一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置。它包括一级预处理反应器、二级预处理反应器、膜催化主反应器、膜催化反应器监测与智能控制系统、膜清洗系统；其特征在于所述的一级预处理反应器包括：无级变速搅拌器、进出水流量计、温度计以及pH探头；二级预处理反应器包括：内含滤料石英砂的多介质过滤器；膜催化主反应器包括：活性炭处理区和催化膜组件区，此外配有真空泵、进水和进/排气系统；膜清洗系统包括：反洗泵、计量泵以及1个清水罐和2个贮药罐。
【专利说明】一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于环保领域，涉及一种工业废水处理方法，更具体地说是一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置。
【背景技术】
[0002]废水中的有机污染物按生物降解性可分为:易降解的有机污染物和难降解的有机污染物。易降解的有机污染物治理已有成熟的处理技术，例如:由活性污泥法和生物膜演化出的多种技术工艺等，但对于难降解的有机污染物处理仍在摸索中，导致部分高浓度难降解废水直接排放，除了资金和管理的原因之外，更主要的还是缺乏高效对路的治理技术。由于难降解有机污染物得不到及时有效的处理，排放到水体等自然环境后更不易通过天然的自净作用减少其含量，使其在水体、土壤等自然介质中不断累积，打破生态系统原有的平衡，给人类赖以生存的环境造成巨大的威胁，并且可以通过食物链进入生物体，最后进入人体危害健康。因此，对于处理含难降解有机污染物废水，开发新型高效实用的处理技术和装置，有着重要的现实意义和实用价值。
[0003]就目前难降解有机污染废水治理对策和方法而言，除了采用清洁生产工艺有限度的减少部分污染物的产生和排以外，尚无快速有效的处理方法。在通常采用的主要方法中，主要包括:不同水质分类处理、强化常规生物处理法以及增加常规生物处理的后处理工艺。具体如下:
[0004]对于“不同水质分类处理”，主要是针对企业所排放的废水中主要由难降解废水、可生化降解废水和可回收利用水组成，难降解废水往往浓度高而水量不会很大，而污染负荷所占全部比率极大的特点，因此将该类水单独分离出来，采用蒸发、焚烧、Fenton试剂法等处理，但上述方法的处理成本较高，在一般工程上难以维持运行。
[0005]对于“强化常规生物处理法”，主要是采用基因技术对活性污泥中菌种进行驯化、诱导和改良，形成特殊污染物降解的优势菌群，但所需降解时间长、易中毒，且在高盐环境下菌群活性低、处理效果差；对于“增加常规生物处理的后处理工艺”，通常采用膜法与蒸发技术，即:微滤(或超滤)+反渗透等膜的方法或各类蒸发技术。其中膜法处理，实际是将污染物富集和浓缩，在分离过程中会产生约占总水量三分之一、浓度为原水浓度约3倍的高浓有机盐水，这部分废水更难得到有效的处理。对于蒸发技术，由于废水处理的产物几乎没有附加值，成本一直是制约因素，为提高能源利用率、降低成本，寻找高效的热泵仍是未能解决的难题。
[0006]膜催化反应技术是近年来发展起来的新技术，已开始在制氢、甲醇、乙醛、丙烷、NH3氧化等反应过程中应用，可有效改变有机物的结构与状态，但在含有多种有机物废水的处理中至今尚未发现使用。
【发明内容】
[0007]本实用新型的方法主要是将臭氧催化反应与膜分离功能相耦合，通过在无机膜的表面负载催化剂，使催化氧化反应与膜分离两个过程集成在一个单元设备中进行，更有选择性的富集与处理废水中含高分子聚合类、氯化芳香族类、多环芳烃类以及杂环类化合物等结构的难降解有机污染物，将含长链分子及环状分子的有机物断链，生成易于降解的小分子物质，或将其分解为二氧化碳、氮气和水等无害物质，并通过膜的分离过滤，将处理后净水迅速移出体系，并在膜的原液侧富集未完全分解的高分子有机物，从而打破浓度平衡的限制，提高反应效率，在较温和的条件下获得较高的处理效果。该技术不仅简化了工艺流程，节约基建投资和运营成本，而且可以控制反应进程，避免深度反应的不良后果，是一种新的废水强化处理技术，可根据要求与多种传统工艺联合使用，适用于各类有机废水的处理。
[0008]为实现上述目的，本实用新型公开了一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置，它包括一级预处理反应器1、二级预处理反应器2、膜催化反应器3、吸水泵4、清洗系统5、在线监测与智能控制系统6、臭氧发生器7、深度处理系统8 ；
[0009]所述系统连接方式在于:各反应器之间的进出水包括一级预处理反应器、二级预处理反应器、膜催化反应器和深度处理系统均由耐腐蚀的PVC管路连接；膜催化反应器进气管与臭氧反应器连接，出气管与一级预处理反应器进气管相连接；在线监测与智能控制系统通过电脑中的智能模块和PLC等实现对膜催化反应器中的臭氧进气量、吸水泵、水质监测传感器等装置的自动控制。
[0010]其原理是:废水经过一级预处理反应器的调节与二级预处理反应器的过滤后，进入膜催化反应器，通过无机膜表面所负载的催化剂，在臭氧的作用下，使催化氧化反应与膜分离两个过程集成在一个单元设备中进行。依靠监测与智能控制系统，保障系统的运行安全，并通过清洗系统实现对膜组件的清洗，实现整套系统的长效稳定运行。
[0011]其特征在于:所述的一级预处理反应器包括:无级变速搅拌器、进出水流量计、温度计以及PH探头；二级预处理反应器包括:内含滤料石英砂的多介质过滤器；膜催化主反应器包括:活性炭处理区和催化膜组件区，此外配有真空泵、进水和进/排气系统；膜清洗系统包括:反洗泵、计量泵以及I个清水罐和4个贮药罐。
[0012]所述的一级预处理反应器I包括:一级预处理主反应器、其中含有无级变速搅拌器、进出水流量计、温度计以及PH探头；污水进出水流量计，通过调节温度，经过无级变速搅拌器调节后与通入的空气和膜催化反应器中残留释放的臭氧一起被迅速搅拌，通过PH探头测定PH值；
[0013]所述的二级预处理反应器2包括:内含滤料石英砂的多介质过滤器2 ；
[0014]所述的膜催化反应器3包括:活性炭处理区和催化膜组件区，此外配有真空泵、进水和进/排气系统；
[0015]①活性炭处理区，位于臭氧从反应器底部，用于去除水中的重金属，废水与臭氧同时经底部活性碳层从进入反应器；
[0016]②膜催化反应区，含难降解有机污染的废水经活性炭区流出后，进入反应器中膜催化氧化区，膜组件采用错流过滤式，表层为催化氧化区，沿径向分层负载用于降解不同类别有机物的催化剂；
[0017]所述的清洗处理系统5主要包括:反洗泵、计量泵以及I个清水罐和2个贮药罐，在2个贮药罐中，分别填一种是专用膜污染复合型清洗药剂；另外一种专用于重度油类污堵的清洗药剂。
[0018]所述的深度净化系统(8):适用于废水再生水，根据出水水质的不同用途与要求，选择和增加后续处理反应器。
[0019]所述的膜催化主反应器3中的臭氧催化氧化和膜分离在一个膜组件上同时进行
[0020]本实用新型更加详细的描述如下:
[0021]一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置，它包括污水一级预处理反应器1、二级预处理反应器2、膜催化反应器3、吸水泵4、深度处理系统5、在线监测与智能控制系统6、臭氧发生器7 ;其中
[0022]所述的污水一级预处理反应器I包括:一级预处理主反应器、其中含有无级变速搅拌器、进出水流量计、温度计以及PH探头；污水进出水流量计，通过调节温度，经过无级变速搅拌器调节后与通入的空气和膜催化反应器中残留释放的臭氧一起被迅速搅拌，通过pH探头测定pH值；
[0023]所述的二级预处理反应器2包括:内含滤料石英砂的多介质过滤器2 ；
[0024]所述的膜催化反应器3包括:活性炭处理区和催化膜组件区，此外配有真空泵、进水和进/排气系统；
[0025]①活性炭处理区，位于臭氧从反应器底部，用于去除水中的重金属，防止膜表面催化剂中毒，废水与臭氧同时经底部活性碳层从进入反应器后，气液充分混合，且可充分氧化被活性碳吸附的有机污染物，保持活性碳的吸附能力。
[0026]②膜催化反应区，含难降解有机污染的废水经活性炭区流出后，进入反应器中膜催化氧化区，膜组件采用错流过滤式，表层为催化氧化区，沿径向分层负载用于降解不同类别有机物的催化剂，当废水被负压吸到膜表面的时候，与臭氧气泡经催化剂作用，发生催化氧化反应，在由膜表面进入膜芯的过程中，水中不同类别的有机污染物在不同催化剂作用下迅速得到分解和过滤。较大分子的有机污染物将被截留在膜表面，直到被彻底氧化为前述两种形式后，经过滤进入膜芯；
[0027]所述的深度处理系统5主要包括:反洗泵、计量泵以及I个清水罐和2个贮药罐，在2个贮药罐中，分别填一种是专用膜污染复合型清洗药剂；另外一种专用于重度油类污堵的清洗药剂，其中；
[0028]专用膜污染复合型清洗药剂指的是下述重量份数的原料:
[0029]羟甲基苯纤维素8~32份羟基亚乙基二磷酸25~52份
[0030]EDTA 3~6份聚丙烯酸15~25份
[0031]十二烷基苯磺酸钠8~12份柠檬酸钠2~17份
[0032]多聚磷酸钠3~10份碳酸钠4~18份；
[0033]专用于重度油类污堵的清洗药剂，指的是下述重量份数的原料:
[0034]氢氧化钠20~30份脂肪醇聚氧乙烯醚5~8份
[0035]单乙醇胺7~10份水60~70份
[0036]所述的膜催化主反应器(3)中的臭氧催化氧化和膜分离在一个膜组件上同时进行。
[0037]本实用新型公开的处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应系统的工作原理: [0038](一)发明原理:[0039]本实用新型提供了一种用于处理高难降解有机化工废水的净化技术与装置，其特征在于将新型臭氧催化技术与膜分离技术相耦合，通过在无机膜的表面负载催化剂，使催化氧化反应与膜分离两个单元操作过程集成在一个单元设备中进行，打破浓度平衡限制，并实现对污水反应过程进行控制，获得较高的处理效率。
[0040](二)方法步骤:
[0041]为实现上述膜臭氧催化反应技术，主要通过以下步骤实施(见图1):
[0042]( I)废水的调节与一级预处理:
[0043]该过程主要是调节废水水质水量，去除水中的油类以及部分较大的悬浮颗粒物，并吸收膜催化反应器中未完全反应所残留的臭氧。废水进入调节反应器后与通入的空气和膜催化反应器中残留释放的臭氧一起被迅速搅拌，其作用是:①将水质调节均匀，使水中颗粒或絮状污染物形成悬浮状态；②通过机械剪切将混合在水中得空气粉碎成细小气泡促进微细气泡粘附在微小油滴和悬浮颗粒物上，通过气浮得到去除；③使废水有机物和有机氮氧化物与通入的空气及膜催化反应器中残留释放的臭氧充分接触和氧化，降解部分易于氧化的有机污染物。
[0044](2) 二级预处理:
[0045]该过程主要是进一步去除废水中悬浮物以及重金属等物质，防治油类、悬浮物对后续反应器中膜组件的堵塞和污染。采用多介质过滤器对一级预处理后的出水进行过滤，主要滤料为石英砂，去除水里油污和悬浮物，防止对后续反应器中膜组件的堵塞和污染。
[0046](3)有机化工废水的臭氧催化降解与膜分离净化:该过程主要是选择性富集废水中高分子有机污染物，并进行催化氧化和降解(见附图2 )。上述过程主要通过以下三个步骤实现:
[0047]①重金属的去除:经过“二级”预处理后的废水与臭氧从反应器底部进入，底部填充活性炭颗粒，主要去除水中的重金属物质，防止膜表面催化剂的“失活”。此外，臭氧经过活性碳层后，一方面可以使进入的汽泡分布均匀，充分与废水混合，另一方面可以氧化被活性碳吸附的有机污染物，保持活性碳的吸附能力。
[0048]②膜表面的多级催化氧化:含难降解有机污染的废水经活性炭区流出后，进入反应器中膜催化氧化区，膜组件为无机膜(负压式)并负载催化剂(见附图3)，表层为催化氧化区，沿径向分层负载用于降解不同类别有机物的催化剂。当废水被负压吸到膜表面的时候，与臭氧气泡经催化剂作用，发生催化氧化反应，在由膜表进入“膜芯”的过程中，水中不同类别的有机污染物在不同催化剂作用下迅速得到分解。此外，水中有机氮和氨氮等物质将被氧化为硝态氮氧化物。
[0049]③膜过滤与净化:废水中的有机污染物被臭氧催化氧化后，一部分有机物被彻底氧化分解为二氧化碳，与反应器中残留的臭氧一起通过排气管进入前端一级预处理反应器后，从废水中溢出；另外一部分有机物虽未被完全氧化，但分子结构却被彻底改变，部分化学键被开环或断开，形成小分子有机物或易于降解的中间体，通过过滤进入“膜芯”;最后剩余的较大分子的有机污染物将被截留在膜表面，直到被彻底氧化为前述两种形式后，经过滤进入“膜芯”。
[0050](4)水质监测、诊断与预警调控:
[0051]在线采集监控水质指标和膜催化系统运行参数，通过智能优化算法评估进水水质对催化剂和膜污染造成的影响，对可能造成的催化剂“失活”和膜组件污染进行预警，通过智能分析软件，快速诊断和分析问题的成因，筛选出可抑制膜污染和催化剂“失活”的最佳控制条件和运行参数，决策出解决问题的最佳控制时段和清洗方案，实现对膜臭氧催化反应设备安全运行的预警和先期防治。
[0052]水质监测、诊断与预警调控包括在线远程监控模块、膜污染预测模块、膜催化反应评估模块、膜催化预警分级模块、膜系统异常情况智能诊断与决策模块、信息资源库管理与人机交互模块6个系统；其中在线远程监控模块:用于实时监控水质指标和膜系统运行参数、在线进行数据采集和对膜设备的远程调控；膜污染预测模块:用于预测和分析膜污染趋势、速度和过程；膜催化反应评估模块:用于评估膜表面臭氧催化反应的进行效果；膜催化预警分级模块:用于膜污染情况进行评估与分级预警；膜系统异常情况智能诊断与决策模块:采用模糊专家系统用于识别膜污染成因，筛选和决策最佳解决方案；信息资源库管理与人机交互模块:用于整个系统数据库的管理，包括信息分类、收集、输入、输出，实现人机信息交互(详见申请号:201020504613.6的描述)。
[0053]本实用新型所述的调控系统指的是:在线采集监控水质指标和膜催化系统运行参数，通过智能优化算法评估进水水质对催化剂和膜污染造成的影响，对可能造成的催化剂失活和膜组件污染进行预警，通过智能分析软件，快速诊断和分析问题的成因，筛选出可抑制膜污染和催化剂失活的最佳控制条件和运行参数，决策出解决问题的最佳控制时段和清洗方案，实现对膜臭氧催化反应设备安全运行的预警和先期防治。
[0054](5)膜组件的清洗:为了防止膜的堵塞和维持运行效果的稳定，需对膜进行在线清洗(正洗、反洗)和定期药洗。具体如下:
[0055]①膜组件的在线清洗
[0056]正洗:即用清水将组件内残余料液清洗干净，用清水以一定流速通过膜的原液侧，将污染物洗出，可采取循环或边洗边排的方式。清洗时间视具体情况而定，清洗周期一般每隔10?30分钟(运行时间)I次。
[0057]反洗:施以低压(一般略大于工作压力)，使清水(自来水或膜过滤水)由膜的出液侧向膜的原液侧渗透，膜原液侧的污染物及渗入微孔中的阻塞物即被洗出，在反洗过程中，透过液不要回到清洗罐以防造成膜净水侧的污染，清洗时间视具体情况而定，清洗周期一般每隔10?20分钟(运行时间)I次。
[0058]②膜组件的药洗:由于膜臭氧催化组件具有优良的抗污染性，一般用物理清洗即可达到较好的效果，若物理清洗不理想，可进行化学清洗，通过专用药液浸泡，使污染物疏松，去除膜组件的污染。
[0059](6)出水的深度净化(适用于再生水):
[0060]受原材料和工艺等多种因素的影响，有机化工废水的水质情况各异，经膜臭氧催化后，废水中悬浮物和绝大多数难降解的有机化工污染物均被去除，因此对于深度处理系统的选择，根据出水水质的不同用途与要求，可参考下表选择。
[0061]表I深度净化系统工艺表
[0062]
【权利要求】
1.一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置，它包括一级预处理反应器(I)、二级预处理反应器(2)、膜催化反应器(3)、吸水泵(4)、清洗系统(5)、在线监测与智能控制系统(6)、臭氧发生器(7)、深度处理系统(8)； 所述的一级预处理反应器(I)包括:一级预处理主反应器、其中含有无级变速搅拌器、进出水流量计、温度计以及PH探头；污水进出水流量计，通过调节温度，经过无级变速搅拌器调节后与通入的空气和膜催化反应器中残留释放的臭氧一起被迅速搅拌，通过PH探头测定pH值； 所述的二级预处理反应器(2)包括:内含滤料石英砂的多介质过滤器(2)； 所述的膜催化反应器(3)包括:活性炭处理区和催化膜组件区，此外配有真空泵、进水和进/排气系统； ①活性炭处理区，位于臭氧从反应器底部，用于去除水中的重金属，废水与臭氧同时经底部活性碳层从进入反应器； ②膜催化反应区，含难降解有机污染的废水经活性炭区流出后，进入反应器中膜催化氧化区，膜组件采用错流过滤式，表层为催化氧化区，沿径向分层负载用于降解不同类别有机物的催化剂； 所述的清洗处理系统(5)主要包括:反洗泵、计量泵以及I个清水罐和2个贮药罐； 所述的深度净化系统(8):适用于废水再生水，根据出水水质的不同用途与要求，选择和增加后续处理反应器。
2.权利要求1所述的一种处理有机废水的耦合式膜臭氧催化反应装置，其特征在于所述的膜催化主反应器(3)中的臭氧催化氧化和膜分离在一个膜组件上同时进行。
【文档编号】C02F9/04GK203683278SQ201420014870
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】许丹宇, 段云霞, 郑先强, 卢学强, 邓小文, 石岩, 张洪雷, 马超华, 檀翠玲 申请人:天津市环境保护科学研究院