專利名稱：一種節(jié)能高效的光催化與膜過濾水處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光催化與膜過濾水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效去除水中的有機(jī)物，而且不需要頻繁反沖洗，適用于各種難降解有機(jī)廢水、高濃度、高色度有機(jī)廢水的處理以及飲用水的深度處理、高純水的終端處理及預(yù)處理等。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代化工業(yè)在近幾十年的迅速發(fā)展，尤其是合成化學(xué)工業(yè)的突飛猛進(jìn)，使得人工合成有機(jī)化合物的種類和產(chǎn)量猛增。它們通過不同的途徑進(jìn)入人類環(huán)境尤其是水環(huán)境，使接納水體的物理化學(xué)性發(fā)生了顯著的變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水環(huán)境中的有機(jī)污染物高達(dá)96000種之多，其中很多是有毒和“三致”物質(zhì)，不僅給環(huán)境帶來危害，而且對(duì)人類的健康也造成了威脅。因此，去除水中的有機(jī)污染物已成為水處理的首要任務(wù)之一。目前普遍采用的方法是有機(jī)物的生物降解法。但是，對(duì)于一些高濃度、難降解有機(jī)廢水，如垃圾滲濾液、制藥廢水、焦化廢水、造紙廢水、石油化工廢水等，因其含有機(jī)物和氨氮的濃度都很高，甚至具有毒性，生物降解性差，傳統(tǒng)的生化處理往往難以取得預(yù)想效果。
光催化氧化技術(shù)應(yīng)用于水處理，主要利用光源照射TiO2等光催化劑以產(chǎn)生氧化能力強(qiáng)的自由基來實(shí)現(xiàn)對(duì)水中有機(jī)物的降解，以UV/TiO2最為常見。其獨(dú)特的優(yōu)勢在于(1)能氧化除少數(shù)幾種有機(jī)物之外的絕大多數(shù)有機(jī)物。(2)可將有機(jī)物完全礦化為CO2和H2O等簡單、對(duì)環(huán)境無害的無機(jī)物。傳統(tǒng)的固定膜光催化氧化需要采用一定的方法首先制成TiO2膜，由于成膜方法復(fù)雜、成本高，且成膜的厚度十分有限，造成光催化氧化反應(yīng)的效率低，往往難以適應(yīng)實(shí)際工程的要求；另外，光催化劑膜“中毒”后的清洗或更換復(fù)雜，這就更加限制了光催化氧化技術(shù)向?qū)嵱眯图夹g(shù)的轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)的固定膜光催化器比較而言，懸浮相光催化氧化的效率較高。但是，催化劑的分離和連續(xù)運(yùn)行問題成為該技術(shù)向前發(fā)展的最大障礙。中國發(fā)明專利(98111597)介紹了一種“光催化與膜分離集成的水處理方法”，其主要特征就是將光催化與膜技術(shù)相結(jié)合，以便催化劑顆粒的分離回收。由于反應(yīng)后的水直接進(jìn)入膜裝置，導(dǎo)致光催化劑直接沉積在膜表面，加速膜的污染，且頻繁的反沖洗也會(huì)減少膜的壽命，需不斷更換新膜，這就使運(yùn)行成本過高，不能很好推廣應(yīng)用。中國發(fā)明專利(00103229.1)也介紹了相關(guān)的一種“與膜分離設(shè)備相組合的懸浮光催化氧化水處理方法及其裝置”，與上述專利比起來有改進(jìn)之處，首先是在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置沉淀區(qū)，減輕膜的負(fù)荷，從某種程度上解決了過濾膜的反沖洗問題，但缺點(diǎn)也是顯而易見的沉淀區(qū)僅是留在反應(yīng)區(qū)上方的不加任何沉淀設(shè)施的空間，其作用相當(dāng)于靜沉，且與反應(yīng)區(qū)的界限不明顯，沉淀效果受到置疑，是否能真正有效減輕對(duì)后續(xù)膜處理的負(fù)荷也使人們在心里打上一個(gè)重重的問號(hào)。另外，這兩種發(fā)明為實(shí)現(xiàn)催化劑顆粒的懸浮化，均在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)導(dǎo)流裝置，有的同時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置和空氣供給裝置等，造成反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，增加施工難度，設(shè)備多占用反應(yīng)器內(nèi)部有效的反應(yīng)空間，影響有機(jī)物降解效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種節(jié)能高效的懸浮相光催化氧化水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)催化劑與水的即時(shí)分離，不需要頻繁反沖洗，能適用于實(shí)際水處理工程需要、能高效去除水中各種有機(jī)物并兼有過濾作用。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明包括光催化水處理器、射流泵、膜分離器、射流器，光催化水處理器出口與膜分離器進(jìn)口之間依次設(shè)有出水閥、射流泵、膜前壓力表和進(jìn)水控制閥；膜分離器頂部依次設(shè)有膜后壓力表、合格水排放閥和合格水流量計(jì)；膜分離器上部通過回流控制閥和回流水流量計(jì)與射流器的進(jìn)水口連接；其特點(diǎn)是光催化水處理器由中間的反應(yīng)器和外圍的集水器組成，集水器由圓柱形器壁和底部的球形封頭構(gòu)成，球形封頭上設(shè)有一個(gè)分別與出水閥和放空閥連接的三通；反應(yīng)器由正方形殼體和底部的斗形封頭構(gòu)成；球形封頭與斗形封頭之間固有殼體支撐；反應(yīng)器內(nèi)通過筒狀隔板分成內(nèi)圈的反應(yīng)區(qū)和外圈的分離區(qū)兩部分，筒狀隔板與斗形封頭之間固有隔板支撐，筒狀隔板底部與斗形封頭之間留有工藝要求的縫隙，使反應(yīng)區(qū)和分離區(qū)既相互分隔又留有小的通道；筒狀隔板與正方形殼體之間設(shè)有擋板，擋板和正方形殼體之間固有斜板沉淀器，斜板沉淀器是由一系列與水平方向成60°的斜板組成；集水器的圓柱形器壁頂端上固有兩組鋼架，每組鋼架由并排放置的間隙為紫外燈寬度的兩根鋼條組成，兩條鋼條上固有鋼板，鋼板開有能安裝紫外燈的孔；伸入光催化水處理器中心、到達(dá)反應(yīng)器底部的射流器的出水管的底端固有一個(gè)使水流形成對(duì)射的三通；出水管旁邊并排還設(shè)有待處理水進(jìn)水管。
本發(fā)明具有下列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1.由于本發(fā)明的射流器強(qiáng)烈的混合攪拌作用，使催化劑處于高懸浮的紊流狀態(tài)，加強(qiáng)了反應(yīng)器內(nèi)催化劑顆粒與激發(fā)光源和廢水中有機(jī)物之間的接觸，大大提高了反應(yīng)速率。同時(shí)無需另設(shè)空氣供給裝置，射流泵本身也是一種實(shí)際工程中常用的曝氣裝置，它可以將吸入的空氣打入反應(yīng)液中，形成細(xì)小的氣泡，在水流的劇烈紊動(dòng)下，反應(yīng)液與空氣中的氧氣接觸摩擦，使反應(yīng)液中的氧氣得到充分的補(bǔ)充，射流泵還可以將需要進(jìn)一步反應(yīng)的待處理水再次打入反應(yīng)區(qū)，進(jìn)一步反應(yīng)，提高光催化劑的利用率和節(jié)能，因此高效節(jié)能很明顯。
2、本發(fā)明在反應(yīng)器設(shè)置了斜板沉淀器，因此在膜分離前去除了絕大部分懸浮的催化劑，沉降下的催化劑沿底部斜板滑入反應(yīng)區(qū)，與進(jìn)水混合，在催化誘發(fā)光源的作用下與有機(jī)物充分反應(yīng)，這種強(qiáng)化的沉淀措施可大大降低膜分離器的負(fù)擔(dān)，延長反沖洗周期，即膜不必頻繁地反沖洗，不僅使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，而且節(jié)省能耗。與單純采用沉淀或單純采用膜分離工藝相比，達(dá)到了良好的分離效果。
3.由于本發(fā)明的反應(yīng)器內(nèi)底部為斗形封頭，絕大部分的懸浮態(tài)催化劑通過斜板沉淀器都能沉下去，并沿著斗形封頭的斜板下滑，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，因此本發(fā)明的沉淀分離效果好，光催化反應(yīng)器出水中的催化劑含量大大減少，減輕了后續(xù)膜分理的負(fù)荷，延長了膜的使用壽命。與單純的自然靜沉相比，沉淀效率大大提高。
4.由于筒狀隔板和擋板簡單、合理、巧妙的設(shè)計(jì)，使反應(yīng)器內(nèi)圈的反應(yīng)區(qū)和外圍的分離區(qū)既相互獨(dú)立又成為一體。反應(yīng)出水由擋板和隔板之間引流到斜板沉淀器的底部，經(jīng)沉淀的懸浮催化劑沿著空隙返回反應(yīng)器繼續(xù)參與反應(yīng)。不僅提高了催化劑的利用率，而且也保證了整個(gè)工藝能不間斷地連續(xù)運(yùn)行。另外，通過射流裝置使膜過濾截留的光催化劑也進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，充分發(fā)揮光催化劑的作用。
5.為了防止進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的廢水出現(xiàn)短流，即防止廢水沿著隔板與斗形封頭之間的縫隙直接進(jìn)入分離區(qū)，射流器的出水管底端通過一個(gè)兩頭彎曲的三通，使水流分為兩路形成對(duì)射，射流方向與斗形底板的斜板平行，有利于水旋流成豎直方向，停留在反應(yīng)區(qū)充分反應(yīng)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2為光催化水處理器的結(jié)構(gòu)示意3為光催化水處理器的俯視圖其中，圖中的圖標(biāo)號(hào)說明如下1-光催化水處理器；2-反應(yīng)器；3-正方形殼體；4-斜板沉淀器；5-擋板；6-筒狀隔板；7-斗形封頭；8-集水器；9-放空閥；10-球形封頭；11-紫外燈；12-反應(yīng)器出水閥；13-射流泵；14-膜前壓力表；15-進(jìn)水控制閥；16-膜分離器放空閥；17-無機(jī)膜元件；18-膜分離器；19-膜后壓力表；20-合格水出水閥；21-合格水流量計(jì)；22-回流水控制閥；23-回流水流量計(jì)；24-射流器；25-殼體支撐；26-隔板支撐；27-鋼板；28-鋼架；29-螺母；30-螺栓；具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1、2和3。
本發(fā)明包括光催化水處理器1、射流器24、膜分離器18。光催化水處理器1與膜分離器18之間通過管道連接射流泵13，射流泵13與膜分離器18之間安裝有進(jìn)水控制閥15，進(jìn)水控制閥15前裝有膜前壓力表14；膜分離器18頂部還連接處理好的合格水排放閥20，合格水排放閥20之前裝有膜后壓力表19，之后裝有合格水流量計(jì)21；膜分離器18上部通過回流控制閥22與射流器24的進(jìn)水口連接，回流控制閥22后設(shè)有回流水流量計(jì)23；射流器24出水管插入光催化水處理器1底部，射流器24出水管底端通過一個(gè)兩頭彎曲的三通，使出水水流分成兩路形成對(duì)射。光催化水處理器1由中間的反應(yīng)器2和外圍的集水器8組成。集水器8的外殼呈圓柱形，底部設(shè)有球形封頭10。出水閥12和放空閥9通過三通與球形封頭10底部相連。反應(yīng)器2由正方形殼體3和底部的斗形封頭7構(gòu)成。球形封頭10與斗形封頭7之間固有殼體支撐25。反應(yīng)器2內(nèi)通過筒狀隔板6分成內(nèi)圈的反應(yīng)區(qū)和外圈的分離區(qū)兩部分。筒狀隔板6與斗形封頭7之間固有隔板支撐26。筒狀隔板6底部與斗形封頭7之間留有工藝要求的縫隙，使反應(yīng)區(qū)和分離區(qū)既相互分隔又留有小的通道。筒狀隔板6與正方形殼體3之間設(shè)有擋板5，擋板5圍成一個(gè)四方體。擋板5和正方形殼體3之間固有斜板沉淀器4，斜板沉淀器4是由一系列與水平方向成60°的斜板組成。集水器8的圓柱形器壁頂端上固有兩組鋼架28，每組鋼架28為兩根并排、間距為紫外燈寬度的鋼條，兩條鋼條上、下各有一塊能安裝紫外燈11的通孔的鋼板27，鋼板27的位置在筒狀隔板6圍成的反應(yīng)區(qū)內(nèi)(紫外燈11安裝在反應(yīng)區(qū)內(nèi))，上、下鋼板27用螺栓31和螺母30固定連接。伸入光催化水處理器1中心、到達(dá)反應(yīng)器2底部的射流器24的出水管的底端固有一個(gè)使水流形成對(duì)射的三通；出水管旁邊并排還設(shè)有待處理水的進(jìn)水管。
工作時(shí)，首先打開進(jìn)水閥，使待處理水進(jìn)入并充滿光催化水處理器1。然后，投加一定量的光催化劑粉末至反應(yīng)區(qū)，并打開催化誘發(fā)光源紫外燈11，同時(shí)打開射流泵13、出水閥12、進(jìn)水控制閥15和回流水控制閥22，不斷地對(duì)回流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至光催化水處理器1反應(yīng)區(qū)內(nèi)的催化劑充分的懸浮流化。此時(shí)，再打開進(jìn)水閥與合格水出水閥20，待處理的水不斷流入，在反應(yīng)區(qū)與光催化劑充分混合反應(yīng)，然后通過擋板5和筒狀隔板6之間的通道變?yōu)橄蛳铝鬟M(jìn)入分離區(qū)，在分離區(qū)斜板沉淀器4的作用下，懸浮液中的光催化劑被羈留，上清液流入集水器8。沉降性能好的光催化劑經(jīng)斗形封頭7的斜板滑入光催化反應(yīng)區(qū)與進(jìn)水混合發(fā)生光催化反應(yīng)。集水區(qū)的出水進(jìn)入膜分離器18下部，由無機(jī)膜側(cè)面進(jìn)入無機(jī)膜元件17內(nèi)部的清水室，再由膜分離器18頂部流出，成為合格出水，經(jīng)合格出水閥20直接排放或回用。滯留在膜分離器18內(nèi)的一部分廢水在射流器24和射流泵13的作用下高速回流至光催化水處理器1，膜截留下來的催化劑也隨回流水進(jìn)入光催化水處理器1繼續(xù)參與光催化反應(yīng)?；亓魉?jīng)過射流器24時(shí)融入大量氣體，然后通過伸入反應(yīng)器2底部的射流器出水管對(duì)反應(yīng)器2內(nèi)的廢水進(jìn)行混合攪拌，實(shí)現(xiàn)光催化劑的流態(tài)化。廢水不斷進(jìn)入，合格水不斷流出，回流水在光催化水處理器1和膜分離器18中不斷循環(huán)。調(diào)節(jié)合格水出水閥20和合格水流量計(jì)21得到符合設(shè)計(jì)要求的出水流量，同時(shí)對(duì)射流器24回流水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其恰好能滿足射流混合攪拌及光催化氧化的要求。當(dāng)廢水在反應(yīng)器2內(nèi)與催化劑充分混合流化時(shí)，在紫外線的照射下，光催化劑被激發(fā)并產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(·OH)，可直接將水中的有機(jī)污染物氧化降解為CO2、H2O等簡單無機(jī)物。由于催化劑處于懸浮狀態(tài)，與有機(jī)物反應(yīng)速率大大提高，在光催化氧化反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，無機(jī)膜也在發(fā)揮過濾作用，即光催化劑與系統(tǒng)出水實(shí)現(xiàn)同步分離。由于本發(fā)明采用了預(yù)沉淀和無機(jī)膜分離相結(jié)合的光催化及同步分離技術(shù)，因而大大減輕了無機(jī)膜分離的負(fù)擔(dān)，保證了分離效果，并確保了無機(jī)膜的壽命。
本發(fā)明既可單獨(dú)使用又可與其它水處理單元串聯(lián)使用。如應(yīng)用于廢水處理，本發(fā)明可做為終端氧化單元、置于生化反應(yīng)器后；也可以置于生化反應(yīng)器前，通過光催化氧化提高廢水的可生化性。本發(fā)明還可以應(yīng)用于重金屬廢水的處理及重金屬的回收。
本發(fā)明中的光催化劑可以是TiO2、WO3、ZrO2、V2O5、MoO3、ZnO2粉末中的一種或幾種混合。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能高效的光催化與膜過濾水處理系統(tǒng)，包括光催化水處理器(1)、射流泵(13)、膜分離器(18)、射流器(24)，光催化水處理器(1)出口與膜分離器(18)進(jìn)口之間依次設(shè)有出水閥(12)、射流泵(13)、膜前壓力表(14)和進(jìn)水控制閥(15)；膜分離器(18)頂部依次設(shè)有膜后壓力表(19)、合格水排放閥(20)和合格水流量計(jì)(21)；膜分離器(18)上部通過回流控制閥(22)和回流水流量計(jì)(23)與射流器(24)的進(jìn)水口連接；其特征是光催化水處理器(1)由中間的反應(yīng)器(2)和外圍的集水器(8)組成，集水器(8)由圓柱形器壁和底部的球形封頭(10)構(gòu)成，球形封頭(10)上設(shè)有一個(gè)分別與出水閥(12)和放空閥(9)連接的三通；反應(yīng)器(2)由正方形殼體(3)和底部的斗形封頭(7)構(gòu)成；球形封頭(10)與斗形封頭(7)之間固有殼體支撐(25)；反應(yīng)器(2)內(nèi)通過筒狀隔板(6)分成內(nèi)圈的反應(yīng)區(qū)和外圈的分離區(qū)兩部分，筒狀隔板(6)與斗形封頭(7)之間固有隔板支撐(26)，筒狀隔板(6)底部與斗形封頭(7)之間留有工藝要求的縫隙，使反應(yīng)區(qū)和分離區(qū)既相互分隔又留有小的通道；筒狀隔板(6)與正方形殼體(3)之間設(shè)有擋板(5)，擋板(5)和正方形殼體(3)之間固有斜板沉淀器(4)，斜板沉淀器(4)是由一系列與水平方向成60°的斜板組成；集水器(8)的圓柱形器壁頂端上固有兩組鋼架(28)，每組鋼架由并排放置的間隙為紫外燈(11)寬度的兩根鋼條組成，兩條鋼條上固有鋼板(27)，鋼板(27)開有能安裝紫外燈(11)的孔；伸入光催化水處理器(1)中心的反應(yīng)器(2)底部的射流器(24)的出水管的底端固有一個(gè)使水流形成對(duì)射的三通，出水管一旁并排還有進(jìn)水管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水處理裝置。包括用管道和閥門依次連接的光催化水處理器(1)、射流泵(13)、膜分離器(18)、射流器(24)。其特點(diǎn)是光催化水處理器(1)由反應(yīng)器(2)和集水器(8)組成，反應(yīng)器(2)內(nèi)通過筒狀隔板(6)分成反應(yīng)區(qū)和分離區(qū)。集水器的球形封頭(10)與反應(yīng)器的斗形封頭(7)以及筒狀隔板(6)之間分別固有殼體支撐(25)和隔板支撐(26)。筒狀隔板(6)與正方形殼體(3)間有擋板(5)，擋板(5)和正方形殼體(3)之間有斜板沉淀器(4)；集水器(8)頂端有安裝紫外燈(11)的鋼架(28)；射流器(24)的出水管有使水流成對(duì)射的三通，一旁并排還有進(jìn)水管。本發(fā)明高效節(jié)能，設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定?？蓮V泛用于各種水質(zhì)的處理。
文檔編號(hào)C02F1/44GK1951828SQ20061011646
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月25日
發(fā)明者魏宏斌, 李少林, 侯娜, 徐迪民 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)