CN217996945U - 一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置，通过依次连通的加药反应区、沉淀区、预氧化区以及膜催化臭氧反应区；预氧化区和膜催化臭氧反应区的底部分别设有臭氧进气管和曝气器；膜催化臭氧反应区内设有主管以及设于主管两端的反冲洗管和出水管，主管与改性陶瓷膜组件连接；改性陶瓷膜组件包括模组支架、若干出水软管及改性陶瓷膜，主管的两端与模组支架连接，主管还与若干出水软管的一端连接，若干出水软管的另一端与若干改性陶瓷膜连接。通过改性陶瓷膜的物理截留将污染物阻挡在膜表面，同时臭氧分子吸附在催化剂表面并转化为活性自由基降解膜表面的有机物。有助于缓解臭氧非均相催化体系的催化剂流失及易失活等问题，同时极大程度地抑制膜污染问题。

Description

一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置

技术领域

本申请涉及污水处理技术领域，特别是一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置。

背景技术

臭氧氧化工艺作为广泛应用的水处理技术之一，存在着氧化选择性高、臭氧利用率低等问题，传统的臭氧氧化工艺一般通过投加臭氧催化剂促进臭氧分解为羟基自由基(·OH)、超氧自由基(·O₂ ^-)、单线态氧(¹O₂)等活性物种无选择性地高效降解有机污染物，可显著提升COD去除效率和臭氧利用率。目前，在臭氧催化氧化技术中涉及的催化剂主要是金属氧化物(Fe₂O₃、 Al₂O₃、TiO₂、MnO₂等)、负载于载体上的金属或金属氧化物以及具有较大比表面积的多孔材料，而催化剂失活及流失是该技术的关键瓶颈。

现阶段，以膜分离技术与高级氧化技术相结合逐渐受到关注。然而，目前市场广泛应用的高分子膜材料在臭氧氧化过程中容易发生材料老化，导致膜性能降低，使用寿命缩短，运行成本升高。近年来，以陶瓷为基材的催化膜材料在水深度处理过程中极具应用前景。一方面，陶瓷膜材料具有优异的耐氧化特性，可以在高浓度高锰酸钾、臭氧条件下使用；另一方面，陶瓷膜材料容易负载过渡金属催化剂，能够催化臭氧产生活性氧化物种，提升高级氧化效率。

常见的陶瓷膜材料如氧化铝、二氧化钛、二氧化锰、二氧化锆和二氧化钛等，都是一些具有催化功能的金属氧化物，其界面能够与臭氧分子结合，催化臭氧分解生成羟基自由基，加快有机物的降解，提高对有机物的去除效果。此外，为了进一步提升臭氧催化效果，同时减缓臭氧催化氧化对陶瓷膜过滤功能的影响，通常可对陶瓷膜进行改性或负载处理。目前关于陶瓷膜改性，多通过临时制备纳米催化剂、催化剂负载在膜表面并进行简单烧制方式获得催化陶瓷膜，这种方式制备的陶瓷膜应用性不强，因为陶瓷膜使用过程中会面临物理反冲洗、化学清洗、臭氧氧化、微生物侵蚀等问题，所以其制备成本、量产可能性、催化剂机械与化学稳定性等都面临重大难题，导致目前应用较少，而通过在陶瓷膜制备过程中直接掺杂三氧化二铁、二氧化锰等高催化活性组分可使改性陶瓷膜的性质更加稳定，同时调整孔道结构。

我国对臭氧-陶瓷膜工艺的研究起步较晚。清华大学张锡辉课题组首先在国内使用臭氧-陶瓷膜组合工艺处理水中甲硫醚，此后该课题组开始针对该工艺在降低浊度、膜污染控制、饮用水处理、微污染水净化等方面的理论研究。

实用新型内容

鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置，包括：

一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置，包括依次连通的加药反应区、沉淀区、预氧化区以及膜催化臭氧反应区；

所述预氧化区和所述膜催化臭氧反应区的底部分别设有臭氧进气管和与所述臭氧进气管连接的曝气器；当所述预氧化区工作时，所述臭氧进气管通入臭氧与废水反应，所述废水通过所述预氧化区的出水口流入所述膜催化臭氧反应区；

所述膜催化臭氧反应区内设有主管以及设于所述主管两端的反冲洗管和出水管，所述主管与改性陶瓷膜组件连接；

所述改性陶瓷膜组件包括模组支架、若干出水软管及改性陶瓷膜，所述主管的两端与所述模组支架连接，所述主管还与若干所述出水软管的一端连接，若干所述出水软管的另一端与若干所述改性陶瓷膜连接。

优选地，所述改性陶瓷膜组件表面设有通孔，所述膜催化臭氧反应区的顶部还设有盖板，所述出水管和所述盖板之间还设有尾气排放口。

优选地，所述加药反应区的上部设有加药管，所述加药反应区的下部设有进水管和排空管，所述加药反应区内还设有搅拌机。

优选地，所述沉淀区内设有导流筒，所述导流筒与所述加药反应区的出水口连接。

优选地，所述沉淀区的底部设有排泥口。

优选地，所述膜催化臭氧反应区还包括膜吊装钩，所述膜吊装钩与所述模组支架连接。

优选地，所述膜催化臭氧反应区的一侧设有溢水口。

优选地，所述曝气器为金属微孔曝气器。

本申请具有以下优点：

在本申请的实施例中，通过依次连通的加药反应区、沉淀区、预氧化区以及膜催化臭氧反应区；所述预氧化区和所述膜催化臭氧反应区的底部分别设有臭氧进气管和与所述臭氧进气管连接的曝气器；当所述预氧化区工作时，所述臭氧进气管通入臭氧与废水反应，所述废水通过所述预氧化区的出水口流入所述膜催化臭氧反应区；所述膜催化臭氧反应区内设有主管以及设于所述主管两端的反冲洗管和出水管，所述主管与改性陶瓷膜组件连接；所述改性陶瓷膜组件包括模组支架、若干出水软管及改性陶瓷膜，所述主管的两端与所述模组支架连接，所述主管还与若干所述出水软管的一端连接，若干所述出水软管的另一端与若干所述改性陶瓷膜连接。通过膜催化臭氧反应区充分利用改性陶瓷膜的物理截留作用将污染物阻挡在膜表面，同时臭氧分子吸附在催化剂表面并转化为活性自由基降解膜表面的有机物。这种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置有助于缓解臭氧非均相催化体系的催化剂流失及易失活等问题，同时极大程度地抑制膜污染问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的一种改性陶瓷膜组件的结构示意图。

说明书附图中的附图标记如下：

100、加药反应区；200、沉淀区；300、预氧化区；400、膜催化臭氧反应区；1、加药管；2、进水管；3、排空管；4、搅拌机；5、排泥口；6、反冲洗管；7、盖板；8、尾气排放口；9、出水管；10、改性陶瓷膜组件；101、出水软管；102、改性陶瓷膜；103、膜组支架；11、曝气器；12、臭氧进气管；13、导流筒；14、膜吊装钩；15、主管；16、溢水口。

具体实施方式

为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参照图1，示出了本申请一实施例提供的一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置，包括依次连通的加药反应区100、沉淀区200、预氧化区300以及膜催化臭氧反应区400；

所述预氧化区300和所述膜催化臭氧反应区400的底部分别设有臭氧进气管12和与所述臭氧进气管12连接的曝气器11；当所述预氧化区300工作时，所述臭氧进气管12通入臭氧与废水反应，所述废水通过所述预氧化区 300的出水口流入所述膜催化臭氧反应区400；

所述膜催化臭氧反应区400内设有主管15以及设于所述主管15两端的反冲洗管6和出水管9，所述主管15与改性陶瓷膜组件10连接；

所述改性陶瓷膜组件10包括模组支架103、若干出水软管101及改性陶瓷膜102，所述主管15的两端与所述模组支架103连接，所述主管15还与若干所述出水软管101的一端连接，若干所述出水软管101的另一端与若干所述改性陶瓷膜102连接。

在本申请的实施例中，通过依次连通的加药反应区100、沉淀区200、预氧化区300以及膜催化臭氧反应区400；所述预氧化区300和所述膜催化臭氧反应区400的底部分别设有臭氧进气管12和与所述臭氧进气管12连接的曝气器11；当所述预氧化区300工作时，所述臭氧进气管12通入臭氧与废水反应，所述废水通过所述预氧化区300的出水口流入所述膜催化臭氧反应区400；所述膜催化臭氧反应区400内设有主管15以及设于所述主管15 两端的反冲洗管6和出水管9，所述主管15与改性陶瓷膜组件10连接；所述改性陶瓷膜组件10包括模组支架103、若干出水软管101及改性陶瓷膜 102，所述主管15的两端与所述模组支架103连接，所述主管15还与若干所述出水软管101的一端连接，若干所述出水软管101的另一端与若干所述改性陶瓷膜102连接。通过膜催化臭氧反应区400充分利用改性陶瓷膜的物理截留作用将污染物阻挡在膜表面，同时臭氧分子吸附在催化剂表面并转化为活性自由基降解膜表面的有机物。这种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置有助于缓解臭氧非均相催化体系的催化剂流失及易失活等问题，同时极大程度地抑制膜污染问题。

下面，将对本示例性实施例中一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置作进一步地说明。

在本实施例中，所述预氧化区300和所述膜催化臭氧反应区400的底部分别设有臭氧进气管12和与所述臭氧进气管12连接的曝气器11；当所述预氧化区300工作时，所述臭氧进气管12通入臭氧与废水反应，所述废水通过所述预氧化区300的出水口流入所述膜催化臭氧反应区400。

具体地，所述臭氧进气管12设置于所述膜催化臭氧反应区400底部，其作用在于往膜催化臭氧反应区400内输送臭氧气体；所述曝气器11设置于所述膜催化臭氧反应区400的底部，与所述臭氧进气管12相连接，作用在于产生微米级臭氧气泡，促进气液高效传质。通过在所述预氧化区300预先通入臭氧，优先氧化去除水中易氧化污染物，降低后端膜催化臭氧反应区 400的处理负荷，同时将剩余的难降解污染物留给后端膜催化臭氧反应区400，充分合理地利用膜催化氧化所产生的高活性氧化物种，并削减膜污染程度，延长膜使用寿命。

在本实施例中，所述膜催化臭氧反应区400内设有主管15以及设于所述主管15两端的反冲洗管6和出水管9，所述主管15与改性陶瓷膜组件10 连接；所述改性陶瓷膜组件10包括模组支架103、若干出水软管101及改性陶瓷膜102，所述主管15的两端与所述模组支架103连接，所述主管15还与若干所述出水软管101的一端连接，若干所述出水软管101的另一端与若干所述改性陶瓷膜102连接。

具体地，所述主管15与所述改性陶瓷膜组件10连接，所述改性陶瓷膜组件10的作用在于利用改性陶瓷膜102截留悬浮固体和部分有机物。由于改性陶瓷膜102的膜孔径非常小，为0.01～1μm，可将臭氧反应器内全部的悬浮物和部分有机物截留下来。

所述反冲洗管6作用在于对所述改性陶瓷膜102进行反冲洗，减少附着在改性陶瓷膜102表面的污染物影响，维持跨膜压差在合理范围内，以保证膜出水流量稳定。正常情况下所述反冲洗管6反冲洗管是常关的，通过阀门控制其开关，只有一定条件下才进行反冲洗。

在本实施例中，所述膜催化臭氧反应区400的顶部还设有盖板7，所述出水管9和所述盖板7之间还设有尾气排放口8。具体地，所述盖板7设置于所述膜催化臭氧反应区400的池面，其作用在于防止残余臭氧气体泄漏；所述出水管9为正常产水的出水管，通过水泵作用产水，作用在于排出经过改性陶瓷膜组件10和臭氧催化氧化处理后的出水，至于进水过大时出水管无法满足，过多水量会从溢水口16流出；所述尾气排放口8作用在于将残余臭氧气体排往尾气破坏装置处理。

在本实施例中，所述加药反应区100的上部设有加药管1，所述加药反应区100的下部设有进水管2和排空管3，所述加药反应区100内还设有搅拌机4。

具体地，所述进水管2设置于所述加药反应区100的底部，废水从所述加药反应区100底部的进水管2进入。所述加药管1，设置于所述加药反应区100的上部，通过药剂从上方进入所述加药反应区100有便于观察药剂流量和反应情况等。所述排空管3，设置于所述加药反应区100的底部，作用在于当所述加药反应区100的污泥过多，或工况不正常时可快速排空所述加药反应区100内的水。所述搅拌机4设置于所述加药反应区100内，其作用在于将进水和药剂充分搅拌混合。

在本实施例中，所述沉淀区200内设有导流筒13，所述导流筒13与所述加药反应区100的出水口连接。具体地，所述导流筒13设置于所述沉淀区200内部的中心，作用在于使加药后废水在沉淀区200的池中均匀分布，然后沿池的整个断面缓慢上升，悬浮物在重力作用下沉降入池底锥形污泥斗中，澄清水从池上端的出水口排出。

在本实施例中，所述沉淀区200的底部设有排泥口5。具体地，所述排泥口5作用在于排走泥斗中的沉淀物。

在本实施例中，所述膜催化臭氧反应区400还包括膜吊装钩14，所述膜吊装钩14与所述模组支架103连接。具体地，所述模组支架103顶部的两端与所述膜吊装钩14连接。

在本实施例中，所述膜催化臭氧反应区400的一侧设有溢水口16。具体地，所述溢水口16设置于所述膜催化臭氧化反应区400的一侧，其作用在于当所述膜催化臭氧反应区400进水过多或出水管9堵塞时起溢流作用。

在本实施例中，所述曝气器11为金属微孔曝气器。具体地，金属微孔曝气器优选为钛合金微孔曝气器。相较于大气泡，臭氧微气泡更容易附着在改性陶瓷膜表面，延长臭氧气泡的停留时间，同时有助于改善气液传质，提高污染物去除效果，提升臭氧利用效率，并优化运行成本。通过臭氧的原位氧化及气泡冲刷作用控制膜污染，臭氧可保证相对较低的溶解性有机物释放以及卤化副产物生成，同时臭氧氧化主要产生小分子量有机物，此类物质可以轻松通过一定孔径改性陶瓷膜102，对膜污染产生的影响极小。

在一具体实施例中，通过在改性陶瓷膜102制备过程中直接掺杂纳米铁锰氧化物颗粒的形式完成改性陶瓷膜102的制备。所述改性陶瓷膜102的具体制备方法如下：将一定粒径的α-Al₂O₃与一定粒径的纳米MnFe₂O₄，按照9:1(w:w)的比例进行混合，加入造孔剂、粘结剂后，粉体在高速混料机中混合均匀，在捏合机中加水和植物油进行捏合，然后陈腐、练泥、挤压成型，在烘箱干燥之后，置于1300℃的马弗炉中煅烧2h，最终得到铁锰改性陶瓷膜。在催化剂方面，通过在改性陶瓷膜制备过程中直接掺杂三氧化二铁、二氧化锰等高催化活性组分可使改性陶瓷膜的催化活性更为高效稳定，减缓甚至避免催化活性组分流失，对环境友好并且可回收再生，同时还可改善膜表面性质及孔道结构。通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。

通过改性陶瓷膜102催化臭氧分解生成活性氧化物降解有机污染物，同时极大地缓解膜污染，有助于延长改性陶瓷膜102的使用寿命。此外，改性陶瓷膜102中的微孔和纳米孔不仅可实现对污染物的高效截留，膜孔还可以充当微反应器，从而在有限的反应环境中具有较高的接触反应面积，降低了非均相催化固有的传质限制问题。

作为一种示例，所述造孔剂包括碳粉、淀粉、聚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、煤粉和尿素中的一种或几种；所述粘结剂包括丙基三甲氧基硅烷偶联剂、硬脂酸、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、环氧树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯中的一种或几种。

需要说明的是，Al₂O₃有α、γ等不同晶型结构，本实施例优选α晶型结构的氧化铝。

实施例1

废水通过进水管2提升至加药反应区100，由加药管1加入PAC(聚合氯化铝絮凝剂)和PAM(聚丙烯酰胺助凝剂)等药剂；同时，搅拌机4将废水与絮凝剂和助凝剂充分搅拌混合。随后，混合液通过导流筒13进入沉淀区200中，矾花在重力作用下自然沉淀，该过程可有效地去除废水中的 SS和色度，也能去除部分有机物。

然后，沉淀后的上清液流进入所述预氧化区300，在预氧化区300，臭氧优先降解高还原性或易氧化有机物，初步破坏有机物的不饱和键，同时使有机物的分子量下降。随后，进入膜催化臭氧反应区400，臭氧进气管12 将一定浓度的臭氧气体通过曝气器11以微气泡形式通入所述膜催化臭氧反应区400，臭氧微气泡与残余的有机物进行快速反应，大部分有机物被进一步破坏成小分子酸。然后，气液混合物上升至改性陶瓷膜组件10，改性陶瓷膜组件10表面的弱路易斯酸位点和布朗斯台德酸位点通过静电引力或氢键作用吸附臭氧微气泡，并在中强路易斯酸位点上通过电子转移将臭氧微气泡转化为羟基自由基降解截留在改性陶瓷膜102表面的难氧化有机污染物。此外，臭氧氧化及催化氧化破坏了腐殖酸类等大分子有机物质的不饱和键和芳香环，使其亲水性增强，从而阻止其被吸附到改性陶瓷膜102表面，有效减轻膜污染。同时，反冲洗系统定期通过反冲洗管6冲洗改性陶瓷膜组件10，以维持膜通量。

最后，气液混合物上升至所述膜催化臭氧反应区400的池面，大部分未溶解的气体(主要为氧气，含有极低浓度的臭氧)以气泡形式从液面逸散，并通过尾气排放口8进入臭氧尾气破坏装置处理后排入大气；处理完水从出水管9抽出，溶解的剩余臭氧在出水中逐步自行分解，最后池内的过多水从溢水口16满出。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种基于改性陶瓷膜催化臭氧氧化的水处理装置，其特征在于，包括依次连通的加药反应区、沉淀区、预氧化区以及膜催化臭氧反应区；

所述预氧化区和所述膜催化臭氧反应区的底部分别设有臭氧进气管和与所述臭氧进气管连接的曝气器；当所述预氧化区工作时，所述臭氧进气管通入臭氧与废水反应，所述废水通过所述预氧化区的出水口流入所述膜催化臭氧反应区；

所述膜催化臭氧反应区内设有主管以及设于所述主管两端的反冲洗管和出水管，所述主管与改性陶瓷膜组件连接；

所述改性陶瓷膜组件包括模组支架、若干出水软管及改性陶瓷膜，所述主管的两端与所述模组支架连接，所述主管还与若干所述出水软管的一端连接，若干所述出水软管的另一端与若干所述改性陶瓷膜连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜催化臭氧反应区的顶部还设有盖板，所述出水管和所述盖板之间还设有尾气排放口。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加药反应区的上部设有加药管，所述加药反应区的下部设有进水管和排空管，所述加药反应区内还设有搅拌机。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述沉淀区内设有导流筒，所述导流筒与所述加药反应区的出水口连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述沉淀区的底部设有排泥口。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜催化臭氧反应区还包括膜吊装钩，所述膜吊装钩与所述模组支架连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜催化臭氧反应区的一侧设有溢水口。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述曝气器为金属微孔曝气器。

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