TWI418522B - 用於將臭氧溶於水中及催化性氧化的設備及方法 - Google Patents
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Description
本發明關於一種用於氧化處理水的系統及方法，其中將臭氧氣體溶於水中。
臭氧為一強而有力的消毒劑並且係用以氧化來自飲用水的生物可降解的有機污染物。臭氧可用於移除於地面水中的藍綠藻所製造之產生味道及氣味的化合物。臭氧也用於三級處理以在再利用作為間接飲用水或排至環境敏感區之前從經過濾的城市廢水移除痕量污染物。關於受化學污染的地下水位置經常發現到的合成有機污染物例如MTBE、TCE、1,4-二噁烷等等，應用深度氧化方法。
臭氧可與過氧化氫及/或觸媒合併使用以產生能將該再循環的有機污染物氧化的羥基自由基。羥基自由基係經由臭氧與過氧化氫或於水相中的觸媒之間的反應產生。此類型的處理在此產業中指的是“深度氧化”方法。
空氣或高純度氧的電暈放電為基礎的產生器中常會產生臭氧氣體。該氣相中的典型臭氧濃度介於3至14%，端視該產生器功率及用於臭氧產生的氣體饋料中的氧濃度而定。臭氧為基礎的水處理方法仰賴臭氧從該氣相轉移至水相以供有機污染物的氧化。多種不同方法已經用以將臭氧從氣相轉移至液相以達到水處理用的目的。
有一個這樣的習知方法為泡罩塔或槽反應器(basin reactor)，其包含大塔或槽及位於該塔或槽底部的氣體擴散器。以水填滿該塔或槽並且透過該氣體擴散器引進臭氧氣體。微細氣泡或臭氧氣體穿過該塔或槽中的水，其促進臭氧溶於水中(文中也稱作“臭氧轉移(ozone transfer)”)。臭氧轉移效率可藉由捕捉及再循環來自該塔或槽頂部之未溶解的臭氧及/或利用擋板使臭氧通過一系列塔或槽。利用此溶解方法的問題為該氣體擴散器的擴散孔典型會隨時間阻塞，其不利地衝擊性能。利用擴散器為基礎的臭氧轉移方法的另一問題為將臭氧有效轉移至水所需的大又深的槽。此外，擴散器為基礎的臭氧轉移方法為相對沒效率的臭氧轉移方法。
另一習知的臭氧轉移方法為運用文氏管噴射器(venturi噴射器)，其中使水流過該文氏管並且將臭氧氣體注射於該文氏管的喉部。此文氏管為基礎的方法僅可用於具有相對低水流速的系統。在於相對大流速的系統中，可將一部分水轉轉向該文氏管所位處的“滑流”。接著將該滑流注射回主要流中並且藉由紊流混入該主流。該轉向流文氏管方法典型只對相對低劑量臭氧轉移(例如，10 mg/L或更低)有效率。
在文氏管為基礎的臭氧轉移的另一變化例中，可在該注射器的下游應用靜態混合器以達成臭氧額外混入水相。該系統較易於設計，因為其沒有移動零件。但是關於透過靜態混合器所致的良好臭氧轉移的混混合及氣體分散需要高氣體及液體的高紊亂流動。這導致較高壓降並且只可於窄範圍的水及氣體流速中操作。
有人嘗試利用渦輪接觸器進行臭氧轉移，該等渦輪接觸器透過中空渦輪心軸及攪動器抽出氣體。渦輪接觸器似乎由於數個原因並不適用於臭氧轉移應用。比起上述臭氧轉移方法，渦輪接觸器具有相對高的功率需求。此外，為了有效率的操作該臭氧氣體對進入該渦輪接觸器的水的比例必須維持於相對不變，其限制了調整臭氧劑量的能力。渦輪接觸器並不適用於催化性臭氧化，因為粉末化觸媒將會阻塞抽取該臭氧氣體所經過的通道。
填充塔鮮少用於臭氧轉移，因為此類型的反應器具有非常低的臭氧轉移效率，及因此，要達成典型臭氧劑量需要非常高的塔。填充塔也具有低孔隙體積，其限制了穿過指定直徑塔的水流速。填充塔可用於利用臭氧的固定床催化性反應，由於臭氧的低質傳效率，建造及操作昂貴。
有人用衝擊噴流增進臭氧轉移系統中的氣體與液相之間的混合。在此等系統中，兩相流的高速射流受到另一射流或受到靜態表面的撞擊。一部分的水可透過該等射流再循環。此外，未溶解的臭氧可在下游於相分離器中被捕捉並且透過該等噴流再循環。衝擊噴流可作為唯一的混合反應器，或可與其他混合反應器合併使用。包括衝擊噴流的臭氧轉移系統的設計及運轉複雜，起因於撞擊帶需要精確設置。此外，該等射流具有相對高的功率需求而且此類型系統可適應的流速比受到限制。
因此，而要能克服先前技藝方法的不足之處的臭氧轉移改良方法。
有一形態中，本發明包含一種用於處理水的方法，該方法包含將水引進預處理流，產生含有至少3%臭氧氣體的氣流，於注射點將該氣流引進該預處理流，造成包含臭氧氣體及水的混合相流，使該混合相流通過位於該注射點下游的單塊，造成該臭氧氣體的至少一部分溶於水中的反應產物，分離該反應產物中的任何未溶解氣體與該反應產物的液相部分，及將該反應產物的至少一部分液相部分轉向流出物流。
在另一形態中，本發明包含一種水處理系統，其包含一供水管路；一臭氧產生器，其係用於產生含臭氧的輸出氣體；一臭氧供應管路，其係經裝配以載運來自該臭氧產生器的輸出氣流並且於一注射點連接該供水管路；一具有一出口端及一入口端的單塊，該單塊係位於該注射點下游並且與該供水管路流通；一容器，其係與該單塊旳出口端流通；一氣體洗淨管路，其係位於該容器上；一容器輸出管路，其係位於該容器上以供從該容器抽取液體，該容器輸出管路係位於該氣體洗淨管路下方；及一流出埠，其係位於該容器輸出管路上。
除非文中另行指明，否則應該要將此說明書、圖形及申請專利範圍中所標記的任何及所有百分比理解為以重量百分比為基礎。
除非文中另行指明，否則應該要將此說明書、圖形及申請專利範圍中所標記的任何及所有壓力理解為意指表壓。
用於本說明書及申請專利範圍時，該措辭“流通”欲意指二或更多元件係連接(直接或間接)使得流體能於該等元件之間流動，該等元件包括可含有閥、閘門或其他可選擇性侷限流體流動的裝置之連接件。
用於本說明書及申請專利範圍時，該措辭“臭氧轉移”、“臭氧質傳”及“臭氧溶解”全都欲表示臭氧氣體溶於水中。
為助於描述本發明，本說明書及申請專利範圍中可使用方向措辭來描述本發明的部位(例如，上方、下方、左方、右方，等等)。這些方向措辭僅欲助於描述及主張本發明而且不欲以任何方式限制本發明。
在該等申請專利範圍中，用字母識別所主張的步驟(例如(a)、(b)及(c))。使用這些字母以助於表示該等方法步驟並且無意指示所主張的步驟進行的順序，除非而且唯有在申請專利範圍明確列舉此順序。
圖1中概略顯示一示範水處理系統10。在系統10中，藉由一流入饋料流12將欲處理的水引進預處理管路16。該預處理管路16包括使水穿過該預處理管路16循環的泵14。臭氧係藉由臭氧產生子系統18產生並且於接點21處藉由臭氧饋料管路20引進該預處理管路16，該臭氧饋料管路20正好位於混合段22的上游。該臭氧氣體引進該預處理管路16可利用任何適合的注射器完成。舉例來說，可使用氣體噴嘴、噴霧噴嘴或文氏管噴射器。
在此實施例中，該臭氧產生子系統18包含電暈放電臭氧產生器。該臭氧產生器包括周遭空氣、富氧空氣或純氧的饋料管路，端視該臭氧饋料管路20中想要的臭氧濃度而言。在此實施例中，提供包含至少90%氧的饋料管路。典型電暈放電臭氧產生器將該饋料氣體中的約4至13%的氧轉化為臭氧。因此，來自該臭氧產生子系統18的輸出氣流在正常操作條件之下將含有不低於3%臭氧。在其他具體實施例中，任何能產生臭氧的適合選擇性方法均可使用。
接著使臭氧氣體(來自該臭氧饋料管路20)及來自該預處理管路16的水之混合物流入該混合段22。在此實施例中，該混合段包含一蜂窩狀單塊26。參照圖1及2，該單塊26包含壁30的整體結構，該等壁30定義平行通道28，該等平行通道28較佳填滿該單塊26的斷面積。在此實施例中，該等壁30係由陶瓷材料構成。菫青石、氧化鈰-氧化鋯、氧化鋁、碳及二氧化鈦為其他適用於該等壁30的基材。金屬，例如不銹鋼，也可為供該等壁30用的適合基材。
該等壁30較佳為用觸媒浸漬，該觸媒係用於想要催化性反應的水處理應用，例如有機污染物例如硝基苯、苯胺染料廢水、酚、多酚等等的催化性氧化作用。共通氧化觸媒的實例包括碳、鈀、鐵、氧化鈦、銅、錳、鎂、釕及銀。
該氣-液混合物較佳為於提高壓力(亦即，高於大氣壓力)下供應給該單塊26，那將提高臭氧轉移效率。也較佳的是該預處理管路16中的壓力大約等於藉由該臭氧產生器將氣體供應給該臭氧饋料管路20的壓力。預處理管路16與臭氧饋料管路20之間可接受的壓差能取決於預處理管路16中的液體速度及從該臭氧饋料管路20進入該預處理管路16的想要臭氧流速。
大部分工業用的臭氧產生器於每平方吋15至30磅(103至207 kPa)的壓力下製造輸出氣流。標準輸出氣流壓力對電暈放電臭氧產生器而言較低，其中若該輸出氣流壓力超過15 psi(103 kPa)臭氧產生效率就開始變差。在此實施例中，該預處理管路16用的較佳壓力為介於每平方吋5與50磅(34 and 345 kPa)之間。顯然，當能於較高輸出氣流壓力下運轉的臭氧產生器變成商業上可取得的時候該較佳範圍將隨之改變。
在此實施例中，該單塊26及及該等通道28二者的總體斷面形狀為六角形。許多替代性形狀均可行而且該單塊26及通道28不一定是相同形狀。舉例來說，該單塊26的總體斷面形狀可為圓形而且該通道28可為方形。於特定應用中關於該單塊26的較佳規範取決於許多運轉因素，包括(但不限於)想要的臭氧及觸媒添加的範圍，以及預期的水流速。在此實施例中，流過該單塊26的水的速度較佳為在0.2m/s至1.0m/s的範圍中而且，更佳為在0.3m/s至0.6m/s的範圍中以降低穿過該單塊26的壓降並且達成想要的臭氧轉移效率。
各通道及全數通道的斷面積較佳為經選擇以提供於先前段落中所述的較佳範圍之穿過該單塊26的水流速度。在許多應用中，較佳可提供具有介於每平方吋100與1200個通道之間(每平方公分15與186個通道之間)而且，更佳地，介於每平方吋200與600個通道之間(每平方公分31與93個通道之間)的密度之平行通道28的單塊26。由於該單塊26混合的窄流通道28，使得該氣-液流動本質上為薄層狀。這將降低越過該單塊26的壓降同時還能基於該通道28內的流體的循環運動而提供良好的氣-液接觸。
任意地，該混合段22也可包括靜態混合器(未顯示)，其可設置於陶瓷蜂窩狀單塊26中的臭氧饋料管路20之中以在進入該單塊26將更均勻分佈的臭氧氣泡供入水中。
該單塊26的排放端32較佳為位於氣-液相分離器容器34內而且，更佳地，低於或稍微高於該容器34中的水管路36。此設計使該系統10的混合段22由於佔地小而變得非常小巧經濟。從該單塊26的排放端32排出的氣體-水混合物的下游流動將穿過該分離器容器34中的水量並且創造額外的混合及臭氧轉移。因為於該排放端32的流速相對低而且一般為薄層狀，所以會降低該等氣泡穿過該容器34中的水管路36下方的深度及該液相中的微細氣泡挾帶量。這有助於容易的氣-液分離。
在此實施例中，該系統10係經建構使得該氣-液混合物向下流過該單塊26。在其他具體實施例中，該單塊26可針對向上或或水平流動而定向。應該要注意的是向上或或水平流動定向在臭氧需求，及因此進入該單塊26的混合物氣-液比例低的應用中更加實用。單塊26的長度可經選擇以藉由較長單塊26所獲得較高效率達成想要的質傳效率。
該容器34中收集的氣體係排洩至氣體洗淨管路40，該氣體洗淨管路40較佳為連至臭氧毀滅單元42。該臭氧毀滅單元42將該氣體洗淨管路40任何殘餘的臭氧轉化為氧並且將該氧氣排洩至大氣。任意地，氣體再循環管路44可將氣體從該容器34再循環至該臭氧產生子系統18(從該臭氧產生器的上游或下游)。
從該容器34穿過位於該容器34下端的輸出管路38移除處理過的水。在此實施例中，將該輸出管路38連至該泵14，該泵14使該處理過的水的至少一部分能透過該預處理管路16再循環。水可從該系統10透過流出管路46排放。
較佳在該輸出管路38裝備一連至過氧化氫供應源的入口埠52以使過氧化氫能加至該處理方法(被稱為深度氧化)。
該系統10可經改造以提供廣大範圍的臭氧劑量，亦即，在處理期間溶於水中的臭氧氣體的量。每次水通過該混合段22時該系統10能供應介於約每公升水2與125 mg之間的臭氧。若想要超過125 mg/L的臭氧劑量，可降低該流出物及流出物流12,46的流速，以致於該輸出管路38較大比例的水透過該預處理管路16再循環。
用於本文時，“臭氧劑量”意欲表示每次水透過該混合段22循環時被水所消耗掉的臭氧量而且典型能經由比較該臭氧饋料管路20的臭氧含量與該氣體洗淨管路40中的臭氧含量測得。“總平均臭氧劑量”意欲表示當水透過該流出管路46排出該系統10時於該處理過的水中的總臭氧劑量。“臭氧劑量”與“總臭氧劑量”之間的關係為透過該預處理管路16再循環之於該輸出管路38中的水之比例的函數。
圖3舉例說明該系統10的結構，其中想要相對高的臭氧劑量。如圖3所示，藉由該流入物流12將全部未處理的水流50導入該處理系統10。圖4舉例說明該系統10的結構，其中想要相對低的臭氧劑量(例如，水的2至5 mg/L)。在此結構中，該水管路50中的水只有一部分透過該流入物流12被轉向該處理系統10。透過該流出物流46使處理過的水返回該水流50，其中該處理過的水與未處理的水混合以提供該水流50中想要的臭氧劑量。如圖4所示，該流出管路46較佳於該流入物管路12下游的位置處將水水再注入該水管路50。
下列為該系統10的示範操作參數。
在此實施例中，10gpm(37.9 L/min)含有苯胺染料的廢水流能以臭氧及銅、鈷或鎳觸媒來處理。該預處理流16的流速為20gpm(75.7 L/min)而且該流入物流12及該流出物流16的流速均為10gpm。於接點21處的臭氧劑量為於該預處理管路16中每公升水20mg臭氧，造成排出該系統10的水於該流出物流16處的平均總臭氧劑量為40mg/L。供此應用用的單塊26為圓形，直徑3吋(7.6 cm)，約5呎(152.4 cm)長，並且具有每平方吋200格(每平方公分31.0格)。
在此實施例中，利用深度氧化處理一40gpm(151.4 L/min)的工業廢水流使其化學需氧量(“COD”)降低大約30mg/L。該預處理流16的流速為100gpm(378.5 L/min)而且該流入物流12及該流出物流46的流速均為40gpm(151.4 L/min)。於接點21處的臭氧劑量為於該預處理管路16中每公升水60mg臭氧，造成排出該系統10的水於該流出物流46處的平均總臭氧劑量為150mg/L。透過入口埠52於足以提供於該預處理管路16中大約每公升水40mg過氧化氫的速率下引進過氧化氫。供此應用用的單塊26為圓形，直徑6吋(15.2 cm)，約6呎(183 cm)長，並且具有每平方吋200格(每平方公分31.0格)。
關此，本發明已經就較佳具體實施例及其替代具體實施例的觀點揭示。當然，熟悉此技藝者可由本發明的教導考慮到多種不同變化、修飾及變化而不會悖離其所預期的精神及範圍。預期本發明只受到後附申請專利範圍的觀點所限制。
10．．．水處理系統
12．．．流入饋料流
14．．．泵
16．．．預處理管路
18．．．臭氧產生子系統
20．．．臭氧饋料管路
21．．．接點
22．．．混合段
26．．．蜂窩狀單塊
28．．．平行通道
30．．．壁
32．．．單塊的排放端
34．．．氣-液相分離器容器
36．．．水管路
38．．．輸出管路
40．．．氣體洗淨管路
42．．．臭氧毀滅單元
44．．．氣體再循環管路
46．．．流出管路
50．．．水管路
52．．．入口埠
圖1為本發明的示範具體實施例的概略圖；
圖2為沿著圖1的線2-2取得的局部斷面圖；
圖3為顯示水處理系統之一示範連接結構的概略圖；及
圖4為顯示水處理系統的第二示範連接結構的概略圖。
10．．．水處理系統
12．．．流入饋料流
14．．．泵
16．．．預處理管路
18．．．臭氧產生子系統
20．．．臭氧饋料管路
21．．．接點
22．．．混合段
26．．．蜂窩狀單塊
28．．．平行通道
32．．．單塊的排放端
34．．．氣-液相分離器容器
36．．．水管路
38．．．輸出管路
40．．．氣體洗淨管路
42．．．臭氧毀滅單元
44．．．氣體再循環管路
46．．．流出管路
52．．．入口埠
Claims (17)
- 一種用於處理水的方法，該方法包含：(a)將水引進預處理流；(b)產生含有至少3%臭氧氣體的氣流；(c)於注射點將該氣流引進該預處理流，以得到一包含臭氧氣體及水的混合相流；(d)使該混合相流通過位於該注射點下游的單塊(monolith)，以得到一反應產物，於該反應產物中該臭氧氣體的至少一部分溶於水中；(e)將該反應產物中的任何未溶解氣體與該反應產物的一液相部分分離；及(f)將該反應產物的至少一部分液相部分轉向一流出物流，其中單塊具有由該單塊之上游端貫通至該單塊之下游端的至少一平行通道，且該些平行通道係依介於每平方吋100與1200個通道(每平方公分15與186個通道之間)的密度佈置，而流過該單塊之該混合相流為薄層狀。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含：(g)使該反應產物的液相部分的至少一部分再循環至該預處理流。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含：(h)從一分離器容器中的單塊回收該反應產物；及 (i)從該分離器容器取出該反應產物的液相部分。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其另外包含：(j)保持充分部位的該分離器容器中的反應產物的液相部分以覆蓋該單塊的出口端。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(d)另外包含使該混合相流於介於0.2m/s與1.0m/s之間的液體速度下通過該單塊。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含：(k)使該混合相流通過在該單塊上游及該注射點下游的靜態混合器。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含：(l)將過氧化氫注入在該單塊上游的水流。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中使該混合相流通過在該注射點下游的單塊，該單塊具有浸透於其上面的觸媒，造成該臭氧氣體的至少一部分係溶於水中並且將該已溶解的臭氧的至少一部分轉移至該觸媒表面以供反應之用。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含： (m)使一部分水流轉向以形成一流入物流；(n)將該流入物流注入該預處理流；及(o)將該流出物流注入該流入物流下游的水流。
- 一種水處理系統，其包含：一供水管路；一臭氧產生器，其係用於產生含臭氧的輸出氣體；一臭氧供應管路，其係經裝配以載運來自該臭氧產生器的輸出氣流並且於一注射點連接至該供水管路；一具有一出口端及一入口端的單塊，該單塊係位於該注射點下游並且與該供水管路流通；一容器，其係與該單塊旳出口端流通；一氣體洗淨管路，其係位於該容器上；一容器輸出管路，其係位於該容器上以供從該容器抽取液體，該容器輸出管路係位於該氣體洗淨管路下方；及一流出埠，其係位於該容器輸出管路上，其中單塊具有由該單塊之上游端貫通至該單塊之下游端的至少一平行通道，且該些平行通道係依介於每平方吋100與1200個通道(每平方公分15與186個通道之間)的密度佈置，而使得流過該單塊之該混合相流為薄層狀。
- 如申請專利範圍第10項之水處理系統，其中該單塊旳出口端係位於該容器內。
- 如申請專利範圍第10項之水處理系統，其另外包含一再循環管路，其係經裝配以使來自該容器輸出管路的至少一些液體返回該供水管路。
- 如申請專利範圍第10項之水處理系統，其另外包含一與該供水管路流通的泵，該泵係用於提供穿過該供水管路的加壓水流。
- 如申請專利範圍第10項之水處理系統，其另外包含一過氧化氫埠，其係與該水管路流通並且連至過氧化氫的供應源。
- 如申請專利範圍第10項之水處理系統，其另外包含一臭氧再循環管路，其係經裝配以將從該氣體洗淨管路收集到的氣體的至少一部分轉向該臭氧供應管路。
- 如申請專利範圍第10項之水處理系統，其中該單塊被含浸一觸媒。
- 如申請專利範圍第16項之水處理系統，其中該觸媒係氧化觸媒。
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