CN102502919A - 一种低阻力明渠式光催化水处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低阻力明渠式光催化水处理设备，本设备主要包括光催化网单元和紫外灯单元，与水流方向平行放置，通过支撑架间隔组合并安装于明渠渠道中，光催化网单元和紫外灯单元在结构分布上采用了挡水部位互相偏置的创新设计技术，使水流经过设备时阻力大幅减小，单位时间内可获得更高的水体处理量，提高经济效益；本设备的核心材料采用三维泡沫网状结构的光催化网，具有厚度小、比表面积大、二氧化钛负载量大的特点，在有效减小流体阻力的同时大幅增大与水体的接触面积，从而获得更好的处理效果，本发明具有水流阻力小、杀菌效率高（≥99%）等特点，可广泛应用于污水处理末段出水水体净化消毒处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用光催化技术对水体进行消毒处理并安装于明渠渠道的光催化水处理设备，属于环境资源保护领域。
背景技术
为了保护人类的生命健康，保护好水环境，我国先后出台实施多个水质标准，特别是《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB l8918-2002)、《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921-2002）、《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T19923-2005）都将粪大肠菌群列为基本控制项目，并且对粪大肠菌群最高允许排放浓度作出了新的规定。随着人口增长和工业化进程加快，我国的水资源也日趋紧张，污水的再生利用是解决我国目前水资源紧缺的重要途径之一，而其中的净化消毒是污水再生利用处理过程中不可缺少的重要环节。
目前污水净化消毒的主要方法可分为两大类，即化学消毒法和物理消毒法；化学消毒法有加氯消毒和臭氧消毒等。氯消毒因其成本低廉、运行管理简单且对致病微生物有广泛的灭活特性，在目前污水消毒处理应用中仍处于主导地位；但由于氯消毒会产生大量的三氯甲烷等消毒副产物，且排放的污水中含有余氯对环境会造成一定的破坏，氯的储存和运输也存在一定的危险性，近年来逐渐被新的消毒方法所替代，如二氧化氯等，但二氧化氯消毒方法设备复杂，操作管理要求高，制备的二氧化氯在消毒过程中利用率低（约20%），因而成本较高，仅仅适合于较小规模的污水处理厂。物理消毒法则有紫外线消毒等，紫外线消毒技术是一种较新的消毒方法，消毒过程不加入任何药剂，不会对水体造成二次污染，具有杀菌迅速、占地面积小和易于控制等优点，近年来在国内得到迅速应用。
光催化水处理消毒技术是近年迅速发展的新技术，其光催化反应原理为：光催化材料TiO2（二氧化钛）在紫外灯的照射下，可以产生游离电子及空穴，利用空穴的氧化和电子的还原能力，和周边的H2O、O2发生反应，产生氧化能力极强的自由基（活性羟基、超氧根离子、-COOH、H2O2等），这些自由基可轻易破坏细菌的细胞膜，使细胞质流失，进而将细胞氧化，直接杀死细菌；而这种特殊的光触媒材料只起催化反应，本身的性质在反应前后不会发生变化，也没有任何损耗，因此光催化消毒技术是一种绿色环保的水处理技术，是未来的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提出一种使用光催化技术的明渠式水处理设备。设备具有较低的流体阻力，较高的消毒处理效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是，设备主要包含光催化网单元和紫外灯单元，二者均和水流方向平行放置并分别以矩形阵列形式间隔组合，安装于明渠渠道中。
所述光催化网单元由框架和安装在框架内的光催化网组成。本发明结构设计的特别之处在于，所述框架顶部设置有支撑架，框架的两侧边部和支撑架的两侧边部为偏置设计，即是框架两侧边部相对支撑架的两侧边部缩进或凸出一个距离。支撑架的两侧边部设计有挂钩，顶部设计有提手，方便安装和维护时用。
所述光催化网由多个小单元光催化网和保护套组成。所有小单元光催化网紧密拼接在一起组成一个平面，固定在保护套内；小单元光催化网根据需要可单独设置一个保护套，增加其结构强度，并提高产品使用灵活性。
作为更进一步的改进，所述的光催化网，是三维泡沫金属网状结构，孔隙率>90%，具有厚度小，比表面积大，光催化材料（二氧化钛）负载率高的特点。该结构特征既保证了良好的流体通透性，有效减小了流体阻力，同时大幅扩大和紫外线、流体的接触面积，具有极高的光催化效率，能获得更好的处理效果。
所述紫外灯单元由框架、内部安装有紫外灯的石英玻璃套管以及密封件组成。石英玻璃套管一端封闭而另一端开口，密封件连接在石英玻璃套管其中开口一端，以密封石英玻璃套管与框架的连接端，防止水进入石英玻璃套管内部。
所述框架上沿垂直方向设置有一个或多个石英玻璃套管。当设置多个石英玻璃套管时，框架后侧边部件在任意上下相邻的两个石英玻璃套管之间设置有排水通孔，其作用是减小设备末端面的出水阻力，方便流体快速通过。
所述紫外灯单元框架前侧边部件下端设有斜面，其作用是减小设备前面的进水阻力。
所述紫外灯单元框架顶端设置有支撑架，支撑架的两侧边部和顶部分别设计有安装延伸部和提手，方便安装和维护时用；支撑架的顶部还设有电缆出线安装部。
光催化网单元和紫外灯单元在明渠中正确安装后，支撑架的两侧边部与紫外灯单元支撑架对应的侧边部基本对齐。
为了减小光催化设备占据明渠的面积，最先接触到水流的挡水部位，即光催化网单元前端部相对紫外灯单元前端部可缩进或凸出一个距离；同时，光催化网单元和紫外灯单元最后接触到水流的挡水部位，即光催化网单元后端部相对紫外灯单元后端部缩进或凸出一个距离，构成偏置设计。设计上，光催化网单元和紫外灯单元的前端部和后端部不同时出现在偏置尺寸内的垂直于水流方向的任意截面上。
本发明的有益效果是：光催化网，是三维泡沫金属网状结构，保证了良好的流体通透性，有效减小了流体阻力，同时大幅扩大和紫外线、流体的接触面积，具有极高的光催化效率。光催化网单元和紫外灯单元结构上采用了前、后端部互相偏置的创新设计技术，使水流经过设备时的阻力大幅减小，单位时间内可获得更高的水体处理量，提高经济效益；和其它同类产品比较，本发明具有水流阻力小、杀菌效率高、细菌灭活彻底等特点，可广泛应用于水处理工艺末段出水对水体进行消毒处理。
附图说明
图1是本发明在明渠渠道中的结构安装示意图。
图2是图1中A-A的剖视图。
图3是图2中H处的局部放大图。
图4是光催化网单元结构示意图。
图5是小单元光催化网和保护套的结构示意图。
图6光催化网基材的结构示意图。
图7是紫外灯单元结构示意图。
图8是图1中B-B的剖视图。
图9是图8中C-C的剖视图。
图10是图9中J处的局部放大图。
图11是图9中K处的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图11所示，一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是，包括多个光催化网单元1和紫外灯单元2，二者均和水流方向W平行放置并分别以矩形阵列形式间隔组合，安装于明渠渠道5中。具体实施时，任意两个光催化网单元1中间放置一个紫外灯单元2，各个单元之间有一定的距离，方便从明渠渠道5中提出维护。
如图1所示，明渠渠道5上方，设置了接线箱4，作用是给紫外灯单元2提供供电接口，此接线箱4和上游的供电系统连接，由于这部分器件的功能和本发明的技术相关性不强，所以不再展开详细描述。
所述光催化网单元1由框架101和安装在框架101内的光催化网102组成。所述框架101顶部设置有支撑架103。支撑架103的两侧边部103-1设计有挂钩103-1a，顶部103-2设计有提手103-2a，方便安装和维护时用。
本发明结构设计的特别之处在于，框架101的两侧边部101-1、101-2和支撑架103的两侧边部103-1为偏置设计，在本实施例中，侧边部101-1、101-2相对撑架103的两侧边部103-1缩进一个距离，如图4。
所述光催化网102由多个小单元光催化网102-1和保护套102-2组成。所有小单元光催化网102-1紧密拼接在一起组成一个平面，固定在保护套102-2内；小单元光催化网102-1根据需要可单独设置一个保护套，增加其结构强度，并提高产品使用灵活性。
作为更进一步的改进，所述的光催化网102，是三维泡沫金属网状结构，孔隙率>90%，具有厚度小，比表面积大（是平面面积的4~5倍），光催化材料（二氧化钛）负载率高的特点。该结构特征既保证了良好的流体通透性，有效减小了流体阻力，同时大幅扩大和紫外线、流体的接触面积，具有极高的光催化效率，能获得更好的处理效果。光催化网102的基材104可以采用镍等金属材料制成，光催化材料二氧化钛通过电沉积方法负载在基材上，粘合牢固，不容易脱落，持久耐用。
所述紫外灯单元2由框架201、内部安装有紫外灯的石英玻璃套管203以及密封件204组成。石英玻璃套管203一端封闭而另一端开口，密封件204连接在石英玻璃套管203其中开口一端，以密封石英玻璃套管203与框架201的连接端，防止水进入石英玻璃套管203内部。
所述框架201上沿垂直方向设置有一个或多个石英玻璃套管203。当设置多个石英玻璃套管203时，框架201后侧边部件201-2在任意上下相邻的两个石英玻璃套管203之间设置有排水通孔201-2a，其作用是减小设备末端面的出水阻力，方便流体快速通过。
所述框架201前侧边部件201-1下端设有斜面201-1a，其作用是减小设备前面的进水阻力。
所述框架201顶端设置有支撑架205，支撑架205的两侧边部205-1和顶部205-2分别设计有安装延伸部205-1a和提手205-2a，方便安装和维护时用；支撑架205的顶部205-2还设有电缆出线安装部205-2b。
光催化网单元1和紫外灯单元2在明渠中正确安装后，支撑架103的两侧边部103-1与紫外灯单元2支撑架205对应的侧边部205-1基本对齐。
由物理学和流体力学的知识可知，流速的计算公式如下：
由公式可知，在一定的流量下，明渠的水通过的截面积越大，流速越慢。而光催化设备放置在渠道中后，流水通过的实际面积 = 明渠截面积（垂直于水流方向）–光催化设备占据的截面积，因此光催化设备占据明渠的截面积越小，则水体通过的实际面积就越大，水体受到的阻力就越小。
为了减小光催化设备占据明渠的截面积，结合上述的结构特征，光催化网单元1和紫外灯单元2最先接触到水流的挡水部位，即光催化网单元1前端部101-1相对紫外灯单元2前端部201-1缩进一个距离，构成偏置D4（如图10）。同时，光催化网单元1和紫外灯单元2最后接触到水流的挡水部位，即光催化网单元1后端部101-2相对紫外灯单元2后端部201-2缩进一个距离，构成偏置D5（如图11）。设计上，前端部101-1和201-1、后端部101-2和201-2不同时出现在偏置D4和D5尺寸内的垂直于水流方向的任意截面上。本设计的好处在于，水流经过设备时的阻力大幅减小，单位时间内可获得更高的水体处理量，提高经济效益。而在相同处理量情况下，水体流速变慢，和设备的接触时间更长，因而消毒效果更好。
设备工作时，紫外灯单元2中有紫外光照射到光催化网单元1的光催化网102上，负载在光催化网102上的二氧化钛受到激活发生光催化反应，光催化网102表面产生氧化能力极强的羟基自由基，加上紫外线本身也具有一定的杀菌能力，光催化效应和紫外线产生双重杀菌作用，水流经过光催化网102和紫外光照射的区域，水中的细菌被迅速杀灭。
在本实施例中，光催化网单元1的整体厚度D1≤25 mm，光催化网102基材104的厚度≤20 mm；紫外灯单元2的框架201前侧边部件201-1厚度D2≤25 mm，石英玻璃套管203的直径≤25 mm，框架201后侧边部件201-2的厚度D3≤50 mm。由于本产品结构厚度小，因此水流阻力不大，加上上述偏置设计的特点，设备具有更小的流体阻力。
按照同样的思路，作为实施的另一种方式，所述光催化网单元1的框架101前、后侧边部101-1、101-2以偏置设计方式与紫外灯单元2的框架201前、后侧边部件201-1、201-2之间构成凸出间距，同样可降低设备占用渠道的面积。
光催化网单元1、紫外灯单元2也可以和水流方向垂直放置，但由于阻力会增加，适合于水体流速较小的场合。
综合上述的各种技术方法，本发明的光催化水处理设备具有光催化效率高，细菌灭活彻底和低水阻的特点（经过实践证明，在水体流速0.2~0.5 m/s的情况下，光催化水处理设备前后的液面高度差<10 mm）。在相同条件下，具有更大的处理量和更好的杀菌效果，在水处理工程消毒工艺应用中具有明显优势，具有极佳的经济效果，值得大力推广和应用。
以上所述的具体实施例，仅为本发明较佳的实施例而已，举凡依本发明申请专利范围所做的等同设计，均应为本发明的技术所涵盖。
Claims (8)
1.一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是，包括安装于明渠渠道（5）中且与水流方向平行设置有多个光催化网单元（1）和紫外灯单元（2），多个光催化网单元（1）和紫外灯单元（2）以矩形阵列形式间隔组合排置在明渠渠道（5）中，所述每个光催化网单元（1）和紫外灯单元（2）的前、后端部相互之间以偏置设计方式构成偏置间距。
2.根据权利要求1所述一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是；
所述光催化网单元（1）由框架（101）和安装在框架（101）内的光催化网（102）组成，光催化网（102）为负载有二氧化钛的三维泡沫金属网状结构；
所述紫外灯单元（2）由框架（201）、内部安装有紫外灯的石英玻璃套管（203）以及密封件（204）组成，石英玻璃套管（203）一端封闭而另一端开口，密封件（204）连接在石英玻璃套管（203）其中开口一端，以密封石英玻璃套管（203）与框架（201）的连接端；
光催化网单元（1）的框架（101）的前、后侧边部（101-1、101-2）以偏置设计方式与紫外灯单元（2）由框架（201）前、后侧边部件（201-1、201-2）之间构成缩进间距。
3.根据权利要求2所述一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是，所述光催化网单元（1）的框架（101）前、后侧边部（101-1、101-2）以偏置设计方式与紫外灯单元（2）由框架（201）前、后侧边部件（201-1、201-2）之间构成凸出间距。
4.根据权利要求2所述一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是：所述光催化网（102）由多个小单元催化网（102-1）以平面形式紧密拼接组成，小单元催化网（102-1）外周设置有保护套（102-2）。
5.根据权利要求2所述一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是：所述框架（101）顶部设置有支撑架（103），支撑架（103）的两侧边部（103-1）和顶部（103-2）分别安装有挂钩（103-1a）和提手（103-2a），支撑架（103）两侧边部（103-1）延伸出（或缩进）框架（101）两侧边部（101-1、101-2）。
6.根据权利要求2所述一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是：所述框架（201）前侧边部件（201-1）下端设有斜面（201-1a）。
7.根据权利要求2所述一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是：所述框架（201）上沿垂直方向设置有一个或多个石英玻璃套管（203），多设置多个时，任意上下相邻的两个石英玻璃套管（203）之间的框架（201）后侧边部件（201-2）设置有排水通孔（201-2a）。
8.根据权利要求2所述一种低阻力明渠式光催化水处理设备，其特征是：所述框架（201）顶端设置有支撑架（205），支撑架（205）的两侧边部（205-1）和顶部（205-2）分别设计有安装延伸部（205-1a）和提手（205-2a），支撑架（205）的顶部（205-2）还设有电缆出线安装部（205-2b）。
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