專利名稱：一種新型的固定膜光催化氧化水處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的固定膜光催化氧化水處理裝置。本發(fā)明可廣泛用于去除水和廢水中的有機物，特別適用于各種難降解有機廢水、高濃度、高色度有機廢水的處理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)：
近幾十年來，隨著有機化工、石油化工、醫(yī)藥、殺蟲劑等工業(yè)的迅速發(fā)展，有機化合物的種類和產(chǎn)量與日俱增。并通過各種不同的途徑進(jìn)入了人類環(huán)境特別是水環(huán)境，據(jù)估計水環(huán)境中的有機物約有96000種之多。它們對環(huán)境的危害很大。不管是江、河、湖水還是廢水或自來水，其中的有機物污染已成為水污染的主要問題。因此，去除水中的有機污染物已成為水處理的首要任務(wù)之一。特別是垃圾滲濾液、制藥廢水、焦化廢水、造紙廢水、石油化工廢水等高濃度、難降解有機廢水中的有機物和氨氮濃度都很高，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。
光催化氧化始于光照射下半導(dǎo)體中電子的激發(fā)躍遷，以UV/TiO2最為常見。已證明如果有足夠的反應(yīng)時間，光催化氧化可將有機物完全礦化為CO2和H2O等簡單無機物，如同時添加H2O2、O3等外加氧化劑，則效果更佳。但由于傳統(tǒng)的懸浮型光催化氧化是直接將TiO2粉末置于廢水中，通過紫外光照射，反應(yīng)完成后TiO2粉末與水的分離既費時又費力而無法推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)的固定膜光催化氧化采用溶膠一凝膠或氣相淀積等方法預(yù)先在玻璃纖維(布)、玻璃球等載體上制成TiO2膜，成膜方法復(fù)雜、成本高，且成膜的厚度十分有限，光催化氧化反應(yīng)的效率低，難以適應(yīng)實際工程的要求，同時，光催化劑膜“中毒”后的清洗或更換復(fù)雜，因而亦限制了光催化氧化技術(shù)向?qū)嵱眯图夹g(shù)轉(zhuǎn)化。因此，光催化氧化技術(shù)至今未應(yīng)用于實際水處理工程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述問題，設(shè)計一種適用于實際水處理工程需要的、能高效去除水中各種有機物的新型固定膜光催化氧化水處理系統(tǒng)。
本發(fā)明采用化學(xué)氧化、光氧化與光催化氧化聯(lián)用裝置，將水中各種有機物徹底去除。用于實現(xiàn)本發(fā)明目的的裝置由水箱、進(jìn)水泵、化學(xué)氧化反應(yīng)器、光催化氧化反應(yīng)器和流量計及其連成一起的管道、閥門組成?；瘜W(xué)氧化反應(yīng)器由上部進(jìn)水，底部出水。光催化氧化反應(yīng)器是即時成膜型的，由底部進(jìn)水、上部出水。水箱頂部設(shè)有調(diào)速攪拌器。水箱上部依次裝有進(jìn)水管和進(jìn)水控制閥，進(jìn)水管上還依次裝有加藥控制閥與加藥口。水箱下部通過水泵進(jìn)水閥與進(jìn)水泵連接。進(jìn)水泵出口通過一個三通、兩個閥門和兩根管道分上、下兩路分別與化學(xué)氧化反應(yīng)器、光催化氧化反應(yīng)器連接。下路的管道先與化學(xué)氧化反應(yīng)器底部出水口的單向閥連接，然后再通過一個三通分別與光催化氧化反應(yīng)器的底部進(jìn)水口以及光催化氧化反應(yīng)器底部安裝的放空閥連接，以便通過放空閥將光催化劑回收。光催化氧化反應(yīng)器頂部的出水口通過一個三通分兩個支路，一個支路通過出水控制閥與流量計連接，使去除了各種有機物后合格的水從流量計輸出后成為凈水或可排放水；另一個支路通過回流管回流到水箱中形成循環(huán)。進(jìn)水泵的上路的管道通過一個三通分兩路，一路與化學(xué)氧化反應(yīng)器頂部進(jìn)水閥連接，另一路通過一個三通分別與光催化氧化反應(yīng)器頂部回流水管道上的兩個回流水控制閥連接。
化學(xué)氧化反應(yīng)器由圓柱形殼體、帶法蘭的球形上封頭、錐形下封頭及內(nèi)裝的多面體填料組成?；瘜W(xué)氧化反應(yīng)器的下封頭一側(cè)裝有帶單向閥的加料口，以便使氣體氧化劑如臭氧進(jìn)入化學(xué)氧化反應(yīng)器，參與化學(xué)氧化、光氧化作用。
光催化氧化反應(yīng)器是即時成膜型的，由帶法蘭的球形上封頭、錐形下封頭、圓柱形殼體、有孔的隔板、濾元以及帶石英套管的紫外線殺菌燈組成，可按需即時成膜、發(fā)生光催化氧化反應(yīng)并即時將光催化劑膜反沖洗掉。有孔的隔板將光催化氧化反應(yīng)器分隔為兩部分，上部為清水室，下部為光催化氧化反應(yīng)室。濾元可以通過圓環(huán)形頂板、不銹鋼柱、圓形底板牢固焊接成圓柱形骨架；也可以通過中空的六邊形頂板、六邊形底板和不銹鋼柱通過螺帽牢固連接成六面體形狀的濾元骨架，然后再在骨架外面緊緊包裹不銹鋼網(wǎng)或尼龍網(wǎng)、塑料網(wǎng)制成。濾元的外面網(wǎng)上可按需即時涂敷或清除光催化劑膜，以滿足去除水中有機物的工藝要求。與濾元固為一體的頂部固定板和有孔的隔板用濾元螺母、濾元螺栓固定連接。通過螺栓和螺母將帶法蘭的球形上封頭、固有濾元的有孔隔板、圓柱形殼體固為一體。本發(fā)明的光催化氧化反應(yīng)器中紫外線殺菌燈穿過上封頭與電源連接，石英套管與上封頭通過絲口屏帽密封為一體。帶石英套管的紫外線殺菌燈可置于濾元內(nèi)部，也可置于濾元外部。紫外線殺菌燈置于濾元外部時可以從光催化氧化反應(yīng)器上封頭插入，也可以從光催化氧化反應(yīng)器殼體外側(cè)插入。為了增大光照強度，也可以在濾元內(nèi)部和濾元外部同時設(shè)置紫外線殺菌燈。
工作時，首先在預(yù)先加有水的水箱中加入光催化劑粉末，開動調(diào)速攪拌機，制成漿液。然后啟動進(jìn)水泵，光催化劑漿液開始在水箱和光催化氧化反應(yīng)器之間循環(huán)。經(jīng)過20min的循環(huán)，漿液會變清，此時濾元表面已經(jīng)形成了光催化劑濾膜。然后開始向水箱中注入廢水，點亮紫外線殺菌燈，打開并調(diào)節(jié)光催化氧化反應(yīng)器出水閥，根據(jù)廢水水質(zhì)和出水水質(zhì)要求控制出水流量，即控制廢水在光催化氧化反應(yīng)器中的停留時間，多余的廢水回流到水箱。當(dāng)廢水流經(jīng)光催化劑濾膜時，在紫外線的照射下，光催化劑被激發(fā)并產(chǎn)生具有極強氧化能力的羥基自由基(·OH)，可直接將水中的有機污染物氧化降解為CO2、H2O等簡單無機物，或者將難生物降解的有機污染物氧化為可生物降解的有機物，提高廢水的可生化性。
為了提高光催化氧化反應(yīng)的速率和效率，還可以在水箱或化學(xué)氧化反應(yīng)器中投加化學(xué)氧化劑。本發(fā)明中采用的氧化劑可以是臭氧、雙氧水或純氧、也可以是空氣。液體或固體的氧化劑可通過水箱上部待處理水的進(jìn)水管上的加藥口加入水箱中反應(yīng)，氣體氧化劑可通過化學(xué)氧化反應(yīng)器底部的加料口加入。
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。
本發(fā)明具有下列特點和優(yōu)點1、由于在組成本發(fā)明的水箱、化學(xué)氧化反應(yīng)器、即時成膜型的光催化氧化反應(yīng)器中加入O3或(和)H2O2等氧化劑和TiO2等光催化劑，使本發(fā)明實現(xiàn)了化學(xué)氧化、光氧化與光催化氧化聯(lián)用。本發(fā)明的光催化劑膜不需要預(yù)先制成，而是即時形成、即時反沖洗掉。光催化劑膜的厚度和孔徑、配方可隨時調(diào)整。光強度也可按需調(diào)整。所形成的光催化劑膜孔徑相當(dāng)于精濾膜，因而在完成光催化反應(yīng)的同時具有精濾作用，可以同時去除水的濁度、SS、膠體、懸浮物和漂浮物，濾后水的濁度可達(dá)零Ntu，水質(zhì)清澈透明，因此本發(fā)明不僅解決了光催化劑的固定化問題，解決反應(yīng)后光催化劑與水的分離問題，而且光催化氧化反應(yīng)的效果好。
2、本發(fā)明的即時成膜型的光催化氧化反應(yīng)器中的濾元可以預(yù)先組建好，濾元上可以方便的即時形成光催化劑膜，設(shè)置的紫外線殺菌燈可以方便地取出更換，所以本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、維修方便。
3、由于本發(fā)明可利用進(jìn)水泵方便地將光催化劑膜反沖洗掉，反沖洗下的光催化劑還可以再次利用。所以，本發(fā)明不但解決了反應(yīng)后光催化劑與水的分離問題，而且還可以回收光催化劑，運行費用低。
4.本發(fā)明用途廣泛，既可以單獨用做各種水和廢水的處理，又可以作為常規(guī)水處理流程的預(yù)處理或終端處理，出水可直接排放或回用，省去沉淀、氣浮或其它固液分離手段及終端消毒措施。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
圖2為本發(fā)明的光催化氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為光催化氧化反應(yīng)器的A-A示意圖。
圖4為光催化氧化反應(yīng)器的濾元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為光催化氧化反應(yīng)器的濾元的B-B示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1。本發(fā)明由水箱1、進(jìn)水泵6、光催化氧化反應(yīng)器12、化學(xué)氧化反應(yīng)器20和流量計15通過管道連接而成。水箱1頂部安裝調(diào)速攪拌機2，調(diào)速攪拌機2的攪拌漿置于水箱1內(nèi)。水箱1上部依次設(shè)有進(jìn)水管和進(jìn)水控制閥4。進(jìn)水管上還依次裝有加藥控制閥3和加藥口，以便按需將液體或固體氧化劑加入水箱1內(nèi)。水箱1下部通過水泵進(jìn)水閥5與進(jìn)水泵6連接。進(jìn)水泵6的出口依次通過一個三通、兩個閥門7、8和兩根管道分上、下兩路分別與化學(xué)氧化反應(yīng)器20、光催化氧化反應(yīng)器12連接?；瘜W(xué)氧化反應(yīng)器20由上部進(jìn)水，底部出水。光催化氧化反應(yīng)器12由底部進(jìn)水、上部出水，其正面還設(shè)有觀察窗13。進(jìn)水泵6的下路的管道先與化學(xué)氧化反應(yīng)器20底部出水口的單向閥10連接，然后再通過一個三通與光催化氧化反應(yīng)器12的底部進(jìn)水口及光催化氧化反應(yīng)器12底部的放空閥11連接，以便通過放空閥11將光催化劑回收。光催化氧化反應(yīng)器12頂部的出水口通過一個三通分兩個支路，一個支路通過出水控制閥14與流量計15連接，使去除了各種有機物后合格的水從流量計15輸出后成為凈水或可排放水；另一個支路通過回流管及回流水控制閥16、23，回流到水箱1中形成循環(huán)。進(jìn)水泵6的上路的管道通過一個三通分兩路，一路與化學(xué)氧化反應(yīng)器20頂部進(jìn)水閥21連接，另一路通過閥門22和一個三通，分別與光催化氧化反應(yīng)器12頂部回流水管道上的回流水控制閥16、23，以及與水箱1連接的回流水管道連接構(gòu)成。
化學(xué)氧化反應(yīng)器20由殼體19、上、下封頭及內(nèi)裝的多面體填料18組成?；瘜W(xué)氧化反應(yīng)器20的下封頭一側(cè)裝有帶單向閥9的氣體氧化劑如臭氧的加入口。加入的氣體氧化劑通過化學(xué)氧化反應(yīng)器20下部設(shè)有的多孔板17向上與上部噴淋下來的廢水在多面體填料18中接觸、混合并完成化學(xué)氧化反應(yīng)。
請參閱圖2和圖3。本發(fā)明的光催化氧化反應(yīng)器12為即時成膜型的，由球形上封頭24、有孔的隔板25、螺栓26、螺母27、圓柱形殼體28、石英套管30保護(hù)的紫外線殺菌燈29、濾元31、錐形下封頭32、布水板33、絲口屏帽36組成，其正面設(shè)有觀察窗13。有孔的隔板25將光催化氧化反應(yīng)器12分隔為兩部分，上部為清水室，下部為光催化氧化反應(yīng)室。置于殼體28內(nèi)的4個濾元31均與有孔的隔板25通過濾元螺母34、濾元螺栓35固為一體，再用螺栓26和螺母27將上封頭24、固有濾元31的有孔的隔板25、殼體28固為一體。帶有石英套管30的紫外線殺菌燈29穿過上封頭24插入濾元31中。石英套管30與上封頭24通過絲口屏帽36密封為一體。圓錐形下封頭32的下端固有布水板33。請參閱圖4和圖5。每一個濾元31均由頂部固定板37、頂板38、不銹鋼絲網(wǎng)39、柱40和底板41牢固連接構(gòu)成。頂板38為圓環(huán)形，其外緣直徑和圓形底板41的直徑相等。先將12根柱40牢固焊接在頂板38和底板41的外緣，組成骨架，然后再在骨架外面緊緊包裹不銹鋼網(wǎng)39，使濾元31呈現(xiàn)為圓柱體形狀。濾元31的頂板38與頂部固定板37焊接為一體，再通過濾元螺母34、濾元螺栓35將濾元31上的頂部固定板37與多孔板25固為一體。濾元31的內(nèi)部設(shè)有帶石英套管30的紫外線殺菌燈29。不銹鋼絲網(wǎng)39上可按需即時涂敷或清除光催化劑濾料，以滿足去除水中有機物和濁度、SS、膠體、懸浮物、漂浮物及細(xì)菌、病毒的工藝要求。
工作時，首先在預(yù)先加有水的水箱1中加入市售的TiO2粉末，開動調(diào)速攪拌機2，制成漿液。然后打開閥門5，啟動進(jìn)水泵6，再打開閥門7、回流水控制閥16、23，光催化劑漿液由下部進(jìn)入光催化氧化反應(yīng)器12，由濾元外面不銹鋼網(wǎng)39的縫隙進(jìn)入濾元31內(nèi)部流入清水室，再由光催化氧化反應(yīng)器12上部流出，并開始在水箱1和光催化氧化反應(yīng)器12之間循環(huán)。經(jīng)過20分鐘的循環(huán)，光催化劑漿液變清，此時濾元31表面已經(jīng)形成了光催化劑濾膜。然后向水箱1中注入廢水，再點亮紫外線殺菌燈29，再打開并調(diào)節(jié)出水控制閥14，控制出水流量計15在符合工藝要求的出水流量，依據(jù)廢水水質(zhì)確定廢水在光催化氧化反應(yīng)器12中的停留時間，多余的廢水則回流到水箱1。當(dāng)廢水流經(jīng)光催化劑濾膜時，在紫外線的照射下，光催化劑被激發(fā)并產(chǎn)生具有極強氧化能力的羥基自由基(·OH)，可直接將水中的有機污染物氧化降解為CO2、H2O等簡單無機物。在光催化氧化反應(yīng)進(jìn)行的同時，光催化劑膜也在發(fā)揮過濾作用。
如果需要投加液體氧化劑如雙氧水，則可通過水箱1上部廢水進(jìn)水管上的加藥口及閥門3將氧化劑投加在廢水中并在水箱1中完成化學(xué)氧化反應(yīng)。
如果需要投加氣體氧化劑如臭氧，則可在光催化氧化反應(yīng)器12開始工作，控制好流量計15的出水流量后，打開進(jìn)水閥21，再慢慢打開閥門8，同時慢慢關(guān)閉閥門7，廢水由化學(xué)氧化反應(yīng)器20上部流入，下部流出后再進(jìn)入光催化氧化反應(yīng)器12。打開臭氧發(fā)生器電源，臭氧通過單向閥9進(jìn)入化學(xué)氧化反應(yīng)器20，并通過化學(xué)氧化反應(yīng)器20下部設(shè)有的多孔板17向上與上部噴淋下來的廢水在多面體填料18中接觸、混合并完成化學(xué)氧化反應(yīng)。在化學(xué)氧化反應(yīng)器20中沒有反應(yīng)完全的臭氧則在光催化氧化反應(yīng)器12中發(fā)生光氧化反應(yīng)。
經(jīng)過一定時間的化學(xué)氧化、光催化氧化、光氧化反應(yīng)和過濾，光催化劑膜表面的濾渣層將慢慢變厚，光催化氧化反應(yīng)器12反應(yīng)室與清水室之間的水頭損失將不斷增加。當(dāng)水頭損失達(dá)到0.1Mpa或通過調(diào)節(jié)出水控制閥14、回流水控制閥16也不能獲得需要的出水流量時，即可停止反應(yīng)，進(jìn)行沖洗。先關(guān)閉出水控制閥14，回流水控制閥23，再關(guān)閉閥門8、進(jìn)水閥21，關(guān)閉進(jìn)水泵6。然后打開光催化氧化反應(yīng)器12的放空閥11，90％以上的光催化劑濾膜將脫落并隨水流出、回收。再開啟進(jìn)水泵6，打開閥門8、閥門22、回流水控制閥16，自上而下反向沖洗濾元31上的光催化氧化劑濾膜，沖洗下來的光催化劑可以回收。當(dāng)濾元沖洗干凈后即可開始新的成膜和反應(yīng)過程。
本發(fā)明既可單獨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。
權(quán)利要求
1.一種新型的固定膜光催化氧化水處理系統(tǒng)，其特征是由水箱(1)、進(jìn)水泵(6)、化學(xué)氧化反應(yīng)器(20)、光催化氧化反應(yīng)器(12)和流量計(15)通過管道連接而成；水箱(1)內(nèi)設(shè)有調(diào)速攪拌機(2)，水箱(1)上部依次設(shè)有進(jìn)水管和進(jìn)水控制閥(4)，進(jìn)水管上依次裝有加藥控制閥(3)和加藥口；水箱(1)下部通過水泵進(jìn)水閥(5)與進(jìn)水泵(6)連接；進(jìn)水泵(6)的出口通過一個三通、兩個閥門(7)、(8)和兩根管道分上、下兩路分別與化學(xué)氧化反應(yīng)器(20)、光催化氧化反應(yīng)器(12)連接；下路的管道先與化學(xué)氧化反應(yīng)器(20)底部出水口的單向閥(10)連接，然后再通過一個三通分別與光催化氧化反應(yīng)器(12)的底部進(jìn)水口及放空閥(11)連接；光催化氧化反應(yīng)器(12)頂部的出水口通過一個三通分兩個支路，一個支路通過出水控制閥(14)與流量計(15)連接，另一個支路通過回流管及回流水控制閥(16)、(23)回流到水箱(1)中形成循環(huán)；進(jìn)水泵(6)的上路的管道通過一個三通分兩路，一路與化學(xué)氧化反應(yīng)器(20)頂部進(jìn)水閥(21)連接，另一路通過閥門(22)和一個三通，分別與光催化氧化反應(yīng)器(12)頂部回流水管道，以及與回流水控制閥(23)、水箱(1)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的固定膜光催化氧化水處理系統(tǒng)，其特征是所述的化學(xué)氧化反應(yīng)器(20)由殼體(19)、上、下封頭、多孔板(17)及多面體填料(18)組成；下封頭一側(cè)裝有帶單向閥(9)的加料口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的固定膜光催化氧化水處理系統(tǒng)，其特征是所述的光催化氧化反應(yīng)器(12)由球形上封頭(24)、有孔的隔板(25)、螺栓(26)、螺母(27)、圓柱形殼體(28)、石英套管(30)、紫外線殺菌燈(29)、濾元(31)、錐形下封頭(32)、布水板(33)、絲口屏帽(36)組成置于殼體(28)內(nèi)的濾元(31)均與有孔的隔板(25)通過濾元螺母(34)、濾元螺栓(35)固為一體，再用螺栓(26)和螺母(27)將上封頭(24)、有孔的隔板(25)、殼體(28)固為一體；帶有石英套管(30)的紫外線殺菌燈(29)穿過上封頭(24)插入濾元(31)中；石英套管(30)與上封頭(24)通過絲口屏帽(36)密封為一體；圓錐形下封頭(32)的下端固有布水板(33)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光催化氧化反應(yīng)器(12)，其特征是濾元(31)由頂部固定板(37)、頂板(38)、柱(40)和底板(41)牢固連接成圓柱形或六面體形狀的濾元骨架，再在骨架外面緊緊包裹不銹鋼絲網(wǎng)(39)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光催化氧化反應(yīng)器(12)，其特征是濾元(31)的骨架外也可以包裹尼龍網(wǎng)或塑料網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光催化氧化反應(yīng)器(12)，其特征是帶石英套管(30)的紫外線殺菌燈(29)可以置于濾元(31)內(nèi)部，也可以置于濾元(31)外部，還可以在濾元(31)內(nèi)部和濾元(31)外部同時設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光催化氧化反應(yīng)器(12)，其特征是光催化劑可以是TiO2、WO3、ZrO2、V2O5、MoO3、ZnO2粉末中的一種或幾種混合。
全文摘要
一種新型的固定膜光催化氧化水處理系統(tǒng)，涉及能去除水和廢水中的有機物的裝置。由水箱(1)、進(jìn)水泵(6)、化學(xué)氧化反應(yīng)器(20)、光催化氧化反應(yīng)器(12)和流量計(15)通過管道連接而成。光催化氧化反應(yīng)器(20)的光催化劑可即時形成、即時反沖洗掉，且厚度和孔徑、配方可隨時調(diào)整。本發(fā)明實現(xiàn)了化學(xué)氧化、光氧化與光催化氧化聯(lián)用，解決了光催化劑的固定化問題，并能回收光催化劑，運行費用低，處理效果好，結(jié)構(gòu)合理，維修方便，用途廣泛。既可以單獨用做各種水和廢水的處理，又可作為常規(guī)水處理流程的預(yù)處理或終端處理，出水可直接排放或回用。特別適用難降解有機廢水、高濃度、高色度有機廢水的處理及飲用水的深度處理、高純水的終端處理及預(yù)處理。
文檔編號C02F1/32GK1420087SQ0215769
公開日2003年5月28日 申請日期2002年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月24日
發(fā)明者魏宏斌, 彭海清, 徐迪民 申請人:同濟(jì)大學(xué)