CN105130045A - 用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器 - Google Patents

Abstract

用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器，包括一个气升式环流光催化反应器，反应器内同轴设有多个导流筒，相邻导流筒之间形成供流体上升或下降的环形区域，其中的一个导流筒的筒体由内层筒壁和外层筒壁组成，内层筒壁和外层筒壁之间具有一个空腔，且在筒体的上、下两端内层筒壁和外层筒壁之间密封连接，导流筒的外层筒壁上包裹有过滤膜，用以将固体光催化剂从处理后的废水中分离出去，在外层筒壁上被过滤膜包裹的区域内设有多个透水孔，导流筒筒体的上端设有与所述空腔相连通的集水管，集水管与设置在反应器外部的输出-反冲洗系统连接。本发明能够实现在气升式环流光催化反应器内将反应后的废水与固体光催化剂分离。

Description

用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器

技术领域

本发明属于有机废水处理中所用的反应器技术领域，特别涉及一种将气升式环流光催化反应器与膜分离技术相结合的用于处理有机废水的反应器。

背景技术

新世纪以来，国内经济迅速发展，同时也带来了许多不可挽回的环境问题。如何处理污水中有机污染物是环境领域的研究热点。为了解决该问题，人们已经研究出了许多方法，如：液-液萃取（LLE）、固相萃取（SPE）、液相微萃取（LPME）、膜萃取、顶空处理技术、相转移法、生物处理、热处理法、催化氧化法、高锰酸钾氧化法、臭氧氧化法、紫外线处理法、过氧化氢氧化法等。但是，它们在处理污染物时均有很大的局限性，如成本高、处理效率低、不彻底、二次污染等。甚至在一些工业污水中，用生物来处理不仅不能降解污染物，反而微生物被致死。有些方法在处理污染物的过程中会产生毒性更强的中间产物，结果适得其反。为了弥补以上一些传统方法的缺陷，研究者又开发研制了许多方法去解决这些问题，其中光催化氧化法就是其中效果好而且很重要的一种。

光催化氧化法降解水体中有机污染物的研究已成为环境污染处理研究领域的一大热点。它的作用原理主要是：光催化剂(如：二氧化钛TiO₂)受到波长<380nm的近紫外线照射时，其价带的电子被激发跃迁到导带，生成的电子一空穴对扩散到TiO₂表面并能穿过界面与吸附在TiO₂表面上的化学物质发生氧化还原反应，使有害气体达到无机化(生成CO₂、H₂0和无机离子)。为了让光催化氧化反应能够稳定和高效的进行，需要相应的光催化反应器。一个设计良好的光催化反应器，将能大大提高反应体系的催化效率，从而达到高效、节能、稳定等目的，这也是目前光催化研究领域的一个重要方向之一。光催化反应器主要有两种类型：一种是固定床光催化反应器，另一种是流化床光催化反应器。固定床反应器是将催化剂固定在一些载体表面来进行催化反应，它与流化床光催化反应器的区别在于，催化剂不随液体或气体一起流动，而是被固定在介质或载体表面，这样避免了光催化剂的分离问题，但是催化剂被固定后，催化剂与液体或气体的接触面积较小，严重影响了催化反应的效率，而且催化剂的利用率较低。流化床光催化反应器是将催化剂与待降解废水直接混合的一种反应器。这种反应器的效率较高，制作难度低，适用于大多数的反应类型，催化效率远远超过固定床光催化反应器，因而得到了广泛的应用。但是光催化剂的分离问题在一定程度上阻碍了这种反应器的进一步发展。

流化床光催化反应器分为搅拌式和鼓泡式，其中，气升式光催化反应器由于具有剪切力小、结构简单、无机械搅拌转动构件、容易放大等优点在光催化领域得到了广泛的应用。但是，气升式环流流化床光催化反应器需要高径比在12左右才能达到最佳的混合效果，能耗较大；并且，该反应器在对废水中有机污染物处理完后，固体光催化剂颗粒难以从废水中分离出来，此两个问题在一定程度上阻碍了此种反应器的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有气升式环流光催化反应器存在的高度过高，以及气-液-固三相流化床反应器固体光催化剂较难分离的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器，包括一个气升式环流光催化反应器，反应器内同轴设有多个导流筒，相邻导流筒之间形成供流体上升或下降的环形区域，其中的一个导流筒的筒体由内层筒壁和外层筒壁组成，内层筒壁和外层筒壁之间具有一个空腔，且在筒体的上、下两端内层筒壁和外层筒壁之间密封连接，导流筒的外层筒壁上包裹有过滤膜，用以将固体光催化剂从处理后的废水中分离出去，在外层筒壁上被过滤膜包裹的区域内设有多个透水孔，所述导流筒筒体的上端设有与所述空腔相连通的集水管，集水管与设置在反应器外部的输出-反冲洗系统连接。

所述的输出-反冲洗系统内设有输出管路和反冲洗管路，输出管路用以将处理后的不含固体光催化剂的废水从所述导流筒空腔内抽出，反冲洗管路用以向所述导流筒空腔内注入清水以将粘附在过滤膜上的固体光催化剂冲洗掉。

所述导流筒设置为三个，中间的导流筒设置为双层筒壁结构，相邻导流筒之间的环形区域的体积相同。

有益效果：本发明采用多导流筒同轴设置，并通过设置在反应器底部的曝气器在相邻导流筒之间的环形区域内形成升流区和降流区，以降低反应器的高径比。

其中一个导流筒采用双层筒壁结构，且在开有透水孔的外层筒壁上包裹过滤膜，用以在输出-反冲洗系统的作用下，将处理后的废水经过滤膜过滤掉固体光催化剂颗粒后从所述导流筒双层筒壁之间的空腔内抽出，从而实现将处理后的废水与光催化剂分离的目的。粘附在过滤膜表面的固体光催化剂在反冲洗作用下重新回到反应器中继续参加光催化反应。通过改变传统导流筒的结构，并将导流筒与过滤膜相结合，从而在反应器内部即可实现处理后的废水与光催化剂的分离，且分离后的固体光催化剂仍留在反应器内部继续发挥作用，分离效果好。固液分离过程能够与光催化反应过程均在光催化反应器内进行，而不必在反应器外部增加额外的固液分离装置，操作十分快捷，并降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的双层筒壁导流筒的剖面图。

图3为本发明的导流筒和曝气器在反应器内的分布图。

图中标记为：1、壳体，2、保护罩，3、电线，4、紫外灯，5、导流筒，51、内层筒壁，52、外层筒壁，53、过滤膜，54、透水孔，55、空腔，6、采样口，7、法兰，8、进气口，9、曝气器，10、进料口，11、集水管，12、冷凝器，13、反应器扩大段，14、真空表，15、压力表，16、针型阀，17、隔膜泵，18、水池。

具体实施方式

如图所示，用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器，包括一个气升式环流光催化反应器，反应器内同轴设有多个导流筒5，相邻导流筒5之间形成供流体上升或下降的环形区域，相邻导流筒5之间的环形区域的体积相同，保证了液体在反应器内均匀的流动。在反应器的底部位于相间的环形区域内设置曝气器，曝气器扩大段呈锥形，母线与中心轴线呈60°夹角，并相比一般的曝气器而言延长了扩大段，能够有效避免一般圆盘状曝气器中间气流集中，周围气流少，以致整个曝气器气流分布不均匀的问题，使气体更加均匀的分布在曝气器表面，此外平缓的扩大段减少了气体的阻力损失。在设置曝气器的环形区域内设置光源系统，可设置多个紫外灯4，在紫外灯4外面设置保护罩2,。

其中的一个导流筒5的筒体由内层筒壁51和外层筒壁52组成，内层筒壁51和外层筒壁52之间具有一个空腔55，且在筒体的上、下两端内层筒壁51和外层筒壁52之间密封连接，导流筒的外层筒壁52上包裹有过滤膜53，用以将固体光催化剂从处理后的废水中分离出去，过滤膜53可采用板式过滤膜，其滤孔的大小应保证固体光催化剂不能透过滤膜，在外层筒壁52上被过滤膜53包裹的区域内设有多个透水孔54，透水孔54可均匀分布在外层筒壁52上。导流筒的结构应保证进入到空腔55内的水是经处理后的清水，并且是经过滤膜53过滤后的不含光催化剂的水。所述导流筒筒体的上端设有与所述空腔55相连通的集水管11，集水管11与设置在反应器外部的输出-反冲洗系统连接。具体实施中，可将导流筒数目设置为三个或者更多，中间的导流筒5设置为双层筒壁结构。

所述的输出-反冲洗系统内设有输出管路和反冲洗管路，输出管路用以将处理后的不含固体光催化剂的废水从所述导流筒空腔55内抽出，反冲洗管路用以向所述导流筒空腔55内注入清水以将粘附在过滤膜53上的固体光催化剂冲洗掉。

本发明的工作过程为：关闭进气口8，将含有有机污染物的废水从进料口10注入气升式环流光催化反应器内，进水高度约至反应器扩大段13以下5cm，其中，反应器扩大段13的倾角设置为45°左右，能较好缓冲容器内的液体流量。从反应器顶部设置的进药口加入一定量的光催化剂（主要成分为TiO₂和ZnO，并参杂少量的V、Cu、Ni、Fe等辅助剂。光催化剂粒径为10~800nm，孔径为0.3~8nm。），打开进气口阀门，空气经进气口8，经过曝气器9进入反应器中。打开紫外灯，光催化反应开始进行。反应一段时间后，在采样口6采样检测有机物浓度，在连续检测三次处理效果合格，说明反应器内反应达到了稳定。然后启动输出-反冲洗系统的输出管路系统，即先打开输出管路上的各个针型阀，关闭反冲洗管路上的各个针型阀，通过输出管路上的流量计控制出水流量，在隔膜泵17的作用下，将处理后的废水经过滤膜53过滤掉其中的光催化剂后，从所述空腔55内将不含光催化剂的清水抽出。出水一段时间后，过滤膜53上积聚了大量光催化剂颗粒，然后打开反冲洗管路上的各个针型阀，关闭输出管路上的各个针型阀，进行反冲洗操作，将光催化剂冲洗掉进入有机污水中，继续发挥作用。在进行反冲洗过程中，调针型阀使反冲洗水量逐渐减少，以维持在整个出水和反冲洗周期内反应器内水量基本不变。在输出管路上和反冲洗管路上分别设有真空表14和压力表15，两路管路上均设置有流量计。

Claims (3)

1.用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器，包括一个气升式环流光催化反应器，反应器内同轴设有多个导流筒（5），相邻导流筒（5）之间形成供流体上升或下降的环形区域，其特征在于：其中的一个导流筒（5）的筒体由内层筒壁（51）和外层筒壁（52）组成，内层筒壁（51）和外层筒壁（52）之间具有一个空腔（55），且在筒体的上、下两端内层筒壁（51）和外层筒壁（52）之间密封连接，导流筒的外层筒壁（52）上包裹有过滤膜（53），用以将固体光催化剂从处理后的废水中分离出去，在外层筒壁（52）上被过滤膜（53）包裹的区域内设有多个透水孔（54），所述导流筒筒体的上端设有与所述空腔（55）相连通的集水管（11），集水管（11）与设置在反应器外部的输出-反冲洗系统连接。

2.如权利要求1所述的用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器，其特征在于：所述的输出-反冲洗系统内设有输出管路和反冲洗管路，输出管路用以将处理后的不含固体光催化剂的废水从所述导流筒空腔（55）内抽出，反冲洗管路用以向所述导流筒空腔（55）内注入清水以将粘附在过滤膜（53）上的固体光催化剂冲洗掉。

3.如权利要求1所述的用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器，其特征在于：所述导流筒（5）设置为三个，中间的导流筒（5）设置为双层筒壁结构，相邻导流筒（5）之间的环形区域的体积相同。