一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置和方法

摘要

本发明属于废水处理技术领域，涉及一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置和方法。该装置包括臭氧发生器、微纳米气泡发生器、催化氧化反应器、清水池、尾气处理系统及反冲洗系统；所述臭氧发生器与所述微纳米气泡发生器连接；所述微纳米气泡发生器与所述催化氧化反应器底部的进水口连接；所述催化氧化反应器包括反应器主体和内置的陶瓷膜组件；所述反冲洗系统分别与所述催化氧化反应器、清水池连接；所述尾气处理系统与所述催化氧化反应器排气口连接。本发明的废水处理装置具有运行稳定、结构合理、设计新颖等优点，通过微纳米气泡和粉末催化剂的使用，提高臭氧的利用率，增强羟基自由基的产量，减少陶瓷膜的膜污染，增大膜通量，进一步提高出水水质，使废水达标排放。

说明书

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体地，涉及一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置，以及一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理方法。

背景技术

工业的迅速发展极大的方便了人们的生活，但是随之产生大量的工业废水到环境中，其具有成分复杂、难降解、色度深、COD高等特点，传统生化处理出水后仍然含有一定的有毒有害有机污染物，如不妥善处理会造成环境污染，为了保证工业废水达标排放或回用，需要对其进行深度处理，以进一步改善水质。

难降解有机物废水处理技术包括高级氧化技术、吸附技术和膜分离技术等，其中臭氧由于氧化效率高、无二次污染等特点被广泛应用于高级氧化处理技术中，然而单独臭氧技术存在气液传质速率慢、在水中溶解度较低、对有机物的氧化存在选择性等问题，因此，为了提高臭氧利用率而提出臭氧催化氧化技术和微纳米曝气技术。

臭氧催化氧化技术通过催化剂的作用，促进臭氧分解产生羟基自由基。羟基自由基较臭氧有更强的氧化性、对有机物降解无选择性，反应速率更高，可以对臭氧难氧化的物质进行完全矿化。催化剂的种类和特性直接影响臭氧分解产生羟基自由基的效率。现有研究结果表明，催化剂材料的比表面积、孔隙率、表面官能团等均会影响其催化效果，而粉末状催化剂较颗粒催化剂，有更大的比表面积，从而能够提高传质效率，因此选用粉末状催化剂来提高臭氧催化氧化效率。

微纳米曝气技术是近二十年来兴起的新型曝气技术，由于微纳米气泡具有直径小、比表面积大、在水中上升速度慢及停留时间长等特性，有助于提高臭氧气液传质速率，同时可以增强羟基自由基的产生效率，提高有机物去除率。

陶瓷膜具有机械强度高、通量大、热稳定性和化学稳定性高、耐酸碱腐蚀及极端污染条件下稳定运行等突出特点，被广泛应用于难处理的有机废水中。然而其存在膜污染及功能单一等缺点限制其应用。

目前，尚未发现将以上技术耦合联用于工业废水处理的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置和废水处理方法。该废水处理装置具有运行稳定、结构合理、设计新颖等优点，同时，针对臭氧氧化利用率差、陶瓷膜污染等问题，本发明通过微纳米气泡和粉末催化剂的使用，提高臭氧的利用率，增强羟基自由基的产量，减少陶瓷膜的膜污染，增大膜通量，进一步提高出水水质，使废水达标排放。

本发明的第一方面提供一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置，包括臭氧发生器、微纳米气泡发生器、催化氧化反应器、清水池、尾气处理系统及反冲洗系统；

所述臭氧发生器与所述微纳米气泡发生器连接；

所述微纳米气泡发生器与所述催化氧化反应器底部的进水口连接；

所述催化氧化反应器包括反应器主体和内置的陶瓷膜组件，所述反应器主体设有进水口、催化剂添加口、催化剂排出口、排气口和出水口；

所述陶瓷膜组件的出水口(经由反应器主体的出水口)与清水池相连；

所述反冲洗系统分别与所述催化氧化反应器、清水池连接，以利用清水池的水反冲洗所述陶瓷膜组件；

所述尾气处理系统与所述催化氧化反应器排气口连接，以吸收未利用臭氧，防止臭氧逸出。

根据本发明，催化剂添加口和排出口主要用于实现催化剂的添加和排出，排气口主要用于将未利用的臭氧排入尾气吸收装置，防止臭氧逸出。

进一步地，所述催化氧化反应器内设置有曝气装置，所述曝气装置与所述进水口连接。

进一步地，所述陶瓷膜组件设置于所述反应器主体上部，所述曝气装置设置于所述反应器主体下部，从而使反应器主体下部形成臭氧微纳米气泡催化氧化区，上部形成陶瓷膜分离区。

进一步地，所述陶瓷膜为平板陶瓷膜，平板陶瓷膜架通过承托层固定于所述反应器主体上部。

进一步地，所述臭氧发生器为氧气源臭氧发生器。

进一步地，废水进水管线与所述微纳米气泡发生器连接。

进一步地，所述微纳米气泡发生器的曝气头为微纳米钛曝气头。

进一步地，所述尾气处理系统为臭氧尾气破坏器。

进一步地，所述反冲洗系统用于定期对陶瓷膜表面的污堵进行反冲洗。更进一步地，所述反冲洗系统包括与清水池连接的反冲洗流量计、反冲洗泵、反冲洗进水阀。

本发明的第二方面提供一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理方法，该废水处理方法采用上述废水处理装置进行，包括以下步骤：

废水与臭氧发生器产生的臭氧混合气体进入微纳米气泡发生器，微纳米气泡发生器产生的含有臭氧和氧气的微纳米气泡与废水一同进入催化氧化反应器进行氧化反应；

在催化氧化反应器中，通过催化剂加速臭氧氧化反应，对废水进行氧化处理，氧化处理后的废水经所述陶瓷膜组件过滤，将催化剂及废水中大分子有机物截留在反应器内，出水进入清水池。

根据本发明的方法，可利用清水池内的水定期通过反冲洗系统对陶瓷膜进行清洗，保障装置稳定运行。

根据本发明，优选地，所述催化氧化反应装置中的催化剂为粉末状臭氧催化剂，平均粒径可以为1μm-5μm。粉末状催化剂较颗粒催化剂，有更大的比表面积，从而能够提高传质效率，并进一步提高臭氧催化氧化效率。

根据本发明的方法，所述臭氧气体投加量依据废水水质情况、水量等确定，优选地，进入微纳米气泡发生器的臭氧混合气体的进气流量与废水的进水流量的比例为1：8-1：10。

根据本发明，所述陶瓷膜优选为平板陶瓷膜，所述平板陶瓷膜材质可以主要为三氧化二铝，孔径为80-120nm，例如为100nm。

根据本发明，微纳米气泡形式的臭氧相较于传统曝气盘的臭氧增加气液传质效率，对有机物的氧化效率更高；同时粉末催化剂也较颗粒催化剂比表面积更大，催化效果更好，有利于羟基自由基的产生；最后平板陶瓷膜既可截留粉末态催化剂及大分子有机物，保证出水质量，又可利用主体反应器内的臭氧氧化作用实现膜清洁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置将微纳米气泡技术与臭氧氧化技术、粉末催化剂催化技术、陶瓷膜分离技术进行耦合，与现有常规水处理装置相比，微纳米气泡技术能够提高臭氧在废水中的溶解度、气液传质效率、臭氧的利用率；粉末催化剂有利于增强羟基自由基的产生效率，加快污水中有机物的降解，提高污水处理效率，降低能耗；陶瓷膜能够实现粉末催化剂与出水分离，且可利用臭氧的氧化能力进行膜清洁，缓解陶瓷膜的膜污染问题，增大膜通量，降低能耗，进一步提高出水水质，使污水能够达标排放。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置的示意图。

附图标记说明：1-氧气瓶、2-臭氧发生器、3-微纳米气泡发生器、4-催化氧化反应器、5-清水池、6-尾气处理系统、7-废水进水管路、8-进气管路、9-出水管路、10-反冲洗管路、11-排气口、12-催化剂添加口、13-催化剂排出口、14-曝气装置、15-陶瓷膜组件。

具体实施方式

下面结合附图和实用例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例用于说明本发明的一种臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜的废水处理装置和方法。

如图1所示，该废水处理装置包括氧气瓶1、臭氧发生器2、微纳米气泡发生器3、催化氧化反应器4、清水池5、尾气处理系统6及反冲洗系统；

所述臭氧发生器2和废水进水管路7分别与所述微纳米气泡发生器3连接；

所述微纳米气泡发生器3与所述催化氧化反应器4底部的进水口连接；所述微纳米气泡发生器3的曝气头为微纳米钛曝气头；

所述催化氧化反应器4包括反应器主体和内置的陶瓷膜组件15和曝气装置14；所述反应器主体设有进水口、催化剂添加口12、催化剂排出口13、排气口11和出水口；所述陶瓷膜组件15为平板陶瓷膜(材质为三氧化二铝，孔径为100nm)，平板陶瓷膜架通过承托层固定于所述反应器主体上部，所述曝气装置14设置于所述反应器主体下部，与所述进水口连接，从而使反应器主体下部形成臭氧微纳米气泡催化氧化区，上部形成陶瓷膜分离区；所述陶瓷膜组件15的出水口通过出水管路9与清水池5相连；粉末状臭氧催化剂通过催化剂添加口12添加，通过催化剂排出口13排出；

所述反冲洗系统分别与所述催化氧化反应器4、清水池5连接，包括与清水池连接的反冲洗管路10，其上设置有反冲洗流量计、反冲洗泵、反冲洗进水阀，以利用清水池5的水反冲洗所述陶瓷膜组件15；

所述尾气处理系统6与所述催化氧化反应器4排气口连接，所述尾气处理系统6为臭氧尾气破坏器，以吸收未利用臭氧，防止臭氧逸出。

采用该废水处理装置的废水处理方法包括：

(1)经废水进水管路7进入的废水与臭氧发生器2产生的臭氧混合气体进入微纳米气泡发生器3，臭氧进气量与废水进水流量的比为1:10；

(2)微纳米气泡发生器3产生的含有臭氧和氧气的微纳米气泡和废水一同进入催化氧化反应器4进行氧化反应；

(3)在催化氧化反应器4中，通过催化剂添加口12将催化剂加入催化氧化反应器4主体内，实现臭氧微纳米气泡催化氧化；

(4)氧化处理后的废水先经陶瓷膜组件15过滤，然后经出水管路9排至清水池5；通过陶瓷膜作用，将催化剂及废水中大分子有机物截留在反应器内；

(5)清水池5内的水定期通过反冲洗系统对陶瓷膜组件15进行清洗，保障装置稳定运行。

应用示例：

以某污水处理厂的污泥厌氧消化液经芬顿技术处理后的出水为原水，利用上述实施例1的臭氧微纳米气泡催化氧化技术耦合陶瓷膜装置和方法进行处理。

原水COD为1000mg/L，氨氮浓度为85mg/L，BOD

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。