去除水中天然有机物的连续浸没式光催化膜处理装置

摘要

本发明公开了一种去除水中天然有机物的连续浸没式光催化膜处理装置，属于微污染水体及饮用水处理技术。该装置包括纤维束过滤装器、集光催化与浸没式微孔过滤一体化的反应器、空压机及抽吸泵构成，所述的反应器包括在一个密闭的筒体内，布置至少三根紫外灯及微滤膜过滤器，在它们之间设置挡光板，在微孔膜滤器的下面设置一块曝气板，该曝气板与空压机相连，它们的连接管线上设置电磁控制阀，微孔滤膜器的出口管线分别与抽吸泵和空气压缩机相连，反应器内的光催化剂的颗粒状纳米TiO2。本发明装置用于水中天然有机物的处理，具有处理效率高，处理成本低的特点，不仅可减小出水的CODMn、TOC，还可使出水的病原菌、细菌等大大降低。

说明书

技术领域

本发明属于微污染水体及饮用水处理技术领域，特别涉及一种连续浸没式光催化膜水处理装置的设计。

背景技术

腐殖质是水体天然中有机物(NOM)的代表性物质，是地球上分布最广的天然复杂化合物。腐殖质一般分为三个部分：即腐殖酸、富里酸、吉马多美朗酸。由于天然有机物在水中普遍、广泛的存在，对水质及水处理过程有重要的影响，特别是在加氯消毒时，天然有机物是消毒副产物(DBPs)的主要前驱物，因此，控制氯化消毒副产物已成为世界各国给水处理界所关注的重要问题。传统的用絮凝、过滤等去除大分子量的天然有机物(去除率一般在10-50％以上)，也有人研究用阴离子交换、吸附、超滤、反渗透膜等方法来去除，但这些方法并没有从根本上将有机物去除，而是污染物相态的转移。

光催化降解是一项新兴的颇有发展前途的水处理技术，特别是纳米级催化剂的开发使得光催化反应系统具有更高的效率。国内外大量的光催化实验研究证实，纳米级TiO₂能与300余种有机化合物进行光催化反应，脱色、去毒，矿化为无毒无机小分子物质，从而消除对环境的污染，而不需要使用化学药剂，避免产生污泥和污泥处理的问题。目前影响光催化技术实际应用主要存在两个问题：一是催化剂与水体的分离，二是光催化反应效率的提高。研究已经证明悬浮型的光催化反应系统要比负载型光催化系统效率高。

以往申请的专利中多采用膜过滤分离技术和光催化氧化技术有效结合，从而实现了催化剂从水体中有效分离和在反应器中循环使用的问题，使水处理过程连续运行，但是也存在以下弊端：由于采用的光催化剂是粉末态，长时间运行时会出现紫外灯灯壁表面出现附着物，光的投射效率大大减小和催化剂在水中容易聚集而失去活性、难以循环回用的问题；另外粉末态催化剂容易在膜表面沉积导致膜孔道堵塞，膜污染严重，膜通量下降很快，造成膜清洗周期变短，限制了光催化膜反应系统连续运行。另外如果水体中含有铁时，会在光催化反应时粘附在石英套管外壁严重影响了光的透过性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种去除水中天然有机物的连续浸没式光催化膜处理装置，该装置去除水中天然有机物效率高，使用寿命长。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种去除水中天然有机物连续浸没式光催化膜处理装置，其特征在于，该装置包括水的去浊和除铁离子的纤维束过滤装器3、集光催化与浸没式微孔过滤一体化的反应器4、供微孔过滤器反冲和光催化剂悬浮流动的空压机5及微孔过滤器出口的抽吸泵10构成。所述的反应器包括在一个密闭的筒体4-1内，环形布置至少三根低压紫外灯光源4-3及孔径为0.1-0.22μm微滤膜过滤器4-5，在它们之间设置一块圆弧状挡光板4-4，在微孔膜滤器的下面设置一块曝气板4-6，该曝气板与空压机5相连，它们的连接管线上设置电磁控制阀6、7，微孔滤膜器的出口管线分别与抽吸泵10和空气压缩机5相连，反应器内的光催化剂为粒径55-120μm的颗粒状纳米TiO₂：

上述的纤维束过滤器为高效压力式纤维束过滤器。

上述的每根紫外灯的功率为9-11w。

上述的曝气板为微孔钛板，其孔径大小为＜30μm。

本发明具有以下优点：本发明由于在反应器中使用颗粒状纳米级TiO₂催化剂，并与浸没式连续微滤相结合，使得该反应器具有较高的光催化反应效率和催化剂分离回收重复使用的目的。颗粒状纳米级TiO₂能够在水体搅动时悬浮又可在重力作用下自由沉降。膜分离单元设置的微孔钛板产生的气泡可使反应器内循环，从而保证的光催化反应的效率，同时水流作用可延缓微滤膜的污染，减轻颗粒状光催化剂在膜表面的停留机率，颗粒状催化剂对紫外灯管外壁也起到了清除表面附着物的目的。浸没式连续微孔过滤在一定的时间内自动气反冲，从而维持了膜的高通量运行，防止了膜的堵塞，延长了膜的使用寿命。高效纤维束过滤器作为反应器的预处理，可明显降低水体的悬浮物，胶体物质，从而降低了水体的浊度，也可以大大减少水中的总铁含量，从而保障光催化反应时Fe不会附着在石英套管外壁，保证了光的透过率，增强了光催化反应效率。本发明装置用于水中天然有机物的处理，充分利用纳米颗粒状光催化剂对难降解有机物的分解能力和膜对污染物以及催化剂的截留过滤性能。对比其它单独高级氧化工艺和膜分离工艺，该技术具有处理效率高，处理成本低的特点，是一种完全新型的组合工艺。该装置不仅可减小出水的COD_Mn、TOC，还可使出水的病原菌、细菌等大大降低。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施。

本发明所提供的淹没式光催化膜处理装置主要包括：进水箱1、水泵2、纤维束预处理系统3、进水管组成的进水系统，光催化与浸没式微孔过滤一体化反应器4和由抽吸泵10、出水箱12、出水管路组成的出水系统，还包括空气压缩泵5构成的气反冲系统及空气供给系统。本发明还包括在反应器中设置了液位控制器，用以控制进水泵的开停。另外在空气供给装置及管路上设置由时间控制器控制的电磁阀，使CMFs在规定的时间内气反冲。

纤维束预处理系统3用于大幅度减少进水的浊度，并且对于水中的总铁也可以去除60％以上，从而保证了后续的光催化反应的效率，并维持膜反应系统高效稳定运行。  光催化与浸没式微孔过滤一体化的反应器4内部设有内循环挡光板4-4，低压紫外光源4-3、石英套管4-2，浸没式微滤膜组件4-5，圆弧状挡光板4-4将反应器分成光催化单元和膜分离单元，上下有流动槽，在膜分离单元设计一个微孔钛板曝气板4-6，既可实现反应器水和催化剂内循环，又可在水流作用下冲刷膜表面减缓膜表面污染，同时还可有效防止颗粒状光催化剂的下沉。该微孔钛板由时间控制器8控制的电磁阀6和气体流量计9相连接，从而与空气压缩机5相连。时间控制器8通过控制电子阀6和7的通断来实现在反应器中曝气和进行微滤膜的气反冲。

在反应器4中采用一种颗粒状纳米级TiO₂光催化剂，这种颗粒状光催化剂不仅在水溶液中能够较均匀的混合而且比其它同类产品具有较高的活性，在光照条件下，不会产生一些中间产物而附着在石英套管表面；颗粒状TiO₂催化剂还可以在水流的作用下接触石英套管外壁起到了清除表面附着物的目的，保持光的良好的透过性能，另外颗粒状催化剂能够被微滤膜有效分离和回收。

本发明的特征还在于反应器中引入浸没式连续微孔过滤(CMFs)器，并给该设备使用强力空气反冲自动清洗系统，利用空气对中空纤维微滤膜进行由内向外的强力反冲，使部分颗粒状光催化剂与膜表面分离，有效提高了水处理能力，实现了稳定运行，延长了膜的使用寿命。

低压紫外灯光源4-3的形状为棒状，放置在石英套管4-2中间，光源的开启由控制器4-7控制，由于选择的低压光源紫外灯，所以产生的热量很小，从而有效防止残留Fe粘附在石英套管表面，保护了紫外灯的透过率，因此能够长时间稳定的处理废水。

浸没式连续微滤组件4-5通过出水管路与抽吸泵10，通过时间计电器11来控制抽吸泵10的开停，通过抽吸作用，将混合液经微滤膜过滤，颗粒状TiO₂被膜有效截留在反应器中，出水则由抽吸泵10抽吸至出水箱12中。

进水时由液位计4-8控制进水水泵2，当反应器内的液面低于某一水平时，进水泵开启，进水由进水箱1经过纤维束预处理器3进入反应器4，当反应器内液面高于一定水平时，进水泵停止，使反应器内的处理水量相对保持稳定。

反应器连续运行时，空气压缩机5和抽吸泵10开启，时间控制器8控制电磁阀6开通和关闭电磁阀7，当定时间反冲时，抽吸泵10关闭，时间控制器8控制电磁阀6关闭和开通电磁阀7进行气反冲。

实施例：

实施例1利用生化试剂富里酸配制待处理水，富里酸的含量为20mg/L，TOC为6.7mg/L，在下述条件下进行处理：

处理时间：30min；

光催化剂投加量：1.5g/L；

处理后的TOC为1.6mg/L。

实施例2利用商品腐植酸配制待处理水，腐植酸的含量为20mg/L，TOC为7.5mg/L，在下述条件下进行处理：

处理时间：40min；

光催化剂投加量：1.5g/L；

处理后的TOC为2.1mg/L。

实施例3取某微污染地表水，其水质指标为：浊度10-15，TOC为6.2mg/L，在下述条件下进行处理：

处理时间：60min；

催化剂投加量：1.5g/L；

处理后水质如表1所示：

                 表1 实施例3处理后水质

   检测指标   处理前   处理后   去除率(％)   浊度(NTU)  10-15  0  100   TOC  6.2  1.4  77.4