公布日：2023.11.07
申请日：2023.09.12
分类号：C02F1/72(2023.01)I;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种基于MOFs活化PS的高级氧化膜反应器及处理废水方法，包括：反应器主体，其内部由下至上分别设有破浆混合区、导流区、多级反应区和截留出水区，所述破浆混合区中心位置设有破浆混合装置，所述导流区设有导流装置，所述多级反应区内装填MOFs材料并设置多级加药环，所述截留出水区设置产水装置；本发明中，利用MOFs活化PS，有效避免Fe2+过渡金属活化存在的铁泥产量大、二次污染、返色、催化剂利用率低、后续处理费用高等问题，且与现有高级氧化技术相比，传质效率更高，实现上升流速提升和水力停留时间缩短，有效降低占地、基建成本、能耗。
权利要求书
1.一种基于MOFs活化PS的高级氧化膜反应器，其特征在于,包括：反应器主体（1），其内部由下至上分别设有破浆混合区（2）、导流区（3）、多级反应区（4）和截留出水区（5），所述破浆混合区（2）中心位置设有破浆混合装置，所述导流区（3）设有导流装置（15），所述多级反应区（4）内装填MOFs材料并设置多级加药环，用于在不同高度分层投加PS药液，缩短PS药液经MOFs催化后产生的硫酸根自由基与污染物反应的传质距离，所述截留出水区（5）设置有产水装置，用于产出处理后的达标水流；所述破浆混合装置由一个或多个伞形结构（16）构成，所述伞形结构（16）上部为锥形，其正下方固定设有射流管（17），所述射流管（17）底端分别与位于破浆混合区（2）用于输送MOFs材料的循环出水口（8）以及用于输送废水的进水口（6）一端连接，所述进水口（6）另一端与进水泵（7）和加药泵（12）连接，所述循环出水口（8）另一端与循环泵（9）连接；所述射流管（17）的底端连接有浮动管（18），所述浮动管（18）活动插设于套管（20）内，且所述浮动管（18）底端设有端板（19），所述端板（19）上开设有安装电磁阀的导水孔，顶端与射流管（17）连通，所述套管（20）内设有与端板（19）连接的弹性件（21），所述套管（20）通过回流管（22）与输送废水进入的水管连通，且所述回流管（22）上设有单向阀；所述伞形结构（16）中的锥角为120°-180°，锥形底面下缘流速为0.6-1.0m/s，锥形底面下缘两侧流速为0.1-0.3m/s，所述射流管（17）内流速为10-15m/s。
2.如权利要求1所述的一种基于MOFs活化PS的氧化膜反应器，其特征在于：所述射流管（17）包括依次连接的入口段、收缩段、喉道以及扩散段，其中，所述扩散段位于上部，入口段位于下部，其中，所述射流管（17）的入口段开设有侧口。
3.如权利要求1所述的一种基于MOFs活化PS的氧化膜反应器，其特征在于：所述高级氧化膜反应器的高径比为4-8，停留时间0.5-2h，循环比100%-200%。
4.如权利要求1所述的一种基于MOFs活化PS的氧化膜反应器，其特征在于：所述多级加药环的第一级加药环位于多级反应区（4）最底部，距离所述导流装置（15）顶端0.3-0.5m，第二级及以上加药环间距自下而上逐渐增大，间距0.5-2.0m，所述多级加药环与多个加药口一对一连接。
5.如权利要求1所述的一种基于MOFs活化PS的氧化膜反应器，其特征在于：所述产水装置由固定架、截留膜、集水管和振动电机组成，其中，所述截留膜为中空纤维膜、平板膜中的一种，膜孔径0.02-0.1μm。
6.如权利要求5所述的一种基于MOFs活化PS的氧化膜反应器，其特征在于：所述集水管与出水口（13）连接，所述出水口（13）与出水泵（10）和反洗泵（11）连接，连接管道上分别安装出水电动阀和反洗电动阀，所述出水口（13）下方设有循环取水口（14），所述循环取水口（14）位于所述多级反应区（4），位置不低于最高加药口，且与所述循环泵（9）连接。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于MOFs活化PS的氧化膜反应器用于处理废水的方法，其特征在于：具体包括以下步骤，①废水经进水泵（7）与加药泵（12）投加的PS在进水口（6）前端预混合，经所述进水口（6）进入所述高级氧化膜反应器内部的破浆混合装置处射流管内，通过射流碰撞混合均匀；MOFs材料经由循环泵（9）到达所述破浆混合装置处，通过射流碰撞破坏由分散的MOFs材料遇水形成的淤浆包裹状态，使其成为分散状态；②废水与PS的混合液以及分散的MOFs材料在所述破浆混合区（2）在伞形结构（16）导流下进行第一次混合反应，通过控制锥形底面下缘流速0.6-1.0m/s；③废水与PS的混合液以及分散的MOFs材料混合均匀后通过所述导流装置（15）均匀上升，进入多级反应区（4）；通过设计锥形底面下缘两侧流速0.1-0.3m/s和导流装置（15）底部距离锥形顶点0.3-0.8m，使混合液从锥形翻涌出来后流态趋稳，形成均质悬浮床；④在多级反应区（4）内设置多级加药环，在高级氧化膜反应不同高度分层投加PS药液，有效缩短PS经MOFs催化后产生的硫酸根自由基与污染物反应的传质距离，且最大化控制硫酸根自由基在4s的半衰期内产生有效反应；⑤经多级反应后进入截留出水区（5），水流经出水泵（10）抽吸经所述截留膜后达标排放，MOFs被截留在多级反应区（4）；⑥当高级氧化膜反应器运行一段时间后所述截留膜需要反洗，通过控制单元关闭进水泵（7）、加药泵（12）、出水泵（10）和出水电动阀，开启反洗泵（11）和反洗电动阀，对截留膜进行反洗。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于MOFs活化PS的高级氧化膜反应器及处理废水方法，旨在解决现有的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于MOFs活化PS的高级氧化膜反应器，包括：
反应器主体，其内部由下至上分别设有破浆混合区、导流区、多级反应区和截留出水区，所述破浆混合区中心位置设有破浆混合装置，所述导流区设有导流装置，所述多级反应区内装填MOFs材料并设置多级加药环，用于在不同高度分层投加PS药液，缩短PS药液经MOFs催化后产生的硫酸根自由基与污染物反应的传质距离，所述截留出水区设置有产水装置，用于产出处理后的达标水流。
进一步地，所述破浆混合装置由一个或多个伞形结构构成，所述伞形结构上部为锥形，其正下方固定设有射流管，所述射流管底端分别与位于破浆混合区用于输送MOFs材料的循环出水口以及用于输送废水的进水口一端连接，所述进水口另一端与进水泵和加药泵连接，所述循环出水口另一端与循环泵连接。
进一步地，所述伞形结构中的锥角为120°-180°，锥形底面下缘流速为0.6-1.0m/s，锥形底面下缘两侧流速为0.1-0.3m/s，所述射流管内流速为10-15m/s。
进一步地，所述射流管的底端连接有浮动管，所述浮动管活动插设于套管内，且所述浮动管底端设有端板，所述端板上开设有安装电磁阀的导水孔，顶端与射流管连通，所述套管内设有与端板连接的弹性件，所述套管通过回流管与输送废水进入的水管连通，且所述回流管上设有单向阀。
进一步地，所述射流管包括依次连接的入口段、收缩段、喉道以及扩散段，其中，所述扩散段位于上部，入口段位于下部，其中，所述射流管的入口段开设有侧口。
进一步地，所述高级氧化膜反应器的高径比为4-8，停留时间0.5-2h，循环比100％--200％。
进一步地，所述多级加药环的第一级加药环位于多级反应区最底部，距离所述导流装置顶端0.3-0.5m，第二级及以上加药环间距自下而上逐渐增大，间距0.5-2.0m，所述多级加药环与多个加药口一对一连接。
进一步地，所述产水装置由固定架、截留膜、集水管和振动电机组成，其中，所述截留膜为中空纤维膜、平板膜中的一种，膜孔径0.02-O.1μm。
进一步地，所述集水管与出水口连接，所述出水口与出水泵和反洗泵连接，连接管道上分别安装出水电动阀和反洗电动阀，所述出水口下方设有循环取水口，所述循环取水口位于所述多级反应区，位置不低于最高加药口，且与所述循环泵连接。
一种基于MOFs活化PS的氧化膜反应器用于处理废水的方法，具体包括以下步骤，
①废水经进水泵与加药泵投加的PS在进水口前端预混合，经所述进水口进入所述高级氧化膜反应器内部的破浆混合装置处射流管内，通过射流碰撞混合均匀；MOFs材料经由循环泵到达所述破浆混合装置处，通过射流碰撞破坏由分散的MOFs材料遇水形成的淤浆包裹状态，使其成为分散状态；
②废水与PS的混合液以及分散的MOFs材料在所述破浆混合区在伞形结构导流下进行第一次混合反应，通过控制锥形底面下缘流速0.6-1.0m/s；
③废水与PS的混合液以及分散的MOFs材料混合均匀后通过所述导流装置均匀上升，进入多级反应区。通过设计锥形底面下缘两侧流速0.1-0.3m/s和导流装置底部距离所述锥形顶点0.3-0.8m，使混合液从锥形翻涌出来后流态趋稳，形成均质悬浮床；
④在多级反应区内设置多级加药环，在高级氧化膜反应不同高度分层投加PS药液，有效缩短PS经MOFs催化后产生的硫酸根自由基与污染物反应的传质距离，且最大化控制硫酸根自由基在4s的半衰期内产生有效反应；
⑤经多级反应后进入截留出水区，水流经出水泵抽吸经所述截留膜后达标排放，MOFs被截留在多级反应区；
⑥当高级氧化膜反应器运行一段时间后所述截留膜需要反洗，通过控制单元关闭进水泵、加药泵、出水泵和出水电动阀，开启反洗泵和反洗电动阀，对截留膜进行反洗。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明中，利用MOFs活化PS，有效避免Fe2+过渡金属活化存在的铁泥产量大、二次污染、返色、催化剂利用率低、后续处理费用高等问题，且与现有高级氧化技术相比，传质效率更高，实现上升流速提升和水力停留时间缩短，有效降低占地、基建成本、能耗。
(2)本发明针对MOFs在废水中呈现淤浆聚合状态，分布不均，难以有效传质的难题，设计破浆混合装置，通过大的水流冲击力度破坏淤浆聚合状态，使淤浆内部的MOFs分散开来，进一步通过水流流态，使其与废水充分混合形成均质悬浮床，具有催化剂利用率高、传质效率高、空间利用大，占地面积小等优势。
(3)本发明针对MOFs粒径小，难以与废水有效分离的问题，利用截留膜在有效出水的同时减少MOFs流失，提高出水水质，MOFs重复利用率，减少催化剂成本。
(4)SO4-·半衰期4s左右，猝灭后消失强氧化性，本发明通过多级加药环的分层加药，可使高级氧化膜反应器在径向上一直有效产生新生自由基，保持反应体系的高活性，使药液的利用率更高，处理效率更高。
（发明人：卢珊珊;朱旭佳;彭发龙;徐燕星;翟睿智;何伟;吴玉珏;丁辛茹）