前不一定需要加压,无需中间压缩机,所以这种涡轮特别适合预臭氧化工艺使用。

    此型装置的能耗,按同空气扩散器可比的算法表示,一台标准喷射能力 100m 3 /h 的为 5.7kW · h 。这些数字相当于每喷射 1g 臭氧近似 5~6W · h ,如果臭氧是用压缩空气发生的话,最后还必须加上空气压缩的能耗( 2~3W · h/g 臭氧)。泰尔费水厂为全部生产能力最后安装的涡轮混合器有较高的喷射率(臭氧化用 Frings600TVAS 型;预臭氧化用 900F-VAS 型)。

    在臭氧化处理阶段,正常喷射力为 200m 3 /h ,但气流可能在 150~300m 3 /h 之间变化,在泰尔费水厂,供涡轮抽吸的工艺气体有 0.05Mpa 的压力可以利用。在 1~4m 自吸水头下涡轮环流有效气量在 110~215m 3 /h 之间。这一自吸水头等于扩散导流片与保护管出口之间的液位差。预臭氧化阶段,在 3.1m 的淹没深度下,涡轮所抽吸的气量为 320m 3 /h. 正常运行下涡轮的最小抽吸深度为 1m 。

    生产规模试验结果与该装置初步试验期间所得结果一样。得出以下结论。

    在为任一特定情况选择臭氧 / 水接触装置的工作当中,应在可比基础上考虑以下基本的和工程的依据:

( 1 )在一定水中剩余臭氧浓度下平均出口损失相当于可得到的实际溶解量;

( 2 )在可靠的臭氧消耗基础上报告的该装置运行总费用;

( 3 )气 / 液接触比的灵活性;

( 4 )瞬时气泡接触与延时剩余溶解臭氧的综合作用;

( 5 )重复作用或多级接触装置综合的可能性;

( 6 )气泡大小分布接近接触方法的理论效果;

( 7 )长期运行简单性与因运动部件或固定元件阻塞而复杂化的比较;

( 8 )在有压还是真空装置中运行同尾气可能泄漏的关系;

( 9 )接触池抗腐蚀防护或更换的必要性;

( 10 )接触池构造上高负荷流量情况的可能性。

表 5-3 给出以上讨论过的各型臭氧接触器特性的比较。

表 5-3 接触装置性能比较

装 置(举例)

主要优点

主要缺点

预计平均运行能耗/ ( W · h/gO 3 )

多孔元件扩散,迪伦,奥伯莫克

稳定

堵塞和沟流

2~3

重复固定喷射, Sauter

稳定

视临界流量而定

2~3

固定混合, VAR 混合器,Kenics , Ross ISB

稳定

损耗

4~5

超声混合, Yonkers 混合器

稳定

费用

未知

全喷射(快速) Otto , PPI

高接触率

高损耗

15~20

管道喷射(水动力式)

低费用

波动

0~5

部分喷射

 
 
 

高反压: Chlorator

高紊流,溶解

局部过臭氧化或不足

10~45

低反压:法 CEO ,杜赛尔多夫

无动力部件

4

缓慢降流喷射:华格纳 - 比洛,萨莫斯

 

沟流

4~5

喷淋塔

低投资

 
 

填料塔或板塔

高产量

高损耗

未知

气体涡轮混合器,比利时布鲁塞尔泰尔费

破碎

堵塞并压力相关

15~40

表面涡轮: Kerag

易接近

O 3 气泡接触塞(损失)

2~3

涡轮装置

简单

损耗

4~6

环流螺桨混合器

高气泡接触

试验性的,不稳定驱动涡轮

5~7

 
     
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