[发明专利]用于改善气液传质的气体分散装置

说明书

背景技术

臭氧是一种有力的消毒剂且用以氧化来自饮用水的有机污染物，包括天然存在的产生味道和气味的化合物。臭氧还用于来自废水二次处理的流出物中以在作为间接饮用水再次使用或排放到水体中之前从水中除去痕量的有机污染物和内分泌破坏化合物(EDCs)。EDCs可在例如药物残留物、杀虫剂和除草剂以及个人护理产品的许多成分中见到。臭氧对于废水的三次处理的该应用比臭氧的其他用途发展更快，这归因于水荒和对于EDCs对水生生物的影响的担忧。对于涉及饮用水或城市废水处理的大多数应用，在排放到河流和湖泊中之前，典型的臭氧剂量在3mg臭氧/L水-5mg/L范围内。在这些应用中的水流速取决于其供应的人群且通常为约700m³/h或更大。用于处理工业废水和用于诸如脱色的专门应用的臭氧剂量为10mg/L至数百mg/L，但该水流速较低，为约150m³/h或更低。

对于通常在化学污染的地下水场所中见到的诸如MTBE、TCE、1,4-二氧六环等合成有机污染物，使用“提前氧化(advanced oxidation)”方法来进行水处理。该提前氧化方法组合了过氧化物和溶解于水中的臭氧以生成反应性高的羟基，这些羟基自由基使顽抗的有机污染物氧化。羟基自由基通过水相中在臭氧和过氧化氢或催化剂之间的反应生成。该提前氧化方法用以处理工业工艺水以便在成套设备中再次使用或者之后排放被污染的流出物到都市下水道或环境中。

臭氧气体一般在基于电晕放电的发生器中由空气或高纯度氧气生成。在气相中臭氧的典型浓度视发生器功率和在用以产生臭氧的进料气中氧气的浓度而为3-14%。对于有机污染物的氧化，基于臭氧的水处理方法取决于臭氧从气相到水相的传递。对于水处理目的，已经使用了各种方法来使臭氧从气相传递到液相。

所有这些方法都取决于在气液界面处产生混合或相对运动和在使臭氧从气相传递到液相的工艺操作条件下臭氧的溶解度。选择设备的关键准则包括在操作期间消耗的能量、所要的臭氧剂量率、设备的成本和尺寸及臭氧传质效率。臭氧传质效率定义为在工艺期间引入的臭氧气体溶解于水相中的百分数。为了增加臭氧的传递量且因此增加臭氧传质效率，需要在高于常压的操作压力下使用约8%或更高(重量)的高浓度臭氧。该高臭氧浓度降低了在气液混合装置中必须处理的气体的量且增加了臭氧在水中的溶解度。在高于常压下操作该工艺也增加了臭氧在水中的溶解度。高臭氧浓度和较高操作压力的组合效应为增加的气体传质驱动力，这改善了臭氧传质效率。在来自该工艺的流出气流中的残留臭氧代表在臭氧发生器中浪费的能量且引起氧气成本增加。该流出气流必须通过臭氧破坏单元以便除去未溶解的臭氧，随后安全地将气体排放到大气中。

工业臭氧发生器通常在15psig-30psig (103.4kPa-206.8kPa)的气体压力下生成臭氧。在较高压力下，电晕放电发生器的能量效率和产生容量降低，使得在大于15psig (103.4kPa)的压力下生成臭氧的费用更高。这将经济的臭氧气体源限制到15psig (103.4kPa)。利用在高气体压力下的较好的传质效率，基于文丘里喷射器的方法优于其他方法之处在于在常压或略高于常压下操作。然而，文丘里喷射器自身提供臭氧从气相到水的低溶解度。质量传递大多在气体由运动水流抽吸的喉部中发生。在喷射器的下游，混合效率低且仅提供有限的额外质量传递。为了改善喷射器下游的臭氧溶解，使用了静态混合器。该静态混合器需要通过其的高流体速度以将气体混合到水中，从而传递臭氧。所需要的最小速度对于静态混合器具有特异性且产生混合器两端的大压降，因此增加了工艺的能量需求。

用于水处理目的的一种将臭氧从气相传递到液相的已知方法为泡罩塔或盆式反应器，泡罩塔或盆式反应器包括大塔或盆和位于该塔或盆底部的多个气体扩散器。在一些实施方案中，该等气体扩散器可位于水下约15-20英尺(4.6-6.1米)。该塔或盆用被污染的水连续填充且臭氧气体引入通过气体扩散器。臭氧气体的细小气泡在塔或盆中上升通过水，这在盆中提供混合和水的湍流且促进臭氧溶解到水中(在本文中也称作“臭氧传递”)。臭氧传递效率可通过从塔或盆的顶部捕集未溶解的臭氧并使其再循环和/或使臭氧通过使用挡板的一系列塔或盆来改善。根据臭氧剂量和盆设计，在一些实施方案中，盆的一部分或两部分用于气体喷雾，而剩余部分用于完成溶解气体去除和对于该水所要的臭氧接触时间(CT)。在达到所要的CT之后，将处理过的水从盆中除去。