CN113321353B - 一种光电催化废水处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电催化废水处理系统及处理方法。该光电催化废水处理系统包括：废水调节池，其出口端设有输水泵；光辐照设备，其包括至少一个光源，在光源的两侧倾斜设置有反光板；光电反应设备，其包括至少一级光电反应池，每一级光电反应池具有光阳极电极板和阴极电极板，第一级光电反应池通过管道与输水泵连接；中控平台，其与废水调节池、光辐照设备、光电反应设备和供电设备中的电动装置电性连接以对其进行控制；供电设备，其包括用于对废水调节池、光辐照设备、光电反应设备和中控平台中的用电设备进行供电的太阳能供电装置和风能供电装置。上述处理系统极大地降低了光电催化技术的运行成本，同时提高了废水中污染物的降解效率。

Description

一种光电催化废水处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，尤其是涉及一种光电催化废水处理系统及处理方法。

背景技术

光电催化是一种利用电化学原理增强光催化效果的高级氧化技术。在光催化氧化的过程中，光照激发产生的光生空穴起了重要作用，但是在反应过程中光生电子和空穴在分离后极易发生复合，大大降低了光催化氧化的效果。为了降低光生电子与空穴的复合率，将光催化剂负载于电极板上，同时施加外加偏压，形成了光电催化体系。外加偏压能够促使光生电子和空穴向相反的方向迁移，有效降低了光生电子和空穴的复合，提高了光电流强度，强化了光催化性能。

采用光电催化氧化的方式能够高效地降解废水中的有机污染物，同时由于其不会产生二次污染的特点，日益受到广泛的关注。然而，由于光电催化反应系统中涉及到的用电设备较多，系统较复杂，能耗较大，从而导致实际应用较少。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电催化废水处理系统及处理方法，该处理系统极大地降低了光电催化技术的运行成本，同时提高了废水中污染物的降解效率。

本发明提供一种光电催化废水处理系统，包括：

废水调节池，其出口端设有输水泵；

光辐照设备，其包括至少一个用于为光电反应设备提供光辐照的光源，在光源的两侧倾斜设置有反光板；

光电反应设备，其包括至少一级光电反应池，每一级光电反应池具有光阳极电极板和阴极电极板，第一级光电反应池通过管道与输水泵连接；

中控平台，其分别与废水调节池、光辐照设备、光电反应设备和供电设备中的电动装置电性连接以对其进行控制；

供电设备，其包括用于对废水调节池、光辐照设备、光电反应设备和中控平台中的用电设备进行供电的太阳能供电装置和风能供电装置。

在一实施方式中，废水调节池包括池体、用于对池体中的废水pH值进行调节的pH自动调节机和用于对池体中的废水进行曝气的曝气装置。

在一实施方式中，每一级光电反应池包括池体、用于对池体中的废水pH值进行调节的pH自动调节机和用于对池体中的废水进行曝气的曝气装置，光阳极电极板和阴极电极板平行且间隔设置在池体中，光阳极电极板和阴极电极板分别通过电极板连接杆与直流电源连接。

进一步地，曝气装置包括微孔曝气管和曝气泵，微孔曝气管铺设在池体底部，曝气泵通过管道与微孔曝气管连接。

在一实施方式中，光辐照设备包括多个围设的光源，在每一光源的两侧倾斜设置有反光板，在每一光源的外侧固定设置有密封玻璃板，在多个围设的光源内部固定设置有散热风扇，多个光源分别与光源控制器电性连接。

进一步地，光电反应设备包括围设在光源外部的多级光电反应池，多级光电反应池之间通过管道连通，多级光电反应池与多个光源对应设置，每一级光电反应池的光阳极电极板和阴极电极板与其对应光源的光照方向垂直设置。

在一实施方式中，光阳极电极板采用钛网负载改性TiO₂电极，阴极电极板采用石墨电极；其中，钛网负载改性TiO₂电极负载的改性TiO₂材料具有可见光响应能力。

在一实施方式中，供电设备分别对光辐照设备中的每一个光源以及每一级光电反应池中的光阳极电极板和阴极电极板进行独立供电。

在一实施方式中，废水调节池、输水泵、光辐照设备和光电反应设备集成于模块化箱体中，形成模块化撬装式结构。

本发明还提供一种光电催化废水处理方法，采用上述光电催化废水处理系统进行，该方法包括如下步骤：

A)废水进入废水调节池后，将废水的pH值调节至目标pH值，同时对废水进行曝气；

B)废水调节池的出水进入光电反应设备，利用光辐照设备的光源进行光辐照，光阳极电极板和阴极电极板对废水进行光电催化氧化降解；

C)光电反应设备的出水直接排放或进入后续处理单元。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明的光电催化废水处理系统采用太阳能供电装置和风能供电装置进行供电，该太阳能结合风能的清洁能源供电方式，实现了电能的自给，在低碳环保的同时实现降低到了电耗成本；

2、本发明的光电催化废水处理系统在光辐照设备中安装反光板，通过反光板的反射将日光灯等光源产生的光线有效地辐照到光阳极表面，提高了光源的利用率，降低了能源消耗；

3、本发明的光电催化废水处理系统能够对光辐照设备中的每一个光源以及每一级光电反应池中的光阳极电极板和阴极电极板进行独立供电，从而可以根据对应光电反应池中的污染物浓度进行光照强度和电流的调节，保证了运行过程中维持较高的光利用率和电流效率，降低了能耗；

4、本发明的光电催化废水处理系统通过设置pH自动调节机对废水的pH值进行调节，能够保证反应池中废水的pH值处于最佳值，保证了高效的光电催化氧化效果；同时，通过设置曝气装置进行曝气，能够为光电催化氧化反应提供额外的氧气，提高了氧化效率；

5、本发明的光阳极电极板采用钛网负载改性TiO₂电极，以钛网作为基体材料具有多孔的性质，使得废水与光阳极电极板表面的接触更加充分，有效地提高了废水的处理效率；

6、本发明能够实现光电催化废水处理系统的集成化，通过光辐照设备进行中心辐照，同时设置多级光电反应池的光电催化氧化方式，降低了光电催化废水处理系统的占地面积；此外，通过系统集成实现模块化，便于安装和运输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施方式的光电催化废水处理系统的结构示意图；

图2为本发明一实施方式的废水调节池的结构示意图；

图3为本发明一实施方式的光辐照设备的结构示意图；

图4为本发明一实施方式的单级光电反应池的结构示意图；

图5为本发明一实施方式的供电设备的结构示意图；

图6为本发明一实施方式的模块化撬装式结构示意图。

附图标记说明：

1：废水调节池；101：进水口；102：出水口；103：微孔曝气管；104：pH自动调节机；105：曝气泵；

2：输水泵；

3：光辐照设备；301：光源；302：反光板；303：散热风扇；304：密封玻璃板；305：光源控制器；

4：光电反应池；401：进水口；402：电极板插槽；403：光阳极电极板；404：阴极电极板；405：电极板连接杆；406：出水口；408：直流电源；

5：支架；

6：中控平台；

7：供电设备；701：光伏板；702：小型风机；703：设备辅件；

8：模块化箱体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1至图6所示，本实施例的光电催化废水处理系统，包括：废水调节池1，其出口端设有输水泵2；光辐照设备3，其包括至少一个用于为光电反应设备提供光辐照的光源301，在光源301的两侧倾斜设置有反光板302；光电反应设备，其包括至少一级光电反应池4，每一级光电反应池4具有光阳极电极板403和阴极电极板404，第一级光电反应池4通过管道与输水泵2连接；中控平台6，其分别与废水调节池1、光辐照设备3、光电反应设备和供电设备7中的电动装置电性连接以对其进行控制；供电设备7，其包括用于对废水调节池1、光辐照设备3、光电反应设备和中控平台6中的用电设备进行供电的太阳能供电装置和风能供电装置。

在本实施例中，废水调节池1主要用于对废水的水质、水量以及pH值进行调节，以便满足后续光电催化反应的相关需求；对废水调节池1的具体结构不作严格限制，可以根据实际需要合理设置。

如图2所示，废水调节池1可以包括池体、用于对池体中的废水pH值进行调节的pH自动调节机104和用于对池体中的废水进行曝气的曝气装置；其中，在池体上设置有用于废水进入的进水口101和用于废水流出的出水口102，曝气装置可以包括微孔曝气管103和曝气泵105，微孔曝气管103可以均匀地铺设在池体底部，曝气泵105可以通过管道与微孔曝气管103连接。

在上述结构的废水调节池1中，通过pH自动调节机104对废水的pH值进行调节，从而保证废水在进入光电反应设备时的pH值处于最佳值，进而有利于保证高效的光电催化氧化效果；同时，通过曝气装置对废水进行曝气，既提高了废水中的含氧量，同时保证了水质和水量的稳定，有利于提高后续光电催化氧化反应的氧化效率。

在本实施例中，输水泵2设置在废水调节池1的出口端，主要用于将废水调节池1中的废水输送至第一级光电反应池4中，第一级光电反应池4可以通过管道与输水泵2连接。

在本实施例中，光辐照设备3主要用于为光电反应设备提供光辐照；可以理解，其包括至少一个光源301，光源301例如可以采用日光灯等，对光源301的设置数量和设置方式不作严格限制，可根据实际需要合理设置。进一步地，在光源301的两侧还可以倾斜设置反光板302，通过反光板302的反射能够将光源301产生的光线有效地辐照到光阳极电极板403的表面，从而提高了光源301的利用率，降低了能源消耗。

如图3所示，光辐照设备3包括多个围设的光源301，光源301具体可以设置为四个，此时四个光源301可以围成正方形；同时，可以在每一光源301的两侧倾斜设置两个相对的反光板302，对反光板302的倾斜设置角度不作严格限制，例如可以设置为45度等角度。此外，还可以在每一光源301及其对应的反光板302外侧固定设置密封玻璃板304，并且在多个围设的光源301内部固定设置散热风扇303，以便对光源301进行密封保护和散热。多个光源301可以分别与单独的光源控制器305电性连接，从而对各个光源301进行独立控制。

在本实施例中，光电反应设备主要用于实施光电催化反应，以对废水中的污染物进行氧化降解；具体地，光电反应设备可以包括至少一级光电反应池4，可以理解，每一级光电反应池4均具有光阳极电极板403和阴极电极板404。对光电反应池4的设置级数不作严格限制，可根据实际需要合理设置。

如图4所示，每一级光电反应池4可以包括池体、用于对池体中的废水pH值进行调节的pH自动调节机104和用于对池体中的废水进行曝气的曝气装置；其中，在池体上设有用于废水进入的进水口401和用于废水流出的出水口406，光阳极电极板403和阴极电极板404可以通过电极板插槽402平行且间隔地固定在池体中，光阳极电极板403和阴极电极板404分别通过电极板连接杆405与直流电源408连接，曝气装置可以包括微孔曝气管103和曝气泵105，微孔曝气管103铺设在池体底部，曝气泵105通过管道与微孔曝气管103连接。

在上述每一级光电反应池4中，通过设置pH自动调节机104对废水的pH值进行调节，能够保证光电反应池4中废水的pH值处于最佳值，保证了高效的光电催化氧化效果；同时，通过设置曝气装置进行曝气，能够为光电催化氧化反应提供额外的氧气，不仅提高了有机污染物的降解效率，同时实现了稳定水质的作用。

参见图1，本实施例的光电反应设备包括围设在光源301外部的多级光电反应池4，例如四级光电反应池4，多级光电反应池4之间通过管道连通，上一级光电反应池4的出水通过管道进入下一级光电反应池4中继续进行光电催化氧化降解。更具体地，多级光电反应池4与多个光源301对应设置，即每一个光源301对应一级光电反应池4，各级光电反应池4的光阳极电极板403和阴极电极板404与其对应光源301的光照方向垂直设置，同时光阳极电极板403以靠近光源301的方式进行设置。

对用于实施光电催化氧化降解反应的光阳极电极板403和阴极电极板404的材质不作严格限制，可以采用本领域的常规材质；在本实施例中，光阳极电极板403采用钛网负载改性TiO₂电极，阴极电极板404采用石墨电极；其中，钛网负载改性TiO₂电极负载的改性TiO₂材料具有可见光响应能力。以钛网作为基体材料的光阳极电极板403具有多孔的性质，使得废水与光阳极电极板403表面的接触更加充分；同时，负载的改性TiO₂材料具有可见光响应能力，有效地提高了废水的处理效率。

在本实施例中，中空平台6主要用于对光电催化废水处理系统中的其它设备及部件进行控制；中空平台6可以与废水调节池1、输水泵2、光辐照设备3、光电反应池4和供电设备7及其所使用的曝气泵105、pH自动调节机104、光源301、散热风扇303、直流电源408等电动装置相连接以对其进行分别控制。

在本实施例中，供电设备7主要用于对本系统中的各设备及其部件进行供电；如图5所示，供电设备7可以包括太阳能供电装置和风能供电装置，对其不作严格限制，可以采用本领域常规的太阳能及风能供电装置。在本实施例中，太阳能供电装置例如可以采用光伏板701，风能供电装置例如可以采用小型风机702，供电设备7还可以包括其它相关的设备辅件703。供电设备7可与废水调节池1、输水泵2、光电反应池4、光辐照设备3和中控平台6中的用电设备电性连接以对其进行供电。

上述供电设备7利用太阳能供电装置和风能供电装置进行供电，实现了风光互补，从而使本系统能够满足室外多种环境条件下的使用需要；同时，该太阳能结合风能的清洁能源供电方式，实现了电能的自给，在低碳环保的同时实现降低到了电耗成本。

特别是，供电设备7可以设置为分别对光辐照设备3中的每一个光源301以及每一级光电反应池4中的光阳极电极板403和阴极电极板404进行独立供电，从而可以根据对应光电反应池4中的污染物浓度进行光照强度和电流的调节，保证了运行过程中维持较高的光利用率和电流效率，降低了能耗。

本实施例对上述废水调节池1、输水泵2、光辐照设备3和光电反应设备之间的设置方式不作严格限制，可根据实际需要合理设置。如图6所示，在本实施例中，废水调节池1、输水泵2、光辐照设备3和光电反应设备可以集成于模块化箱体8中，从而形成模块化撬装式结构；该设置方式能够实现光电催化废水处理系统的集成化，通过光辐照设备3进行中心辐照，同时设置多级光电反应池4的光电催化氧化方式，降低了光电催化废水处理系统的占地面积；此外，通过系统集成实现模块化，便于安装和运输。如图1所示，在其它实施例中，光辐照设备3和光电反应设备还可以采用固定在支架5上的方式进行设置。

本实施例的光电催化废水处理系统的工作原理如下：

废水首先经进水口101进入废水调节池1，由pH自动调节机104在废水调节池1中添加酸、碱药剂调节废水的pH值至目标pH值，同时通过曝气装置使废水混合均匀，稳定废水的水质水量，出水经出水口102进入第一级光电反应池4中。

废水调节池1的出水在进入第一级光电反应池4后，在光辐照设备3提供的日光灯辐照条件下，通过给光阳极电极板403和阴极电极板404通电，对废水进行光电催化氧化降解；在降解过程中，通过pH自动调节机104添加酸、碱药剂调节废水的pH值，使废水pH值保持在最佳去除条件下，同时通过曝气装置进行曝气以使废水均匀混合，并为光电催化反应提供额外的氧气；每一级光电反应池4的出水随后流入下一级光电反应池4继续进行光电催化氧化降解，经过四级光电催化氧化反应实现了废水中有机物的高效降解，实现去除水中有机污染物的目的，第四级光电反应池4的出水外排或进入后续处理单元。

本实施例的光电催化废水处理系统具有占地面积小、能集成实现模块化、便于安装和运输等优势，通过采用“太阳能+风能”的清洁能源供电方式实现了电能的自给，在低碳环保的同时实现降低到了电耗成本；通过反光板反射将日光灯产生的光线有效的辐照到光阳极电极板表面，提高了日光灯的利用率，降低了能源消耗；同时，光辐照设备中的每一个日光灯、光电反应设备中每一级光电反应池的电极板实现独立供电，从而可以根据对应光电反应池中污染物的浓度进行光照强度和电流的调节，保证了运行过程中维持较高的光利用率和电流效率，降低了能耗。

此外，在光电反应设备的光电反应池中，通过曝气能够为光电催化氧化提供额外的氧气，提高氧化效率；光阳极电极板采用钛网作为基体材料，由于其多孔的性质，使得废水与光阳极电极板表面的接触更加充分，有效地提高了废水的处理效率；在每一级光电反应池中均设有pH自动调节机，能够保证各级光电反应池中的废水pH值维持在最佳值，保证了高效的光电催化氧化效果。因此，上述光电催化废水处理系统不仅极大地降低了光电催化技术的运行成本，同时显著提高了废水中污染物的降解效率。

实施例2

本实施例的光电催化废水处理方法，采用实施例1的光电催化废水处理系统进行，步骤如下：

A)废水进入废水调节池1后，将废水的pH值调节至目标pH值，同时对废水进行曝气；

B)废水调节池1的出水进入光电反应设备，利用光辐照设备3的光源301进行光辐照，光阳极电极板403和阴极电极板404对废水进行光电催化氧化降解；

C)光电反应设备的出水直接排放或进入后续处理单元。

采用上述处理方法处理苯酚废水时的具体运行情况如下：

苯酚废水的主要水质参数为：苯酚含量约为260mg/L，COD约为650mg/L，pH约为4.6。苯酚废水进入废水调节池1，通过pH自动调节机104向废水中投加烧碱溶液，将其pH值调整为6.0左右，利用曝气装置进行曝气以保证废水水质均匀；废水从废水调节池1进入到光电反应设备的第一级光电反应池4中，在光源301的辐照下通过直流电源408给光阳极电极板403和阴极电极板404进行通电，同时在曝气的条件下对苯酚废水进行光电催化氧化降解；依次经过四级光电反应池4处理后，出水中苯酚未检出，出水COD约为24mg/L。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种光电催化废水处理系统，其特征在于，包括：

废水调节池，其出口端设有输水泵；

光辐照设备，其包括多个围设的用于为光电反应设备提供光辐照的光源，在每一光源的两侧倾斜设置有反光板，在每一光源的外侧固定设置有密封玻璃板，在多个围设的光源内部固定设置有散热风扇，多个光源分别与光源控制器电性连接；

光电反应设备，其包括围设在光源外部的多级光电反应池，每一级光电反应池具有光阳极电极板和阴极电极板，每一级光电反应池包括池体、用于对池体中的废水pH值进行调节的pH自动调节机和用于对池体中的废水进行曝气的曝气装置，光阳极电极板和阴极电极板平行且间隔设置在池体中，光阳极电极板和阴极电极板分别通过电极板连接杆与直流电源连接，第一级光电反应池通过管道与输水泵连接，多级光电反应池之间通过管道连通，多级光电反应池与多个光源对应设置，每一级光电反应池的光阳极电极板和阴极电极板与其对应光源的光照方向垂直设置；光阳极电极板采用钛网负载改性TiO₂电极，阴极电极板采用石墨电极；其中，钛网负载改性TiO₂电极负载的改性TiO₂材料具有可见光响应能力；

中控平台，其分别与废水调节池、光辐照设备、光电反应设备和供电设备中的电动装置电性连接以对其进行控制；

供电设备，其包括用于对废水调节池、光辐照设备、光电反应设备和中控平台中的用电设备进行供电的太阳能供电装置和风能供电装置，供电设备分别对光辐照设备中的每一个光源以及每一级光电反应池中的光阳极电极板和阴极电极板进行独立供电。

2.根据权利要求1所述的光电催化废水处理系统，其特征在于，废水调节池包括池体、用于对池体中的废水pH值进行调节的pH自动调节机和用于对池体中的废水进行曝气的曝气装置。

3.根据权利要求1或2所述的光电催化废水处理系统，其特征在于，曝气装置包括微孔曝气管和曝气泵，微孔曝气管铺设在池体底部，曝气泵通过管道与微孔曝气管连接。

4.根据权利要求1所述的光电催化废水处理系统，其特征在于，废水调节池、输水泵、光辐照设备和光电反应设备集成于模块化箱体中，形成模块化撬装式结构。

5.一种光电催化废水处理方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的光电催化废水处理系统进行，该方法包括如下步骤：

A)废水进入废水调节池后，将废水的pH值调节至目标pH值，同时对废水进行曝气；

B)废水调节池的出水进入光电反应设备，利用光辐照设备的光源进行光辐照，光阳极电极板和阴极电极板对废水进行光电催化氧化降解；

C)光电反应设备的出水直接排放或进入后续处理单元。

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