用于处理有机废水的外循环光催化旋液膜分离耦合反应器

摘要

用于处理有机废水的外循环光催化旋液膜分离耦合反应器，包括一个流动床光催化反应器，流动床光催化反应器上部设置的出料口通过进料管与旋液分离器的进料口连接，旋液分离器的内部设有中空纤维膜组件，用以对经旋液分离器分离后的液体进行二次固液分离，经中空纤维膜组件分离后的液体通过旋液分离器顶部的溢流管输出，所述溢流管与输出-反冲洗系统连接，旋液分离器的底流管通过回流管与流动床光催化反应器下部设置的回流口连接，用以将经旋液分离器和中空纤维膜组件分离的固体光催化剂送至流动床光催化反应器内。本发明将流动床光催化反应器和旋液分离器相结合，并通过旋液分离器以及中空纤维膜组件，实现了固体光催化剂与废水的分离。

说明书

技术领域

本发明涉及含有有机污染物的废水处理装置技术领域，特别涉及一种用于处理有机废水的外循环光催化旋液膜分离耦合反应器。

背景技术

新世纪以来，随着现代经济的飞速发展，越来越多的环境问题出现在人们生活中，大量有毒且难降解的污染物被排放到环境中，使社会遭受了巨大的损失。尤其是水质中的有机污染物从20世纪50年代以来含量逐渐升高，成分也越来越复杂。因此水体中有机污染物的处理成了环境问题的重点。

难降解有机废水的治理作为环保领域的重要课题已受到全球范围的重视，为治理这些废水，人们经过长期努力，已经研究出许多处理方法，如：液—液萃取（LLE）、固相萃取（SPE）、液相微萃取（LPME）、膜萃取、顶空处理技术、相转移法、生物处理、热处理法、催化氧化法、高锰酸钾氧化法、臭氧氧化法、紫外线处理法、过氧化氢氧化法等。虽然这些方法各有优缺点，但在处理污染物时均有很大的局限性。如传统的污染物处理方法不能彻底消除降解污染物，也容易造成二次污染，使用范围窄，仅适用于特定类型的污染物，而且还有能量消耗高、不适合大规模推广等缺陷。相对而言，光催化氧化技术具有高效节能，反应条件温和，二次污染少，降解效率高等优点，能有效将有机污染物转化为小分子无机物质，达到完全无机化的目标。此外，光催化氧化技术还能够有效去除像氯仿、多环芳烃、多氯联苯等难降解有机污染物。这正是人们迫切需要的一种污染治理方法，有望成为将来处理有机污染的重要手段之一，所以也吸引了众多科研工作者的目光。

自J.H.Carey等报道了纳米TiO₂光催化氧化法成功用于水中多氯联苯(PCB)化合物脱氯去毒后，半导体多相光催化在水处理领域引起了广泛的重视。为了使光催化氧化反应能够稳定和高效的进行，需要相应的光催化反应器。一个设计良好的反应器，将能大大提高反应体系的反应效率，从而达到高效、节能、稳定等目的，这也是目前光催化研究领域的一个重要方向之一。流动床光催化反应器是将催化剂与待降解物质直接混合的一种反应器，这种反应器的效率较高，制作难度低，适用于大多数的反应类型，可以同时满足液相和气相两种类型的光催化反应，因而得到了广泛的应用。但是传统流动床光催化反应器在对有机废水等处理后，固体光催化剂颗粒难以从处理后的废水中分离出来，这在一定程度上阻碍了此种反应器的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于克服传统流动床光催化反应器存在的固体催化剂颗粒与废水的分离问题，提供了一种用于处理有机废水的外循环光催化旋液膜分离耦合反应器，其将流动床光催化反应器和旋液分离器相结合，形成外循环光催化耦合反应系统，通过旋液分离器以及旋液分离器内设置的中空纤维膜组件，实现了固体光催化剂与废水的分离。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：用于处理有机废水的外循环光催化旋液膜分离耦合反应器，包括一个流动床光催化反应器，流动床光催化反应器上部设置的出料口通过进料管与旋液分离器的进料口连接，旋液分离器的内部设有中空纤维膜组件，用以对经旋液分离器分离后的液体进行二次固液分离，经中空纤维膜组件分离后的液体通过旋液分离器顶部的溢流管输出，所述溢流管与输出-反冲洗系统连接，旋液分离器的底流管通过回流管与流动床光催化反应器下部设置的回流口连接，用以将经旋液分离器和中空纤维膜组件分离的固体光催化剂送至流动床光催化反应器内。

所述中空纤维膜组件包括一个筒状的壳体，壳体内设置有多根中空纤维膜管，壳体的下端设有与中空纤维膜组件的壳程连通的进料口，该进料口位于旋液分离器底部的轴线处，用于接收经旋液分离器分离后从旋液分离器底部上升的液体，壳体的上端设有与中空纤维膜组件的管程连通的出料口，该出料口与溢流管连接。

所述输出-反冲洗系统包括与所述溢流管连接的输水管，输水管分别与输出管路和反冲洗管路连接，输出管路用于将经中空纤维膜组件分离后并位于中空纤维膜管内的液体抽出，反冲洗管路用于将粘附在中空纤维膜管外壁上的固体光催化剂冲洗掉，并随冲洗水回到流动床光催化反应器内。

有益效果：本发明通过在流动床光催化反应器出料口处设置旋液分离器，以对流动床光催化反应器处理后的液体进行固体光催化剂的分离，通过在旋液分离器内设置中空纤维膜组件，以对经旋液分离器初步分离后的液体进行进一步的固液分离，通过将流动床光催化反应器与旋液分离器和中空纤维膜组件连用，非常好地解决了传统流动床反应器光催化剂的分离问题，具有很好的工业实用性。且通过输出-反冲洗系统的反冲洗作用，粘附在中空纤维膜表面的固体催化剂能够重新回到流动床光催化反应器内继续发挥作用，整个耦合反应器系统操作十分简单、方便，适用于工业大规模应用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图中标记为：1、流动床光催化反应器，2、旋液分离器，3、中空纤维膜组件，4、溢流管，5、紫外灯，6、保护罩，7、反应器进料口，8、曝气器，9、法兰，10、进气口，11、底流管，12、回流管，13、进料管，14、加药口，15、出气口，16、针型阀，17、流量计Ⅰ，18、流量计Ⅱ，19、隔膜泵，20、压力表，21、真空表，22、水池。

具体实施方式

如图1所示，用于处理有机废水的外循环光催化旋液膜分离耦合反应器，包括一个流动床光催化反应器1，流动床光催化反应器1上部设置的出料口通过进料管13与旋液分离器2的进料口连接，用以将流动床光催化反应器1处理后的含有固体光催化剂的液体送至旋液分离器2进行固液分离，旋液分离器2的内部设有中空纤维膜组件3，用以对经旋液分离器2分离后的液体进行二次固液分离，经中空纤维膜组件3分离后的液体通过旋液分离器2顶部的溢流管4输出，所述溢流管4与输出-反冲洗系统连接，旋液分离器2的底流管11通过回流管12与流动床光催化反应器1下部设置的回流口连接，用以将经旋液分离器2和中空纤维膜组件3分离的固体光催化剂送至流动床光催化反应器1内。

所述中空纤维膜组件3包括一个筒状的壳体，壳体内设置有多根中空纤维膜管，壳体的下端设有与中空纤维膜组件的壳程连通的进料口，该进料口位于旋液分离器2底部的轴线处，用于接收经旋液分离器2分离后从旋液分离器2底部上升的液体，壳体的上端设有与中空纤维膜组件的管程连通的出料口，该出料口与溢流管4连接。其中，所述中空纤维膜管的内部称为管程，中空纤维膜管的外部称为壳程。具体地，中空纤维膜管的下端封闭，其上端均与壳体上的出料口连通。

所述输出-反冲洗系统包括与所述溢流管4连接的输水管，输水管分别与输出管路和反冲洗管路连接，输出管路用于将经中空纤维膜组件3分离后并位于中空纤维膜管内的液体抽出，反冲洗管路用于将粘附在中空纤维膜管外壁上的固体光催化剂冲洗掉，并随冲洗水回到流动床光催化反应器1内。输出管路上设有真空表21和流量计Ⅰ17，反冲洗管路上设有压力表20和流量计Ⅱ18。通过开启或关闭输出管路和反冲洗管路上的针型阀来在输出-反冲洗系统内切换输出模式和反冲洗模式。

所述流动床光催化反应器1内安装有光源系统，光源系统包括设置在反应器1内的紫外灯5，用于提供光催化反应的光源，在紫外灯5的外部设有保护罩6。流动床光催化反应器1下部设有反应器进料口7，以向流动床光催化反应器1内送入待处理的含有有机污染物的废水。反应器1的底部设有进气口10，从进气口10输送来的气体经反应器底部设置的曝气器8均匀分散后进入反应器内。

本发明耦合反应器的工作过程为：将含有有机污染物的废水从反应器进料口7送至流动床光催化反应器1内，然后从流动床光催化反应器1顶部设置的加药口14加入一定量的光催化剂，打开进气口阀门，空气经进气口10和曝气器8进入流动床光催化反应器1内。等曝气稳定后，打开紫外5，光催化反应开始进行。光催化反应结束后，同时打开旋液分离器2和输出-反冲洗系统的输出管路阀门，反应器1内处理过的废水经进料管13送至旋液分离器2内，部分固体光催化剂在离心力和自身重力作用下进入到旋液分离器2下部的灰斗，落入底流管11内。废水在到达旋液分离器2底部的底流管11上端后转而上升，上升的废水（即在旋液分离器2内完成了初步的固液分离）从中空纤维膜组件3的进料口进入到中空纤维膜组件3的壳程内，废水从中空纤维膜管壁上的微孔透过并进入到中空纤维膜管的内部，即管程内，废水中的固体光催化剂被截留在中空纤维膜管的外壁上，留在了壳程内，管程内的水在隔膜泵19的作用下经输出管路抽出。出水一段时间后，中空纤维膜管的外壁上粘附了大量的固体光催化剂，此时，将输出-反冲洗系统切换成反冲洗模式，在隔膜泵19作用下通过反冲洗管路，将水池22内的清水送至中空纤维膜组件3内，将粘附在中空纤维膜管的外壁上的光催化剂冲刷掉，并随冲洗水经底流管11一起回流至流动床光催化反应器1内。在输出和反冲洗过程中，观察流量计Ⅰ17和流量计Ⅱ18的读数，通过调节管路上的阀门，使输出与进入的液体量趋于平衡，以维持在整个出水和反冲洗周期内流动床光催化反应器1内水量基本不变。

其中，底流管11内气体含量少，固体含量多，形成一个高密度区，而反应器主体（即流动床光催化反应器1）与之连接处密度较低，两者之间形成了密度差，再加上固体光催化剂的自身重力以及流体的冲刷作用，被分离的光催化剂能很好地回到反应器主体内，继续发挥催化效用。进一步地，回流管12采用倾斜设置方式，其与流动床光催化反应器1上部之间在竖直方向的夹角为35°~45°，以更好地使光催化剂回到反应器主体内。其中，进料管13斜向下设置，其轴线与旋液分离器2的进料口的水平轴线之间具有4°~6°的夹角，以保证液体能够平缓进入旋液分离器2内。