CN111977785A - 一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器及其处理方法，其包括一反应池，反应池内设有平板陶瓷膜组件，平板陶瓷膜组件内设有多个平板陶瓷膜，平板陶瓷膜的底部设有曝气板，曝气板底部通过管道和曝气阀连接，曝气阀在通过三通管连接至风机和反冲阀，反冲阀与清液缓冲罐的底部连接，清液缓冲罐的中上部和平板陶瓷膜组件的出口总管连接，清液缓冲罐的顶部通过管道和放空阀及抽吸泵进口阀连接，抽吸泵进口阀再和抽吸泵连接。采用表面负载有可光催化剂的生物膜载体进行挂膜，在紫外或可见光源辐射下，实现光催化与生物膜的耦合与协同作用，大大提高难降解有机物的去除效率及处理速率。
Description
技术领域
本发明属于污水处理的技术领域，具体是一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器及其处理方法。
背景技术
在光催化氧化反应过程中，光催化剂在紫外光照射下由于电子－空穴对迁移作用而产生羟基自由基，可以广谱性应用于有机污染物的降解处理。然而由于普通光催化剂量子效率及紫外光利用率低，回收分离困难，在实际应用中受到了极大限制。好氧生物处理技术，如生物膜法，在有溶解氧的条件下可对有机物进行分解代谢，使废水得到净化，该技术比传统的化学处理的处理成本低且处理效率高，是目前应用较广泛的废水生物处理方法，但生物膜法对于废水中的一些难降解有机物的降解效率较低。因此较多学者先采用高级氧化法，如光催化氧化预处理，提高污染物物的可生化性能，再串联生物膜反应器，由于反应器中最佳水力停留时间难以预计，同时装置及其运行成本高，在实际工程中并不实用。也有将光催化与生物膜技术组合为一体对有机物进行降解，但强紫外光照对微生物细胞有杀伤作用，不利于生物膜对有机物的降解。
ZL200810035712.1为降低紫外光对微生物细胞的伤害，将分隔板将光催化和生物降解分为上下两个区，虽然放在一个反应器内，实际也属于光催化和生物膜降解两个独立的串联单元，其催化剂采用表面陶瓷材料涂覆TiO2的光催化板，其活性点少，光催化效率并不高，对于一些难降解有机物而，光催化/生物膜降解协同作用并不高效。
发明内容
本发明提供了一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器及其处理方法，可实现高效处理生物废水及含难降解有机物的工业废水。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器，其特征在于包括一反应池，所述反应池内设有生物膜载体和一隔板，所述隔板将反应池分隔成左降解区和右降解区，所述右降解区设有平板陶瓷膜组件，所述平板陶瓷膜组件内设有多个平板陶瓷膜，所述平板陶瓷膜的底部设有曝气板，所述曝气板底部通过管道和曝气阀连接，所述曝气阀在通过三通管连接至风机和反冲阀，所述反冲阀与清液缓冲罐的底部连接，所述清液缓冲罐的中上部和所述平板陶瓷膜组件的出口总管连接，所述清液缓冲罐的顶部通过管道和放空阀及抽吸泵进口阀连接，抽吸泵进口阀再和抽吸泵连接。
进一步地，所述隔板底部距所述反应池的底部留有一定距离，所述反应池和隔板之间形成一通道。
进一步地，所述反应池左部上方装有液位传感器和进水控制阀。
进一步地，所述反应池的可以采用壳体结构，其形状可以为圆筒形，相应的顶盖和底盖的形状也发生相应的变化。
一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物的处理方法：
(1)制备生物膜载体：
a.以钛酸丁酯为钛源，采用溶胶凝胶法制备掺杂Bi或Ag元素的TiO2改性溶胶；
b.将经酸化清洗、烘干处理的生物膜载体浸入TiO2改性溶胶中，使TiO2改性溶胶均匀浸涂于生物膜载体表面；
(2)微生物接种挂膜：先将活性污泥或针对有机污染物所培养微生物菌种溶液加入反应池中，在投入生物膜载体，水温控制20℃～300℃范围内，启动风机进行曝气，使溶液在隔板两侧内循环流动，挂膜时间一般为3～10天，肉眼可见生物膜载体表面生长出一定厚度的淡黄色生物膜。
(3)微生物驯化处理：挂膜完成后采用浓度梯度法进行驯化处理，每隔4～8 小时逐步增加目标污染物向反应池的投加量，当反应池中污染物浓度基本不变时表示驯化完成。
(4)废水处理：微生物驯化完成后开启光源照射，再将废水连续输入所述反应池中，待光催化生物降解达到稳定状态时，启动抽吸泵进行抽吸，在负压作用下，清水透过平板陶瓷膜首先进入清液缓冲罐，清液缓冲罐中的清液满后再经过抽吸泵排出。
(4)膜反冲处理：当抽吸口负压达到0.06MPa时，关闭曝气阀和抽吸泵进口阀，开启反冲阀，通过气顶液的方式，使清液缓冲罐中的清液进入平板陶瓷膜内腔进行反冲处理，反冲时间为10～30秒，把膜污染物冲洗掉，从而恢复平板陶瓷膜的通透性能。
进一步地，所述光源为可见光或者紫外光。
进一步地，所述生物膜载体材料重复浸涂TiO2改性溶胶1次以上，得到需要负载一层或多层数的可见光催化剂生物膜载体材料，其密度在0.9～1.0kg·m-3范围内。
进一步地，所述清水通过平板陶瓷膜过滤的过程，采取恒通量操作运行模式，根据进水水质情况，膜通量可控制在5～20L·h-1m-2范围内，保证污染物有较长的水力停留时间，光催化生物膜降解作用下，膜污染速度保持在较低的水平，从而有效地延长膜清洗的周期。
进一步地，所述生物膜载体为多孔陶粒、沸石分子筛、炭纤维或活性炭，他们是良好的可见光催化剂载体材料。
采用本发明的技术方案，所使用的光源为可见光或者紫外光，在由可见光切换到紫外光的时候，生物膜载体仍能对其上的微生物具有很好的保护作用，如生物膜载体采用多孔陶瓷，微生物可以生长于陶瓷微孔内，避免了紫外光的杀伤。使得光催化和生物膜具有良好的耦合与协同作用，提高处理效率。
平板陶瓷膜组件包括两个左右布置的平板陶瓷膜，平板陶瓷膜内平行设置有多个陶瓷膜，采用模块化设计，可以进行多片平板陶瓷膜的封装，维护方便，安装简单，所有的陶瓷膜的顶部封装头汇聚形成一个出口总管。
生物膜载体可直接投放在左降解区和右降解区，无需固定，通过进水控制阀和液位传感器控制污水的高度在一定的水位，即至少要高于隔板的高度，在通过曝气系统的作用，生物膜载体随着污水循环运动，可悬浮在处理池各个方向，使其中的污染物与载体上生长的微生物膜得到充分的接触和发生生物降解。在光源的照射下，水体中污染物在光催化氧化作用下首先被分解成易生物降解的有机物，这些光催化生产的有机物被载体上生物膜快速生物降解，特别是一些难降解有机物(如抗生素、染料等)被高效去除和矿化，较好地发挥光催化生物膜降解过程的协同效果。
实施本发明的这种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器及其处理方法，具有以下有益效果：
(1)采用表面负载有可光催化剂的生物膜载体进行挂膜，在紫外或可见光源辐射下，实现光催化与生物膜的耦合与协同作用，大大提高难降解有机物的去除效率及处理速率。
(2)在平板陶瓷膜过滤作用下，有效截留催化剂及污染物，进一步提升废水处理效果；另外，光催化生物降解作用对膜污染具有减缓作用，平板陶瓷膜可长时间连续稳定运行。
(3)本反应器具有装置结构紧凑高效、运行维护简单、应用范围广等优点，可用于污染地表水修复、饮用水预处理和难降解有机废水处理等领域。
附图说明
图1为本发明的这种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
对于一个集光催化与生物降解一体化的反应器，在处理含有难降解有机污染物的工业废水的步骤为：
首先需要制备生物膜载体2，以钛酸丁酯为钛源，采用溶胶凝胶法制备掺杂 Bi元素的TiO2改性溶胶，将经酸化清洗、烘干处理的多孔陶粒浸入TiO2改性溶胶中，使TiO2改性溶胶均匀浸涂于多孔陶粒表面，多孔陶粒上均匀涂覆2层TiO2改性溶胶，其密度在1.0kg·m-3范围内。
将活性污泥或针对有机污染物所培养微生物菌种溶液加入反应池16中，然后在投入多孔陶粒，水温控制40℃，启动风机15进行曝气，使溶液在隔板7两侧内循环流动，挂膜时间为5天。
挂膜完成后采用浓度梯度法进行驯化处理，每隔6小时逐步增加目标污染物向反应池16的投加量，当反应池16中污染物浓度基本不变时表示驯化完成。
微生物驯化完成后开启可见光源1，再将废水连续输入所述反应池16中，在曝气作用下，废水在反应池中进行内循环流动，在可见光源的照射下，水体中污染物在光催化氧化作用下首先被分解成易生物降解的有机物，这些光催化生产的有机物被载体上生物膜快速生物降解。待光催化生物降解达到稳定状态时，启动抽吸泵12进行抽吸，在负压作用下，清水透过膜组件3中的平板陶瓷膜4 首先进入清液缓冲罐10，清液缓冲罐10中的清液满后再经过抽吸泵12排出。
膜反冲处理：当抽吸口负压达到0.06MPa时，关闭曝气阀5、放空阀11和抽吸泵进口阀13，开启反冲阀14，通过气顶液的方式，使清液缓冲罐10中的清液进入平板陶瓷膜4内腔进行反冲处理，反冲时间为20秒，把膜污染物冲洗掉，从而恢复平板陶瓷膜的通透性能。
清水通过平板陶瓷膜4过滤的过程，采取恒通量操作运行模式，通过进水控制阀9和液位传感器8以及抽吸泵12控制膜通量在10L·h-1m-2，保证污染物有较长的水力停留时间，在光催化生物膜降解的耦合与协同作用下，膜污染速度保持在较低的水平，从而有效地延长膜清洗的周期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器，其特征在于包括一反应池，所述反应池内设有生物膜载体和一隔板，所述隔板将反应池分隔成左降解区和右降解区，所述右降解区设有平板陶瓷膜组件，所述平板陶瓷膜组件内设有多个平板陶瓷膜，所述平板陶瓷膜的底部设有曝气板，所述曝气板底部通过管道和曝气阀连接，所述曝气阀在通过三通管连接至风机和反冲阀，所述反冲阀与清液缓冲罐的底部连接，所述清液缓冲罐的中上部和所述平板陶瓷膜组件的出口总管连接，所述清液缓冲罐的顶部通过管道和放空阀及抽吸泵进口阀连接，抽吸泵进口阀再和抽吸泵连接。
2.根据权利要求1所述的可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器，其特征在于，所述隔板底部距所述反应池的底部留有一定距离，所述反应池和隔板之间形成一通道。
3.根据权利要求1所述的可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器，其特征在于，所述反应池左部上方装有液位传感器和进水控制阀。
4.根据权利要求1所述的可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物反应器，其特征在于，所述反应池的可以采用壳体结构，其形状可以为圆筒形，相应的顶盖和底盖的形状也发生相应的变化。
5.一种可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物的处理方法：
(1)制备生物膜载体：
a.以钛酸丁酯为钛源，采用溶胶凝胶法制备掺杂Bi或Ag元素的TiO2改性溶胶；
b.将经酸化清洗、烘干处理的生物膜载体浸入TiO2改性溶胶中，使TiO2改性溶胶均匀浸涂于生物膜载体表面；
(2)微生物接种挂膜：先将活性污泥或针对有机污染物所培养微生物菌种溶液加入反应池中，在投入生物膜载体，水温控制20℃～300℃范围内，启动风机进行曝气，使溶液在隔板两侧内循环流动，挂膜时间一般为3～10天；
(3)微生物驯化处理：挂膜完成后采用浓度梯度法进行驯化处理，每隔4～8小时逐步增加目标污染物向反应池的投加量，当反应池中污染物浓度基本不变时表示驯化完成；
(4)废水处理：微生物驯化完成后开启光源照射，再将废水连续输入所述反应池中，待光催化生物降解达到稳定状态时，启动抽吸泵进行抽吸，在负压作用下，清水透过平板陶瓷膜首先进入清液缓冲罐，清液缓冲罐中的清液满后再经过抽吸泵排出；
(5)膜反冲处理：当抽吸口负压达到0.06MPa时，关闭曝气阀和抽吸泵进口阀，开启反冲阀，通过气顶液的方式，使清液缓冲罐中的清液进入平板陶瓷膜内腔进行反冲处理，反冲时间为10～30秒，把膜污染物冲洗掉，从而恢复平板陶瓷膜的通透性能。
6.根据权利要求5所述的可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物的处理方法，其特征在于，所述光源为可见光或者紫外光。
7.根据权利要求5所述的可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物的处理方法，其特征在于，所述生物膜载体材料重复浸涂TiO2改性溶胶1次以上，得到需要负载一层或多层数的可见光催化剂生物膜载体材料，其密度在0.9～1.0kg·m-3范围内。
8.根据权利要求5所述的可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物的处理方法，其特征在于，所述清水通过平板陶瓷膜过滤的过程，采取恒通量操作运行模式，根据进水水质情况，膜通量可控制在5～20L·h-1m-2范围内。
9.根据权利要求5所述的可见光催化悬浮填料平板陶瓷膜生物的处理方法，其特征在于，所述生物膜载体为多孔陶粒、沸石分子筛、炭纤维或活性炭。
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