专利名称：臭氧光催化－生物活性炭深度净化水的方法
技术领域：
本发明属水处理技术领域，涉及一种去除水中污染物的方法，尤其涉及一种被微量有机物污染的水的深度净化方法。
但是，目前所采用的二氧化钛等光催化剂的活性还不够高，需要依靠紫外光激发，而不能利用太阳光中的可见光激发，所以光催化降解污染物的方法存在反应效率低、污染物降解所需要的时间长的缺点。一般地，还需要采用紫外灯作为光催化的光源，由于反应时间长，能耗高，在经济性上难以承受，实际应用的成本很高。此外，目前光催化在水处理中的应用研究基本上都限于污染物浓度较高的情形，没有从光催化的特点出发为光催化技术找到一个合适的应用对象，而处理较高污染物浓度的水，光催化处理所需的时间更长。在目前所尝试应用的水处理领域，与其他技术相比，光催化技术的处理成本太高，经济上不具有竞争力，因此光催化技术在水处理中的应用受到极大的限制。
另一方面，水中微量有机物污染的问题越来越突出，如饮用水源中存在的微量天然有机物和各种各样的有毒有害的人工合成有机物、饮用水中的消毒副产物以及可能存在的痕量内分泌干扰物和持久性有机物，污水回用中也遇到一些微量有机污染物所构成的不安全性。传统的水处理技术很难有效地将水中微量的有机物去除。
臭氧氧化—生物活性炭技术是目前国际上普遍采用的净化水中微量有机污染物的方法，即含有微量污染物的水先经过臭氧氧化，有机物得到初步降解，水中容易被微生物降解的有机物所占比例提高，可生物降解性得到改善，然后再用生物活性炭方法进一步净化。然而，由于臭氧与有机物反应有较强的选择性，即与某些物质反应较快，而与某些物质反应的很慢，不能很有效地降解所有有机物；此外，单独的臭氧氧化单元中，臭氧由气相向水中的传质也不太理想，气相中的臭氧不能充分地溶解在水中，导致臭氧的利用效率不高。其结果是，在臭氧氧化单元，有机污染物不能得到很好的降解，也影响后续生物处理的效果，导致整个臭氧—生物活性炭工艺对微量有机物的去除效率不尽理想。
本发明提供了一种臭氧光催化—生物活性炭深度净化水的方法，其特征在于该方法主要包括下述的臭氧光催化和生物活性炭两个单元待处理的水从放置紫外灯的含有光催化剂的臭氧光催化反应器的下部进入，臭氧气体从所述反应器的底部通入，所述臭氧气体经过所述反应器中的布气板与水均匀混合；水和臭氧气体在所述反应器的停留时间在1～20min之间，水中的有机污染物被去除或转化；初步处理后的水中从所述反应器的上部流出，臭氧尾气从所述反应器的气体排放口排出；经上述初步处理的水从生物活性炭反应器的一侧流入，水流经反应器中填充的生物活性炭层，停留时间在10～80min之间，水中有机污染物被生物降解、去除；处理后的水从所述反应器另一侧流出。
在臭氧光催化单元的臭氧的投加量可以根据进水水质和出水的水质目标确定，在0.5～20mg/L之间；待处理水在臭氧光催化单元和生物活性炭单元的停留时间越长，臭氧投加量越高，则水处理的效果越好，处理后水的水质越好，但是会增加处理成本。
光催化剂可以是二氧化钛、氧化锌等，光催化剂可以采用悬浮的或固定的形式，例如光催化剂涂在臭氧光催化反应器的内壁上，或者是涂在放置在臭氧光催化反应器中的薄片上，或者将光催化剂负载在小颗粒上。
紫外灯放置在所述臭氧光催化反应器的中心，紫外灯外面罩有石英套管，进行防护。
本发明是将臭氧光催化和生物活性炭技术有机的组合在一起，并应用于微污染水的深度净化。本发明的优点是在光催化过程中添加少量臭氧，可以大大地提高有机物的去除速率，大大缩短光催化的处理时间，添加臭氧所需的能耗只有所节省的灯的能耗的几十分之一至十分之一，所以添加少量的臭氧，极大地降低了处理成本；而臭氧在紫外光和催化剂的作用下利用效率提高；将臭氧光催化和生物活性炭组合在一起，利用臭氧光催化易于改变化合物结构而改善可生物降解性能的优点，而利用生物活性炭技术能经济有效去除可生物降解有机物的优点，不仅能高效地去除有机污染物，而且比单纯采用光催化或臭氧光催化更为经济，更具有经济竞争力。所以本发明比单独的光催化、臭氧光催化或光催化—生物处理的处理成本更低，处理效果更好，是一种更加经济高效的深度净化微污染水的方法。
本发明的作用机理如下在臭氧光催化单元，水中的污染物在多种降解作用下被氧化降解并部分转化为二氧化碳和水，这些作用包括光催化氧化作用、臭氧氧化作用、臭氧/紫外氧化作用以及臭氧辅助的光催化作用等。在光催化过程中添加少量的臭氧可以大大地提高光催化降解有机污染物的速率，从而大幅度减少光催化处理的时间、显著降低光催化的成本；而臭氧在紫外光和催化剂的作用下，在水中的传质加快，利用率提高，尾气中臭氧的浓度降低，减少臭氧气体的危害。所以在臭氧光催化单元，有机污染物能更多地被降解或去除，同时有机污染物的可生物降解性能也得到显著提高。在生物活性炭单元，经过臭氧光催化单元处理的水，其中的污染物已经很容易被微生物降解，所以水再经过生物活性炭处理后，污染物被去除的更彻底。臭氧光催化和生物活性炭结合后，并不要求臭氧光催化单元要将污染物充分地降解，而只要求将有机污染物转化为容易被微生物降解的物质，转化后的污染物由生物活性炭单元去除，所以可以大大地减少臭氧光催化的处理时间。由于生物活性炭的处理成本远远低于单独光催化或臭氧光催化的处理成本，所以可以极大地降低水处理的成本。
实施例一臭氧光催化—生物活性炭方法净化水库水如
图1所示，水库水从臭氧光催化反应器100的下部进入，反应器的中心放置罩有石英套管103的紫外灯102，反应器的内壁上涂有的光催化剂101为二氧化钛。臭氧气体从所述反应器的底部通入，臭氧投加量为3mg/L，所述臭氧气体经过所述反应器中的布气板104与水均匀混合；水和臭氧气体在所述反应器的停留时间在16min之间，水中的有机污染物被去除或转化；初步处理后的水中从所述反应器的上部出水口106流出，臭氧尾气从所述反应器的气体排放口105排出；经上述初步处理的水从生物活性炭反应器200一侧的进水口205流入，水流经反应器200中填充的生物活性炭层201，水中有机污染物被生物降解、去除，处理后的水从所述反应器下部出水口202流出。
根据水中污染物的浓度及处理要求，还可以往生物活性炭单元中曝气。生物活性炭单元运转一段时间后，要进行反冲洗以更新生物活性炭的表面，反冲洗水从生物活性炭单元的下部出水口202流入，经过砾石203和生物活性炭层201，最后从上部反冲洗水出水口204排出。
在生物活性炭单元的停留时间分别为15min、30min和60min时，对有机物的去除效果见表1。
单独臭氧光催化方法(O3/TiO2/UV)对水中总有机碳(TOC)和高锰酸盐指数(CODMn)的去除率只有15.4-15.8％和20.6-22.8％，而当与生物活性炭结合，即采用本发明所述的臭氧光催化—生物活性炭方法(O3/TiO2/UV+BAC)时，对TOC和CODMn的去除率则分别达到43.9％和49.3％(水在生物活性炭单元的停留时间为15min)、48.0％和59.4％(水在生物活性炭单元的停留时间为30min)、49.3％和66.8％(水在生物活性炭单元的停留时间为60min)，对TOC和CODMn的去除率增加3-4倍。
表1 臭氧光催化—生物活性炭对水库水的净化效果
注O3/TiO2/UV为臭氧光催化方法；O3/TiO2/UV+BAC为臭氧光催化—生物活性炭方法。
实施例二臭氧光催化—生物活性炭方法净化城市污水处理厂二级出水。
同样，采用本发明所述的臭氧光催化—生物活性炭方法净化城市污水处理厂的二级出水，其中待处理的水在臭氧光催化单元的停留时间为16min，在生物活性炭单元的停留时间为15min。当臭氧光催化单元的臭氧投加量分别为3mg/L和6mg/L时，对水中污染物的去除效果见表2。
臭氧投加量为3mg/L时，臭氧光催化方法(O3/TiO2/UV)对总有机碳(TOC)和高锰酸盐指数(CODMn)的去除率只有27.5％和32.6％，而本发明所述的臭氧光催化—生物活性炭方法(O3/TiO2/LUV+BAC)则分别为51.4％和61.5％，去除率提高近1倍。
臭氧投加量为6mg/L时，臭氧光催化—生物活性炭的对TOC和CODMn的去除效率更高，分别达到57.5％和73.8％，也远远高于单独臭氧光催化方法的效率(分别为32.2％和47.1％)。
表2 臭氧光催化—生物活性炭方法对二级出水中有机物的去除效果
注O3/TiO2/UV为臭氧光催化方法；O3/TiO2/UV+BAC为臭氧光催化—生物活性炭方法。
权利要求
1.臭氧光催化—生物活性炭深度净化水的方法，其特征在于该方法主要包括下述的臭氧光催化和生物活性炭两个单元待处理的水从放置紫外灯的含有光催化剂的臭氧光催化反应器的下部进入，臭氧气体从所述反应器的底部通入，所述臭氧气体经过所述反应器中的布气板与水均匀混合；水和臭氧气体在所述反应器的停留时间在1～20min之间，水中的有机污染物被去除或转化；初步处理后的水中从所述反应器的上部流出，臭氧尾气从所述反应器的气体排放口排出；经上述初步处理的水从生物活性炭反应器的一侧流入，水流经反应器中填充的生物活性炭层，停留时间在10～80min之间，水中有机污染物被生物降解、去除；处理后的水从所述反应器另一侧流出。
2.根据权利要求1所述的净化水的方法，其特征在于所述臭氧光催化单元中的臭氧投加量为0.5mg/L～20mg/L。
3.根据权利要求1或2所述的净化水的方法，其特征在于所述臭氧光催化单元中的光催化剂采用悬浮的形式或者固定的形式放置在反应器中。
4.根据权利要求3所述的净化水的方法，其特征在于所述臭氧光催化单元中的光催化剂是涂在臭氧光催化反应器的内壁上的，或者是涂在放置在臭氧光催化反应器中的薄片上的。
5.根据权利要求3所述的净化水的方法，其特征在于所述臭氧光催化单元中的光催化剂是负载在小颗粒上的。
6.根据权利要求4或5所述的净化水的方法，其特征在于所述紫外灯放置在所述臭氧光催化反应器的中心，紫外灯外面罩有石英套管。
全文摘要
臭氧光催化－生物活性炭深度净化水的方法，属水处理技术领域。为了解决现有技术中光催化去除水中有机污染物效率低，成本高的问题，本发明公开了一种臭氧光催化－生物活性炭深度净化水的方法，主要包括臭氧光催化和生物活性炭两个单元待处理的水从放置紫外灯的含有光催化剂的臭氧光催化反应器的下部进入，臭氧气体从反应器的底部通入，臭氧气体经反应器中的布气板与水均匀混合；水和臭氧气体在反应器的停留时间在1～20min之间，初步处理的水流入填充生物活性炭层的反应器，停留时间在10～80min之间，水中有机污染物被生物降解、去除。本发明能高效地去除有机污染物，比单纯采用光催化或臭氧光催化更为经济，更具有经济竞争力。
文档编号C02F9/14GK1446761SQ0312303
公开日2003年10月8日 申请日期2003年4月28日 优先权日2003年4月28日
发明者张彭义, 祝万鹏, 李来胜, 余刚, 蒋展鹏, 韩文亚, 简丽 申请人:清华大学