申请日2016.07.22
公开(公告)日2016.10.12
IPC分类号C02F1/72; C02F1/32
摘要
本发明公开了一种连续流光催化水处理设备，属于环境工程中的水污染控制领域。包括紫外灯电源接口、紫外灯管、石英套管、圆柱式紫外反应器外壳、数据传输线、反应器进水管、固定弹簧套圈和螺旋式光催化载体;本发明将光催化技术耦合到紫外消毒技术之中，既可以彻底杀死水中的致病微生物，解决“光复活”现象带来的安全隐患;又可以降解水中的痕量有机污染物，深度改善饮用水水质。同时，在面对同等水质条件时，该设备出水可以实现低紫外线剂量下达标，节省电能以及降低对紫外灯管的消耗速度。该发明具备较高的实际应用潜力，并对探索光催化技术在水处理技术中的实际应用途径具备指导意义。
权利要求书
1.一种连续流光催化水处理设备，其特征在于，该连续流光催化水处理设备的主体为圆柱式紫外反应器外壳，其上设有反应器出水口和紫外传感器，紫外传感器通过数据传输线将紫外强度导出至控制中心;圆柱式紫外反应器腔体一端通过硅胶垫圈密封固定在石英套管的端口，且与紫外灯电源接口相连，另一端设有反应器进水管，其套有用以固定石英套管的弹簧套圈，通过密封法兰、卡扣或螺纹旋盖封闭;石英套管套在紫外灯管外，用于保护紫外灯管;双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体套在石英套管外，双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体的内外边缘粘贴有密封胶垫。
2.根据权利要求1所述的连续流光催化水处理设备，其特征在于，所述的双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体上负载的催化剂为TiO2、TiO2-石墨烯、TiO2-活性炭或iO2-碳纳米管。
3.根据权利要求1或2所述的连续流光催化水处理设备，其特征在于，所述的双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体的螺旋单元数为20-80个/米，螺旋单元与紫外灯石英套管的夹角为20°-80°。
4.根据权利要求1或2所述的连续流光催化水处理设备，其特征在于，所述的圆柱式紫外反应器外壳的外径为25-2000mm，根据处理水水质不同，其材质选自不锈钢、陶瓷或PVC。
5.根据权利要求3所述的连续流光催化水处理设备，其特征在于，所述的圆柱式紫外反应器外壳的外径为25-2000mm，根据处理水水质不同，其材质选自不锈钢、陶瓷或PVC。
6.根据权利要求1或2或5所述的连续流光催化水处理设备，其特征在于，所述的双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体所用的构件选自金属钛、不锈钢、陶瓷和PVC。
7.根据权利要求3所述的连续流光催化水处理设备，其特征在于，所述的双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体所用的构件选自金属钛、不锈钢、陶瓷和PVC。
8.根据权利要求4所述的连续流光催化水处理设备，其特征在于，所述的双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体所用的构件选自金属钛、不锈钢、陶瓷和PVC。
说明书
一种连续流光催化水处理设备
技术领域
本发明属于环境工程中的水污染控制领域，涉及到一种光催化技术耦合紫外消毒工艺的流动式光催化水处理设备。
背景技术
我们赖以生存的水体，无论是地表水还是地下水，都已经遭受到了较为严重的污染。根据污染物的种类不同，水污染可分为物理污染、生物污染、化学污染，其中后两者较为严重。生物污染是水体中细菌、病毒等致病微生物造成的，化学污染是由水中痕量的抗生素、农药、内分泌干扰物等有机污染物造成的。由于水体中污染物种类繁多，浓度各异，因此如何高效的实现水体消毒或净化已成为我们亟待解决的难题。
无论是给水系统还是污水处理系统，消毒工艺都是不可或缺的环节。凭借其高效、快速、无消毒副产物、操作简便等优势，紫外线消毒技术已被广泛应用于世界各地的给水厂以及污水处理厂，渐渐取代了传统的投药消毒。紫外消毒的原理是：C-波段的紫外线透过微生物的细胞壁或细胞膜，辐照其DNA或RNA,使之生成嘧啶二聚体进而失去自我复制的能力。然而这并没有彻底杀死微生物，被紫外线灭活的微生物在自然光的照射下，其嘧啶二聚体会发生解聚，进而重新获得繁殖能力。这种现象被称为“光复活”现象，这给经紫外线消毒后的出水带来了一定的安全隐患。除此之外，紫外线消毒还有以下缺点：能耗大、无持久杀菌能力、浊度和水中悬浮物(SS)对杀菌效果影响较大、存在某些耐紫外线的病毒等。
光催化技术被认为是当今最具发展前景的新技术之一，有以下几个主要优势：一是应用最广泛的光催化剂TiO2稳定、便宜、无毒;二是被紫外线激发后的TiO2具备极高的氧化还原能力，可以降解周围大部分的病菌和有机污染物;三是环境友好，无二次污染。光催化技术用于水体消毒过程的原理是：利用光子诱导产生的强氧化性空穴或其与水分子和溶解氧反应，生成的羟基自由基氧化破坏菌类等微生物的细胞壁或细胞膜结构，使细胞质流出，流出的细胞质以及遗传物质亦会被氧化分解为H2O和CO2，最终导致微生物的彻底死亡。由原理可知，光催化消毒技术对于水体中的微生物具有广谱消毒作用。运用光催化技术对水体进行消毒可以消除光复活带来的安全隐患，而且光催化过程产生的羟基自由基还能氧化分解水中的痕量有机污染物，进一步改善水质。
在光催化水处理领域，光催化剂的存在形态主要分为两种：悬浮型和负载型。在实际应用中，悬浮型催化剂反应器一般需要配置搅拌装置和曝气装置，使催化剂能较均匀的悬浮于水中。该种情况催化剂与水中致病微生物和有机污染物接触充分，光催化活性较高，一般具有较好的水处理效果。但是其能耗高，催化剂流失严重、不宜回收，而且不便于连续运行。负载型催化剂解决了悬浮型催化剂回收难的问题，而且便于连续运行，但是催化剂与污染物接触不充分，光催化活性低于悬浮型催化剂。而且，光催化剂的与载体之间负载的机械强度难以保证，催化剂有从载体上脱落甚至污染水质的风险。
目前，人们虽然研究了光催化技术对不同种类微生物、有机污染物的去除效果，但是大多研究还停留于静态的、小处理量的实验阶段，没有针对实际的流动态水体进行实验。这种间歇式的反应方式无法达到实际应用的需求，无法连续对水体进行消毒和净化。此外，粉末状催化剂的回收困难以及负载型光催化材料与载体间机械强度不够导致的催化剂脱落等问题也限制了光催化水处理技术的实际应用。
发明内容
本发明主要解决现有紫外消毒设备能耗大、杀菌能力有限、出水有“光复活”安全隐患、无法去除水中痕量有机污染物，静态式光催化反应器无法连续处理大量污水，普通负载方法催化剂与载体间机械强度不够等技术问题。
本发明的技术方案：
一种连续流光催化水处理设备，连续流光催化水处理设备的主体为圆柱式紫外反应器外壳，其上设有反应器出水口和紫外传感器，紫外传感器通过数据传输线将紫外强度导出至控制中心;圆柱式紫外反应器腔体一端通过硅胶垫圈密封固定在石英套管的端口，且与紫外灯电源接口相连，另一端设有反应器进水管，其套有用以固定石英套管的弹簧套圈，通过密封法兰、卡扣或螺纹旋盖封闭;石英套管套在紫外灯管外，用于保护紫外灯管。双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体套在石英套管外，双螺旋式光催化载体或单螺旋式光催化载体的内外边缘粘贴有密封胶垫。
原水池中的水依次流过第一控制阀、进水泵、第二控制阀、涡轮流量计、液体流量计、连续流光催化水处理设备后排出;反应器出水口设有温度传感器，温度传感器、紫外传感器和涡轮流量计将采集到的数据传输到控制中心，进而显示在数显屏上。对关键反应参数的实时监控有助于及时排解故障和更换部件。
本发明是在紫外线反应器中添加负载光催化剂的螺旋状载体。相比于传统的板式结构，螺旋状载体能在更小的水头损失下提供更好的受光面积和湍动效果，充分发挥光催化作用在水处理过程中起到的加强作用。因此相比于单独的紫外消毒设备，光催化水处理设备能实现更高的灭菌效率，换言之如果要求出水达到同样的标准，光催化水处理设备只需要更低的紫外辐照剂量，这既节省了电能也会减缓紫外灯管的消耗速度。在紫外线进行消毒作用的同时，光催化过程会产生具有强氧化性空穴或羟基自由基·OH(TiO2空穴的标准电极电位为3.0V，·OH自由基的标准电极电位为2.8V，是除氟以外最强的氧化物种)。它们能分解破坏菌类等致病微生物的细胞壁或细胞膜，使细胞质流出，流出的细胞质以及遗传物质亦会被被氧化分解为H2O和CO2，最终导致微生物的彻底死亡，抑制了微生物的光复活现象，同时也能保证对耐紫外线致病菌的去除效果。同时，载体表面光催化剂产生的强氧化性空穴和·OH也会氧化分解水体中的痕量有机污染物，进一步改善饮用水水质。
针对不同的进水水质情况以及水质排放标准，在光催化水处理设备中，紫外灯管数量可根据实际处理需求进行增加，此外多个光催化水处理反应器还可根据实际情况采用串联或者并联方式组合成一个整体使用。
本发明的有益效果：无消毒副产物，不产生二次污染;广谱杀菌，对耐氯、耐紫外线的致病菌也能保证去除效果;抑制紫外线消毒工艺出水中微生物的光复活现象，减小安全隐患;可同时降解水体中的痕量有机污染物，深度改善水质;和传统紫外消毒器相比，实现同等消毒效果需要更低的紫外辐照剂量，节省电能和紫外灯管的损耗。该种流动式光催化水处理设备具有潜在的实际应用价值，而且对于探索光催化技术在水处理领域的实际应用途径具有指导意义。