CN102180556B

CN102180556B - 一种吸附再生-光催化高级氧化水处理设备

Info

Publication number: CN102180556B
Application number: CN 201110071616
Authority: CN
Inventors: 宋晨怡; 朱宇峰; 尹大强
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: CN102180556A

Abstract

本发明涉及一种吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，由管道静态混合器、配水器、曝气管、紫外光源、膜组件、真空表、出水泵、气升内循环反应器和粉末光催化剂组成，曝气管、紫外光源和膜组件位于气升式内循环反应器内，气升式内循环反应器中间为上向循环流道，两侧为下向循环流道，上向循环流道底部连接配水器，配水器连接管道静态混合器，膜组件通过软管与出水管连接组成出水管路，出水管连接出水泵，通过出水泵抽吸出水，真空表串联在出水管路上；下向循环流道底部连接回流管，该回流管连接至管道静态混合器前部；粉末光催化剂悬浮于气升式内循环反应器中。本发明结构紧凑、反应条件温和、反应效率高、维护简单、出水水质好、经济竞争力强。本发明适用于处理各种难降解有机物废水、医院污水及去除污水厂出水中残留难降解有机物。

Description

一种吸附再生-光催化高级氧化水处理设备

技术领域

本发明涉及一种吸附再生-光催化高级氧化水处理设备。

背景技术

目前，常用的污水处理技术包括活性污泥法、生物膜法、混凝沉淀法等生化、物化处理方法。然而对于可生化性差，相对分子质量从几千到几万的物质，如焦化废水中的芳香类物质、医院污水中的抗生素类物质、染料废水、农药废水等等，常规处理工艺处理较困难，出水残留大量难降解有毒有害有机物，仍会长期对环境造成不良影响。

高级氧化法以羟基自由基为主要氧化剂与有机物发生反应，直至将其氧化分解为二氧化碳和水，具有反应效率高、反应速度快、有机物降解彻底、适用范围广等特点，在水处理应用方面前景广阔。高级氧化法根据羟基自由基产生途径的不同包括光催化氧化、Fenton氧化、臭氧氧化、催化湿式氧化、电化学氧化、超声波等方法。

光催化氧化指在光照射的激发下，使光敏半导体产生电子-空穴对，与溶解氧、水分子等作用生成羟基自由基等氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟基加和、取代、电子转移等使污染物全部或接近全部矿化。光催化氧化中使用的催化剂多为光敏半导体材料，有TiO₂、ZnO、SnO₂和Fe₂O₃等。光催化氧化相比与其他高级氧化方法具有污染物降解效率高、反应条件温和、无需加药、能耗低等优点，尤为适用于水处理工程化应用。

在实际应用中，为了便于催化剂的分离回收，并防止其流失，一般将催化剂制成颗粒状、纤维状、片状或固定于载体上，因此造成催化剂比表面积变小，污染物降解效率降低，丧失了光催化氧化的一些优点。但为了追求催化剂比表面积最大化，使用粉末状的催化剂又会对分离回收带来困难，造成运行成本提高。膜分离技术通过膜的微小孔径和膜表面的静电斥力等物化性质截留水中的悬浮物、胶体、大分子物质，具有极高的分离精度和分离效率，能够完全分离截留水中的粉末状物料。

另外，大量研究发现，光催化氧化反应与污染物吸附到催化剂的过程关系密切，因此使用比表面积巨大的粉末光催化剂有利于其对污染物的吸附，更促进了污染物的光降解。同时通过对反应设备的合理设计，将吸附过程和光降解过程分开，更有利于反应过程的控制和反应效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于开发一种处理高效、适用范围广、结构简单、维护方便、投资成本低的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，可作为高浓度有机物废水的预处理工艺，也可作为可生化性差、难降解有机物废水的主体处理工艺，更可作为污水厂出水的深度处理工艺。适用于处理各种难降解有机物废水、医院污水及去除污水厂出水中残留的难降解有机物。

本发明提出的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，由管道静态混合器1、配水器2、曝气管3、紫外光源4、膜组件5、真空表6、出水泵7、气升内循环反应器8和粉末光催化剂9组成，其中：曝气管3、紫外光源4和膜组件5位于气升式内循环反应器8内，曝气管3位于气升式内循环反应器8底部，紫外光源4位于气升式内循环反应器8下部，膜组件5位于气升式内循环反应器8上部，膜组件5通过软管与出水管连接组成出水管路，出水管连接出水泵7，通过出水泵7抽吸出水，真空表6串联在出水管路上;气升式内循环反应器8中间为上向循环流道，两侧为下向循环流道，上向循环流道底部连接配水器2，配水器2连接管道静态混合器1；下向循环流道底部连接回流管，该回流管连接至管道静态混合器1前部；粉末光催化剂9悬浮于气升式内循环反应器8中；进水上流进入气升式内循环反应器8，与下向循环流汇入的回流的混合液一同流经管道静态混合器1，经过螺旋紊流片10混合均与后再由导流板11和多孔配水板12均匀分布在气升式内循环反应器8上向循环流道过水断面上。

本发明中，所述管道静态混合器1内设有螺旋紊流片10。

本发明中，所述配水器2由导流板11及多孔配水板12组成，导流板11底部连接管道静态混合器1，导流板11顶部设有多孔配水板12，多孔配水板12位于气升式内循环反应器8底部。

本发明中，进水混合配水组件由管道静态混合器和配水器组成。反应器内混合液经由下向循环流道注入进水管，与进水一起流经管道静态混合器，将混合液中的粉末光催化剂与进水充分混合，此时粉末光催化剂表面吸附点位经过再生具有很强的吸附能力，迅速吸附进水中的有机污染物，再通过反应器底部的配水器均匀分布在反应器整个上向循环流道过水断面上，防止产生断流和死区，减少有效反应器容积。

本发明中，紫外光源4由石英套管和紫外灯管组成，紫外灯管置于石英套管内部与水隔离，均匀分布于气升式内循环反应器8上向循环流道空间内，使混合液中粉末状催化剂充分受到紫外线的照射，以保证催化反应的效率。石英套管外部受到水流和粉末状催化剂的冲刷，难以附着污染物或滋生微生物，保证紫外线的透光率。紫外灯管的功率与布置密度根据实际处理水质、水量及所需达到的处理标准配置。

本发明中，所述粉末光催化剂9可采用各种无毒光敏半导体材料，包括TiO₂、ZnO、SnO₂或Fe₂O₃等中一至多种，根据实际处理污水的pH值、腐蚀性及其与催化剂的化学稳定性确定。粉末光催化剂粒径在数十微米以内，以大于膜孔径不致堵塞膜孔膜孔为宜；粉末光催化剂密度与水接近，能够稳定悬浮于水中不致沉淀；粉末光催化剂投加量在数十毫克每升至数千毫克每升，根据实际处理水质确定并确保紫外线照射能量的吸收。

本发明中，膜分离组件由膜组件、真空表和出水泵组成。膜组件可采用中空纤维膜组件、平板膜组件或管式膜组件，以抗粉末光催化剂堵塞及清洗方便为原则确定。膜组件置于反应器上部，通过合理的空间布置保证反应器内部流态，避免产生死区造成粉末光催化剂堆积板结。反应器通过出水泵抽吸产生负压，处理后的水透过膜组件出水。膜分离组件通过真空压力表监测操作压力，确定膜组件的清洗时机。

本发明中，内循环曝气组件由曝气管组成。曝气管安装于上向循环流道下部，将空气均匀散布，搅拌混合液促进其传质，以提高紫外线照射能量的吸收和催化反应效率；产生一定的错流流速冲刷膜组件表面，防止粉末光催化剂粘附沉积于膜组件表面；并在反应器上下循环流道间产生内循环。同时根据处理的需要也可添加臭氧发生器，通过曝气管向混合液提供臭氧，促进污染物的氧化分解。

本发明中，气升式内循环反应器由上向循环流道和下向循环流道组成。进水与混合液混合后经配水器进入上向循环流道底部，粉末光催化剂迅速吸附水中污染物。曝气管向水中曝气，气泡形成密度差引起上向循环流道内的混合液向上流动。混合液向上流经紫外光源，粉末光催化剂吸收紫外照射能量后产生羟基自由基逐步氧化分解表面吸附的污染物，同时粉末光催化剂表面的吸附点位解吸再生恢复对污染物的吸附能力。混合液向上至液面气泡破裂，混合液翻入下向循环流道，汇入管道静态混合器前部。混合液在停留时间内在反应器内循环数十次，污染物得到充分降解。膜分离组件将粉末光催化剂分离截留在反应器内部将经过处理的水排出反应器。

本发明中，处理高浓度有机废水或难降解废水时，补充臭氧曝气。

本发明的工作过程如下：

进水上流进入气升式内循环反应器8，与下向循环流到汇入的回流的混合液一同流经管道静态混合器1，经过螺旋紊流片10混合均与后再由导流板11和多孔配水板12均匀分布在气升式内循环反应器8上向循环流道过水断面上。曝气管3在反应器上向循环流道内曝气，对混合液进行搅拌并带动其上向流动。紫外光源4发出紫外线均匀照射混合粉末光催化剂9，产生羟基自由基将表面吸附的污染物及混合中残存的污染物逐步降解，同时粉末光催化剂9也得到解吸再生。经过处理的水透过膜组件5出水，粉末光催化剂9被截留在反应器内。曝气管3曝气产生上向流速，防止颗粒附着沉积于膜面。混合液升至液面后翻过中间上向循环流到与两侧下向循环流道间的挡板后进入下向循环流道向下回流至进水管管道静态混合器1前部。一个处理循环完成。

本发明具有以下优点：

（1）有效降解各种可生化性差、难降解的有机污染物，适用范围广，可作为预处理工艺、主体工艺或深度处理工艺。

（2）采用光催化高级氧化法，反应条件温和，无需高压、高温和强电流，对外界条件要求低。

（3）采用粉末光催化剂，有效比表面积大，促进了对污染物的吸附，且再生彻底，吸收紫外线能量更充分，催化反应效果好。

（4）采用合理的气升内循环反应器设计，实现污染物吸附、污染物降解与催化剂再生各过程的分离，提高了反应效率，过程易于控制。

（5）采用膜分离技术，完全分离回收粉末光催化剂，催化剂无流失，保证出水水质。

（6）设备结构紧凑，安装方便，维护简单，能耗低，无需消耗药剂，可实现全自动控制，经济性优势明显。

附图说明

图1为本发明吸附再生-光催化高级氧化水处理设备示意图。

图2为本发明吸附再生-光催化高级氧化水处理设备工作原理示意。

图3为本发明吸附再生-光催化高级氧化水处理设备进水混合配水组件示意图。

图中标号：1为管道静态混合器，2为配水器，3为曝气管，4为紫外光源，5为膜组件，6为真空表，7为出水泵，8为气升内循环反应器，9为粉末光催化剂，10为螺旋紊流片，11为导流板，12为多孔配水板。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：本发明工作原理如图2所示。曝气管3、紫外光源4和膜组件5装置于气升式内循环反应器8中构成本发明设备的主体部分。气升式内循环反应器8中间为上向循环流道，两侧为下向循环流道，下向循环流道底部通过管道接入管道静态混合器1前部。膜组件5通过软管与出水管连接再由出水泵7抽吸出水，真空表6串联在出水管路上。粉末光催化剂9悬浮于气升式内循环反应器8中。螺旋紊流片10置于进水管中组成管道静态混合器1。导流板11及多孔配水板12组成配水器2。

进水上流进入气升式内循环反应器8，与下向循环流到汇入的回流的混合液一同流经管道静态混合器1，回流的混合液中经过解吸再生的粉末催还剂9迅速吸附水中的污染物。

混合均与后，经过导流板11的分流后再经多孔配水板12均匀分布在气升式内循环反应器8上向循环流道过水断面上，此时粉末光催化剂9已充分吸附水中的污染物。

曝气管3在气升式内循环反应器8上向循环流道内曝气，对混合液进行搅拌并带动其上向流动。紫外光源4发出的紫外线均匀充分地照射混合液中已吸附污染物的粉末光催化剂9，粉末光催化剂9在紫外能量的激发下产生羟基自由基将表面吸附的污染物及混合中残存的污染物逐步降解，同时粉末光催化剂9表面的吸附点位也得到解吸再生。

混合液上流经过膜组件5，经过处理的水透过膜片出水，粉末光催化剂9被截留在反应器内。曝气管3曝气产生上向流速，防止颗粒附着沉积于膜面，降低产水量。

混合液升至液面气泡破裂，推动力消失，携带着已再生的粉末光催化剂9翻过中间上向循环流到与两侧下向循环流道间的挡板后进入下向循环流道向下回流至进水管管道静态混合器1前部继续吸附污染物。自此一个循环过程完成，而在处理过程中，污水在停留时间内一般经过数十个循环过程，使污染物得到充分完全的降解。

本发明气升式内循环反应器8容积、停留时间、粉末光催化剂种类、投加量及紫外光源功率根据进水水质及处理要求适当选择及调整。膜分离组件可选用中空纤维膜、管式膜或平板膜等各种膜组件形式，膜组件材质及操作通量根据水质情况及预期清洗周期确定。

实施例2：

本发明应用于某焦化废水处理。反应器停留时间为20h，膜组件采用聚偏氟乙烯（PVDF），平板膜形式，膜运行通量为5~7 L/m²·h，粉末光催化剂采用Fe₂O₃，投加量为5g/L，补充臭氧曝气。进水COD浓度为3031±571.2 mg/L，出水COD浓度为303±47.2 mg/L，去除率达到90%。

实施例3：

本发明应用于某染料废水处理。反应器停留时间为15h，膜组件采用聚偏氟乙烯（PVDF），平板膜形式，膜运行通量为8~10 L/m²·h，粉末光催化剂采用ZnO，投加量为3g/L，补充臭氧曝气。进水COD浓度为1241±63.5 mg/L，色度230度，出水COD浓度为93±17.3 mg/L，色度<20度，去除率均达到90%以上。

实施例4：

本发明应用于某医院污水处理。反应器停留时间为12h，膜组件采用聚乙烯（PVC），中空纤维膜形式，膜运行通量为10~13 L/m²·h，粉末光催化剂采用TiO₂，投加量为1g/L。进水COD浓度为361±42.1 mg/L，出水COD浓度为23±17.3 mg/L，去除率达到90%以上。

实施例5：

本发明应用于农药废水处理。反应器停留时间为15h，膜组件采用陶瓷管式膜，膜运行通量为10 L/m²·h，粉末光催化剂采用TiO₂，投加量为2.5g/L。进水COD浓度为723±54.5 mg/L，出水COD浓度为52±28.3 mg/L，去除率达到90%以上。

实施例6：

本发明应用于某城市生活污水厂出水深度处理。反应器停留时间为2 h，膜组件采用聚乙烯（PVC），中空纤维膜形式，膜运行通量为15 L/m²·h，粉末光催化剂采用TiO₂，投加量为1g/L。出水加氯后达到中水标准(GB/T18920-2002)，可直接回用。

Claims

1.一种吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，由管道静态混合器(1)、配水器(2)、曝气管(3)、紫外光源(4)、膜组件(5)、真空表(6)、出水泵(7)、气升内循环反应器(8)和粉末光催化剂(9)组成，其特征在于：曝气管(3)、紫外光源(4)和膜组件(5)位于气升式内循环反应器(8)内，曝气管(3)位于气升式内循环反应器(8)底部，紫外光源(4)位于气升式内循环反应器(8)下部，膜组件(5)位于气升式内循环反应器(8)上部，膜组件(5)通过软管与出水管连接组成出水管路，出水管连接出水泵(7)，通过出水泵(7)抽吸出水，真空表(6)串联在出水管路上；气升式内循环反应器(8)中间为上向循环流道，两侧为下向循环流道，上向循环流道底部连接配水器(2)，配水器(2)连接管道静态混合器(1)；下向循环流道底部连接回流管，该回流管连接至管道静态混合器(1)前部；粉末光催化剂(9)悬浮于气升式内循环反应器(8)中；进水上流进入气升式内循环反应器(8)，与下向循环流汇入的回流的混合液一同流经管道静态混合器(1)，经过螺旋紊流片(10)混合均匀后再由导流板(11)和多孔配水板(12)均匀分布在气升式内循环反应器(8)上向循环流道过水断面上。

2.根据权利要求1所述的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，其特征在于所述管道静态混合器(1)内设有螺旋紊流片(10)。

3.根据权利要求1所述的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，其特征在于所述配水器(2)由导流板(11)及多孔配水板(12)组成，导流板(11)底部连接管道静态混合器(1)，导流板(11)顶部设有多孔配水板(12)，多孔配水板(12)位于气升式内循环反应器(8)底部。

4.根据权利要求1所述的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，其特征在于紫外光源(4)由石英套管和紫外灯管组成，紫外灯管置于石英套管内部。

5.根据权利要求1所述的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，其特征在于所述粉末光催化剂(9)采用TiO₂、ZnO、SnO₂或Fe₂O₃中一至多种。

6.根据权利要求1所述的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，其特征在于所述膜组件(5)采用中空纤维膜组件、平板膜组件或管式膜组件中任一种。

7.根据权利要求1所述的吸附再生-光催化高级氧化水处理设备，其特征在于：处理高浓度有机废水或难降解废水时，补充臭氧曝气。