CN110183047B - 一种光催化与曝气生物滤池耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种光催化与曝气生物滤池耦合装置,通过可见光光催化氧化和生物降解技术的耦合,快速对水中有机物尤其是难生物降解有机物进行脱除。本发明的特点是通过光催化与曝气生物滤池的耦合能够快速降解有机废水,解决了生物法对难生物降解废水效率低的问题,而且通过生物滤池和催化剂的负载避免了两种工艺耦合可能发生的不利影响。通过这两种工艺的耦合,在进行废水处理时可以缩小反应器体积,缩短反应时间,光催化剂可以反复利用,曝气生物滤池在对实际废水进行降解的过程中无需额外投加营养物质和微量元素,节省运行成本的同时又便于推广和使用。发明的装置对有机废水具有很高的降解效率。
Description
技术领域
本发明属于水处理应用领域,具体涉及一种光催化与曝气生物滤池耦合装置,主要目的是通过可见光光催化氧化和生物降解技术的耦合,调整反应器运行参数,快速对水中有机物尤其是难生物降解有机物进行脱除,适用于处理各类有机工业废水。
背景技术
随着社会经济与工业的发展,各种有机原料和天然色素等在生产活动中大量使用,也使水体逐步恶化。各类有机污染物是造成水体污染和富营养化的主要原因之一,因此水体中有机物的去除对于清洁水体具有重要意义。
目前对于水中有机物的去除主要通过生物法完成,一般包括好氧和厌氧两个阶段,其主要特点是:效率高,速度快,运行成本低。但由于各类微生物对于有机物具有一定的选择性,一些结构复杂或分子量大的有机物难以通过生物法进行有效的降解。大量研究证实,许多有机物尤其是芳香族有机物都能有效的通过光催化反应产生的羟基自由基进行降解,分解为小分子物质,利用光催化的这些特性,可以非常有效的处理一些生物方法难以处理的有机废水。二氧化钛这一催化剂因其成本低,效率高,制备简单而在水处理行业中应用广泛,但纳米二氧化钛悬浮液难以完成固液分离,不利于实际废水的处理。而且,高浓度的有机废水经过羟基自由基的氧化后会生成更多的中间产物,与目标污染物竞争催化剂上的活性位点,降低了光催化的反应效率。
本发明的目的是提供一种光催化与曝气生物滤池耦合装置,快速对水中有机物尤其是难生物降解有机物进行脱除,光催化反应的中间产物通过回流进入曝气生物滤池被微生物利用,且复杂的有机物结构已被光催化产生的羟基自由基破坏,所以曝气生物滤池的污泥不需要进行特别的驯化,缩短了反应器的启动时间,可应用于各类有机工业废水。
发明内容
针对高浓度有机废水生物降解效率低,光催化速率慢等问题,结合上述背景技术,本发明提供了一种新思路,主要内容为:一种光催化与曝气生物滤池耦合装置。
本发明技术方案如下:
采用溶胶-凝胶法合成K2S2O8/TiO2催化剂,通过硅溶胶把催化剂负载到蜂窝状泡沫铝板上,负载过催化剂的泡沫铝板紧挨着循环出水口下方放置。以火山岩颗粒为载体接种絮状污泥,接种污泥来源为污水处理厂絮状污泥,污泥浓度为3000~10000mg/L,曝气一段时间形成生物滤池。反应器采用连续流的方式运行,进水流量0.5L/h~1L/h,循环流量1L/h~2L/h,进水流量最大时,达到最大容积负荷和污泥负荷;进水流量依据反应器的运行状况调整,在保证出水COD不超过50mg/L,色度不超过30度的条件下适当提高;反应控制条件为:光照强度15mW/cm-2~20mW/cm-2,pH值7.0~9.0,溶解氧3~8mg/L,水温25~30℃。根据污泥增殖情况,每7-15天对曝气生物滤池进行一次冲洗。
本发明的进一步改进是:通过对TiO2进行K2S2O8掺杂,使催化剂在可见光范围内能够产生光催化效率,扩大了TiO2催化剂的应用范围,其中K2S2O8/TiO2催化剂的制备方法为:在环境温度下,将10mL丁醇钛和40mL无水乙醇在烧杯中剧烈混合(400rpm),然后在溶液中加入10mL去离子水以产生溶胶,接着滴加0.5wt%的K2S2O8溶液,将掺杂后的催化剂老化24小时以完成水解,之后倒出上清液,在103℃烘箱中干燥2h,完全冷却后使用研钵将催化剂研磨成更细的颗粒,然后将催化剂置于300℃的马弗炉中煅烧3小时得到K2S2O8/TiO2催化剂。在光催化反应区增大反应器的直径,一方面可以增大泡沫铝板的面积从而提高光催化的效率;另一方面光催化反应区与曝气生物滤池之间形成漏斗形,且加上清水区的存在,降低了光的透过率,从而减小了光对微生物活性的影响。与圆柱形反应器相比,能提高反应器的降解效率,减小水力停留时间,在同等水质水量条件下可以缩小反应器体积,节省基建费用。
本发明的特点是:通过光催化与曝气生物滤池的耦合能够快速降解有机废水,解决了生物法对难生物降解废水效率低的问题,而且通过生物滤池和催化剂的负载避免了两种工艺耦合可能发生的不利影响。通过这两种工艺的耦合,在进行废水处理时可以缩小反应器体积,缩短反应时间,光催化剂可以反复利用,曝气生物滤池在对实际废水进行降解的过程中无需额外投加营养物质和微量元素,节省运行成本的同时又便于推广和使用。发明的装置对有机废水具有很高的降解效率。
附图说明
图1为一种光催化与曝气生物滤池耦合装置示意图
附图标记
1-进水桶;2-进水泵;3-循环泵;4-曝气头;5-氧气;6-分隔层;7-火山岩颗粒;8-反应器主体;9-清水区;10-泡沫铝板-催化剂;11-可见光;12-可见光源;13-灯罩;14-出水桶;15-曝气泵;16-曝气区;17-生物反应区;18-光催化反应区。
具体实施方式
以下结合附图并通过实例对本发明作进一步说明:
实施例1
建立反应装置如图1所示,该反应器分为曝气区16,生物反应区17,清水区9和光催化反应区18,其中曝气区16,生物反应区17,清水区9和光催化反应区18的高度比为1:2:2:2,体积比为1:4:4:6。曝气区16位于反应器最下端,内装有一个曝气头4,曝气区和生物反应区由分隔层隔开。生物反应区17装填有火山岩颗粒7,生物反应区17中火山岩颗粒7的体积占比为60%。
曝气生物滤池的形成方法为:室温下,在装填有火山岩颗粒7的反应器内加入絮状活性污泥,曝气充氧3天后,静置15天,即得到曝气生物滤池。光催化反应区18固定的有泡沫铝板-催化剂10,泡沫铝板为蜂窝网状,蜂窝孔为边长2mm的正六边形,铝板的厚度为10mm。
K2S2O8/TiO2催化剂中K2S2O8的掺杂量为0.5wt%。
催化剂负载到泡沫铝上面的方法为:将酸碱预处理过的泡沫铝浸入一定浓度的硅溶胶中,充分浸渍后取出,预涂一层硅溶胶,待涂层完全干燥后,再涂一次硅溶胶,然后水平放置晾干,20min后,将泡沫铝竖直浸入浓度为0.1%的催化剂悬浮液中,1min后取出,室温下水平放置,间隔15min后,继续浸涂,之后室温晾干,制得负载催化剂的泡沫铝。
该反应器运行流程描述如下:原水从进水桶1通过进水泵2的输送进入反应器主体8内,进水完毕后,曝气泵15开始工作,气泡通过曝气头4在水中进行释放,同时启动循环泵3,并打开可见光光源12,反应器开始正常运行。难于生物降解的有机物首先在光催化反应区18被光催化产生的羟基自由基攻击而结构破坏,生成的中间产物通过循环泵3进入生物反应区17,在氧气5的存在下,被好氧微生物进一步降解,有机物在反应器主体8内经过一段时间的循环后被矿化为二氧化碳和水,完成了有机物的降解。
反应控制条件为:光照强度15mW/cm-2,pH值7.0,溶解氧3mg/L,水温25℃。
进水流量0.5L/h,循环流量1L/h。
待处理的色素生产废水水质为:COD为500mg/L,TOC为275mg/L,色度为535度,SS为31mg/L。
经过3h的处理后出水水质为:COD为43mg/L,TOC为21mg/L,色度为19度,SS为4.8mg/L。
经本发明装置处理的COD去除率为91.4%,TOC去除率为92.4%,色度去除率为96.4%,SS去除率为84.5%,处理后出水水质达到国家一级A类排放标准,具有广泛的应用前景。
实施例2
建立反应装置同实施例1,生物反应区17中火山岩颗粒7的体积占比为50%,
K2S2O8/TiO2催化剂中K2S2O8的掺杂量为0.3wt%。
反应控制条件为:光照强度16.5mW/cm-2,pH值8.0,溶解氧5mg/L,水温28℃。
进水流量0.7L/h,循环流量1.5L/h。
待处理的栀子黄色素加工废水水质为:COD为750mg/L,TOC为400mg/L,色度为610度,SS为27mg/L。
经过3h的处理后出水水质为:COD为37mg/L,TOC为16mg/L,色度为21度,SS为3.9mg/L。
经本发明装置处理的COD去除率为95.1%,TOC去除率为96.0%,色度去除率为96.6%,SS去除率为85.6%,处理后出水水质达到国家一级A类排放标准,具有广泛的应用前景。
实施例3
建立反应装置同实施例1,生物反应区17中火山岩颗粒7的体积占比为55%,
K2S2O8/TiO2催化剂中K2S2O8的掺杂量为0.4wt%。
反应控制条件为:光照强度18mW/cm-2,pH值9.0,溶解氧6mg/L,水温30℃。
进水流量1L/h,循环流量2L/h。
待处理的制药加工废水水质为:COD为1215mg/L,TOC为587mg/L,色度为263度,SS为15mg/L。
经过3h的处理后出水水质为:COD为38mg/L,TOC为16mg/L,色度为11度,SS为1.2mg/L。
经本发明装置处理的COD去除率为96.9%,TOC去除率为97.3%,色度去除率为95.8%,SS去除率为92.0%,处理后出水水质达到国家一级A类排放标准,具有广泛的应用前景。
Claims (4)
1.一种光催化与曝气生物滤池耦合装置,该装置分为曝气区(16),生物反应区(17),清水区(9)和光催化反应区(18);采用溶胶-凝胶法合成K2S2O8/TiO2催化剂,通过硅溶胶把该催化剂负载到泡沫铝板上,以火山岩颗粒为载体接种絮状污泥,曝气静置后形成生物滤池;所述光催化反应区(18)与所述曝气生物滤池之间形成漏斗形;
所述装置中的曝气区(16),生物反应区(17),清水区(9)和光催化反应区(18)的高度比为0.5~1:1~4:1~4:1~4,体积比为0.5~1:2~8:2~8:4~10;
所述生物反应区(17)中火山岩颗粒(7)的体积占比为50%~60%;
所述的曝气区(16)、生物反应区(17)、清水区(9)和光催化反应区(18)按照自下而上的顺序布置。
2.如权利要求1所述的一种光催化与曝气生物滤池耦合装置,其特征在于:所述装置的进水流量为0.5L/h~1L/h,循环流量为1L/h~2L/h;反应控制条件为:pH值6.0~9.0,溶解氧3~8mg/L,水温25~30℃,光照强度15mW/cm-2~20mW/cm-2。
3.如权利要求1所述的一种光催化与曝气生物滤池耦合装置,其特征在于:所述的K2S2O8/TiO2催化剂中K2S2O8的掺杂量为0.3wt%~0.5wt%。
4.如权利要求1所述的一种光催化与曝气生物滤池耦合装置,其特征在于:所述的泡沫铝板为蜂窝网状,蜂窝孔为边长1mm~2mm的正六边形,铝板的厚度为8mm~10mm。
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