CN108101281A - 一种催化陶瓷膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种催化陶瓷膜反应器，包括反应器，所述反应器内设置有催化陶瓷膜组件、催化供能系统、曝气系统、催化剂回收系统；所述催化陶瓷膜组件设置在反应器中部；所述催化供能系统设置在催化陶瓷膜组件的外侧；所述催化陶瓷膜组件的下方依次设置有曝气系统和催化剂回收系统；所述反应器内填充含光催化剂的溶胶体系。该催化陶瓷膜反应器可有效分解有机物、控制膜污染的发生、保留催化剂、降低膜清洗成本，深度处理，提高出水水质标准。

Description

一种催化陶瓷膜反应器

技术领域

本发明涉及一种催化陶瓷膜反应器，属于污水处理技术领域。

背景技术

当今世界，水环境恶化和水资源短缺的问题日益严重，膜法水处理技术以其高效节能、选择性好、应用广泛的突出优点成为新型水处理技术的主导技术。其中无机陶瓷膜具有耐高温、抗氧化、机械强度高的特点，然而膜污染以及清洗成本高成为限制陶瓷膜发展的瓶颈问题。催化氧化法作为一种新型、绿色环保的水处理技术，对生化法不能降解和难降解的有机物的深度去除具有显著优势，但催化剂保留问题是制约催化氧化法大规模应用于实践的关键问题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种催化陶瓷膜反应器。尤其是一种结构简单、能够高效去除难生物降解有机物的催化陶瓷膜反应器；本发明将膜法和催化氧化法组合研究既发挥膜法技术对水中不溶物质的截留优势，又同时对原水中有机污染物分解去除；可有效分解有机物、控制膜污染的发生、保留催化剂、降低膜清洗成本，深度处理，提高出水水质标准；所述装置可应用于难降解有机废水、高盐废水、生化不能降解废水的处理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种催化陶瓷膜反应器，包括反应器，所述反应器内设置有催化陶瓷膜组件、催化供能系统、曝气系统、催化剂回收系统；所述催化陶瓷膜组件设置在反应器中部；所述催化供能系统设置在催化陶瓷膜组件的外侧；所述催化陶瓷膜组件的下方依次设置有曝气系统和催化剂回收系统；所述反应器内填充含光催化剂的溶胶体系。所述催化陶瓷膜组件是指设置有催化陶瓷膜的组件，尤其是指设置有纳米平板陶瓷膜的组件。

优选地，所述含光催化剂的溶胶体系中，所述光催化剂包括纳米二氧化钛P25和复合催化剂；所述纳米二氧化钛P25的其平均粒径为25纳米，与水接触后形成600-800nm溶胶颗粒；

所述纳米二氧化钛P25的浓度一般根据污染物的浓度设定为200-600mg/L，在开启催化供能系统，产生254nmUV紫外光的照射下,在反应器和膜表面进行光催化反应，底部曝气系统对使光催化剂形成悬浮体系，和污水介质、UV光充分接触，形成大量的羟基自由基氧化污水中难降解有机物，达到充分降解污水中难降解COD的目标。

优选地，所述催化陶瓷膜组件包括模板支撑框架和分布在模板支撑框架上的纳米平板陶瓷膜；所述催化陶瓷膜组件的侧面设置有集水装置，集水装置通过管道与设置在反应器上方的膜抽吸泵连接。

优选地，所述纳米平板陶瓷膜的孔径为100nm，膜总面积为4.8m²，每平方米膜最大运行通量为5m³/h。

优选地，所述纳米平板陶瓷膜由氧化铝和二氧化钛复合制成。

优选地，所述催化供能系统包括多个紫外灯，所述紫外灯均匀垂直布置在催化陶瓷膜组件周围。

所述紫外灯与稳压装置及电压电流控制系统连接。

优选地，所述紫外灯的波长为254nm，功率为325w。

优选地，所述曝气系统包括气源、气体控制阀门、曝气箱、曝气管；所述气体控制阀门为三通阀门，所述气源通过管道与气体控制阀门的上端部连接，所述气体控制阀门的下端部与曝气箱中的曝气管和集水装置连接；所述气体控制阀门的侧端部与膜抽吸泵连接；

所述曝气管包括第一曝气管和第二曝气管，第一曝气管设置在纳米陶瓷膜组件的下方，第一曝气管的出口与纳米陶瓷膜组件的内部连通；第二曝气管设置在曝气箱的侧面，第二曝气管的出口与反应器的内腔连通；所述第二曝气管的数量为多根。

优选地，所述曝气管上设置有若干均匀分布的小孔，孔径为0.1-0.8微米。在外源气压下可产生微纳米空气流，一方面可对光催化系统充氧，另一方面可对污水介质进行曝气搅拌作用，提高光催化效率。

优选地，所述催化剂回收系统包括设置在反应器底部的管道，所述管道出口端设置在反应器侧面下端部，管道出口端上设置有泵。通过开启泵，使反应器底部的光催化剂通过管道抽出，并进行收集，供回收后再次利用。

优选地，所述反应器上部设置有污水入口。

所述曝气管材质为不锈钢(SUS304)，流量控制在3-5L/min。

优选地，所述反应器上部设置有污水入水口。

所述反应器为长方体，尺寸具体为125cm*125cm*400cm，采用不锈钢材料制成。

所述基于催化陶瓷膜反应器的废水处理方法，包括以下步骤：

A、将待处理污水通过污水入口进入反应器后，开启催化供能系统和曝气系统，使光催化剂形成悬浮体系，和待处理废水、UV光充分接触，进行光催化反应，降解污水中的有机物；

B、降解后得到的干净水通过催化陶瓷膜组件进行超滤后，聚集在集水装置中，然后开启膜抽吸泵将集水装置中的干净水抽出；

C、步骤B完成后，关闭膜抽吸泵，曝气系统开启，外源气体经气体控制阀门后分别进入曝气管和集水装置，一方面，外源气体通过第一曝气管和膜集水装置在纳米平板陶瓷膜表面形成垂直型切割气流，对纳米平板陶瓷膜进行冲刷清洗；另一方面，外源气体通过第二曝气管对反应器内的光催化剂进行分散；

D、步骤C完成后，关闭曝气系统，将静沉于反应器底部的光催化剂通过催化剂回收系统进行回收。

本发明通过曝气装置、集水装置的连通，形成了具有垂直型切割气流的膜清洗系统，外源气体经气体控制阀门后分别进入曝气管和集水装置，一方面通过曝气管，外源气体从催化陶瓷膜组件的下方延竖直方向进入催化陶瓷膜内部，通过曝气管上的微纳米孔，在纳米平板陶瓷膜表面形成竖直微纳米气流；另一方面通过集水装置，外源气体从催化陶瓷膜组件的侧面横向进入纳米平板陶瓷膜内部，通过膜片的纳米孔，在纳米平板陶瓷膜表面形成横向纳米气流，两种气流交错形成垂直型切割气流，对纳米平板陶瓷膜进行完善的冲刷清洗。且形成的垂直型切割气流，能迅速进行光催化反应，进一步把水体中的有机污染物进行降解。

在停止曝气后，光催化剂由于重力作用静沉于反应器底部，通过反应器系统底部设置的催化剂回收系统，把催化剂抽出进行回收，实现催化剂99％以上的回收。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)、本发明采用的纳米平板陶瓷膜，能有效增大膜的透水性和抗污染性；减少膜的污染，使得膜可以长期稳定运行。

2)、本发明的污染物去除效率高，处理出水水质好，本发明尤其适用于处理含难降解有机物的废水。

3)、本发明的催化陶瓷膜组件只过滤污水，悬浮态催化剂不随水的过滤而排出，进而可延长在池中的存放时间，这将有利于提高系统催化效果以及对难降解有机物的处理能力。

4)、本发明采用了催化陶瓷膜组件，减少了外部沉淀池的使用，因此减少占地面积，并且装置容积负荷大。

5)、本发明的催化陶瓷膜组件设备带有膜清洗装置，无需离线清洗，并且清洗周期较长。

6)、由于采用新结构以及新材料，过滤膜使用寿命较长，可以达到5年以上。

7)、催化陶瓷膜组件整套设备易于实现自动化控制，方便管理。

8)、经过催化陶瓷膜组件经处理后的排放水可实现回收再利用。

9)、该设备具有效率高，处理出水水质好，易操作并且运行成本低等诸多优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1、为本发明实施例的结构示意图；

其中：1-反应器、2-催化供能系统、3-曝气管、4-气体控制阀门、5-催化剂回收系统、11-催化陶瓷膜组件、12-曝气箱、13-膜抽吸泵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种催化陶瓷膜反应器，包括反应器1，所述反应器1内设置有催化陶瓷膜组件11、催化供能系统2、曝气系统、催化剂回收系统5；所述催化陶瓷膜组件11设置在反应器1中部；所述催化供能系统2设置在催化陶瓷膜组件11的外侧；所述纳米陶瓷膜组件11的下方依次设置有曝气系统和催化剂回收系统5；所述反应器1内填充含光催化剂的溶胶体系。

所述含光催化剂的溶胶体系中，所述光催化剂包括纳米二氧化钛P25和复合催化剂；所述纳米二氧化钛P25的其平均粒径为25纳米，与水接触后形成600-800nm溶胶颗粒；

所述纳米二氧化钛P25的浓度一般根据污染物的浓度设定为200-600mg/L，在开启催化供能系统2，产生254nmUV紫外光的照射下,在反应器1和膜表面进行光催化反应，底部曝气系统对使光催化剂形成悬浮体系，和污水介质、UV光充分接触，形成大量的羟基自由基氧化污水中难降解有机物，达到充分降解污水中难降解COD的目标。

所述催化陶瓷膜组件11包括模板支撑框架和分布在模板支撑框架上的纳米平板陶瓷膜；所述纳米陶瓷膜组件11的侧面设置有集水装置，集水装置通过管道与设置在反应器上方的膜抽吸泵13连接。

所述纳米平板陶瓷膜的孔径为100nm，膜总面积为4.8m²，每平方米膜最大运行通量为5m³/h。

所述纳米催化陶瓷平板膜由氧化铝和二氧化钛复合制成。

所述催化供能系统5包括多个紫外灯，所述紫外灯均匀垂直布置在催化陶瓷膜组件11周围。

所述紫外灯与稳压装置及电压电流控制系统连接。

所述紫外灯的波长为254nm，功率为325w。

所述曝气系统包括气源、气体控制阀门4、曝气箱12、曝气管3；所述气体控制阀门4为三通阀门，所述气源通过管道与气体控制阀门4的上端部连接，所述气体控制阀门4的下端部与曝气箱12中的曝气管3和集水装置连接；所述气体控制阀门4的侧端部与膜抽吸泵13连接；

所述曝气管3包括第一曝气管和第二曝气管，第一曝气管设置在催化陶瓷膜组件11的下方，第一曝气管的出口与催化陶瓷膜组件11的内部连通；第二曝气管设置在曝气箱12的侧面，第二曝气管的出口与反应器1的内腔连通；所述第二曝气管的数量为多根。

所述曝气管3上设置有若干均匀分布的小孔，孔径为0.1-0.8微米。在外源气压下可产生微纳米空气流，一方面可对光催化系统充氧，另一方面可对污水介质进行曝气搅拌作用，提高光催化效率。

所述催化剂回收系统5包括设置在反应器1底部的管道，所述管道出口端设置在反应器侧面下端部，管道出口端上设置有泵。通过开启泵，使反应器1底部的光催化剂通过管道抽出，并进行收集，供回收后再次利用。

所述反应器1上部设置有污水入口。

所述曝气管3材质为不锈钢(SUS304)，流量控制在3-5L/min。

所述反应器1上部设置有污水入水口。

所述反应器1为长方体，尺寸具体为125cm*125cm*400cm，采用不锈钢材料制成。

本实施例还提供了一种基于前述催化陶瓷膜反应器的废水处理方法，所述方法包括以下步骤：

A、将待处理污水通过污水入口进入反应器后，开启催化供能系统2和曝气系统，使光催化剂形成悬浮体系，和待处理废水、UV光充分接触，进行光催化反应，降解污水中的有机物；

B、降解后得到的干净水通过催化陶瓷膜组件11进行超滤后，聚集在集水装置中，然后开启膜抽吸泵13将集水装置中的干净水抽出；

C、步骤B完成后，关闭膜抽吸泵13，曝气系统开启，外源气体经气体控制阀门4后分别进入曝气管3和集水装置，一方面，外源气体通过第一曝气管和集水装置在纳米平板陶瓷膜表面形成垂直型切割气流，对纳米平板陶瓷膜进行冲刷清洗；另一方面，外源气体通过第二曝气管对反应器1内的光催化剂进行分散；

D、步骤C完成后，关闭曝气系统，将静沉于反应器1底部的光催化剂通过催化剂回收系统5进行回收。

本发明通过曝气装置、集水装置的连通，形成了具有垂直型切割气流的膜清洗系统，外源气体经气体控制阀门4后分别进入曝气管3和集水装置，一方面通过曝气管3，外源气体从催化陶瓷膜组件11的下方延竖直方向进入纳米平板陶瓷膜内部，通过曝气管3上的微纳米孔，在催化陶瓷膜表面形成竖直微纳米气流；另一方面通过集水装置，外源气体从催化陶瓷膜组件11的侧面横向进入纳米平板陶瓷膜内部，通过膜片的纳米孔，在纳米平板陶瓷膜表面形成横向纳米气流，两种气流交错形成垂直型切割气流，对纳米平板陶瓷膜进行完善的冲刷清洗。且形成的垂直型切割气流，能迅速进行光催化反应，进一步把水体中的有机污染物进行降解。

在停止曝气后，光催化剂由于重力作用静沉于反应器底部，通过反应器1底部设置的催化剂回收系统5，把催化剂抽出进行回收，实现催化剂99％以上的回收。

综上所述，本发明具有如下的有益效果：

1)、本发明采用的纳米平板陶瓷膜，能有效增大膜的透水性和抗污染性；减少膜的污染，使得膜可以长期稳定运行。

2)、本发明的污染物去除效率高，处理出水水质好，本发明尤其适用于处理含难降解有机物的废水。

3)、本发明的催化陶瓷膜组件只过滤污水，悬浮态催化剂不随水的过滤而排出，进而可延长在池中的存放时间，这将有利于提高系统催化效果以及对难降解有机物的处理能力。

4)、本发明采用了催化陶瓷膜组件，减少了外部沉淀池的使用，因此减少占地面积，并且装置容积负荷大。

5)、本发明的催化陶瓷膜组件设备带有膜清洗装置，无需离线清洗，并且清洗周期较长。

6)、由于采用新结构以及新材料，过滤膜使用寿命较长，可以达到5年以上。

7)、催化陶瓷膜组件整套设备易于实现自动化控制，方便管理。

8)、经过催化陶瓷膜组件经处理后的排放水可实现回收再利用。

9)、该设备具有效率高，处理出水水质好，易操作并且运行成本低等诸多优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种催化陶瓷膜反应器，其特征在于，包括反应器，所述反应器内设置有催化陶瓷膜组件、催化供能系统、曝气系统、催化剂回收系统；所述催化陶瓷膜组件设置在反应器中部；所述催化供能系统设置在催化陶瓷膜组件的外侧；所述纳米陶瓷膜组件的下方依次设置有曝气系统和催化剂回收系统；所述反应器内填充含光催化剂的溶胶体系。

2.根据权利要求1所述的催化陶瓷膜反应器，其特征在于，所述催化陶瓷膜组件包括模板支撑框架和分布在模板支撑框架上的纳米平板陶瓷膜；所述催化陶瓷膜组件的侧面设置有集水装置，集水装置通过管道与设置在反应器上方的膜抽吸泵连接。

3.根据权利要求2所述的催化陶瓷膜反应器，其特征在于，所述纳米催化陶瓷平板膜的孔径为100nm，膜总面积为4.8m²，每平方米膜最大运行通量为5m³/h。。

4.根据权利要求2所述的催化陶瓷膜反应器，其特征在于，所述纳米平板陶瓷膜由氧化铝和二氧化钛复合制成。

5.根据权利要求1所述的催化陶瓷膜反应器，其特征在于，所述催化供能系统包括多个紫外灯，所述紫外灯均匀垂直布置在催化陶瓷膜组件周围。

6.根据权利要求1所述的催化陶瓷膜反应器，其特征在于，所述曝气系统包括气源、气体控制阀门、曝气箱、曝气管；所述气体控制阀门为三通阀门，所述气源通过管道与气体控制阀门的上端部连接，所述气体控制阀门的下端部与曝气箱中的曝气管和集水装置连接；所述气体控制阀门的侧端部与膜抽吸泵连接；

所述曝气管包括第一曝气管和第二曝气管，第一曝气管设置在纳米陶瓷膜组件的下方，第一曝气管的出口与纳米陶瓷膜组件的内部连通；第二曝气管设置在曝气箱的侧面，第二曝气管的出口与反应器的内腔连通；所述第二曝气管的数量为多根。

7.根据权利要求1所述的催化陶瓷膜反应器，其特征在于，所述曝气管上设置有若干均匀分布的小孔，孔径为0.1-0.8微米。

8.根据权利要求1所述的催化陶瓷膜反应器，其特征在于，所述反应器上部设置有污水入口。

9.一种基于权利要求1所述的催化陶瓷膜反应器的废水处理方法，包括以下步骤：

A、将待处理污水通过污水入口进入反应器后，开启催化供能系统和曝气系统，使光催化剂形成悬浮体系，和待处理废水、UV光充分接触，进行光催化反应，降解污水中的有机物；

B、降解后得到的干净水通过催化陶瓷膜组件进行超滤后，聚集在集水装置中，然后开启膜抽吸泵将集水装置中的干净水抽出；

C、步骤B完成后，关闭膜抽吸泵，曝气系统开启，外源气体经气体控制阀门后分别进入曝气管和集水装置，一方面，外源气体通过第一曝气管和膜集水装置在纳米平板陶瓷膜表面形成垂直型切割气流，对纳米平板陶瓷膜进行冲刷清洗；另一方面，外源气体通过第二曝气管对反应器内的光催化剂进行分散；

D、步骤C完成后，关闭曝气系统，将静沉于反应器底部的光催化剂通过催化剂回收系统进行回收。