（攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花 617023）

污水凈化裝置提高反應(yīng)速度淺析

彭建軍

（攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花 617023）

通過(guò)一種催化裝置加快化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度，在水處理中提高效率、節(jié)約成本。

催化裝置；催化劑；反應(yīng)速度

1 催化裝置簡(jiǎn)述

1.1 催化反應(yīng)水處理裝置

由給水和加藥系統(tǒng)、催化反應(yīng)系統(tǒng)、催化劑排放系統(tǒng)、濃縮分離排泥系統(tǒng)組成。與主要的“成床過(guò)濾”、“攪拌接觸”催化方式相比，催化劑利用效率高，投資少；選擇性寬，水質(zhì)適應(yīng)范圍廣；反應(yīng)質(zhì)量高，出水量大；故障率低，易維修，能廣泛用于投加化學(xué)藥劑的所有凈水過(guò)程。

1.2 催化反應(yīng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的水處理催化（多相催化）方式，只是把催化作為“反應(yīng)”過(guò)程中單純的一個(gè)工藝階段，而沒(méi)有把“反應(yīng)”中各種內(nèi)在因素同時(shí)綜合考慮。加上催化反應(yīng)的選擇性（非通用性、個(gè)性）特征，因而在“水處理”領(lǐng)域，多相催化反應(yīng)一直停留在主工藝以外的消毒、殺菌等輔助工藝方面；而對(duì)各種廢水的處理，僅停留在實(shí)驗(yàn)室和個(gè)別工程，沒(méi)有能夠深入和普及。

目前主要 的多相催化水處理方式主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是從合成氨、硫酸生產(chǎn)裝置中演變過(guò)來(lái)的“成床過(guò)濾型”（見(jiàn)圖1）；另一類(lèi)是從制藥、精細(xì)化工裝置中演變過(guò)來(lái)的“攪拌接觸型”（見(jiàn)圖2）。它們共同的優(yōu)點(diǎn)是：處理質(zhì)量高、出水效果好等。缺點(diǎn)是：原水選擇性窄，故障率高，投資費(fèi)用大。

圖1 成床過(guò)濾型催化方式工況

圖2 攪拌接觸型催化方式工況

本裝置是一種催化劑裝填數(shù)量少利用效率高，投資少；選擇性寬，水質(zhì)適應(yīng)范圍廣；催化反應(yīng)質(zhì)量高，出水量大；故障率低，易維修。能廣泛用于投加化學(xué)藥劑的凈水裝置。 本裝置是通過(guò)以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合圖3說(shuō)明如下。

圖3 本裝置的主視剖面圖

上述催化反應(yīng)水處理裝置，其特征是所述“催化反應(yīng)系統(tǒng)”，進(jìn)水管（1）由設(shè)備頂部沿筒罐（17）錐體（18）軸線進(jìn)入噴嘴（2）、喉管（3）和催化反應(yīng)室（4），催化反應(yīng)室內(nèi)部存放30～100mm厚，粒徑φ2～4mm，釩鈦鐵渣過(guò)渡金屬催化劑（5），由連通管（6）連通第一反應(yīng)室（7），第一反應(yīng)室外設(shè)第二反應(yīng)室（8）?！按呋瘎┡欧畔到y(tǒng)”，由催化劑排放管（14）執(zhí)行，催化劑的裝填由設(shè)備頂部，經(jīng)第一反應(yīng)室（7）放入?！皾饪s分離排泥系統(tǒng)”由濃縮分離區(qū)（9），清液穩(wěn)定區(qū)（10），集水槽（11），出、溢水管（12）組成。 “排泥系統(tǒng)”由濃縮泥斗（16），排泥管系（15）組成。

欲讓反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須使其化學(xué)鍵發(fā)生改變。改變或者斷裂化學(xué)鍵需要一定的能量支持，使化學(xué)鍵發(fā)生改變所需要的最低能量閾值稱(chēng)之為活化能，而催化劑通過(guò)降低化學(xué)反應(yīng)物的活化能而使化學(xué)反應(yīng)更易進(jìn)行，且能夠大大提高反應(yīng)速率。

2 催化反應(yīng)水處理裝置有以下突出的優(yōu)點(diǎn)

2.1 提高了對(duì)催化劑的利用效率和選擇性

由于廢水的種類(lèi)千差萬(wàn)別，在實(shí)際過(guò)程又千變?nèi)f化。一種催化劑只對(duì)某一類(lèi)反應(yīng)具有明顯的加速作用，對(duì)其他反應(yīng)則加速作用甚小，甚至沒(méi)有加速作用。這一性能就是催化劑的選擇性。催化劑的選擇性決定了催化作用的定向性。本裝置設(shè)計(jì)了一個(gè)“催化劑排放系統(tǒng)”，根據(jù)不同的凈化對(duì)象，選用不同的催化劑種類(lèi)，在反應(yīng)室低部設(shè)置30～100mm厚的催化層?？赏ㄟ^(guò)選擇不同的催化劑來(lái)控制或改變化學(xué)反應(yīng)的方向，從而提高設(shè)備對(duì)催化劑的選擇性。

2.2 可以節(jié)約巨大的藥劑成本

本裝置與傳統(tǒng)的“成床過(guò)濾型” 和“攪拌接觸型”催化方式相比，催化劑裝填數(shù)量少（是傳統(tǒng)的1/30～50），利用效率高，投資少；選擇性寬，水質(zhì)適應(yīng)范圍廣；催化反應(yīng)質(zhì)量高，出水量大效率高；故障率低，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可節(jié)省可觀的投資和運(yùn)行（電耗、藥耗）費(fèi)用，易維修。

2.3 極大地提高了設(shè)備的工作效率

傳統(tǒng)的多相“成床過(guò)濾型”和“攪拌接觸型”催化方式，由于過(guò)濾阻力、維修量、流態(tài)、反應(yīng)效率等方面的原因，其工作流速一般都不會(huì)超過(guò)15米/小時(shí)；“催化反應(yīng)水處理裝置”的工作流速60米/小時(shí)。是傳統(tǒng)的4倍，提高了單位時(shí)間的產(chǎn)水能力。

2.4 降低了設(shè)備的故障率

傳統(tǒng)的多相“成床過(guò)濾型”催化方式（見(jiàn)圖2）在廢水處理過(guò)程，與“床層”堵塞是相伴的，催化反應(yīng)越強(qiáng)烈，反應(yīng)效率越高，“床層”堵塞就越快，故障率就越高。維修非常困難，損失也相當(dāng)巨大。傳統(tǒng)的 “攪拌接觸型”催化方式（見(jiàn)圖3）在廢水處理過(guò)程，流速越快，催化劑損失越多，故障率越高；流速越低，反應(yīng)效率越低；其可調(diào)的正常工作參數(shù)范圍非常窄?！按呋磻?yīng)水處理裝置”由于不同于傳統(tǒng)的反應(yīng)方式，不僅催化劑投量少，效率高，而且故障率低，調(diào)整和維修也非常方便。

2.5 優(yōu)化了反應(yīng)環(huán)境，提高了反應(yīng)質(zhì)量

本裝置對(duì)現(xiàn)有的催化反應(yīng)作了全面系統(tǒng)分析研究和大量廢水處理工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，從反應(yīng)學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化學(xué)和對(duì)精典反應(yīng)器的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比等不同角度，將反應(yīng)過(guò)程內(nèi)在的主要因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

本裝置將“催化”作為反應(yīng)中與其它方面有聯(lián)系又有區(qū)別的一個(gè)重要因素，按照凈化過(guò)程內(nèi)在的不同特征，把這些因素合理地營(yíng)造和安排在恰當(dāng)?shù)奈恢?，巧妙地改變了傳統(tǒng)的催化方式。形成了區(qū)別于傳統(tǒng)方式的“催化反應(yīng)水處理裝置”。

本裝置通過(guò)采用下向流進(jìn)水，用高能量的反應(yīng)動(dòng)力沖擊底板（反應(yīng)器底部），在反應(yīng)器底部作連續(xù)猛烈的撞擊，對(duì)廢水雜質(zhì)的電荷產(chǎn)生機(jī)械激化；被撞擊的催化劑呈倒蘑菇狀隨水流沸騰。噴嘴處不僅能夠吸入老絮團(tuán)，增大反應(yīng)物的濃度；同時(shí)，高壓水還將凈化對(duì)象、藥、老熟泥吸入喉管，提高了催化劑的比表面利用效率。盡而提高了反應(yīng)速度和反應(yīng)質(zhì)量。也改變了催化劑“成床過(guò)濾”或“攪拌接觸”的傳統(tǒng)方式。

圖4 催化反應(yīng)催化方式工況

（1）增大反應(yīng)物濃度（6000～18000mg/L）。（2）縮短初始反應(yīng)時(shí)間（0.4秒）。（3）合理配置進(jìn)藥時(shí)機(jī)（在反應(yīng)前廢水和藥品同時(shí)進(jìn)入）。（4）有效激發(fā)電荷。（5）增大催化劑比表面（被連續(xù)猛烈撞擊的催化劑呈倒蘑菇狀隨水流沸騰）。（6）鞏固催化反應(yīng)質(zhì)量。（7）增大循環(huán)反應(yīng)物濃度（8000～20000mg/L）。以上措施，優(yōu)化了反應(yīng)環(huán)境，從而提高了反應(yīng)質(zhì)量。

以下結(jié)合圖3、4和實(shí)施的實(shí)例對(duì)本裝置作進(jìn)一步闡述。

本裝置在對(duì)一種污水進(jìn)行處理之前，需先將設(shè)備內(nèi)原有的催化劑排掉，另外保存。將進(jìn)水管（1）開(kāi)啟，由排放管（14）流出。根據(jù)處理工藝的杯瓶試驗(yàn)，確定催化劑的類(lèi)型和數(shù)量。催化劑裝填由設(shè)備頂部經(jīng)第一反應(yīng)室（7）放入。

2011年8月10日～8月28日在攀鋼5～6號(hào)排放口超濾水池旁預(yù)留空地上，就以上催化裝置做了一個(gè)中試試驗(yàn)。反滲透產(chǎn)生的濃水CODcr為150～200mg/L，濃水流量：5m3/h，由進(jìn)水管（1）φ200mm經(jīng)設(shè)備頂部沿筒罐（17）錐體（18）軸線進(jìn)入噴嘴（2）、喉管（3）和催化反應(yīng)室（4），催化反應(yīng)室內(nèi)部存放30mm厚，粒徑φ2～4mm，過(guò)渡金屬釩鈦鐵渣催化劑（5），石灰乳由加藥泵（13）同時(shí)引入催化反應(yīng)室（4），進(jìn)入喉管（3），反應(yīng)物由連管（6）連通第一反應(yīng)室（7），第一反應(yīng)室外設(shè)第二反應(yīng)室（8）。成熟的絮團(tuán)進(jìn)入濃縮分離區(qū)（9），清液穩(wěn)定區(qū)（10），集水槽（11），出、溢水管（12）。多余的的絮團(tuán)一部分進(jìn)入循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，另一部分進(jìn)入 “排泥系統(tǒng)”濃縮泥斗（16），由排泥管系（15）排出。設(shè)備直徑1.5m，高度3.5m。

試驗(yàn)表明在石灰濃度1%、流量：1m3/h，濃水中CODcr在150～200之間時(shí)該裝置能迅速將CODcr處理降至100以下。從進(jìn)水到出水只要2～3分鐘，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)反應(yīng)、連續(xù)出水，連續(xù)達(dá)標(biāo)。

處理后的污水CODcr<100 mg/L滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978-1996 》的規(guī)定。

X703.3

：A

：1671-0711（2017）06（上）-0096-02