CN108715482B - 一种光催化-微生物降解复合水处理装置和一种光催化-微生物降解复合水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光催化‑微生物降解复合水处理装置和光催化‑微生物降解复合水处理方法。本发明通过光催化与生物降解的协同作用，对污水进行净化处理，提高了污水净化效率；本发明提供的装置中光催化纤维织物能漂浮在水体表面，以太阳光作为驱动力，利用光催化纤维材料与有机污染物的亲和性，将有机污染物进行高效催化降解；并且悬浮填料能够吸附降解水中的有机污染物。实验结果表明，本发明提供的光催化‑微生物降解复合水处理装置使得污水中有机物含量明显降低；不仅能改善污水透视度(SS)，降低污水COD及BOD5，同时总氮及总磷也起到了很大的改善。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种光催化-微生物降解复合水处理装置和一种光催化-微生物降解复合水处理方法。
背景技术
随着城市化和工业化进程的加快，我国水资源的污染状况日益严重。污水的治理问题已经成为当代环境工作亟待解决的重大问题之一。现有技术中污水处理的方式有对污水分别进行曝气、沉淀以及过滤处理，所用设备结构复杂，造价成本高，且污水处理效率不高；还可以采用向污水中投加药物处理方式，虽然药物投加方式简单易行，成本较为低廉，但是无法对其进行回收，容易造成二次污染。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光催化-微生物降解复合水处理装置和一种光催化-微生物降解复合水处理方法。本发明提供的光催化-微生物降解复合水处理装置结构简单、无能耗且不会产生二次污染。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种光催化-微生物降解复合水处理装置，包含光催化纤维织物、膜支撑结构、悬浮装置和悬浮填料；
所述膜支撑结构包括顺次连接的第一固定柱、第一拉绳、支撑框架、第二拉绳和第二固定柱；
所述支撑框架包括梯状设置的第一固定绳、第二固定绳和支撑条，所述第一固定绳和第二固定绳为梯状结构的扶手，支撑条为梯状结构的横梁；
所述光催化纤维织物与所述支撑框架贴合固定；所述悬浮装置连接于所述光催化纤维织物和/或所述支持框架上；
所述悬浮填料固定于所述支撑框架上。
优选的，所述悬浮装置包括若干浮球，所述浮球通过拉绳连接于光催化纤维织物和/或支撑框架上；所述光催化-微生物降解复合水处理装置使用时，所述浮球位于光催化纤维织物的上方。
优选的，所述支撑条的两端分别与第一固定绳和第二固定绳捆绑连接；所述支撑框架中支撑条间隔平行排列，相邻支撑条的间隔距离独立地为 0.5～3m。
优选的，各所述第一固定绳和所述第二固定绳的一端均通过第一拉绳连接于所述第一固定柱上，各所述第一固定绳和所述第二固定绳的另一端均通过第二拉绳连接于所述第二固定柱上；
所述光催化纤维织物通过固定扣定位在支撑框架的第一固定绳和第二固定绳上。
优选的，所述悬浮填料通过挂绳连接于膜支撑结构的支撑条上；所述悬浮填料包括活性炭、沸石、环糊精、碳纤维和甲壳素纤维中的一种或多种。
优选的，所述光催化纤维织物组分上包括纤维材料和光催化剂；所述光催化剂和纤维材料的质量比优选为(0.5～10):(90～99.5)。
优选的，所述光催化纤维织物为针织物、机织物或打孔的非织造织物；当所述光催化纤维织物为打孔的非织造物时，所述光催化纤维织物上每个孔的面积独立地为0.04～4cm2，相邻孔的孔心间距独立地为0.5～5cm；所述光催化纤维织物上孔的总面积为光催化纤维织物总面积的10～50％。
优选的，所述纤维材料包括聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维和聚氯乙烯纤维中的一种或多种；
所述光催化剂包括二氧化钛、二氧化钛-石墨烯复合物、类石墨相氮化碳、类石墨相氮化碳-石墨烯复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳的复合物、二氧化钛-石墨烯-类石墨相氮化碳复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、二氧化钛-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨的复合物、类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、金属酞菁-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨-金属酞菁复合物和二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中的一种或多种。
优选的，所述光催化纤维织物的长度为5～80m，宽度为0.3～5m，厚度为0.1～1cm；
所述固定扣的个数为34～3200；相邻所述固定扣的距离为5～30cm。
本发明提供了一种光催化-微生物降解复合水处理的方法，使用上述技术方案所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，包括以下步骤：
将所述光催化-微生物降解复合水处理装置中第一固定柱和第二固定柱固定在水底，通过悬浮装置的悬浮作用使得所述光催化-微生物降解复合水处理装置中光催化纤维织物悬浮于待处理水中，在光照条件下，对待处理水进行催化降解；所述光催化-微生物降解复合水处理装置中悬浮填料悬挂于水中，对待处理水进行吸附降解。
本发明提供了一种光催化-微生物降解复合水处理装置，包含接触设置的光催化纤维织物、膜支撑结构和悬浮装置；所述膜支撑结构包括顺次连接的第一固定柱、第一拉绳、支撑框架、第二拉绳和第二固定柱；所述支撑框架包括梯状设置的第一固定绳、第二固定绳和支撑条，所述第一固定绳和第二固定绳为梯状结构的扶手，支撑条为梯状结构的横梁；所述光催化-微生物降解复合水处理装置还包含固定于所述支撑框架上的悬浮填料。
本发明将光催化技术和微生物降解技术结合在一起，通过光催化与生物降解协同作用，对污水进行净化处理，大大提高了污水净化效率；本发明提供的装置中光催化纤维织物能漂浮在水体表面，有效提高催化纤维对自然太阳光的利用率，提高降解效果，以太阳光作为驱动力，利用光催化纤维材料与有机污染物的亲和性，将有机污染物进行高效催化降解；并且该光催化纤维能漂浮在水体表面，有效提高催化纤维对自然太阳光的利用率，提高降解效果，可以实现高效的污水治理；同时悬浮填料能够吸附降解水中的有机污染物。实验结果表明，本发明提供的光催化-微生物降解复合水处理装置使得污水中有机物含量明显降低；不仅能改善污水透视度(SS)，降低污水 COD及BOD5，同时总氮及总磷也起到了很大的改善。
附图说明
图1为本发明光催化-微生物降解复合水处理装置悬浮在水中的结构示意图；
图2为本发明光催化处理装置的俯视结构示意图；
图中，1为光催化纤维织物，2为浮球，3为固定扣，4为固定绳，5为支撑条，6为拉绳，7为固定柱，8为悬浮填料，9为挂绳，10为固定夹。
具体实施方式
本发明提供了一种光催化-微生物降解复合水处理装置，包含光催化纤维织物、膜支撑结构、悬浮装置和悬浮填料；
所述膜支撑结构包括顺次连接的第一固定柱、第一拉绳、支撑框架、第二拉绳和第二固定柱；
所述支撑框架包括梯状设置的第一固定绳、第二固定绳和支撑条，所述第一固定绳和第二固定绳为梯状结构的扶手，支撑条为梯状结构的横梁；
所述光催化纤维织物与所述支撑框架贴合固定；所述悬浮装置连接于所述光催化纤维织物和/或所述支持框架上；
所述悬浮填料固定于所述支撑框架上。
本发明提供的光催化-微生物降解复合水处理装置包含光催化纤维织物、膜支撑结构、悬浮装置和悬浮填料。
在本发明中，所述光催化纤维织物组分上优选包括纤维材料和光催化剂。在本发明中，所述光催化剂和纤维材料的质量比优选为(0.5～10)： (90～99.5)，进一步优选为(1～10):(90～99)。
在本发明中，所述光催化剂优选包括二氧化钛、二氧化钛-石墨烯复合物、类石墨相氮化碳、类石墨相氮化碳-石墨烯复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳的复合物、二氧化钛-石墨烯-类石墨相氮化碳复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、二氧化钛-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳- 三氧化钨复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨的复合物、类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、金属酞菁-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨-金属酞菁复合物和二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中的一种或多种。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛时，所述二氧化钛优选为锐钛矿型二氧化钛，或者为锐钛矿型和金红石型的混合物；所述二氧化钛的粒径优选为5～800nm，进一步优选为15～600nm，更优选为20～500nm。本发明对所述二氧化钛的来源没有特殊要求，使用本领域技术人员所熟知的二氧化钛即可，具体如市售的二氧化钛。
在本发明中，当所述光催化剂包括类石墨相氮化碳时，所述类石墨相氮化碳(g-C3N4)优选为单层类石墨相氮化碳或多层类石墨相氮化碳或两者的混合物；所述类石墨相氮化碳的厚度优选为0.3～50nm，更优选为2～40nm。本发明对所述类石墨相氮化碳的来源没有特殊限定，使用市售的类石墨相氮化碳商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-石墨烯复合物时，所述二氧化钛-石墨烯复合物中二氧化钛和石墨烯的质量比优选为100:(0.2～3)，更优选为100:(0.5～2)；本发明对所述石墨烯的来源没有特殊限定，使用市售的石墨烯商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；所述石墨烯优选为单层石墨烯、多层石墨烯、或单层石墨烯和多层石墨烯的混合物；所述多层石墨烯的厚度优选为0.3～50nm，更优选为2～40nm；所述二氧化钛的来源及种类与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括类石墨相氮化碳-石墨烯复合物时；所述类石墨相氮化碳-石墨烯复合物中类石墨相氮化碳和石墨烯的质量比优选为100:(0.2～3)，更优选为100:(0.5～2)；所述类石墨相氮化碳和石墨烯的来源及种类与上述技术方案一致。
在本发明中，当所述光催化剂包括二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物时；所述二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物中二氧化钛和类石墨相氮化碳的质量比优选为100：(2～100)，进一步优选为100：(60～80)，更优选为100： (5～25)；所述二氧化钛和类石墨相氮化碳的来源及种类与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-三氧化钨复合物时；所述二氧化钛-三氧化钨复合物中二氧化钛和三氧化钨的质量比优选为 100:(2～1000)，更优选为100:(5～300)；本发明对所述三氧化钨的来源没有特殊限定，使用市售的三氧化钨商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；所述三氧化钨的粒径优选为5～500nm，更优选为10～400nm，最优选为50～300nm；所述二氧化钛的来源及种类与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物时；所述类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物中类石墨相氮化碳和三氧化钨的质量比优选为100:(10～1000)，更优选为100:(20～500)；所述类石墨相氮化碳和三氧化钨的来源及种类与上述技术技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-石墨烯-类石墨相氮化碳复合物时；所述二氧化钛-石墨烯-类石墨相氮化碳复合物中二氧化钛、石墨烯和类石墨相氮化碳的质量比优选为(30～95):(0.5～5):(8～70)，更优选为 (40～80):(1～5):(15～60)。所述二氧化钛、石墨烯和类石墨相氮化碳的来源及种类与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物时；所述二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物中二氧化钛、类石墨相氮化碳和三氧化钨的质量比优选为(15～90):(2～50):(5～80)，更优选为 (30～90):(5～40):(10～70)；所述二氧化钛、类石墨相氮化碳和三氧化钨的种类及来源与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物时；所述二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物中二氧化钛、类石墨相氮化碳和金属酞菁的质量比优选为(45～74):(25～50):(0.5～6)，进一步优选为(55～65):(30～40):(1～5)，更优选为60:35:(2～3)；本发明对所述金属酞菁的来源没有特殊要求，使用市售的金属酞菁商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；所述二氧化钛和类石墨相氮化碳的种类及来源优选与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物时；所述二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中二氧化钛、金属酞菁和三氧化钨的质量比优选为(10～90):(0.1～10):(5～90)，更优选为(25～90):(0.2～5):(10～80)；所述二氧化钛、金属酞菁和三氧化钨的种类及来源与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括类石墨相氮化碳-金属酞菁-三氧化钨复合物时；所述类石墨相氮化碳-金属酞菁-三氧化钨复合物中类石墨相氮化碳、金属酞菁和三氧化钨的质量比优选为(19.8～90):(0.2～9):(9～80)，更优选为 (25～85):(0.3～7):(10～75)；所述类石墨相氮化碳、金属酞菁和三氧化钨的种类及来源与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂包括金属酞菁-三氧化钨复合物时；所述金属酞菁-三氧化钨复合物中金属酞菁和三氧化钨的质量比优选为(0.05～10):100，更优选为(0.1～5):100；所述金属酞菁和三氧化钨的种类及来源与上述技术方案一致。
在本发明中，所述催化剂包括类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物时，所述类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物中类石墨相氮化碳和金属酞菁的质量比优选为100:(0.05～10)，更优选为100:(0.1～5)；所述类石墨相氮化碳和金属酞菁的种类及来源与上述技术方案一致。
在本发明中，所述光催化剂优选为上述几种光催化剂中一种或多种的混合物；当所述光催化剂为混合物时，本发明对所述光催化剂混合物中的光催化剂种类及质量比没有特殊要求，使用任意种类的光催化剂以任意质量比进行混合均可。
当所述光催化剂含有二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物时，本发明优选按照中国专利CN201610701918.8公开的复合光催化的方式制备二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物。
在本发明中，所述纤维材料优选包括聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维和聚氯乙烯纤维中的一种或多种。在本发明中，当所述纤维材料包括上述多种时，本发明对所述各组分的比例没有特殊的限定，以任意比例配比均可。
在本发明中，所述光催化纤维织物优选为针织物、机织物或打孔的非织造织物。
在本发明中，当所述光纤维织造物为打孔的非织造织物时，所述光催化纤维织物上每个孔的面积独立地优选为0.04～4cm2，更优选为0.16～2.25cm2；在本发明中，所述光催化纤维织物上所有孔的面积优选相等。在本发明中，所述光催化纤维织物上相邻孔的孔心间距独立地优选为0.5～5cm，进一步优选为0.8～4cm，更优选为1～3cm；所述光催化纤维织物上所有孔优选等间距排列。在本发明中，所述光催化纤维织物上孔的总面积优选为光催化纤维织物总面积的10～50％，进一步优选为15～45％，更优选为20～30％。本发明对光催化纤维织物上的孔的形状没有特殊的要求，根据使用条件调整即可。在本发明中，所述光催化纤维织物中多孔设置有利于水在光催化纤维织物的上下流动，进而实现对污水中有机物的高效催化降解。
在本发明中，当所述光催化纤维织物物为针织物或机织物时，所述光催化纤维织物物的经密优选为200～400根/10cm，更优选为250～350根/10cm；所述光催化纤维织物物的纬密优选为150～250根/10cm，更优选为200根 /10cm。
本发明对所述光催化纤维织物的形状和尺寸没有特殊要求，根据使用条件调整即可。在本发明中，所述光催化纤维织物优选为长方形；所述光催化纤维织物的长度优选为5～80m，进一步优选为10～75m；所述光催化纤维织物的宽度优选为0.3～5m，进一步优选为1～4m；所述光催化纤维织物的厚度优选为0.1～1cm，进一步优选为0.5～0.8cm。
在本发明中，所述光催化纤维织物的比表面优选为500～700cm2/g，进一步优选为550～600cm2/g；所述光催化纤维织物比表面积大，能够漂浮在水体表面，对光照的利用率高，具有优异的光催化性能。
本发明对所述光催化纤维织物的制备方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的方式由光催化纤维材料制备而成；所述光催化纤维材料的组分与上述技术方案所述光催化纤维织物一致。
在本发明中，所述光催化纤维材料优选按照中国专利 CN201610693412.7、CN201610696643.3或者CN201610693428.8中公开的光催化纤维的制备方式制备而成；进一步的，所述光催化纤维具体为中国专利 CN201610693412.7中公开的皮芯复合光催化纤维、中国专利 CN201610696643.3中公开的复合光催化纤维或中国专利CN201610693428.8 中公开的光催化纤维。
在本发明中，经2.8m/s的水流速度冲击24h后，所述光催化纤维织物的宏观形貌以及拉伸断裂强力并没有发生明显的变化，可见该光催化纤维织物具有较好的耐水冲击性；在2.2m/s的水流速度下，所述光催化纤维织物的渗透性良好；所述光催化纤维织物在光照30天前后的拉伸断裂强力并没有发生明显的变化，具有较好的光稳定性。在本发明中，所述光催化纤维织物浸泡在酸性或碱性溶液中一周后，表面形貌以及拉伸断裂强力并没有发生明显的变化，说明它们具有较好的抗酸、碱腐蚀。
本发明所述光催化纤维织物的水渗透性、耐水冲击性能好，稳定性高，有利于自然条件下污水治理。
在本发明中，所述光催化纤维织物将高活性有机/无机杂化光催化剂与柔性纤维材料有机结合，获得具有可见光响应的光催化纤维材料；该光催化纤维织物能够有效避免材料的光腐蚀，实现绿色高效的河道或湖泊水质净化。
在本发明中，所述光催化-微生物降解复合水处理装置包括膜支撑结构；所述膜支撑结构包括顺次连接的第一固定柱、第一拉绳、支撑框架、第二拉绳和第二固定柱。在本发明中，所述支撑框架包括梯状设置的第一固定绳、第二固定绳和支撑条，所述第一固定绳和第二固定绳为梯状结构的扶手，支撑条为梯状结构的横梁。
在本发明中，所述支撑条的长度优选≥光催化纤维织物的宽度，确保通过支撑条实现对光催化纤维织物的支撑，便于以平铺的形式悬浮于水中；所述支撑条的两端优选分别与第一固定绳和第二固定绳捆绑连接；所述第一固定绳和第二固定绳优选平行设置。在本发明中，所述支撑条优选间隔平行排列，所述支撑条优选与两条固定绳垂直，与两条固定绳形成多个“日”字形支撑单元，实现对光催化纤维织物的支撑。在本发明中，相邻所述支撑条的间隔距离优选为0.5～3m，进一步优选为1～2m；在本发明中，所述第一固定绳和第二固定绳的两端优选捆绑连接有支撑条。
本发明对所述支撑条的形状和尺寸没有特殊的限定，根据使用条件调整即可。在本发明中，所述支撑条的端面面积优选为4～25cm2，进一步优选为9～16cm2；所述支撑条的长度不小于光催化纤维织物的宽度，以此将光催化纤维织物进行定位。本发明通过所述支撑框架使得光催化纤维织物以延展的形式平铺在水面上，最大程度接受光照条件。
在本发明中，所述光催化纤维织物优选通过固定扣定位在支撑框架的第一固定绳和第二固定绳上；进一步优选将所述光催化纤维织物的两边通过固定扣定位在第一固定绳和第二固定绳上，结合支撑条的的支撑作用，实现对光催化纤维织物的稳固。在本发明中，所述光催化膜、第一连接绳和第二连接绳的长度优选相等。在本发明中，所述固定扣的总个数优选为34～3200个，进一步优选为100～2000个；用于定位在两条固定绳上的固定扣的个数优选相等；相邻两个固定扣之间的距离优选为5～30cm，进一步优选为8～25cm，更优选为10～15cm；所述固定扣优选等距离分布。在本发明中，所述光催化纤维织物通过固定扣定位在第一固定绳和第二固定绳上时，支撑条位于光催化纤维织物的上方。
在本发明中，各所述第一固定绳和所述第二固定绳的一端均通过第一拉绳连接于所述第一固定柱上，各所述第一固定绳和所述第二固定绳的另一端均通过第二拉绳连接于所述第二固定柱上，即第一固定绳和第二固定绳的首尾各连接有一个固定柱。本发明在采用所述光催化-微生物降解复合水处理装置对污水进行催化降解时，所述第一固定柱和第二固定柱固定在水底，实现在污水中的定位。本发明对固定柱的材料和大小没有特殊的限定，材料则采用本领域技术人员熟知的材料即可，大小则根据实际需要进行调整。
在本发明中，所述光催化装置包括悬浮装置，所述悬浮装置优选包括若干个浮球；所述浮球通过拉绳连接于光催化纤维织物和/或支撑框架；当所述浮球连接于支撑框架上时，可连接到支撑框架的固定绳上，也可以连接到支撑框架的支撑条上，优选连接到支撑条上。在本发明中，所述浮球优选通过拉绳连接于光催化纤维织物的两边，当所述光催化纤维织物以两边定位在第一固定绳和第二固定绳上时，所述浮球进一步通过通过拉绳连接于第一固定绳和第二固定绳上，同时连接在支撑条上。在本发明中，所述浮球优选位于光催化纤维织物的上方，助于光催化纤维织物在水面的悬浮。
在本发明中，所述浮球的总个数优选为4～320个，进一步优选为10～200 个，更优选为50～120个；当所述浮球连接于第一固定绳和第二固定绳上时，连接于第一固定绳和第二固定绳上的浮球的个数优选相等，且两条固定绳上的浮球正对设置，为光催化纤维织物的悬浮提供稳定的平衡力。
在本发明中，所述光催化-微生物降解复合水处理装置包含固定于所述支撑框架上的悬浮填料。
在本发明中，所述悬浮填料优选通过挂绳连接于膜支撑结构的支撑条上；进一步优选连接于所述支撑条的两端，位于光催化纤维膜的两侧。在本发明中，所述支撑框架上每个支撑条的两端优选均连接有悬浮填料。本发明进一步采用固定夹将所述悬浮填料固定在挂绳上，再将挂绳捆绑连接在支撑条上。本发明采用所述固定夹固定悬浮填料，以防止其在水流的不断冲击下掉落。本发明对所述固定夹的材质没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。在本发明中，每条挂绳上相邻悬浮填料间隔距离优选为2～10cm，更优选为3～7cm；每个悬浮填料的质量优选为0.1～0.5kg，更优选为0.1～ 0.3kg，进一步优选为0.15～0.15kg；每个挂绳上的悬浮填料的个数优选为3～15 个，更优选为5～10个；每个挂绳上的悬浮填料的质量优选相等。在本发明中，所述光催化-微生物降解复合材料在使用时，所述悬浮填料会在重力作用下，悬挂于水中。
在本发明中，所述悬浮填料优选包括活性炭、沸石、环糊精、碳纤维和甲壳素纤维中的一种或多种；所述悬浮填料为碳纤维时，所述碳纤维优选为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维中的一种或多种，更优选为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维中的一种或多种。在本发明中，所述悬浮填料的比表面积优选为1000～1500m2/g。本发明对所述悬浮填料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。在本发明中，所述悬浮填料在光照30天前后的拉伸断裂强力并没有发生明显的变化，具有较好的光稳定性。在本发明中，所述悬浮填料浸泡在酸性或碱性溶液中一周后，表面形貌以及拉伸断裂强力并没有发生明显的变化，说明它们具有较好的抗酸、碱腐蚀。
在本发明中，所述悬浮填料比表面积大，有丰富的微孔结构，因此具有很高的吸附性，能有效去除污水的颜色、气味、油份、酚等，同时还可去除难降解物质，尤其对氨氮具有很强的净化作用；悬浮填料还具有很高的生物亲和性，在曝气条件下微生物挂膜快，老化生物膜易脱落，附着在生物膜上的微生物以有机污染物为能量来源通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。
本发明在光照条件下，光催化纤维织物中光催化剂上诱导产生羟基自由基、超氧自由基等多种活性种，将光能转化为化学能，协同降解水体中的有机污染物，并有效降低COD和BOD5。
本发明还提供了一种光催化水处理的方法，使用上述技术方案所述光催化-微生物降解复合水处理装置，包括以下步骤：
将所述光催化-微生物降解复合水处理装置中第一固定柱和第二固定柱固定在水底，通过悬浮装置的悬浮作用使得所述光催化-微生物降解复合水处理装置中光催化纤维织物悬浮于待处理水中，在光照条件下，对待处理水进行催化降解；所述光催化-微生物降解复合水处理装置中悬浮填料悬挂于水中，对待处理水进行吸附降解。
本发明将所述光催化-微生物降解复合水处理装置中的第一固定柱和第二固定柱固定在水底；本发明对所述固定方式没有特殊要求采用本领域技术所熟知的方式即可。本发明使用所述光催化水处理装置进行水处理时，所述光催化水处理装置中浮球位于光催纤维织物的上方。
在本发明中，所述光催化纤维织物在水中的悬浮位置距水面的垂直距离根据需要通过悬浮填料质量的改变以及连接绳在固定柱的连接位置进行调整；所述垂直距离优选为2～15cm，进一步优选为5～10cm。
在本发明中，所述光催化-微生物降解复合水处理装置在光照条件下，通过所述光催化纤维织物对待处理水进行催化降解。本发明对待处理水的来源没有特殊要求，本领域任意需催化降解的污水均可。在本发明中，所述待处理水中COD优选为38～50mg/L，BOD5优选为16～20mg/L，氨氮浓度优选为1.8～3mg/L，总磷浓度优选为0.5～1mg/L。在本发明中，所述光催化-微生物降解复合水处理装置可应用于河道水处理、养殖废水处理、工农业废水处理或者景观水改善等。
在本发明中，所述光催化-微生物降解复合水处理装置中悬浮填料会悬挂于水中，对待处理水进行吸附降解；所述悬浮填料在重力作用下会悬挂在光催化纤维织物的下方，使得光催化纤维织物对位于光催化纤维织物附近的水的催化降解的同时，实现悬浮填料对位于悬浮填料周围水的吸附降解。
在本发明中，所述光催化-微生物降解复合水处理的时间根据待处理水中有机物的浓度确定。在本发明中，当所述待处理水含有氨氮，初始浓度为 2.0～2.8mg/L，处理的时间优选为20～30天后使得该有机物的浓度将至 0.6～1.0mg/L以下。
在本发明中，所述待处理污水流过光催化纤维织物的表面，与光催化剂充分接触；利用光照条件，在光催化剂上诱导产生羟基自由基、超氧自由基等多种活性种降解水中的污染物，有效降低COD和BOD5，尤其对有机酸、有机碱、酯类和烃类等有机物的处理效果最为突出；而且不仅仅使水质达标，还通过该光催化-微生物降解复合水处理装置可以将污水中的有机污染物以及N、P元素等含量有效降低，从而水中的氧气含量不再减少，水中生物可以正常生存繁殖，最终逐渐恢复河流、湖泊的生物活性，使其恢复自净能力，达到水体中的微生物、动物及植物的生态平衡；可将所述光催化-微生物降解复合水处理装置应用于城镇污水处理厂升级改造、小区景观水体水质净化、农村污水处理、水产和畜禽养殖废水处理、工业废水处理、受污染河流和湖泊水体水质改善等。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的光催化-微生物降解复合水处理装置和方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供的光催化-微生物降解复合水处理装置，包括光催化纤维织物1，浮球2，固定扣3，固定绳4，支撑条5，拉绳 6，固定桩7，悬浮填料8，挂绳9和固定夹10。所述光催化纤维织物1的两边通过固定扣3连接在两条固定绳4上，同时平行排列的支撑条5的两端均连接在两条固定绳上，形成“日”字定位单元，实现对光催化纤维织物1的定位；间隔排列的浮球2连接在光催化纤维织物1上，用来支撑光催化纤维织物；在每个支撑条5的两端通过挂绳9连接悬浮填料8，悬浮填料8通过固定夹10固定在挂绳9上；所述固定柱配合拉绳进行光催化-微生物降解复合水处理装置的定位。
本实施例中拟定该装置中光催化纤维织物的长度为30m，宽度为1.5m，厚度为0.2cm；相邻两条支撑条之间的距离为1.5m；支撑条的条数为20条；相邻两个固定扣之间的距离为0.15m，则每条固定绳上的固定扣为200个，浮球为60个，用来支撑光催化纤维织物，使光催化纤维织物能悬浮于水面上；悬浮填料为碳纤维，每个悬浮填料的质量为0.2kg，竖直方向上相邻两个悬浮填料的距离为5cm；所述固定柱的个数为2个，一头一尾，配合拉绳进行光催化水处理装置的定位。
实施例2
本实施例选取绍兴市某池塘，水域面积约为200m2，废水水质如下：COD 为38mg/L，BOD5为18mg/L，氨氮为2.8mg/L，总磷为0.8mg/L。使用实施例1中的装置1个置于该水域中，光催化纤维织物组分光催化剂为二氧化钛 -类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物，其中二氧化钛、类石墨相氮化碳和金属酞菁的质量比为60:35:5，二氧化钛为锐钛矿型与金红石型的混合物；光催化纤维织物的形式为针织物；光催化纤维织物组分纤维材料为聚酯纤维；光催化纤维织物中光催化剂和聚酯纤维材料的质量比为2:91。碳纤维的材料为聚丙烯腈基碳纤维。
处理15天后，根据国标测试方法对水质进行测定：COD为16mg/L， BOD5为3.6mg/L，氨氮为0.6mg/L，总磷为0.15mg/L，这几项指标达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水的要求。
实施例3
本实施例选取杭州市某小区生活污水，水域面积约为350m2，废水水质如下：COD为43mg/L，BOD5为16mg/L，氨氮为2.7mg/L，总磷为0.7mg/L。使用实施例1中的装置2个置于该水域中，光催化纤维织物组分光催化剂为二氧化钛-石墨烯复合物，其中二氧化钛和石墨烯的质量比为100:1，二氧化钛为锐钛矿型；光催化纤维织物的形式为机织物；光催化纤维织物组分纤维材料为聚酰胺纤维；光催化剂和聚酰胺纤维材料的质量比为2:98。
碳纤维的材料为聚丙烯腈基碳纤维与沥青基碳纤维的混合物。处理一个月后，根据国标测试方法对水质进行测定：COD为18mg/L，BOD5为 3.6mg/L，氨氮为0.6mg/L，总磷为0.15mg/L，这几项指标达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水的要求。
实施例4
本实施例选取嘉兴市某处景观水，水域面积约为300m2，废水水质如下： COD为40mg/L，BOD5为15mg/L，氨氮为2.3mg/L，总磷为0.5mg/L。使用实施例1中的装置2个置于该水域中，光催化纤维织物组分光催化剂为二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物，其中二氧化钛和类石墨相氮化碳的质量比为 20:1，二氧化钛为锐钛矿型和金红石型的混合物；光催化纤维织物的形式为针织物；光催化纤维织物组分纤维材料为聚乙烯纤维，光催化剂和聚乙烯纤维材料的质量比为1:92；
实施例1中的悬浮填料替换为为聚丙烯腈基碳纤维与沥青基碳纤维的混合物。处理20天后，根据国标测试方法对水质进行测定：COD为15mg/L， BOD5为3.5mg/L，氨氮为0.7mg/L，总磷为0.16mg/L，这几项指标达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水的要求。
实施例5
本实施例选取衢州市某被污染的湖泊水，水域面积约为500m2，废水水质如下：COD为45mg/L，BOD5为17mg/L，氨氮为2.7mg/L，总磷为0.5mg/L。使用实施例1中的装置3个置于该水域中，光催化剂为类石墨相氮化碳-金属酞菁-三氧化钨复合物，其中类石墨相氮化碳、金属酞菁和三氧化钨的质量比为70:5:25。光催化纤维织物的形式为打孔的非织造织物，其中孔的面积为1cm2，孔的总面积占光催化纤维织物总面积的20％，孔的间距为2cm。光催化纤维织物的组分纤维材料为聚酯纤维，光催化剂和聚酯纤维材料的质量比为2:95；悬浮填料为聚丙烯腈基碳纤维。
处理20天后，根据国标测试方法对水质进行测定：COD为17mg/L， BOD5为3.6mg/L，氨氮为0.8mg/L，总磷为0.16mg/L，这几项指标达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水的要求。
实施例6
本实施例选取绍兴市某河道水，水域面积约为800m2，废水水质如下： COD为43mg/L，BOD5为16mg/L，氨氮为2.3mg/L，总磷为0.5mg/L。使用实施例1中的装置4个置于该水域中，光催化剂为二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物，其中二氧化钛、金属酞菁和三氧化钨的质量比为60:3:37，二氧化钛为锐钛矿型。光催化纤维织物的形式为打孔的非织造织物，其中每个孔的面积为0.8cm2，光催化纤维织物中孔的面积和为光催化纤维织物总面积的10％，孔的间距为1.5cm；光催化纤维织物中纤维材料为聚乙烯纤维，光催化剂和聚乙烯纤维材料的质量比为1:95；悬浮填料为聚丙烯腈基碳纤维。
处理一个月后，根据国标测试方法对水质进行测定：COD为18mg/L， BOD5为3.7mg/L，氨氮为0.7mg/L，总磷为0.17mg/L，这几项指标达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水的要求。
从以上实施例可以看出，本发明提供的装置具有可见光效应，能够更高效的利用光能，以太阳光作为驱动力，利用光催化纤维材料与有机污染物的亲和性，将有机污染物进行高效催化降解；并且该光催化纤维能漂浮在水体表面，有效提高催化纤维对自然太阳光的利用率，提高降解效果，使得污水中有机物含量明显降低；不仅能改善污水透视度(SS)，降低污水COD及 BOD5，同时总氮及总磷也起到了很大的改善，可以实现高效的污水治理，是处理工农业废水、生活污水，净化受污染水域的优良选择，可将其应用于城镇污水处理厂升级改造、工业废水处理、农村污水处理、水产和畜禽养殖废水处理、受污染河流和湖泊水体水质改善等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光催化-微生物降解复合水处理装置，包含光催化纤维织物、膜支撑结构、悬浮装置和悬浮填料；
所述膜支撑结构包括顺次连接的第一固定柱、第一拉绳、支撑框架、第二拉绳和第二固定柱；
所述支撑框架包括梯状设置的第一固定绳、第二固定绳和支撑条，所述第一固定绳和第二固定绳为梯状结构的扶手，支撑条为梯状结构的横梁；
所述光催化纤维织物与所述支撑框架贴合固定；所述悬浮装置连接于所述光催化纤维织物和/或所述支撑框架上；所述光催化纤维织物的长度为10～75m；所述光催化纤维织物组分上包括纤维材料和光催化剂；所述光催化剂和纤维材料的质量比为(0.5～10):(90～99.5)；所述光催化纤维织物为打孔的非织造织物；当所述光催化纤维织物为打孔的非织造织物时，所述光催化纤维织物上每个孔的面积独立地为0.04～4cm2，相邻孔的孔心间距独立地为0.5～5cm；所述光催化纤维织物上孔的总面积为光催化纤维织物总面积的10～50％；
所述悬浮填料固定于所述支撑框架上。
2.根据权利要求1所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，其特征在于，所述悬浮装置包括若干浮球，所述浮球通过拉绳连接于光催化纤维织物和/或支撑框架上；所述光催化-微生物降解复合水处理装置使用时，所述浮球位于光催化纤维织物的上方。
3.根据权利要求1所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，其特征在于，所述支撑条的两端分别与第一固定绳和第二固定绳捆绑连接；所述支撑框架中支撑条间隔平行排列，相邻支撑条的间隔距离独立地为0.5～3m。
4.根据权利要求1或3所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，其特征在于，各所述第一固定绳和所述第二固定绳的一端均通过第一拉绳连接于所述第一固定柱上，各所述第一固定绳和所述第二固定绳的另一端均通过第二拉绳连接于所述第二固定柱上；
所述光催化纤维织物通过固定扣定位在支撑框架的第一固定绳和第二固定绳上。
5.根据权利要求1所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，其特征在于，所述悬浮填料通过挂绳连接于膜支撑结构的支撑条上；所述悬浮填料包括活性炭、沸石、环糊精、碳纤维和甲壳素纤维中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，其特征在于，所述纤维材料包括聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维和聚氯乙烯纤维中的一种或多种；
所述光催化剂包括二氧化钛、二氧化钛-石墨烯复合物、类石墨相氮化碳、类石墨相氮化碳-石墨烯复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳的复合物、二氧化钛-石墨烯-类石墨相氮化碳复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、二氧化钛-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨的复合物、类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、金属酞菁-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨-金属酞菁复合物和二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，其特征在于，所述光催化纤维织物的宽度为0.3～5m，厚度为0.1～1cm；
所述固定扣的个数为34～3200；相邻所述固定扣的距离为5～30cm。
8.一种光催化-微生物降解复合水处理的方法，使用权利要求1～7任意一项所述的光催化-微生物降解复合水处理装置，包括以下步骤：
将所述光催化-微生物降解复合水处理装置中第一固定柱和第二固定柱固定在水底，通过悬浮装置的悬浮作用使得所述光催化-微生物降解复合水处理装置中光催化纤维织物悬浮于待处理水中，在光照条件下，对待处理水进行催化降解；所述光催化-微生物降解复合水处理装置中悬浮填料悬挂于水中，对待处理水进行吸附降解。
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