CN100445213C - 一种光催化与膜过滤水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水处理装置。包括用管道和阀门依次连接的光催化水处理器(1)、射流泵(13)、膜分离器(18)、射流器(24)。其特点是：光催化水处理器(1)由反应器(2)和集水器(8)组成，反应器(2)内通过筒状隔板(6)分成反应区和分离区。集水器的球形封头(10)与反应器的斗形封头(7)以及筒状隔板(6)之间分别固有壳体支撑(25)和隔板支撑(26)。筒状隔板(6)与正方形壳体(3)间有挡板(5)，挡板(5)和正方形壳体(3)之间有斜板沉淀器(4)；集水器(8)顶端有安装紫外灯(11)的钢架(28)；射流器(24)的出水管有使水流成对射的三通，一旁并排还有进水管。本发明高效节能，设计合理、运行稳定。可广泛用于各种水质的处理。

Description

一种光催化与膜过滤水处理装置

技术领域

本发明涉及一种光催化与膜过滤水处理系统。该系统可有效去除水中的有机物，而且不需要频繁反冲洗，适用于各种难降解有机废水、高浓度、高色度有机废水的处理以及饮用水的深度处理、高纯水的终端处理及预处理等。

背景技术

现代化工业在近几十年的迅速发展，尤其是合成化学工业的突飞猛进，使得人工合成有机化合物的种类和产量猛增。它们通过不同的途径进入人类环境尤其是水环境，使接纳水体的物理化学性发生了显著的变化。据统计，水环境中的有机污染物高达96000种之多，其中很多是有毒和“三致”物质，不仅给环境带来危害，而且对人类的健康也造成了威胁。因此，去除水中的有机污染物已成为水处理的首要任务之一。目前普遍采用的方法是有机物的生物降解法。但是，对于一些高浓度、难降解有机废水，如垃圾渗滤液、制药废水、焦化废水、造纸废水、石油化工废水等，因其含有机物和氨氮的浓度都很高，甚至具有毒性，生物降解性差，传统的生化处理往往难以取得预想效果。

光催化氧化技术应用于水处理，主要利用光源照射TiO₂等光催化剂以产生氧化能力强的自由基来实现对水中有机物的降解，以UV/TiO₂最为常见。其独特的优势在于：(1)能氧化除少数几种有机物之外的绝大多数有机物。(2)可将有机物完全矿化为CO₂和H₂O等简单、对环境无害的无机物。传统的固定膜光催化氧化需要采用一定的方法首先制成TiO₂膜，由于成膜方法复杂、成本高，且成膜的厚度十分有限，造成光催化氧化反应的效率低，往往难以适应实际工程的要求；另外，光催化剂膜“中毒”后的清洗或更换复杂，这就更加限制了光催化氧化技术向实用型技术的转化。与传统的固定膜光催化器比较而言，悬浮相光催化氧化的效率较高。但是，催化剂的分离和连续运行问题成为该技术向前发展的最大障碍。中国发明专利(98111597)介绍了一种“光催化与膜分离集成的水处理方法”，其主要特征就是将光催化与膜技术相结合，以便催化剂颗粒的分离回收。由于反应后的水直接进入膜装置，导致光催化剂直接沉积在膜表面，加速膜的污染，且频繁的反冲洗也会减少膜的寿命，需不断更换新膜，这就使运行成本过高，不能很好推广应用。中国发明专利(00103229.1)也介绍了相关的一种“与膜分离设备相组合的悬浮光催化氧化水处理方法及其装置”，与上述专利比起来有改进之处，首先是在反应器内设置沉淀区，减轻膜的负荷，从某种程度上解决了过滤膜的反冲洗问题，但缺点也是显而易见的：沉淀区仅是留在反应区上方的不加任何沉淀设施的空间，其作用相当于静沉，且与反应区的界限不明显，沉淀效果受到置疑，是否能真正有效减轻对后续膜处理的负荷也使人们在心里打上一个重重的问号。另外，这两种发明为实现催化剂颗粒的悬浮化，均在反应器内部设导流装置，有的同时在反应器内部设置搅拌装置和空气供给装置等，造成反应器内部结构过于复杂，增加施工难度，设备多占用反应器内部有效的反应空间，影响有机物降解效率。

发明内容

本发明是针对上述问题，设计一种节能高效的悬浮相光催化氧化水处理系统。该系统可实现催化剂与水的即时分离，不需要频繁反冲洗，能适用于实际水处理工程需要、能高效去除水中各种有机物并兼有过滤作用。

为达上述目的，本发明包括光催化水处理器、射流泵、膜分离器、射流器，光催化水处理器出口与膜分离器进口之间依次设有出水阀、射流泵、膜前压力表和进水控制阀；膜分离器顶部依次设有膜后压力表、合格水出水阀和合格水流量计；膜分离器上部通过回流水控制阀和回流水流量计与射流器的进水口连接；其特点是：光催化水处理器由中间的反应器和外围的集水器组成，集水器由圆柱形器壁和底部的球形封头构成，球形封头上设有一个分别与出水阀和放空阀连接的三通；反应器由正方形壳体和底部的斗形封头构成；球形封头与斗形封头之间固有壳体支撑；反应器内通过筒状隔板分成内圈的反应区和外圈的分离区两部分，筒状隔板与斗形封头之间固有隔板支撑，筒状隔板底部与斗形封头之间留有工艺要求的缝隙，使反应区和分离区既相互分隔又留有小的通道；筒状隔板与正方形壳体之间设有挡板，挡板和正方形壳体之间固有斜板沉淀器，斜板沉淀器是由一系列与水平方向成60。的斜板组成；集水器的圆柱形器壁顶端上固有两组钢架，每组钢架由并排放置的间隙为紫外灯宽度的两根钢条组成，两条钢条上固有钢板，钢板开有能安装紫外灯的孔；伸入光催化水处理器中心、到达反应器底部的射流器的出水管的底端固有一个使水流形成对射的三通；出水管旁边并排还设有待处理水进水管。

本发明具有下列特点和优点：

1.由于本发明的射流器强烈的混合搅拌作用，使催化剂处于高悬浮的紊流状态，加强了反应器内催化剂颗粒与激发光源和废水中有机物之间的接触，大大提高了反应速率。同时无需另设空气供给装置，射流泵本身也是一种实际工程中常用的曝气装置，它可以将吸入的空气打入反应液中，形成细小的气泡，在水流的剧烈紊动下，反应液与空气中的氧气接触摩擦，使反应液中的氧气得到充分的补充，射流泵还可以将需要进一步反应的待处理水再次打入反应区，进一步反应，提高光催化剂的利用率和节能，因此高效节能很明显。

2、本发明在反应器设置了斜板沉淀器，因此在膜分离前去除了绝大部分悬浮的催化剂，沉降下的催化剂沿底部斜板滑入反应区，与进水混合，在催化诱发光源的作用下与有机物充分反应，这种强化的沉淀措施可大大降低膜分离器的负担，延长反冲洗周期，即膜不必频繁地反冲洗，不仅使系统运行更加稳定，而且节省能耗。与单纯采用沉淀或单纯采用膜分离工艺相比，达到了良好的分离效果。

3.由于本发明的反应器内底部为斗形封头，绝大部分的悬浮态催化剂通过斜板沉淀器都能沉下去，并沿着斗形封头的斜板下滑，进入反应区，因此本发明的沉淀分离效果好，光催化反应器出水中的催化剂含量大大减少，减轻了后续膜分理的负荷，延长了膜的使用寿命。与单纯的自然静沉相比，沉淀效率大大提高。

4.由于筒状隔板和挡板简单、合理、巧妙的设计，使反应器内圈的反应区和外围的分离区既相互独立又成为一体。反应出水由挡板和隔板之间引流到斜板沉淀器的底部，经沉淀的悬浮催化剂沿着空隙返回反应器继续参与反应。不仅提高了催化剂的利用率，而且也保证了整个工艺能不间断地连续运行。另外，通过射流装置使膜过滤截留的光催化剂也进入反应区，充分发挥光催化剂的作用。

5.为了防止进入反应区的废水出现短流，即防止废水沿着隔板与斗形封头之间的缝隙直接进入分离区，射流器的出水管底端通过一个两头弯曲的三通，使水流分为两路形成对射，射流方向与斗形底板的斜板平行，有利于水旋流成竖直方向，停留在反应区充分反应。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为光催化水处理器的结构示意图

图3为光催化水处理器的俯视图

其中，图中的图标号说明如下：

1-光催化水处理器；2-反应器；3-正方形壳体；4-斜板沉淀器；5-挡板；6-筒状隔板；7-斗形封头；8-集水器；9-放空阀；10-球形封头；11-紫外灯；12-反应器出水阀；13-射流泵；14-膜前压力表；15-进水控制阀；16-膜分离器放空阀；17-无机膜元件；18-膜分离器；19-膜后压力表；20-合格水出水阀；21-合格水流量计；22-回流水控制阀；23-回流水流量计；24-射流器；25-壳体支撑；26-隔板支撑；27-钢板；28-钢架；29-螺母；30-螺栓；

具体实施方式

请参阅图1、2和3。

本发明包括光催化水处理器1、射流器24、膜分离器18。光催化水处理器1与膜分离器18之间通过管道连接射流泵13，射流泵13与膜分离器18之间安装有进水控制阀15，进水控制阀15前装有膜前压力表14；膜分离器18顶部还连接处理好的合格水出水阀20，合格水出水阀20之前装有膜后压力表19，之后装有合格水流量计21；膜分离器18上部通过回流水控制阀22与射流器24的进水口连接，回流水控制阀22后设有回流水流量计23；射流器24出水管插入光催化水处理器1底部，射流器24出水管底端通过一个两头弯曲的三通，使出水水流分成两路形成对射。光催化水处理器1由中间的反应器2和外围的集水器8组成。集水器8的外壳呈圆柱形，底部设有球形封头10。出水阀12和放空阀9通过三通与球形封头10底部相连。反应器2由正方形壳体3和底部的斗形封头7构成。球形封头10与斗形封头7之间固有壳体支撑25。反应器2内通过筒状隔板6分成内圈的反应区和外圈的分离区两部分。筒状隔板6与斗形封头7之间固有隔板支撑26。筒状隔板6底部与斗形封头7之间留有工艺要求的缝隙，使反应区和分离区既相互分隔又留有小的通道。筒状隔板6与正方形壳体3之间设有挡板5，挡板5围成一个四方体。挡板5和正方形壳体3之间固有斜板沉淀器4，斜板沉淀器4是由一系列与水平方向成60°的斜板组成。集水器8的圆柱形器壁顶端上固有两组钢架28，每组钢架28为两根并排、间距为紫外灯宽度的钢条，两条钢条上、下各有一块能安装紫外灯11的通孔的钢板27，钢板27的位置在筒状隔板6围成的反应区内(紫外灯11安装在反应区内)，上、下钢板27用螺栓31和螺母30固定连接。伸入光催化水处理器1中心、到达反应器2底部的射流器24的出水管的底端固有一个使水流形成对射的三通；出水管旁边并排还设有待处理水的进水管。

工作时，首先打开进水阀，使待处理水进入并充满光催化水处理器1。然后，投加一定量的光催化剂粉末至反应区，并打开催化诱发光源紫外灯11，同时打开射流泵13、出水阀12、进水控制阀15和回流水控制阀22，不断地对回流量进行调节，直至光催化水处理器1反应区内的催化剂充分的悬浮流化。此时，再打开进水阀与合格水出水阀20，待处理的水不断流入，在反应区与光催化剂充分混合反应，然后通过挡板5和筒状隔板6之间的通道变为向下流进入分离区，在分离区斜板沉淀器4的作用下，悬浮液中的光催化剂被羁留，上清液流入集水器8。沉降性能好的光催化剂经斗形封头7的斜板滑入光催化反应区与进水混合发生光催化反应。集水区的出水进入膜分离器18下部，由无机膜侧面进入无机膜元件17内部的清水室，再由膜分离器18顶部流出，成为合格出水，经合格出水阀20直接排放或回用。滞留在膜分离器18内的一部分废水在射流器24和射流泵13的作用下高速回流至光催化水处理器1，膜截留下来的催化剂也随回流水进入光催化水处理器1继续参与光催化反应。回流水经过射流器24时融入大量气体，然后通过伸入反应器2底部的射流器出水管对反应器2内的废水进行混合搅拌，实现光催化剂的流态化。废水不断进入，合格水不断流出，回流水在光催化水处理器1和膜分离器18中不断循环。调节合格水出水阀20和合格水流量计21得到符合设计要求的出水流量，同时对射流器24回流水量进行调节，使其恰好能满足射流混合搅拌及光催化氧化的要求。当废水在反应器2内与催化剂充分混合流化时，在紫外线的照射下，光催化剂被激发并产生具有极强氧化能力的羟基自由基(·OH)，可直接将水中的有机污染物氧化降解为CO₂、H₂O等简单无机物。由于催化剂处于悬浮状态，与有机物反应速率大大提高，在光催化氧化反应进行的同时，无机膜也在发挥过滤作用，即光催化剂与系统出水实现同步分离。由于本发明采用了预沉淀和无机膜分离相结合的光催化及同步分离技术，因而大大减轻了无机膜分离的负担，保证了分离效果，并确保了无机膜的寿命。

本发明既可单独使用又可与其它水处理单元串联使用。如应用于废水处理，本发明可做为终端氧化单元、置于生化反应器后；也可以置于生化反应器前，通过光催化氧化提高废水的可生化性。本发明还可以应用于重金属废水的处理及重金属的回收。

本发明中的光催化剂可以是TiO₂、WO₃、ZrO₂、V₂O₅、MoO₃、ZnO₂粉末中的一种或几种混合。

Claims (1)

1.一种光催化与膜过滤水处理装置，包括光催化水处理器(1)、射流泵(13)、膜分离器(18)、射流器(24)，光催化水处理器(1)出口与膜分离器(18)进口之间依次设有出水阀(12)、射流泵(13)、膜前压力表(14)和进水控制阀(15)；膜分离器(18)顶部依次设有膜后压力表(19)、合格水出水阀(20)和合格水流量计(21)；膜分离器(18)上部通过回流水控制阀(22)和回流水流量计(23)与射流器(24)的进水口连接；其特征是：光催化水处理器(1)由中间的反应器(2)和外围的集水器(8)组成，集水器(8)由圆柱形器壁和底部的球形封头(10)构成，球形封头(10)上设有一个分别与出水阀(12)和放空阀(9)连接的三通；反应器(2)由正方形壳体(3)和底部的斗形封头(7)构成；球形封头(10)与斗形封头(7)之间固有壳体支撑(25)；反应器(2)内通过筒状隔板(6)分成内圈的反应区和外圈的分离区两部分，筒状隔板(6)与斗形封头(7)之间固有隔板支撑(26)，筒状隔板(6)底部与斗形封头(7)之间留有工艺要求的缝隙，使反应区和分离区既相互分隔又留有小的通道；筒状隔板(6)与正方形壳体(3)之间设有挡板(5)，挡板(5)和正方形壳体(3)之间固有斜板沉淀器(4)，斜板沉淀器(4)是由一系列与水平方向成60°的斜板组成；集水器(8)的圆柱形器壁顶端上固有两组钢架(28)，每组钢架由并排放置的间隙为紫外灯(11)宽度的两根钢条组成，两条钢条上固有钢板(27)，钢板(27)开有能安装紫外灯(11)的孔；伸入光催化水处理器(1)中心的反应器(2)底部的射流器(24)的出水管的底端固有一个使水流形成对射的三通，出水管一旁并排还有进水管。

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