一体型机械式光催化膜分离耦合反应器及其废水处理方法与流程

本发明涉及废水处理技术领域，特别是一种一体型机械式光催化膜分离耦合反应器及其废水处理方法。

背景技术：

近年来，由于工业和经济发展的需求，许多含有有毒物质的工业废水不断排放进入环境，其中的有毒物质难以生物降解，给工农业生产、人民生活和人体健康带来很大危害。如何有效地处理这些导致环境污染的废水成为环境领域的研究热点。光催化氧化技术是一种新型的水污染治理技术，具有高效、节能、适用范围广等特点，常用来处理废水中难以生物降解的有机物，具有广泛的应用前景。其中，光催化剂的使用有两种形式，一种是固定于载体上(即负载型催化剂)，另一种是悬浮分散在溶液中(即悬浮态催化剂)。对于负载型催化剂来说，污染物到达催化剂表面的物质传递过程受到限制，从而使得光催化效率降低。悬浮态催化剂分布均匀，表面积较大，催化效率更高但细小的光催化剂微粒不易为传统的分离技术分离回收，重复利用率低，排出液易产生二次污染，严重限制了其应用。

膜分离技术是近些年迅速发展起来的一种新型分离净化技术。在水处理过程中，通过膜表面的微孔截留作用来达到分离浓缩水中污染物的目的，膜分离过程中一般无相变和二次污染，可在常温下连续操作，具有能耗低、设备体积小、操作方便等优势。然而，膜污染问题导致膜通量下降，并缩短膜的使用寿命，尽管控制膜污染措施取得了一定的研究进展，但仍是膜分离技术发展的主要瓶颈。

光催化氧化技术和膜分离技术有各自的优势，但也存在各自的不足，在水处理行业将二者结合应用的案例较少，光催化-膜分离技术还不够成熟。因此，现有技术还有待于改进和发展。

光催化氧化技术和膜分离技术有各自的优势，但也存在各自的不足，在水处理行业将二者结合应用的案例较少，光催化-膜分离技术还不够成熟。因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够克服现有光催化膜装置构造较为繁杂，反应器固体光催化剂较难分离，膜寿命较短的问题，使用寿命长，成本低廉，一体化程度高的光催化-膜分离反应器。

本发明的另一目的是提供一种能够高效去除水中微量有机物，反冲洗程序简单的处理废水的方法。

技术方案：本发明提供一种一体型机械式光催化膜分离耦合反应器，包括进水区、混合区、反应区和出水区；进水区设有进水口；混合区至少包括混合区侧壁和底部，混合区侧壁可相对其底部上下移动，混合区内设有机械搅拌器，混合区通过其底部与进水区相互连通，混合区通过混合区侧壁与反应区密封隔离；反应区至少包括反应区侧壁，反应区侧壁上设有过滤膜，反应区内设有紫外灯，反应区至少包围混合区侧壁的下部；反应区侧壁将反应区与出水区隔开，出水区设有集水管。

为了提高反应器的废水处理效率，减小反应器体积，使混合区、反应区和出水区呈由内向外依次设置的同心套管状，进水区设置在所述混合区、反应区和出水区下方。

为了使混合区内废水与催化剂充分混合，将混合区底部设置为向混合区下侧凸出的圆锥形结构，且均匀分布有多个进水孔；使混合区底部相对于进水区底部倾斜角度为25～35°，并使混合区底部下端与所述进水区底部接触，这样的结构有利于废水形成环流，从而在混合区内与催化剂充分混合。

为了提高反应区内的光催化反应效率，在反应区内设置围绕混合区平行设置的多个紫外灯，紫外灯发射光的波长为253.7nm，紫外灯外设置有石英保护套管；为了降低反应区温度，提高反应效率，石英保护套管外分别盘绕有冷却盘管。

为了高效分离固体催化剂和废水，并提高过滤膜的稳定性，使反应区侧壁包括支撑板和紧贴所述支撑板设置的过滤膜，支撑板上分布有多个透水孔，过滤膜孔径为0.01～0.03微米。

本发明另一方面提供一种使用上述一体型机械式光催化膜分离耦合反应器处理废水的方法，包括：将光催化剂通过混合区顶部加入到混合区内，将废水从进水口注入反应器，使废水通过混合区底部进入混合区，打开机械搅拌器将废水与光催化剂混合均匀，打开所述紫外灯，向上提拉混合区侧壁，使废水与光催化剂的混合物进入反应区，进行光催化反应。

其中，光催化剂为由75％的锐钛矿和25％的金红石构成的混合物。

为了提高过滤膜的使用寿命，进行光催化剂的重复利用，在光催化反应结束后，从集水管接入反冲洗系统进行反冲洗，将过滤膜上的光催化剂冲入反应区中；将反冲洗频率设置为1/7～1/10，优选为1/9；反冲洗频率是指反冲洗时间与反应器运行进行废水处理的时间之比。

工作原理：本发明的工作原理是：打开混合区上盖，将光催化剂放入反应器混合区内，之后打开进水区的进水口，向进水区注入含有有机污染物的废水，使废水通过混合区底部的进水孔流入混合区。由于混合区底部为向混合区下侧凸出的圆锥状，可在混合区内形成废水上下流动的环流，有助于废水与光催化剂混合均匀，减少水力损失，使得搅拌过程更为充分。注水至混合区侧壁上端以下5cm左右，打开机械搅拌装置，剧烈搅拌约3小时，使催化剂均匀分散在废水中，形成催化剂悬浮液。向上提拉混合区侧壁，使废水与光催化剂的混合物进入反应区，打开紫外灯，光催化剂催化废水中有机污染物的反应开始进行，同时打开冷却盘管开关，降低反应区温度，提高反应效率。接着，废水从反应区经反应区侧壁流向出水区，废水中的光催化剂被过滤膜从废水中分离出去。反应一段时间后，从出水区集水管采样检测处理后的废水中有机物浓度，连续检测三次处理效果合格，说明反应器内部的反应达到了稳定。随后将集水管接入反冲洗系统，进行反冲洗，将光催化剂冲入反应区的有机废水中，继续发挥作用。

有益效果：本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的一体型机械式光催化膜分离耦合反应器，其反应区侧壁由支撑板和包裹在支撑板外侧的过滤膜，反应区侧壁外侧包围设有出水区，该结构可方便地实现光催化处理后废水与光催化剂的分离；反冲洗时，直接将出水区的集水管接入反冲洗系统，使过滤膜上的光催化剂进入反应区的废水中继续发挥催化作用，分离效果高，光催化剂使用效率高；搅拌、固液分离的操作均在一个反应器内反应，不必额外增设装置，方便携带，操作便捷，生产成本低，使得反冲洗操作更加方便进行。

2、本发明的一体型机械式光催化膜分离耦合反应器可以设计成完全自动化的，可以长时间无人值守运行或通过新型无线通信系统远程监控；本发明的反应器处理废水的连续操作是在没有废液流需要进一步处理(即没有新的废液进入反应器)的情况下进行的，从而允许几乎全部的净水回收；该反应器处理废水过程中不需要化学添加剂或其它氧化剂(例如cl2，o3，h2o2)，一体化程度很高，尤其适合作为实验室中试装置，且与常规水处理工艺相比，该反应器能量消耗相对较低，可实现成本有效和环境友好的水净化技术。

说明书附图

图1为本发明反应器的主视图；

图2为本发明反应器的俯视图。

具体实施方式

实施例1

图1为本发明一体型机械式光催化膜分离耦合反应器的视图，图2为本发明一体型机械式光催化膜分离耦合反应器的俯视图。如图1和图2所示，一体型机械式光催化膜分离耦合反应器，设有进水区1、混合区2、反应区3和出水区4。混合区2和反应区3分别为柱状容器，二者侧壁下端平齐，且混合区2、反应区3和出水区4相对位置呈由内向外依次设置的同心套管状。进水区1为横卧在混合区2、反应区3和出水区4下方的管状结构。

进水区1设有进水口5；混合区2包括混合区侧壁6和混合区底部7，混合区侧壁6可相对混合区底部7上下移动，混合区2内设有机械搅拌器8，混合区底部7紧贴进水区1上端，呈向混合区下侧凸出的圆锥形结构，该圆锥形结构相对进水区底部13的倾斜角度为30°(即混合区底部6与水平面夹角约为30度)，混合区底部7均匀分布有多个进水孔，混合区2通过混合区底部7的进水孔与进水区1相互连通，混合区底部7尖端与进水区底部13接触。混合区2底部倾斜角度的设置可以在混合区内形成废水上下流动的环流，使得废水与催化剂混合均匀，减少水力损失，使得搅拌过程更为充分。混合区2下部被反应区3包围，上部伸出反应区3上端，混合区2通过混合区侧壁6与反应区3密封隔离。

反应区3包括反应区侧壁9和反应区上端17，反应区上端17将反应区密封，反应区3内围绕混合区2平行设有4个39w的紫外灯11，紫外灯11发射光的波长为253.7nm，每个紫外灯11分别设置有石英保护套管，紫外灯11浸沉在反应区3的反应室里，石英保护套管外分别盘绕有冷却盘管13，冷却盘管13从反应器底部进入后沿紫外灯11外的石英保护套管外壁自下而上盘绕。混合区侧壁6可相对混合区底部7上下移动。由于混合区2相对于反应区3体积较小，混合完全之后，将混合区2的侧壁6打开时，混合后的液体进入反应区3，水面必然下降，如果反应区3的高度跟混合区2一样高，必然会导致有一大部分上层空间无法利用而浪费，因此使混合区侧壁6高于反应区侧壁9，保证了将混合区侧壁6上拉之后，空间利用较为充分。

出水区4包围反应区3设置，出水区4在其侧壁下端设有平行于进水区1的集水管12。反应区侧壁9由支撑板15和紧贴支撑板15设置的过滤膜10构成，过滤膜10为板式过滤膜形式，孔径为0.03微米，支撑板15上分布有多个透水孔16，过滤膜10孔径为0.03微米，反应区3通过反应区侧壁9的过滤膜10与出水区4相互连通。

在进行废水处理时，打开混合区2上盖，将光催化剂放入反应器混合区2内，光催化剂为由75％的锐钛矿和25％的金红石构成的混合物。之后打开进水区1的进水口5，向进水区1注入含有微量有机污染物的废水，使废水通过混合区底部7的进水孔流入混合区2。由于混合区底部7为向混合区下侧凸出的圆锥形结构，可在混合区2内形成废水上下流动的环流，使得搅拌过程更为充分。注水至混合区侧壁5上端以下5cm左右，打开机械搅拌装置7，剧烈搅拌约3小时，使光催化剂均匀分散在废水中，形成催化剂悬浮液。打开紫外灯11，向上提拉混合区侧壁6，使废水与光催化剂的混合物悬浮液进入反应区，光催化剂催化废水中有机污染物的反应开始进行，同时打开冷却盘管14开关，冷却盘管14用于降低反应区温度，提高反应效率。接着，废水从反应区3经反应区侧壁9流向出水区4，废水中的光催化剂被过滤膜10从废水中分离出去。反应一段时间后，从出水区4集水管12出口采样检测处理后的废水中有机物浓度，连续检测三次处理效果合格，说明反应器内部的反应达到了稳定。随后将集水管12接入反冲洗系统，进行反冲洗，将过滤膜10上的光催化剂冲入反应区3的有机废水中，继续发挥作用，实现光催化剂的重复利用。反冲洗频率为1/9(即反应器运行进行废水处理时间与反冲洗时间之比为9：1)。

实施例2

使用实施例1的一体型机械式光催化膜分离耦合反应器处理焦化废水，焦化废水的初始cod值163.5mg/l，toc值12mg/l，处理条件如下：

处理时间：60min；

光催化剂投量：2.5g/l；

处理后的废水中cod值70.3mg/l，toc值2.8mg/l；

此外采用普通光催化工艺装置处理焦化废水，焦化废水的初始cod值163.5mg/l，toc值12mg/l，实验条件(处理时间和光催化剂投量)完全一致，处理后cod值98.8mg/l，toc值3.9mg/l。

实施例3

使用实施例1的一体型机械式光催化膜分离耦合反应器处理商品腐殖酸配制待处理水，cod值89.8mg/l，toc值8.7mg/l，在下述条件下处理：

处理时间：40min；

光催化剂投量：1.5mg/l；

处理后cod值38.6mg/l，toc值1.6mg/l；

此外采用普通光催化工艺装置处理商品腐殖酸配制待处理水，cod值89.8mg/l，toc值8.7mg/l，实验条件(处理时间和光催化剂投量)完全一致，处理后cod值49.1mg/l，toc值2.9mg/l。

实施例4

取某微污染地表水，浊度12-15，toc值5.8mg/l，高锰酸盐指数3.6mg/l，使用实施例1的一体型机械式光催化膜分离耦合反应器在下述条件下进行处理：

处理时间：30min；

光催化剂投量：1mg/l

处理后浊度0，toc值0.9mg/l，高锰酸盐指数1.1mg/l；

此外采用普通光催化工艺装置处理该微污染地表水，实验条件(处理时间和光催化剂投量)完全一致，处理后浊度0，toc值1.8mg/l，高锰酸盐指数2.3mg/l。