CN105967313B - 一种内循环光电催化氧化组合处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内循环光电催化氧化组合处理装置，所述的处理装置筒体(1)底部设置有进水口(2)并与环形布水器(3)相连，通过环形布水器将废水均匀分布于装置底部，环形布水器(3)上方为光电催化氧化组合处理系统(4)，下方为沉淀泥斗(5)并与排泥口(6)相连，光电催化氧化组合处理系统(4)在加载直流电源条件下，废水由光电催化氧化单元(7)底部提升至装置顶部，一部分由装置上部出水口(9)排出，一部分通过中心隔离筒(8)再次循环至光电催化氧化单元(7)底部与进水口(2)来水混合，实现废水在光电催化氧化组合处理系统(4)内部循环，反应产生泥渣定期由排泥口(6)排出，产生尾气由顶部尾气处理器(10)排出。

Description

一种内循环光电催化氧化组合处理装置

技术领域

本发明属于环境工程废水处理领域，涉及一种废水处理技术，特别是一种内循环光电催化氧化组合处理装置。

背景技术

随着我国工业化水平的不断提高，工业用水量不断增加，工业生产过程如石油炼制、化工产品生产等产生大量工业废水，废水中常含有大量人工合成类难降解有机污染物如苯类、联苯类、酚类等，该类物质一般具有结构稳定、毒性大、生物降解周期长等特点，一经排入水体对地表水环境造成严重污染。工业废水处理技术可作为该类废水处理的重要手段，但鉴于工业废水特点，尤其该类废水经现有多级组合污水处理工艺处理后，大量易降解污染物已经去除，但难降解有机污染物得到进一步富集，随着人们环保意识的增强和我国环保标准的不断提高，需对上述难降解废水进一步深度处理，但采用传统废水处理技术对该类废水后续深度处理存在能耗大、效果差、去除不彻底等问题。因此，解决难降解污染物处理问题成为工业废水深度处理技术的关键。光电催化氧化技术作为一种高级氧化处理技术，它通过极板表面光催化作用，使系统内产生大量强氧化基团，如羟基自由基，从而使废水中污染物分解为二氧化碳和水，实现污染物的快速有效去除，将光电催化氧化技术用于工业废水深度处理具有氧化性强、对污染物无选择性、反应时间短等特点，但同时也存在一些技术问题，主要表现为：1)光源利用效率和极板光催化活性较低，外界对光源系统干扰大，降低了体系光生电子数量，进而影响系统污染物去除能力；2)光生电子和空穴复合率高，造成光电解催化氧化效率低，从而造成污染物去除效果较差；3)光电催化氧化体系容易产生“浓差极化”现象，尤其当污染物底物浓度较低时，污染物不能及时扩散，造成光电催化氧化效率显著下降，能耗增大，处理成本增加；4)对于结构较为稳定的苯类、联苯类物质，难以通过极板光催化作用，实现难降解污染物彻底分解氧化，去除效果差；5)极板抗污染性较差，极板表面易结垢，长时间运行后，造成涂层脱落，极板使用寿命降低，并影响出水水质和系统运行稳定性。因此，解决上述技术问题，是实现工业废水深度处理的关键。

发明内容

为了克服上述技术不足，本发明的目的是提供一种内循环光电催化氧化组合处理装置，采用独特的光电催化氧化系统设计，可实现光催化系统与电催化氧化系统的有机结合，显著提高光催化氧化效率，强化系统污染物去除能力和抗染污能力，同时保证系统运行稳定性。

本发明为一种内循环光电催化氧化组合处理装置，所述的处理装置筒体底部设置有进水口并与环形布水器相连，通过环形布水器将废水均匀分布于装置底部，环形布水器上方为光电催化氧化组合处理系统，下方为沉淀泥斗并与排泥口相连，反应产生泥渣定期由排泥口排出，处理装置上部设置有出水口，顶部安装有尾气处理器，其中，光电催化氧化组合处理系统由若干光电催化氧化单元和一个中心隔离筒构成，光电催化氧化单元个数≥4，具体数量根据废水水量、水质而定；

所述的环形布水器直径介于装置筒体内径和中心隔离筒外径之间，通过固定支架固定于装置筒体上，环形布水器上部均匀分布布水孔，孔径大小为Φ2～4mm；所述的沉淀泥斗与水平角度不小于35°；所述的光电催化氧化单元由同心圆筒式阳极和筒式阴极构成，两者之间间距为1～4cm，筒式阳极和筒式阴极分别通过筒式阳极接线端子和筒式阴极接线端子与外加直流电源相连，筒式阳极和筒式阴极之间填装光电催化剂，并由环形绝缘支撑板承托，筒式阳极中心置有柱形紫外光源；所述的环形绝缘支撑板布置有进水孔；所述的尾气处理器的进气口和出气口直径为喉管直径的1.5-2.5倍，进气口与压缩空气相连，出气口与大气相连，当压缩空气进入尾气处理器后，根据文丘里效应，喉管处产生负压，从而使装置内部产生气体快速抽吸至外部；

所述的光电催化氧化组合处理系统在加载直流电源条件下，废水由光电催化氧化单元底部提升并通过进水孔直至装置顶部，一部分通过中心隔离筒再次循环至光电催化氧化单元底部与进水口来水混合，实现废水在光电催化氧化组合处理系统内部循环，废水提升速率和循环倍率由加载直流电流大小决定。

根据本发明所述的光电催化氧化组合处理装置，所述的筒体和中心隔离筒主材质采用高纯度钛或钢制衬塑，具有耐酸、碱、高盐腐蚀和抗氧化特性。

所述的筒式阳极为高效改性电极板，电极以金属钛为基材，表面负载二氧化钛，并用贵金属银、铂、钯、铈一种或多种活性物质进行修饰制成，具有光催化活性；所述的筒式阴极为高纯度金属钛板。

根据本发明所述的光电催化氧化组合处理装置，所述的光电催化剂以多孔型二氧化硅为载体，表面掺杂固载二氧化钛、二氧化锆、硫化镉中的一种或多种活性物质制得，具有光催化活性，光电催化剂粒度为0.5～0.8cm。

根据本发明所述的光电催化氧化组合处理装置，所述的柱形紫外光源为产生波长190～400nm的中压汞灯、低压汞灯，并通过紫外光源接线端子与外界接线，单个柱形紫外光源功率为40～400w，柱形紫外光源外径与筒式阳极间距为2～3mm。

根据本发明所述的光电催化氧化组合处理装置，所述的光电催化氧化组合处理系统加载电源为低压直流电源，电流为0～800A，电压为0～40V，具体根据废水水量、水质可调。

本发明还提供了一种所述的光电催化氧化组合处理装置处理废水的方法，包括：废水由进水口进入装置并通过环形布水器均匀分布于装置底部，光电催化氧化组合处理系统在加载直流电源条件下，废水由光电催化氧化单元底部提升并通过进水孔直至装置顶部，一部分由出水口排出，一部分通过中心隔离筒再次循环至光电催化氧化单元底部与进水口来水混合，实现废水在光电催化氧化组合处理系统内部循环氧化，废水提升速率和循环倍率由加载直流电流大小决定，一般循环倍率为5～8倍，废水中污染物在紫外光和极板催化氧化作用下，实现污染物彻底矿化，废水在装置内部水力停留15～40min后由出水口排出，装置产生沉渣进入沉淀泥斗，定期通过排泥口排出；同时，压力在0.02～0.05Mpa的压缩空气通过进气口进入尾气处理器，由于尾气处理器进气口和出气口直径均大于喉管处直径，根据文丘里效应，在喉管处将形成负压环境，从而使装置内部气体连同进气共同由出气口抽吸至外部。

与现有技术相比，本发明有如下技术特点：

1、本发明通过紫外光发射系统与电催化氧化系统有机结合，在紫外光作用下，使极板表面和光电催化剂表面产生大量高活性氧化中间体，并通过优化紫外光发射光源与电催化氧化系统阳极外形结构，增大了极板与紫外光重叠面积，提高了紫外光利用效率，促使系统产生更多强氧化基团，增强了系统污染物去除能力。

2、本发明通过在光电催化氧化系统外加偏电压，使高活性氧化中间体快速吸附至极板和光电催化剂表面，显著降低了光生电子和空穴复合率，在极板活性物质催化氧化作用下，实现有机物的快速氧化；通过紫外光发射系统与电催化氧化系统的有机结合，不仅提高了极板光催化活性，同时提高了所产生高活性氧化中间体利用效率，即极板催化氧化效率。

3、本发明通过独特的光电催化氧化组合处理系统设计，在外加偏电压情况下，废水通过催化氧化作用实现有机物彻底分解为二氧化碳和水，所产生气体通过气提作用可实现废水由光电催化氧化单元底部提升至上部，上部废水因底部废水提升的作用通过中心隔离筒再次进入光电催化氧化单元底部，从而实现废水在光电催化氧化组合处理系统内部多次循环氧化，并且通过外加电流大小，可控制废水在系统内部循环倍率，大大提高了污染物去除能力，提高了处理效率。

4、在光电催化氧化单元气提作用下，显著提高了光电催化氧化组合处理系统内部废水扰动程度，增强了污染物扩散能力，避免废水至极板表面形成“浓差极化”现象，提高了电催化氧化效率；同时，电极板和光电催化剂表面因催化降解作用所产生的气液两相流，大大提高了极板表面湍流程度，减缓了极板结垢趋势，延长了极板污染周期。

附图说明

图1为本发明一种内循环光电催化氧化组合处理装置的结构示意图。

图2为图1的装置的俯视示意图。

图3为图1中光电催化氧化单元的局部结构示意图。

其中，1、筒体；2、进水口；3、环形布水器；4、光电催化氧化组合处理系统；5、沉淀泥斗；6、排泥口；7、光电催化氧化单元；8、中心隔离筒；9、出水口；10、尾气处理器；11、固定支架；12、布水孔；13、筒式阳极；14、筒式阴极；15、光电催化剂；16、环形绝缘支撑板；17、进水孔；18、柱形紫外光源；19、进气口；20、出气口；21、喉管；22、柱形紫外光源接线端子；23、筒式阳极接线端子；24、筒式阴极接线端子。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图1～3对本发明作进一步描述。

附图1为本发明一种内循环光电催化氧化组合处理装置，组合处理装置筒体1底部设置有进水口2并与环形布水器3相连，环形布水器3上方为光电催化氧化组合处理系统4，下方为沉淀泥斗5并与排泥口6相连，沉淀泥斗5与水平角度不小于35℃，组合处理装置上部设置有出水口9，顶部安装有尾气处理器10，其中，光电催化氧化组合处理系统4由若干光电催化氧化单元7(图中实施例共8个)和一个中心隔离筒8构成，光电催化氧化单元7具体数量根据废水水量、水质而定；处理装置筒体1和中心隔离筒8主材质采用高纯度钛或钢制衬塑，具有耐酸、碱、高盐腐蚀和抗氧化特性。

根据本发明所述的处理装置，环形布水器3直径介于装置筒体1内径和中心隔离筒8外径之间，通过固定支架11固定于装置筒体1上，环形布水器3上部均匀分布布水孔12，孔径大小为Φ2～4mm；尾气处理器10的进气口19和出气口20直径为喉管21直径的2倍，进气口19与压缩空气相连，出气口20与大气相连，压缩空气压力在0.02～0.05Mpa，压缩空气进入尾气处理器10后，喉管21处气体流速大于进气口19和出气口20，根据文丘里原理，喉管21处气压将低于进气口19和出气口20，即喉管21处产生负压环境，从而使装置内部产生气体快速抽吸至外部。

根据本发明所述的处理装置，如附图1～3所示，光电催化氧化单元7由筒式阳极13和筒式阴极14构成，其中，筒式阳极13为高效改性电极板，电极以金属钛为基材，表面负载二氧化钛，并用贵金属银、铂、钯、铈一种或多种活性物质进行修饰制成，筒式阴极14为高纯度金属钛板，筒式阳极13和筒式阴极14之间间距为1～4cm，筒式阳极13和筒式阴极14分别通过筒式阳极接线端子23和筒式阴极接线端子24与外加直流电源相连(见附图2)；筒式阳极13和筒式阴极14之间填装有光电催化剂15，光电催化剂15以多孔型二氧化硅为载体，表面掺杂固载二氧化钛、二氧化锆、硫化镉中的一种或多种活性物质制得，具有光催化活性，光电催化剂15粒度为0.5～0.8cm；光电催化剂15由环形绝缘支撑板16承托，环形绝缘支撑板16布置有0.4cm进水孔17(见附图3)；所述的筒式阳极13中心置有柱形紫外光源18，如中压汞灯、低压汞灯，可产生190～400nm波长的紫外光，柱形紫外光源18外径与筒式阳极13之间间距在2～3mm之间，柱形紫外光源18通过柱形紫外光源接线端子20与外部电源相连接，单个柱形紫外光源功率为40～400w。

结合附图1对本发明所述的组合处理装置具体处理废水的方式进行如下描述：废水由进水口2进入装置，通过环形布水器3均匀分布于装置底部，光电催化氧化组合处理系统4在加载直流电源条件下，废水由光电催化氧化单元7底部提升并通过进水孔17直至装置顶部，一部分由出水口9排出，一部分通过中心隔离筒8再次循环至光电催化氧化单元7底部与来水混合，实现废水在光电催化氧化组合处理系统4内部循环，废水提升速率和循环倍率由加载直流电流大小决定，一般循环倍率为5～8倍，废水中污染物在柱形紫外光源18和高效改性电极板催化氧化作用下，实现废水中污染物彻底矿化，废水在装置内部水力停留15～40min；经光电催化氧化组合处理系统4处理后，废水由出水口9排出，装置产生沉渣进入沉淀泥斗5，定期通过排泥口6排出；同时，装置顶部设置有尾气处理器10，外部风源通过进气口19进入尾气处理器10，根据文丘里效应，在喉管处形成负压，从而使装置内部气体连同进气共同由出气口排出。

实施例一：

黑龙省某石化公司采用生化法处理石油炼制废水，废水水量约为20m³/h，废水中含有大量难降解和有毒有害物质，如苯类、丙烯晴等物质，随着环保标准的提高，现有污水处理工艺面临升级改造。

采用本发明内循环光电催化氧化组合处理装置对该公司生化出水进行了3m³/d的中试深处处理试验，装置进水COD在159～331mg/L之间，平均为272mg/L，装置加载直流电源输出电流为500A，采用中压汞灯作为紫外光源，紫外光波长为310～365nm，单个柱形紫外光源功率为200w，废水在装置停留时间为25min，经本发明组合处理装置处理后，出水COD在42～57mg/L之间，平均为52mg/L，COD平均去除率达到81％，出水满足厂方排放标准。

实施例二：

辽宁省某采油公司陆地终端采油含聚废水，采用隔油+生化工艺进行处理，水量约为180m³/h，废水中含有大量难降解环类物质及聚合物，致使废水可生化性较差，现有工艺处理效果较差，厂方拟采用三级处理工艺对现有工艺出水进行深度处理，但采用传统氧化技术和生物技术难以满足技术要求。

采用本发明内循环光电催化氧化组合处理装置对该含聚废水进行了24m³/d的中试试验，含聚废水进水COD在272～378mg/L之间，平均为343mg/L，直流电源输出电流为600A，采用低压汞灯作为紫外光源，紫外光波长为220～250nm，单个柱形紫外光源功率为80w，废水在装置停留时间为40min，经本发明装置处理后，出水COD在53～68mg/L之间，平均为61mg/L，COD平均去除率达到82％，出水水质满足厂方规定要求。

Claims (7)

1.一种内循环光电催化氧化组合处理装置，其特征在于，所述的处理装置筒体(1)底部设有进水口(2)并与环形布水器(3)相连，环形布水器(3)上方为光电催化氧化组合处理系统(4)，下方为沉淀泥斗(5)并与排泥口(6)相连，处理装置上部设置有出水口(9)，顶部安装有尾气处理器(10)，其中，光电催化氧化组合处理系统(4)由若干光电催化氧化单元(7)和一个中心隔离筒(8)构成，光电催化氧化单元(7)个数≥4，具体数量根据废水水量、水质而定；

所述的环形布水器(3)直径介于装置筒体(1)内径和中心隔离筒(8)外径之间，通过固定支架(11)固定于装置筒体(1)上，环形布水器(3)上部均匀分布布水孔(12)，孔径大小为Φ2～4mm；所述的沉淀泥斗(5)与水平角度不小于35°；

所述的光电催化氧化单元(7)由同心圆筒式阳极(13)和筒式阴极(14)构成，两者之间间距为1～4cm，筒式阳极(13)和筒式阴极(14)分别通过筒式阳极接线端子(23)和筒式阴极接线端子(24)与外加直流电源相连，筒式阳极(13)和筒式阴极(14)之间填装光电催化剂(15)，并由环形绝缘支撑板(16)承托，筒式阳极(13)中心置有柱形紫外光源(18)；所述的环形绝缘支撑板(16)布置有进水孔(17)；

所述的尾气处理器(10)的进气口(19)和出气口(20)直径为喉管(21)直径的1.5-2.5倍，进气口(19)与压缩空气相连，出气口(20)与大气相连，当压缩空气进入尾气处理器(10)后，喉管处将产生负压，从而使装置内部产生气体快速抽吸至外部；

所述的光电催化氧化组合处理系统(4)在加载直流电源条件下，废水由光电催化氧化单元(7)底部提升并通过进水孔(17)直至装置顶部，一部分通过中心隔离筒(8)再次循环至光电催化氧化单元(7)底部与进水口(2)来水混合，实现废水在光电催化氧化组合处理系统(4)内部循环，废水提升速率和循环倍率由加载直流电流大小决定。

2.根据权利要求1所述的一种内循环光电催化氧化组合处理装置，其特征在于：所述的筒体(1)和中心隔离筒(8)主材质采用高纯度钛或钢制衬塑，具有耐酸、碱、高盐腐蚀和抗氧化特性。

3.根据权利要求1所述的一种内循环光电催化氧化组合处理装置，其特征在于：所述的筒式阳极(13)为高效改性电极板，电极以金属钛为基材，表面负载二氧化钛，并用贵金属银、铂、钯、铈一种或多种活性物质进行修饰制成，具有光催化活性；所述的筒式阴极(14)为高纯度金属钛板。

4.根据权利要求1所述的一种内循环光电催化氧化组合处理装置，其特征在于：所述的光电催化剂(15)以多孔型二氧化硅为载体，表面掺杂固载二氧化钛、二氧化锆、硫化镉中的一种或多种活性物质制得，光电催化剂(15)粒度为0.5～0.8cm。

5.根据权利要求1所述的一种内循环光电催化氧化组合处理装置，其特征在于：所述的柱形紫外光源(18)为产生波长190～400nm的中压汞灯、低压汞灯，并通过紫外光源接线端子(22)与外界接线，单个柱形紫外光源功率为40～400w，柱形紫外光源(18)外径与筒式阳极(13)间距为2～3mm。

6.根据权利要求1所述的一种内循环光电催化氧化组合处理装置，其特征在于：所述的光电催化氧化组合处理系统(4)加载电源为低压直流电源，电流为0～800A，电压为0～40V，具体根据废水水量、水质可调。

7.一种权利要求1所述的内循环光电催化氧化组合处理装置处理废水的方法，其特征在于，废水由进水口(2)进入装置并通过环形布水器(3)均匀分布于装置底部，光电催化氧化组合处理系统(4)在加载直流电源条件下，废水由光电催化氧化单元(7)底部提升并通过进水孔(17)直至装置顶部，一部分由出水口(9)排出，一部分通过中心隔离筒(8)再次循环至光电催化氧化单元(7)底部与进水口(2)来水混合，实现废水在光电催化氧化组合处理系统(4)内部循环，废水提升速率和循环倍率由加载直流电流大小决定，循环倍率为5～8倍，废水在装置内部水力停留15～40min后由出水口(9)排出，装置产生沉渣进入沉淀泥斗(5)，定期通过排泥口(6)排出；同时，压力在0.02～0.05Mpa的压缩空气通过进气口(19)进入尾气处理器(10)后，在喉管处形成负压，使装置内部产生气体快速抽吸至外部。