申请日2015.03.24
公开(公告)日2015.08.19
IPC分类号C02F9/08
摘要
本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种净化微污染废水的装置及方法。所述装置包括光催化臭氧反应单元，所述装置还包括陶瓷膜处理单元，用于回收光催化臭氧反应单元流出的催化剂。本发明通过将臭氧催化氧化技术、紫外光催化技术与陶瓷膜过滤技术相耦合，极大的缩短了有机物降解的时间;本发明采用了陶瓷膜过滤防止固载光触媒颗粒的流失，并采用气体脉冲式反冲陶瓷膜，避免了固载光触媒出现团聚的现象，确保废水的高处理效率，降低了废水处理成本。
摘要附图
权利要求书
1.一种净化微污染废水的装置，包括光催化臭氧反应单元，其特征在于，所述装置还包括陶瓷膜处理单元，用于回收光催化臭氧反应单元流出的催化剂。
2.根据权利要求1所述的净化微污染废水的装置，其特征在于，所述的光催化臭氧反应单元包括光催化臭氧反应器(9)和位于光催化臭氧反应器(9)上方的三相分离室(14);
所述光催化臭氧反应器(9)包括光催化臭氧反应器壳体(8)，设置于光催化臭氧反应器壳体(8)内部的紫外光源(7)与罩在紫外光源(7)外部的石英套管(6);和设置于光催化臭氧反应器壳体(8)内部且位于石英套管(6)四周的固载光触媒颗粒(5);
所述光催化臭氧反应器壳体(8)底部设置有臭氧进气口(1)，所述光催化臭氧反应器壳体(8)设有第一进水口(2);
所述三相分离室(14)包括内室和外室，内室顶部设置有排气口(11);外室顶部设置有放空口(12)，外室侧壁设置有第一出水口(10)和液体回流口(13)。
3.根据权利要求1所述的净化微污染废水的装置，其特征在于，所述陶瓷膜处理单元包括：陶瓷膜处理器(17)和空气压缩机(23);
所述陶瓷膜处理器(17)包括陶瓷膜处理器壳体(16)和设置于陶瓷膜处理器壳体(16)内部的陶瓷膜(15);
所述陶瓷膜处理器壳体(16)顶部设置有第二进水口(18)与光催化臭氧反应单元的第一出水口(10)连通;
所述陶瓷膜处理器壳体(16)上部设有反冲洗进气口(19)，与所述空气压缩机(23)相连，用于反冲洗气体的输入;
所述陶瓷膜(15)下部设有第二出水口(20)，用于净化水的输出;
所述陶瓷膜处理器壳体(16)底部开有第三出水口(22)，用于回收的催化 剂的输出。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光催化臭氧反应器壳体(8)内部设置有不锈钢滤网(4)，用于承载固载光触媒颗粒(5);
优选地，所述不锈钢滤网(4)设置于光催化臭氧反应器(9)的下部;
优选地，所述固载光触媒颗粒(5)在光催化臭氧反应器(9)中呈流化状态;
优选地，所述固载光触媒颗粒(5)的光触媒为铜掺杂性纳米TiO2光催化剂;
优选地，所述的固载光触媒颗粒(5)固载在活性载体上;
优选地，所述的活性载体为活性炭、分子筛或γ-氧化铝中的任意一种或至少两种组合;
优选地，所述活性载体的粒径为0.5-1.5μm。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光催化臭氧反应器(9)下部设置有气体分布器(3);
优选地，所述紫外光源(7)为低压汞灯;
优选地，所述光催化臭氧反应器壳体(8)内壁贴有反射层。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括微污染废水输入装置，与第一进水口(2)连接;
优选地，所述的微污染废水输入装置为气液混合泵(24)。
7.一种净化微污染废水的方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的净化微污染废水的装置，所述方法包括以下步骤：
(1)将微污染废水通入光催化臭氧反应单元进行光催化臭氧反应，处理后的废水继续进入陶瓷膜处理单元进行处理，收集陶瓷膜第二出水口(20)的出 水即为净化水;
(2)开启空气压缩机(23)，向陶瓷膜处理器(17)内通入反冲洗气体，冲洗陶瓷膜(15)外壁，收集陶瓷膜处理器第三出水口(22)的出水，即为含有催化剂的回收水;
可选地，将收集的含有催化剂的回收水回流进入微污染废水输入装置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的微污染废水中的COD浓度低于120mg/L;
优选地，所述的光催化臭氧反应中微污染废水与臭氧的体积比为0.4-0.65，优选为0.42-0.56，进一步优选为0.55;
优选地，所述的光催化臭氧反应中微污染废水停留时间为1-10min，优选为2-6min，进一步优选为5min;
优选地，所述的光催化臭氧反应中紫外光源(7)的功率为20-80W，优选为30-60W，进一步优选为40W;
优选地，所述的光催化臭氧反应中固载光触媒颗粒(5)投加量为每升微污染废水中投加0.1-0.8mg，优选为0.2-0.6mg，进一步优选为0.5mg;
优选地，所述的陶瓷膜处理单元中通入反冲洗气体的时间间隔为8-15min，优选为8-12min，进一步优选为10min;
优选地，步骤(2)所述的冲洗陶瓷膜的时间为1-5s，优选为1-2s;
优选地，步骤(2)所述的反冲洗气体的气压为大于0.4MPa。
9.根据权利要求4-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)气液混合泵(24)将微污染废水从第一进水口(2)泵入光催化臭氧反应器(9)，臭氧通过射流器从臭氧进气口(1)进入光催化臭氧反应器(9)，经气体分布器(3)均匀布气后，与微污染废水均匀混合，在紫外光源(7)的照射下，在固载光触媒颗粒(5)上发生光催化臭氧氧化，反应完毕，臭氧经三相分离室(14)的放空口(12)排出，氧化后的微污染废水从第一出水口(10)输出;
(2)氧化后的微污染废水由第二进水口(18)进入陶瓷膜处理单元，经陶瓷膜(15)过滤后，净化水由第二出水口(20)流出;陶瓷膜(15)截留的从光催化臭氧反应单元流失的固载光触媒颗粒(5)被吸附在陶瓷膜(15)的外壁上;
(3)开启空气压缩机(23)，向陶瓷膜处理器(17)内通入反冲洗气体，冲洗陶瓷膜(15)外壁，收集陶瓷膜处理器第三出水口(22)的出水，即为含有催化剂的回收水;
可选地，将收集的含有催化剂的回收水回流进入微污染废水输入装置。
说明书
一种净化微污染废水的装置及方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种净化微污染废水的装置及方法。
背景技术
微污染废水是指已经接近但尚未达到排放标准的工业废水，含有的污染物 种类庞大、性质复杂，但污染物浓度低。传统的高级氧化技术如：O3氧化、UV 催化以及以Fenton法为代表的化学氧化法，对于常规有机废水通常具有较理想 的处理效果，但对于以小分子有机物为主的废水，处理效果并不理想，通常仅 能实现小分子有机物的部分氧化，废水COD的去除率不足50%。
在UV/O3催化氧化降解有机物过程中，催化剂活性是影响废水中难降解有 机物处理效果的关键性因素。纳米尺度的催化剂由于具有高比表面积和高活性， 在催化氧化技术中被广泛应用。但由于纳米尺度的催化剂尺寸较小，在废水处 理过程中容易流失，并且随着纳米催化剂投加浓度的提高，催化剂的团聚现象 会随之加重，进而造成催化剂表面活性位点的流失，影响废水UV/O3催化氧化 的处理效率，因此采用UV/O3催化氧化技术需要解决超细颗粒催化剂的流失和 团聚问题。此外，常规臭氧氧化技术中，臭氧从气相向水相传质的效果不太理 想，气相中的臭氧不能充分地溶解到水相中，导致臭氧的利用率偏低，致使有 机物的去除率不高。
CN 202415294 U公开了一种活性炭做载体的光触媒有机废水处理系统，包 括顺次连通的废水调节池、反应池和集水池，其中，该反应池包括有反应器本 体和置于该反应器本体中的活性炭载体，该反应器本体内伸入有光触媒和用于 给光触媒提供光线的光照装置;本实用新型通过利用光触媒，使得触媒见光度 大，有效提高触媒利用率，从而大大提高去污效率。CN 2573473 Y公开了一种 废水、污水处理装置，包括上部设置进水口下部设置出水口且内装竖置紫外线 灯的水箱，在水箱内设置有填装在笼体内的由球型载体和置于表面的纳米二氧 化钛膜构成的光触媒体。该实用新型利用纳米二氧化钛净化材料在受到紫外线 光照射时对有机污染物具有良好的分解作用的特点，完成对废水或污水的处理。 上述对废水处理的装置，采用比较单一氧化处理工艺往往不能取得理想的效果， COD去除率低，无法解决光触媒团聚、流失等现象。因此在研究以及实际应用 中，将多种氧化工艺联合起来。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有催化氧化技术中有机物去除效果差、臭氧利 用率低、催化剂流失和团聚的问题，提供一种更加经济有效的去除水中低浓度 难降解有机污染物的方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种净化微污染废水的装置，所述装置包括光催化 臭氧反应单元，所述装置还包括陶瓷膜处理单元，所述陶瓷膜处理单元用于回 收光催化臭氧反应单元流出的催化剂。
在本发明中，微污染废水通过光催化臭氧反应单元后流入陶瓷膜处理单元， 进入的微污染废水中掺杂一些固载光触媒颗，陶瓷膜将会截留从光催化臭氧反 应单元流失的固载光触媒颗粒，并吸附在陶瓷膜的外壁上，此时空气压缩机将 反冲洗气体通入陶瓷膜处理单元，采用气体脉冲式反冲陶瓷膜，使附着的固载 光触媒再次流化，伴随陶瓷膜外侧溶液回流入气液混合泵，再次进入光催化臭 氧反应单元进行反应，这就防止了固载光触媒的流失和团聚，进一步提高了利 用率。
作为优选技术方案，所述的光催化臭氧反应单元包括光催化臭氧反应器和 位于光催化臭氧反应器上方的三相分离室;
所述光催化臭氧反应器包括光催化臭氧反应器壳体，设置于光催化臭氧反 应器壳体内部的紫外光源与罩在紫外光源外部的石英套管;和设置于光催化臭 氧反应器壳体内部且位于石英套管四周的固载光触媒颗粒;
所述光催化臭氧反应器壳体底部设置有臭氧进气口，所述光催化臭氧反应 器壳体设有第一进水口;
所述三相分离室包括内室和外室，内室顶部设置有排气口;外室顶部设置 有放空口，用于臭氧尾气的排放;外室侧壁设置有第一出水口和液体回流口， 用于微污染废水回流到催化反应器底部继续反应。
优选地，所述陶瓷膜处理单元包括：陶瓷膜处理器和空气压缩机;
所述陶瓷膜处理器包括陶瓷膜处理器壳体和设置于陶瓷膜处理器壳体内部 的陶瓷膜;
所述陶瓷膜处理器壳体顶部设置有第二进水口与光催化臭氧反应单元的第 一出水口连通;
所述陶瓷膜处理器壳体上部设有反冲洗进气口，与所述空气压缩机相连， 用于反冲洗气体的输入;
所述陶瓷膜下部设有第二出水口，用于净化水的输出;
所述陶瓷膜处理器壳体底部开有第三出水口，用于回收的催化剂的输出。
优选地，所述光催化臭氧反应器壳体内部设置有不锈钢滤网，用于承载固 载光触媒颗粒。
优选地，所述不锈钢滤网设置于光催化臭氧反应器的下部;
优选地，所述固载光触媒颗粒在光催化臭氧反应器中呈流化状态。
优选地，所述固载光触媒颗粒的光触媒为铜掺杂性纳米TiO2光催化剂。
优选地，所述的固载光触媒颗粒固载在活性载体上。
优选地，所述的活性载体为活性炭、分子筛或γ-氧化铝中的任意一种或至 少两种组合。
优选地，所述活性载体的粒径为0.5-1.5μm，例如可以是0.5μm、0.6μm、 0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm或1.5μm。
优选地，所述光催化臭氧反应器下部设置有气体分布器3。
优选地，所述紫外光源为低压汞灯。
优选地，所述光催化臭氧反应器壳体内壁贴有反射层。
优选地，所述装置还包括微污染废水输入装置，与第一进水口连接。
优选地，所述的微污染废水输入装置为气液混合泵。
另一方面，本发明提供了一种净化微污染废水的方法，采用第一方面所述 的净化微污染废水的装置，所述方法包括以下步骤：
(1)将微污染废水通入光催化臭氧反应单元进行光催化臭氧反应，处理后 的废水继续进入陶瓷膜处理单元进行处理，收集陶瓷膜第二出水口的出水即为 净化水;
(2)开启空气压缩机，向陶瓷膜处理器内通入反冲洗气体，冲洗陶瓷膜外 壁，收集陶瓷膜处理器第三出水口的出水，即为含有催化剂的回收水;
可选地，将收集的含有催化剂的回收水回流进入微污染废水输入装置。
作为优选技术方案，所述的微污染废水中的COD浓度低于120mg/L。
优选地，所述的光催化臭氧反应中废水与臭氧的体积比为0.4-0.65，例如可 以是0.4、0.42、0.44、0.45、0.46、0.48、0.49、0.50、0.51、0.52、0.55、0.57、 0.58、0.6、0.62、0.63或0.65，优选为0.42-0.56，进一步优选为0.55。
本发明中，所述的光催化臭氧反应中微污染废水停留时间为1-10min，例如 可以是1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min或10 min，优选为2-6min，进一步优选为5min。
优选地，所述的光催化臭氧反应中紫外光源的功率为20-80W，例如可以是 20W、22W、23W、25W、26W、28W、30W、35W、38W、40W、45W、 48W、50W、55W、60W、65W、70W、75W、78W或80W，优选为30-60W， 进一步优选为40W。
优选地，所述的光催化臭氧反应中固载光触媒颗粒投加量为每升微污染废 水中投加0.1-0.8mg，，例如可以是0.1mg、0.2mg、0.25mg、0.3mg、0.35mg、 0.4mg、0.45mg、0.5mg、0.55mg、0.6mg、0.7mg或0.8mg，优选为0.2-0.6mg， 进一步优选为0.5mg。
本发明中，所述的陶瓷膜处理单元中通入反冲洗气体的时间间隔为 8-15min，例如可以是8min、8.5min、9min、9.5min、10min、10.5min、11min、 12min、13min、14min或15min，优选为8-12min，进一步优选为10min。
优选地，步骤(2)所述的冲洗陶瓷膜外壁的时间为1-5s，例如可以是1s、 2s、3s、4s或5s，优选为1-2s。
优选地，步骤(2)所述的反冲洗气体的气压为大于0.4MPa。
作为优选技术方案，所述的净化微污染废水的方法包括如下步骤：
(1)气液混合泵将微污染废水从第一进水口泵入光催化臭氧反应器，臭氧 通过射流器从臭氧进气口进入光催化臭氧反应器，经气体分布器均匀布气后， 与微污染废水均匀混合，在紫外光源的照射下，在固载光触媒颗粒上发生光催 化臭氧氧化，反应完毕，臭氧经三相分离室的放空口排出，氧化后的微污染废 水从第一出水口输出;
(2)氧化后的微污染废水由第二进水口进入陶瓷膜处理单元，经陶瓷膜过 滤后，净化水由第二出水口流出;陶瓷膜截留的从光催化臭氧反应单元流失的 固载光触媒颗粒被吸附在陶瓷膜的外壁上;
(3)开启空气压缩机，向陶瓷膜处理器内通入反冲洗气体，冲洗陶瓷膜外 壁，收集陶瓷膜处理器第三出水口的出水，即为含有催化剂的回收水;
可选地，将收集的含有催化剂的回收水回流进入微污染废水输入装置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)通过将臭氧催化氧化技术、紫外光催化技术与陶瓷膜过滤技术相耦合， 极大的缩短了有机物降解的时间，其效能显著优于单独使用O3或UV时的处理 效果，COD去除率提高了40-50%;
(2)通过纳米级固相光催化剂的使用，显著提高了O3从气相向水相转移 的速度，促进O3分解，强化自由基等活性中间体的产生，进而提高光催化反应 效率;
(3)通过光催化臭氧反应单元的内循环设计，使固载光触媒处于流化状态， 极大地增加了有机污染物与光触媒及紫外光源的接触面积，大幅降低废水处理 成本;
(4)利用陶瓷膜过滤防止光触媒的流失，配合气体脉冲式反冲陶瓷膜，避 免了光触媒出现团聚现象，使附着在陶瓷膜表面的光触媒可以再次流化，进一 步提高紫外光与臭氧利用率，降低了废水处理成本，确保废水的高处理效率。