CN113443697B - 一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置 - Google Patents

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Abstract

一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，本发明涉及高级氧化水处理领域。本发明要解决现有水处理装置存在单一臭氧对难降解有机物处理效率较低，且催化剂难以回收的问题。该装置包括臭氧水生成罐、混合器、压力表‑平板膜单元和尾气吸收装置，臭氧水生成罐顶盖设有进水管、进气管、出气管和出水管，其中进气管出气口与曝气盘连通，曝气盘出气口靠近臭氧水生成罐的底部。本发明运用膜片自身的过渡态金属非均相催化臭氧氧化，利用膜片自身的碱性缓冲性质，提供膜孔内的碱性环境，加速臭氧分解生成自由基，催化臭氧氧化有机污染物。本发明原理简单易操作，可以作为预处理或者深度处理的工艺使用。本发明装置可用于饮用水和废水处理领域。

Description

一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置
技术领域
本发明涉及高级氧化水处理领域。
背景技术
内分泌干扰物及难降解有机物是当今饮用水处理的关键难题，长期饮用会产生蓄积作用，尤其是对孕妇腹中的胎儿发育产生终身影响。难降解的有机物在常规的饮用水处理单元中去除效果较弱，且在深度处理单元中的去除率不高，单一臭氧分子的氧化能力弱，且氧化具有选择性，难以将有机物降解矿化。高级氧化技术是基于激发臭氧分子产生自由基，从而进一步去除有机污染物。臭氧的高级氧化常常需要激发剂和催化剂，如光催化、催化剂催化臭氧氧化。但目前水处理装置存在结构复杂，催化剂难以再生利用，处理效率低的技术问题。
发明内容
本发明要解决现有水处理装置存在单一臭氧对难降解有机物处理效率较低，且催化剂难以回收的问题，而提供一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，模拟实际水处理工艺，以期为扩大规模实际应用于臭氧深度水处理提供技术指导和理论依据。
一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，该装置包括臭氧水生成罐、混合器、压力表-平板膜单元和尾气吸收装置，臭氧水生成罐顶盖设有进水管、进气管、出气管和出水管，其中进气管出气口与曝气盘连通，曝气盘出气口靠近臭氧水生成罐的底部，出水管的进水口靠近臭氧水生成罐的底部；出水管出水口与混合器进水口连通，原水池通过管道也与混合器连通，混合器上方设置反应器，反应器包括多组串联的压力表-平板膜单元，每组压力表-平板膜单元由反应段和测压段组成，在反应段的底部设置平板膜，在测压段上设置有压力表，在反应器顶部设置氧化出水口和排气口；出气管出气口通入尾气吸收装置，排气口也通过管道通入尾气吸收装置，尾气吸收装置的顶端设置尾排出气管。
进一步的，进水管外接干净水源。
进一步的，氧气瓶出气口与臭氧发生器进气口连通，臭氧发生器出气口与臭氧水生成罐进气管。
进一步的，氧气瓶与臭氧发生器之间设置干燥管。
进一步的，在出气管设置第一防倒吸装置。
进一步的，在出水管设置臭氧水泵。
进一步的，在原水池与混合器连通的管道上设置原水泵。
进一步的，所述压力表-平板膜单元中平板膜采用法兰在衔接处装配。
进一步的，所述压力表-平板膜单元的衔接处采用胶圈和胶垫进行密封。
进一步的，所述排气口与尾气吸收装置连通的管道上设置第二防倒吸装置。
进一步的，所述平板膜采用普通硅酸盐水泥与非金属骨架材料混合压片制成，普通硅酸盐水泥与非金属骨架材料的质量比为(1～10)：1；非金属骨架材料包括二氧化硅、粉煤灰、高岭土或活性炭粉末。平板膜厚度为0.5-3mm，其平均孔径为0.1-10微米。
进一步的，所述反应器中反应段的器壁采用玻璃材质，测压段的器壁采用不锈钢材质。
臭氧水生成罐顶部采用胶塞密封，用玻璃管穿透胶塞中间没有缝隙，可以保证臭氧气体不泄露，保证使用者安全；臭氧水泵和原水泵使用蠕动泵或防腐水泵，整体管路要耐臭氧腐蚀，尾气吸收装置内装有碘化钾或其他与臭氧反应的溶液。
该装置采用氧气和臭氧发生器制备臭氧后通入臭氧水生成罐中，在罐中臭氧气体持续通过水体使得水体中的臭氧浓度稳定在一定范围。
该装置由氧气瓶提供氧气，气体干燥管干燥氧气中的水分，干燥的氧气经过臭氧发生器的电离产生高浓度的臭氧，通入臭氧水生成罐后与水体充分接触，且一直持续通入，产生了饱和态的臭氧水，其中尾气出口可用高压阀关住，维持瓶内气压，使得臭氧浓度升高。
反应器前端设有混合器混合臭氧水和原水，液体由下至上进行流动，下端进水上端出水，压力表可以观察膜的跨膜压差，判断膜是否破损或者堵塞；如果装置堵塞，可以反向运行或冲洗，进水口和出水口互换，清洗后再倒装回来，对装置运行没有影响。
平板膜采用普通硅酸盐水泥与其他材料混合压片而成，硅酸盐水泥含有多种过度区域的金属元素，可以非均相的催化臭氧氧化，在连续流装置(反应器)中可持续的催化臭氧氧化，且其具有碱性缓冲性质，膜孔内的碱性环境可以催化臭氧分解生成自由基。在水处理过程中离子析出量较低，出水符合GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》。
混合器可用管式静态混合器或者水射器。
本发明的工作原理是：采用氧气和臭氧发生器制备臭氧后通入臭氧水生成罐中，进水管外接干净水源，在罐中臭氧气体持续地通过水体使得水体中的臭氧浓度稳定在一定范围。臭氧水生成罐中的臭氧饱和水经由出水管和臭氧水泵泵入混合器，同时受污染的原水被原水泵由原水池也泵入混合器，混合器混合后的水经由平板膜的膜孔，臭氧分子催化生成非选择性强氧化性自由基，在膜孔内及膜表面与污染物迅速结合，使污染物被降解。同时，微滤膜的膜孔可以截留大分子，如牛血清白蛋白(BSA)，在100kPa跨膜压差(TMP)下截留率在68％以上，低TMP(＜40kPa)，BSA截留率可达100％。处理后的水由氧化出水口排出，废气由排气口经第二防倒吸装置接入尾气吸收装置。臭氧水生成罐的臭氧尾气通过出气管，经由第一防倒吸装置通向尾气吸收装置。尾气吸收装置中的液体(如碘化钾)能够与臭氧尾气发生反应，达到吸收尾气的目的。
本发明采用催化臭氧(O3)产生自由基氧化有机物对水进行有效处理，催化臭氧(O3)氧化分为均相催化和非均相催化，它结合了不同的作用：直接或间接臭氧氧化，可用催化O3产生更多的羟基自由基，O3和非均相的材料表面基团之间的相互作用可导致羟基自由基、单线态氧、超氧自由基的产生。这些自由基具有高度的氧化性，可以降解水中的多种有机污染物及内分泌干扰物，可以极大的提升饮用水的品质。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种可工程应用的高级氧化处理连续流装置，该装置包括臭氧产生、臭氧和污染物水体混合、膜催化臭氧氧化的三大部分，同时包括泵的动力系统、尾气吸收系统和水源。它能自动连续运行，将均相和非均相催化臭氧氧化功能合二为一，提高污染物的效率，同时还可用多级串联联用，增加膜的接触时间。
本发明运用过渡态金属非均相催化臭氧氧化，利用膜孔内及膜表面的碱性环境均相催化臭氧氧化，原理简单易操作，适用于饮用水和污废水的处理，可以作为预处理或者深度处理的工艺使用。
经验证，本发明装置处理后水中硝基苯和对氯硝基苯的去除率达到88％-95％，阿特拉津的去除率达到95％，毒死蜱的去除率在90％以上。证实本发明装置对废水中难降解有机物有深度去除的效果。
本发明装置可用于饮用水和废水处理领域。
附图说明
图1为具体实施方式一所述一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置的结构示意图；
图2为实施例一所述平板膜的表面电镜图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于：该装置包括臭氧水生成罐4、混合器11、压力表-平板膜单元和尾气吸收装置7，臭氧水生成罐4顶盖设有进水管4-1、进气管4-2、出气管4-3和出水管4-4，其中进气管4-2出气口与曝气盘5连通，曝气盘5出气口靠近臭氧水生成罐4的底部，出水管4-4的进水口靠近臭氧水生成罐4的底部；出水管4-4出水口与混合器11进水口连通，原水池10通过管道也与混合器11连通，混合器11上方设置反应器14，反应器14包括多组串联的压力表-平板膜单元，每组压力表-平板膜单元由反应段和测压段组成，在反应段的底部设置平板膜13，在测压段上设置有压力表12，在反应器14顶部设置氧化出水口16和排气口17；出气管4-3出气口通入尾气吸收装置7，排气口17也通过管道通入尾气吸收装置7，尾气吸收装置7的顶端设置尾排出气管7-1。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧气瓶1出气口与臭氧发生器3进气口连通，臭氧发生器3出气口与臭氧水生成罐4进气管4-2。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：进水管外接干净水源。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：氧气瓶1与臭氧发生器3之间设置干燥管2。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：在出气管4-3设置第一防倒吸装置6。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：在出水管4-4设置臭氧水泵8。其他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：在原水池10与混合器11连通的管道上设置原水泵9。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述压力表-平板膜单元中平板膜采用法兰在衔接处装配。其他与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述排气口17与尾气吸收装置7连通的管道上设置第二防倒吸装置15。其他与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述平板膜13采用普通硅酸盐水泥与非金属骨架材料混合压片制成，普通硅酸盐水泥与非金属骨架材料的质量比为(1～10)：1；平板膜具有膜孔结构，平均孔径为0.1-10微米。其他与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：非金属骨架材料包括二氧化硅、粉煤灰、高岭土或活性炭粉末。其他与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：所述反应器14中反应段的器壁采用玻璃材质，测压段的器壁采用食品级304不锈钢材质。其他与具体实施方式一至十一之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，该装置包括臭氧水生成罐4、混合器11、压力表-平板膜单元和尾气吸收装置7，臭氧水生成罐4顶盖设有进水管4-1、进气管4-2、出气管4-3和出水管4-4，其中进气管4-2出气口与曝气盘5连通，曝气盘5出气口靠近臭氧水生成罐4的底部，出水管4-4的进水口靠近臭氧水生成罐4的底部；出水管4-4出水口与混合器11进水口连通，原水池10通过管道也与混合器(11)连通，混合器11上方设置反应器14，反应器14包括多组串联的压力表-平板膜单元，每组压力表-平板膜单元由反应段和测压段组成，在反应段的底部设置平板膜13，在测压段上设置有压力表12，在反应器14顶部设置氧化出水口16和排气口17；出气管4-3出气口通入尾气吸收装置7，排气口17也通过管道通入尾气吸收装置7，尾气吸收装置7的顶端设置尾排出气管7-1。
进水管外接干净水源。
氧气瓶1出气口与臭氧发生器3进气口连通，臭氧发生器3出气口与臭氧水生成罐4进气管4-2。
氧气瓶1与臭氧发生器3之间设置干燥管2。
在出气管4-3设置第一防倒吸装置6。
在出水管4-4设置臭氧水泵8。
在原水池10与混合器11连通的管道上设置原水泵9。
所述压力表-平板膜单元中平板膜采用法兰在衔接处装配。
所述排气口17与尾气吸收装置7连通的管道上设置第二防倒吸装置15。
所述平板膜13采用普通硅酸盐水泥与二氧化硅粉末按照质量比为1：5混合压片制成，厚度为2mm，其中包含多种金属元素及碱性物质。
图2为实施例一所述平板膜的表面电镜图，平板膜具有膜孔结构，平均孔径为0.1-10微米。
所述反应器14中反应段的器壁采用玻璃材质，测压段的器壁采用不锈钢材质。对本实施例装置进行检测，控制原水中硝基苯的浓度为100ug/L，对氯硝基苯的浓度为100ug/L，阿特拉津的初始浓度为30ug/L，毒死蜱的浓度为50ug/L，臭氧发生器的电流为10A，实测臭氧水生成罐出水管臭氧水浓度为0.5mg/L，流量为90mL/min，反应器中有2组串联的压力表-平板膜单元，经检测氧化出水口排出处理后水中对氯硝基苯和硝基苯的去除率达到88％-95％，阿特拉津的去除率达到95％，毒死蜱的去除率在90％以上。证实本发明装置对水中难降解有机物有深度去除的效果。并且该装置可通过增加反应级数、增大电流和功率进一步提高装置对有机污染物的处理效能。
实施例二：
本实施例与实施例一不同的是：所述平板膜13采用活性炭粉末与硅酸盐水泥混合压制成。
经测试本实施例达到了与实施例一相当的水处理效果。

Claims (7)

1.一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于：该装置包括臭氧水生成罐(4)、混合器(11)、压力表-平板膜单元和尾气吸收装置(7)，臭氧水生成罐(4)顶盖设有进水管(4-1)、进气管(4-2)、出气管(4-3)和出水管(4-4)，其中进气管(4-2)出气口与曝气盘(5)连通，曝气盘(5)出气口靠近臭氧水生成罐(4)的底部，出水管(4-4)的进水口靠近臭氧水生成罐(4)的底部；出水管(4-4)出水口与混合器(11)进水口连通，原水池(10)通过管道也与混合器(11)连通，混合器(11)上方设置反应器(14)，反应器(14)包括多组串联的压力表-平板膜单元，每组压力表-平板膜单元由反应段和测压段组成，在反应段的底部设置平板膜(13)，在测压段上设置有压力表(12)，在反应器(14)顶部设置氧化出水口(16)和排气口(17)；出气管(4-3)出气口通入尾气吸收装置(7)，排气口(17)也通过管道通入尾气吸收装置(7)，尾气吸收装置(7)的顶端设置尾排出气管(7-1)；
所述压力表-平板膜单元中平板膜采用法兰在衔接处装配；
所述平板膜(13)采用普通硅酸盐水泥与非金属骨架材料混合压片制成，普通硅酸盐水泥与非金属骨架材料的质量比为(1～10)：1；平板膜具有膜孔结构，平均孔径为0.1-10微米；非金属骨架材料包括二氧化硅、粉煤灰、高岭土或活性炭粉末；
所述反应器(14)中反应段的器壁采用玻璃材质，测压段的器壁采用食品级304不锈钢材质。
2.根据权利要求1所述的一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于氧气瓶(1)出气口与臭氧发生器(3)进气口连通，臭氧发生器(3)出气口与臭氧水生成罐(4)进气管(4-2)。
3.根据权利要求2所述的一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于氧气瓶(1)与臭氧发生器(3)之间设置干燥管(2)。
4.根据权利要求1所述的一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于在出气管(4-3)设置第一防倒吸装置(6)。
5.根据权利要求1所述的一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于在出水管(4-4)设置臭氧水泵(8)。
6.根据权利要求1所述的一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于在原水池(10)与混合器(11)连通的管道上设置原水泵(9)。
7.根据权利要求1所述的一种多级膜组件催化臭氧氧化的连续流装置，其特征在于所述排气口(17)与尾气吸收装置(7)连通的管道上设置第二防倒吸装置(15)。
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