CN102701318A

CN102701318A - 饮用水中腐殖酸去除装置及其去除方法

Info

Publication number: CN102701318A
Application number: CN2012101926003A
Authority: CN
Inventors: 魏永
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明涉及一种饮用水中腐殖酸去除装置，包括反应器主体、进水箱和出水箱，反应器主体内设有一挡光板，挡光板将反应器主体分为光催化反应区和膜分离区，光催化反应区中设有透明灯套，透明灯套中设有紫外线光源，进水箱的出口通过管路连通光催化反应区的进口；膜分离区中设有浸没在原水的平板膜组件，平板膜组件的正下方设有气体扩散装置，气体扩散装置通过管路连接提供气源的空气泵，平板膜组件的出口通过抽吸泵及阀路系统连通光催化反应区的进口、采样瓶和出水箱。本发明不仅强化了对天然有机物的去除，而且能够降低膜污染，两者构成互补关系，延长膜的使用寿命，加强了其实际使用性能。

Description

饮用水中腐殖酸去除装置及其去除方法

技术领域

本发明涉及一种饮用水处理技术领域的方法，具体是采用TiO₂/UV催化氧化耦合膜分离去除水中腐殖酸的水处理技术。

背景技术

腐殖酸（HA）是天然有机物（NOM）的一种重要组成部分，它主要源于植物和动物新陈代谢的分解产物，常存在于地表水与地下水中。腐殖物质的存在可能影响饮用水中不良的口感和观感，腐殖酸还与混凝和活性炭吸附水处理方法争夺化合物吸附点。他们还可以在饮用水氯化消毒过程发生反应形成消毒副产物，如三卤甲烷（THMs）、卤乙酸和卤乙腈等消毒副产品。因此，在地表水的处理中控制腐殖酸起着重要的作用。有研究表明，常规的水处理工艺很难去除含有腐殖酸的天然有机物，一般来说，在常规净水工艺对总有机碳（TOC）去除率仅为10%~50%。即使是微滤（MF）和超滤（UF）膜尽管能有效地去除水中一些大分子物质如浊度及病原体等，但对NOM的去除效果较差，例如，有学者研究证实MF/UF对NOM的去除低于10%，反过来NOM会增加对膜的污染。

对去除水中腐殖酸的化学方法之一是光催化氧化。光催化氧化始于1972年日本学者Fujisllima和Honda在《Nature》杂志上发表的关于光电池中光辐射TiO₂发现TiO₂单晶电极光分解水，并产生氢气。1976年Frank等人用半导体材料催化氧化污染物取得重要进展，研究了TiO₂多晶电极/紫外光作用下对二苯酚、I^-、Br^-、Cl^-、Fe²⁺、Ce³⁺和Cr³⁺，的光解过程，用TiO₂粉末来催化光解水中污染物也取得了满意的结果。同年John和Carey等报道了在紫外光照射下，纳米级TiO₂能使难降解的有机化合物多氯联苯(Polyclllorinated biphenyls)脱氯。1985年，Ollis发表了第一篇光催化在废水治理方面的应用综述，有关光催化降解有机污染物研究工作开始取得很大进步，出现了众多的研究报道。相对于常规的水和废水处理方法这项技术在过去几十年中成为研究热点。二氧化钛由于其光催化活性强，稳定性高，无环境污染和生产成本低等优点，是最常用的光催化剂之一。该催化剂可应用于粉末悬浮状态的形式，也可以固定在各种载体上，如玻璃，石英或不锈钢等。两种构造均有其优缺点。固定在载体上的光催化剂通常会显著减少与溶液的接触面积，结果会降低光催化剂的活性。当使用悬浮状态的光催化剂时，虽然其光催化降解效率高，但是要必须解决反应后的催化剂分离问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中天然有机物去除率低、同时光催化剂污染膜，导致膜使用寿命降低的技术难题，提供一种饮用水中腐殖酸去除装置，强化了对天然有机物的去除，而且能够降低膜污染。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种饮用水中腐殖酸去除装置，包括反应器主体、存放原水的进水箱和存放净化水的出水箱，所述的反应器主体内设有一挡光板，所述的挡光板将反应器主体分为光催化反应区和膜分离区，光催化反应区和膜分离区的上下两端连通，光催化反应区中设有透明灯套，透明灯套中设有紫外线光源，进水箱的出口通过管路连通光催化反应区的进口；膜分离区中设有浸没在原水的平板膜组件，所述的平板膜组件的正下方设有气体扩散装置，所述的气体扩散装置通过管路连接提供气源的空气泵，所述的平板膜组件的出口通过抽吸泵及阀路系统连通光催化反应区的进口、采样瓶和出水箱。

为控制反应时的温度，达到最佳的反应效率和效果，所述的反应器主体外壁设有冷却水循环筒，冷却水循环筒的下部设有进水口、上部设有出水口。为达到最佳的反应效率和效果，控制温度在25℃左右。

为使反应液与光催化剂混合均匀，所述的反应器主体底部设有搅拌器。

进一步的，所述的搅拌器为磁力搅拌器，磁力搅拌器的搅拌子置于反应器主体内。

为了强化反应器主体两区之间的水质均匀，还具有循环泵，所述的循环泵通过管路使光催化反应区和膜分离区形成循环回路。

为实现自动化控制，所述的空气泵、抽吸泵和循环泵由智能控制系统控制工作。

所述的平板膜组件与抽吸泵之间的管路上具有开关阀和精密压力表。

作为优先，所述的反应器主体的光催化反应区和膜分离区的体积比例为1∶1。

作为优选，所述的透明灯套为石英灯套，所述的紫外线光源包括至少三个可分开控制开关的紫外线灯，所述的紫外线灯的功率为16W、所发出的紫外线波长为253.7nm，所述的紫外线灯垂直放置。

为保持反应器主体中恒定的水位，所述的反应器主体中设有显示液位高度的水位计。

一种采用上述饮用水中腐殖酸去除装置的处理方法，具有如下步骤：

①在反应器主体内注满待处理水样，然后在原水中加入TiO₂光催化剂；

②开启紫外线光源和空气泵，气体扩散装置开始曝气；

③通过控制抽吸泵及阀路系统将平板膜组件的出口连通光催化反应区的进口，循环处理至少60min；

④按步骤③处理至少60min后控制阀路系统将平板膜组件的出口连通采样瓶，并对采样瓶内的水进行检测；

⑤按步骤④检测合格后，通过阀路系统将完成处理的水排入出水箱。

为实现连续原水处理，按步骤⑤排入出水箱时，反应器主体内同时补入待处理水样，维持反应器主体内在恒定的水位。

本发明的有益效果是，本发明的饮用水中腐殖酸去除装置采用浸没式平板膜光催化反应器（FSMPR），配合采用悬浮的二氧化钛（P25）作为光催化剂来降解NOM，平板膜分离一方面限定了催化剂的反应环境，同时可以通过膜抽吸通量的大小来调节目标物在反应器内的停留时间，并解决了光催化剂在反应器中同时参与反应与分离的问题。两者的组合兼具有两个主要优点：不仅强化了对天然有机物的去除，而且能够降低膜污染。两者构成互补关系，延长膜的使用寿命，加强了其实际使用性能。对于平板膜组件而言，上升的气液两相流体与膜面接触面积更大，向上的剪切力会更有效地擦洗膜表面，减少光催化剂在膜表面的沉积与堵塞。强大的水气两相错流，会显著提高对平板膜表面的擦洗效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的饮用水中腐殖酸去除装置的最佳实施例结构示意图。

图中：1.反应器主体，11.搅拌器，12.水位计，2.进水箱，3.出水箱，4.挡光板，5.光催化反应区，51.透明灯套，52.紫外线光源，6.膜分离区，61.平板膜组件，62.气体扩散装置，63.空气泵，64.抽吸泵，65.精密压力表，7.冷却水循环筒，8.循环泵，9.智能控制系统，10.采样瓶。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种饮用水中腐殖酸去除装置，包括反应器主体1、存放原水的进水箱2和存放净化水的出水箱3，反应器主体1内设有一挡光板4，挡光板4将反应器主体1分为光催化反应区5和膜分离区6，光催化反应区5和膜分离区6的上下两端连通，光催化反应区5中设有透明灯套51，透明灯套51中设有紫外线光源52，进水箱2的出口通过管路连通光催化反应区5的进口；膜分离区6中设有浸没在原水的平板膜组件61，平板膜组件61的正下方设有气体扩散装置62，气体扩散装置62通过管路连接提供气源的空气泵63，平板膜组件61的出口通过抽吸泵64及阀路系统连通光催化反应区5的进口、采样瓶10和出水箱3。

为控制反应时的温度，达到最佳的反应效率和效果，反应器主体1外壁设有冷却水循环筒7，冷却水循环筒7的下部设有进水口、上部设有出水口。为达到最佳的反应效率和效果，控制温度在25℃左右。

为使反应液与光催化剂混合均匀，反应器主体1底部设有搅拌器11。搅拌器11为磁力搅拌器，磁力搅拌器的搅拌子置于反应器主体1内。

为了强化反应器主体两区之间的水质均匀，还具有循环泵8，循环泵8通过管路使光催化反应区5和膜分离区6形成循环回路。

为实现自动化控制，空气泵63、抽吸泵64和循环泵8由智能控制系统9控制工作。

为方便控制流量，平板膜组件61与抽吸泵64之间的管路上具有开关阀和精密压力表65。

作为优选，反应器主体1的光催化反应区5和膜分离区6的体积比例为1∶1。

作为优选，透明灯套51为石英灯套，紫外线光源52包括至少三个可分开控制开关的紫外线灯，紫外线灯的功率为16W、所发出的紫外线波长为253.7nm，紫外线灯垂直放置。

为保持反应器主体中恒定的水位，反应器主体1中设有显示液位高度的水位计12。

①在反应器主体1内注满待处理水样，然后在原水中加入TiO₂光催化剂；

②开启紫外线光源52和空气泵63，气体扩散装置62开始曝气；

③通过控制抽吸泵64及阀路系统将平板膜组件61的出口连通光催化反应区5的进口，循环处理至少60min；

④按步骤③处理至少60min后控制阀路系统将平板膜组件61的出口连通采样瓶10，并对采样瓶10内的水进行检测；

⑤按步骤④检测合格后，通过阀路系统将完成处理的水排入出水箱3。

按步骤⑤排入出水箱3时，反应器主体1内同时补入待处理水样，维持反应器主体1内在恒定的水位。

实施例1：先在进水箱2及反应器主体1内充满待处理水样，然后加入TiO₂光催化剂，接着打开空气泵63和紫外线光源52开始进行反应，搅拌器11开始搅拌待处理水样，循环泵8开始工作使光催化反应区5和膜分离区6内的待处理水样水质更均匀。反应一段时间后，抽吸泵64将经平板膜组件61过滤的水回流至光催化反应区5，进行循环处理至少60min。然后排出至出水箱（3），再从进水箱（2）中向反应器主体1补入下批待处理水样，形成间隙式循环水处理。

试验结果表明：

（1）待处理水样经150min的FSMPR系统处理后可以除去86%以上的DOC和近100%的UV₂₅₄，并有效地降低THMFP值小于19μg/L；

（2）TiO₂/UV预处理能够非常有效地控制膜污染，只要光催化氧化反应一直进行，平板膜组件61分离含有TiO₂的HA混合溶液中TMP没有明显的增加现象；

（3）平板膜污染的降低，主要是因为光催化氧化能够降解疏水性的紫外光区腐殖酸类大分子有机物为亲水性的小分子类蛋白有机物，这部分光催化中间产物尽管在150min系统处理后没有完全去除，但是并没有明显造成对膜的污染。

实施例2：先在进水箱2及反应器主体1内充满待处理水样，然后加入TiO₂光催化剂，接着打开空气泵63和紫外线光源52开始进行反应，搅拌器11开始搅拌待处理水样，循环泵8开始工作使光催化反应区5和膜分离区6内的待处理水样水质更均匀。反应一段时间后，抽吸泵64将经平板膜组件61过滤的水回流至光催化反应区5，进行循环处理至少60min。然后控制阀路系统使抽吸泵64将水样排入出水箱（3），同时从进水箱（2）将待处理水样连续的加入反应槽主体1内。通过水位计12可保证反应器主体1中维持恒定的水位，通过调节抽吸泵64转速可以控制平板膜组件61的膜通量的变化，通过调节时间继电器可控制抽吸泵64的运行工况（间隙抽吸，抽吸10min后停止1min），系统反应温度在冷凝循环水的辅助下控制在25℃左右。实验过程中，通过抽吸泵64的抽吸控制其恒定的膜通量30L/m².h~90L/m².h范围内运行。膜压差（TMP）通过安装在出水管路上的精密压力表65测试。光催化耦合平板超滤膜技术不仅保留了TiO₂在反应器主体1中悬浮的浓度，解决了细小的TiO₂分离问题，同时降解了对平板膜污染的有机物，减少了膜污染。在本研究中，采用连续模式处理太湖水，试验结果如下：

（1）一种新型的FSMPR技术被用于地表水的净化处理。反应器主体1底部的大气泡曝气，避免了TiO₂在平板膜组件61表面的沉积，保留了悬浮液中TiO₂的浓度；

（2）水力停留时间HRT为13.4h，膜通量为30L/m².h时连续运行420min出水水质达到稳定，UV₂₅₄去除率达86%，DOC去除率也有70%，出水THMFP满足生活饮用水标准CHNSDWQ（GB5749-2006）；

（3）表观分子量AMW及亲疏水性分离结果表明，FSMPR能几乎完全去除分子量2000Da-5000Da以上的疏水性腐殖酸类物质及部分亲水性物质。在处理过程中光催化首先将疏水性的大分子腐殖酸有机物裂解为亲水性的小分子有机物，随后矿化为CO₂与H₂O，稳定出水中虽仍留有部分难以降解的亲水性有机物，但这部分有机物对膜的污染影响不大。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：包括反应器主体（1）、存放原水的进水箱（2）和存放净化水的出水箱（3），所述的反应器主体（1）内设有一挡光板（4），所述的挡光板（4）将反应器主体（1）分为光催化反应区（5）和膜分离区（6），光催化反应区（5）和膜分离区（6）的上下两端连通，光催化反应区（5）中设有透明灯套（51），透明灯套（51）中设有紫外线光源（52），进水箱（2）的出口通过管路连通光催化反应区（5）的进口；膜分离区（6）中设有浸没在原水的平板膜组件（61），所述的平板膜组件（61）的正下方设有气体扩散装置（62），所述的气体扩散装置（62）通过管路连接提供气源的空气泵（63），所述的平板膜组件（61）的出口通过抽吸泵（64）及阀路系统连通光催化反应区（5）的进口、采样瓶（10）和出水箱（3）。

2.如权利要求1所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的反应器主体（1）外壁设有冷却水循环筒（7），冷却水循环筒（7）的下部设有进水口、上部设有出水口。

3.如权利要求2所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的反应器主体（1）底部设有搅拌器（11）。

4.如权利要求3所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的搅拌器（11）为磁力搅拌器，磁力搅拌器的搅拌子置于反应器主体（1）内。

5.如权利要求1所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：还具有循环泵（8），所述的循环泵（8）通过管路使光催化反应区（5）和膜分离区（6）形成循环回路。

6.如权利要求5所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的空气泵（63）、抽吸泵（64）和循环泵（8）由智能控制系统（9）控制工作。

7.如权利要求1所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的平板膜组件（61）与抽吸泵（64）之间的管路上具有开关阀和精密压力表（65）。

8.如权利要求1所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的反应器主体（1）的光催化反应区（5）和膜分离区（6）的体积比例为1∶1。

9.如权利要求1所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的透明灯套（51）为石英灯套，所述的紫外线光源（52）包括至少三个可分开控制开关的紫外线灯，所述的紫外线灯的功率为16W、所发出的紫外线波长为253.7nm，所述的紫外线灯垂直放置。

10.如权利要求1所述的饮用水中腐殖酸去除装置，其特征是：所述的反应器主体（1）中设有显示液位高度的水位计（12）。

11.一种采用权利要求1-10任一项所述的饮用水中腐殖酸去除装置的处理方法，其特征是具有如下步骤：

①在反应器主体（1）内注满待处理水样，然后在原水中加入TiO₂光催化剂；

②开启紫外线光源（52）和空气泵（63），气体扩散装置（62）开始曝气；

③通过控制抽吸泵（64）及阀路系统将平板膜组件（61）的出口连通光催化反应区（5）的进口，循环处理至少60min；

④按步骤③处理至少60min后控制阀路系统将平板膜组件（61）的出口连通采样瓶（10），并对采样瓶（10）内的水进行检测；

⑤按步骤④检测合格后，通过阀路系统将完成处理的水排入出水箱（3）。

12.如权利要求11所述的处理方法，其特征是：按步骤⑤排入出水箱（3）时，反应器主体（1）内同时补入待处理水样，维持反应器主体（1）内在恒定的水位。