一种超声光催化联合污水处理装置及其处理工艺的制作方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种超声光催化联合污水处理装置及其处理工艺。

背景技术：

在污水处理方面，利用超声降解水中污染物，尤其是难降解有机污染物的应用已十分广泛，超声过程有机物的降解主要通过超声产生的空化泡溃灭消长过程所创造的高温高压环境以及水分子在该极端环境作用下产生的自由基起作用。但若污水只进行单独超声处理，降解速度较慢，能耗大。另一方面，过硫酸盐由于其较强的氧化性和稳定性，且在热、光或催化剂作用下能够生成硫酸根自由基SO₄·^－，SO₄·^－能够有效将污染物转化为低毒、易生物降解的小分子物质，因此在降解等难生物降解污染物方面取得一定效果，但单独作用是处理效果仍有待提高。因此，近年来超声辅助过硫酸盐联合体系，备受业内关注，由于其表现出明显的协同效应，对降解污水中有毒有害污染物有良好效果。超声辅助过硫酸盐联合体系克服了单独超声作用“高能低效”的技术缺陷,集多种强氧化性自由基于一体,反应体系复杂，对污水处理方面具有很广泛的应用价值。

以TiO₂ 为催化剂的异相光催化技术作为一种高级氧化技术，因其低成本，低污染，高氧化活性、强稳定性的特点，成为近年来异相光催化技术中应用最为广泛的一类。当光照光子能量高于TiO₂ 半导体的吸收阈值，半导体表面会激发产生一系列反应，最终生成氧化性很强的空穴和羟基自由基（·OH），它们能够无选择性地氧化降解多种有机物并使之矿化。

光催化膜分离耦合工艺结合了膜的分离特性，通过对催化剂在反应器中停留时间的控制，实现污水和催化剂的分离。它具有催化效率高、反应速度快、降解彻底，催化剂截留效率高的特点。防止了催化剂泄露，保证了反应器中催化剂的数量，从而无需设置后续分离工艺。在其整个运行过程中，分离膜也能截留部分其它污染物，从而进一步改善出水水质。同时由于光催化氧化技术对废水中有机污染物的有效降解，膜的抗污染性能和使用寿命得到提高，因而，光催化-膜分离耦合工艺在实际应用可通过合理地控制光催化剂与有机污染物的接触时间，达到针对不同性质的污染物和处理目的，实现对整个反应过程更有效的控制。但由于水流通过光催化膜速率较快，污染物去除效果有待提高。超声辅助活化过硫酸盐工艺被引入作为一种前处理技术和二次处理技术。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的技术目的在于提供一种超声光催化联合污水装置及其处理工艺。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种超声光催化联合污水处理装置，包括以下结构：进水阀门，进水时空传感器，超声发生器，蠕动泵，第一阀门，第一流量计，光催化膜反应器，紫外灯，TiO₂催化膜，第二流量计，第二阀门，过硫酸盐加料器，出水阀门，出水时控传感器，其中，进水阀门、进水时空传感器，超声发生器，蠕动泵，第一阀门，第一流量计，光催化膜反应器，第二流量计，第二阀门依次通过管道连通，且第二阀门输出端与超声发生器相通，所述超声发生器上设有过硫酸盐加料器，所述光催化膜反应器上方设有紫外灯，内部设有 TiO₂催化膜，下方依次通过管道连通出水阀门和出水时控传感器，所述 TiO₂催化膜将光催化反应器分成上下两部分，所述第一流量计的输出端与光催化反应器上端出水口相通，所述第二流量计的输入端与光催化反应器下端出水口相通。

作为优选的是，所述超声发生器外轮廓呈矩形。

作为优选的是，过硫酸盐加料器加料口紧贴超声发生器壁设置。

作为优选的是，所述 TiO₂催化膜将光催化反应器分成上下等大小的两部分。

上述一种超声光催化联合污水处理装置的处理工艺，包括以下步骤：

第一步，控制进水时空传感器和出水时空传感器，关闭出水阀门，打开进水阀门，污水进入的同时开始计时，污水流量为50-80mL/min，1-2min后关闭进水阀门，停止进水；

第二步，程序控制过硫酸盐加料器，使其自动沿壁向超声发生器是中投加过硫酸盐；

第三步，打开蠕动泵将经过处理的污水提升至光催化反应上端进水口，使得超声发生器的液面始终低于过硫酸盐加料器的出料口，打开紫外灯，紫外光照射整个光催化反应器；

第四步，通过TiO₂催化膜的渗透液，依次经过光催化膜反应器、流量计和第二阀门回到超声发生器中，循环第三步，直至污水在整个装置内的停留时间达到60-80分钟后，控制时控传感器，打开出水阀门，将处理后的水排出光催化反应器；

第五步，待光催化反应器中水排空后，控制进水时空传感器和出水时空传感器，关闭出水阀门，打开进水阀门，进入新一轮污水处理。

有益效果

1.此光催化膜反应器为负载型光催化膜反应器，催化剂颗粒被固定在相对宏观的载体表面上，从而有效地解决了催化剂粉末易流失、分离回收难等悬浮型光催化膜反应器存在的问题。

2.此装置通过进出水阀门和时控传感器，控制水力停留时间，操作管理简单，维修方便。

3.污水先经过超声辅助过硫酸盐联合降解，为后续光催化膜处理降低有机负荷，有效地缓解膜孔堵塞现象，防止膜污染现象，提高了光催化膜处理效率。

4.此装置中，光催化膜可反复利用，且使用寿命长，处理效果好。

利用循环渗透水，使超声协同过硫酸盐联合降解与光催化膜处理反复进行，避免了涂覆法有负载的催化剂颗粒量有限的局限，而造成的催化剂的有效表面积减少，催化剂的活性下降，出水效果不良的现象。进一步降低水中污染物含量，处理效果好，出水水质良好。

附图说明

图1为本超声光催化联合污水处理工艺的结构示意图。

其中，1为进水阀门，2为进水时控传感器，3为超声发生器，4为蠕动泵、5为第一阀门，6为第一流量计，7为光催化膜反应器，8为紫外灯，9为TiO₂催化膜，10为第二流量计，11为第二阀门，12为过硫酸盐加料器，13为出水阀门，14出水时控传感器，箭头方向为水流方向。

图2为本发明装置处理罗丹明B的效果图。

具体实施方式

实施例1

一种超声光催化联合污水处理装置，包括以下结构：进水阀门1，进水时空传感器2，超声发生器3，蠕动泵4，第一阀门5，第一流量计6，光催化膜反应器7，紫外灯8，TiO₂催化膜9，第二流量计10，第二阀门11，过硫酸盐加料器12，出水阀门，13出水时控传感器14，其中，进水阀门1、进水时空传感器2，超声发生器3，蠕动泵4，第一阀门5，第一流量计6，光催化膜反应器7，第二流量计10，第二阀门11依次通过管道连通，且第二阀门11输出端与超声发生器3相通，所述超声发生器3上设有过硫酸盐加料器13，所述光催化膜反应器7上方设有紫外灯8，内部设有 TiO₂催化膜9，下方依次通过管道连通出水阀门13和出水时控传感器14，所述 TiO₂催化膜9将光催化反应器7分成上下两部分，所述第一流量计6的输出端与光催化反应器7上部分相通，所述第二流量计10的输入端与光催化反应器7下部分相通。

上述超声催化联合污水处理装置的处理工艺，包括以下步骤：

第一步，控制进水时空传感器2和出水时空传感器14，关闭出水阀门13，打开进水阀门1，污水进入的同时开始计时，污水流量为50mL/min，1min后关闭进水阀门1，停止进水；

第二步，程序控制过硫酸盐加料器12，使其自动沿器壁向超声发生器3中投加过硫酸盐，从而在超声反应器内形成超声辅助过硫酸盐联合体系。体系中，超声作用催化过硫酸盐产生SO₄·^－［式(1)］，而SO₄·^－水解,同时生成·OH［式(2)］，SO₄·^－与·OH都是氧化性很强的自由基，在它们的联合作用下，污水中部分污染物降解为为CO₂和水等，低毒、易生物降解的小分子物质，从而达到降解污染物的效果。

第三步，打开蠕动泵4、紫外灯8，蠕动泵4提升处理的水，使液面始终低于过硫酸盐加料器出水管，提升后的水通过管道输送至光催化膜反应器7上端进水口，管道上设有阀门与流量计用以检修时使用。光催化反应器7上内装有 TiO₂催化膜9，光催化反应器7上方装有紫外灯8，在紫外光的作用下，TiO₂催化膜9表面被激发生成氧化性很强的空穴和羟基自由基（·OH），实现无选择性地氧化降解多种有机物并使之矿化。催化剂颗粒 TiO₂负载于分离膜中，利用 TiO₂的高光催化活性和高亲水性实现水中有机物的有效降解去除和膜表面抗污染性能的提高。光催化反应机理如下：

第四步，透过 TiO₂催化膜9的渗透液，依次经过光催化膜反应器7、流量计10和第二阀门11回到超声发生器3中。循环第三步，直至污水在整个装置内的停留时间达到1小时后，控制时控传感器14，打开出水阀门13，将处理后的水排出光催化反应器7。

第五步，待光催化反应器7中水排空后，控制出水时空传感器14和进水时空传感器2，关闭出水阀门13，打开进水阀门1，进入新一轮污水处理。

实施例2

用此装置处理罗丹明B溶液，步骤如下：

步骤1，配溶液

准确称取20mg的罗丹明B，将其溶于超纯水中，并定容至2000ml，制得10mg/L的罗丹明B溶液；

,步骤2，用本发明装置处理

控制进水管罗丹明B溶液流量为50mL/min，进水时间为1min，每10min对超声反应器中的罗丹明B溶液进行测量，发现在1小时内，罗丹明B溶液降解效果明显。结果见图2。

对比例

步骤1同实施例2。

步骤2，用本发明装置处理

控制进水管罗丹明B溶液流量为50mL/min，进水时间为1min.污水只经过超声辅助过硫酸盐高级氧化处理，每10min对超声反应器中的罗丹明B溶液进行测量，1小时后罗丹明B溶液降解结果见图2。

从图2可以看出，现有技术中使用超声辅助过硫酸盐高级氧化处理污水，处理效果并不理想，若要达到相同处理效果，所需时间更长。而本装置处理工艺，由于联合超声辅助过硫酸盐与光催化处理，使处理效率大大提高，同时保证出水水质。