一种芬顿氧化处理的光催化膜反应器及其处理方法与流程

1.本发明属于废水处理技术领域，涉及一种芬顿氧化处理的光催化膜反应器及其处理方法。


背景技术：

2.芬顿反应是一种高级氧化反应，通过催化剂分解过氧化氢，产生具有强化性的羧基自由基(oh
·
)，从而达到降解水体中有机污染物的目的。近年来该反应体系对降解有机污染物效果优异，引起了研究人员的广泛关注。为进一步提高降解效率，研究人员将超声、光、电、微波等能量源引入芬顿体系中，发展为类芬顿体系。光芬顿体系可以直接利用自然光源，降低能耗，对于有机物的矿化程度也远高于其他体系，是目前研究最多的类芬顿体系之一。但是传统均相芬顿反应存在铁泥污染等问题，在此基础上开发了非均相芬顿反应。该体系氧化过程主要是在固体催化剂的表面进行的，催化剂通过一定的方法负载于特定固体物质表面，对体系中的污染物质进行氧化降解。非均相芬顿反应催化剂可循环使用，扩大了反应适用范围，节约了成本，提高了催化效果。随着对该反应研究的不断发展，急需从实验室研究转换到实际工程应用，除开发低成本高活性长效催化剂外，设计装置简单，效率高，便于工程放大的反应器至关重要。
3.非均相
‑
光芬顿反应相比传统的化学反应，引入了光系统，实际上为光催化反应器的一种。适用于非均相
‑
光芬顿反应的光催化反应器为负载型光催化器，按催化剂载体的不同可以分为固定床和流化床。固定床反应器结构简化，易于操作，将催化剂固定在成膜上，有平板、环形、管式等。光催化剂负载在膜表面可以有效减轻膜污染现象，使催化剂不易流失，提高膜表面的亲水性，对膜的性能要求比独立光催化膜低，传质效率高，同时具有膜分离技术的优点。
4.膜分离技术作为一种高效节能的新型分离手段，广泛应用于废水处理领域。随着多功能复合膜的研究，膜催化反应器作为一种新型反应器兼具催化与分离双功能，达到提高原料利用率、减轻后续分离能耗的目的。按照催化反应类型可以分为电催化膜反应器、光催化膜反应器等。将膜分离技术和非均相
‑
光芬顿氧化技术集成于一体，使其兼具二者的优点，实现催化氧化与分离双重功能，是一种高效的反应器。
5.cn207659245u公开了一种芬顿
‑
光催化膜反应器废水处理装置，包括桶形的膜反应器，膜反应器连接进水阀，膜反应器内设有紫外光发生装置，所述紫外发生装置包括紫外光灯，紫外光灯外套有石英套管，膜反应器内均布的设有催化剂，所述催化剂为三氧化二铁负载的二氧化钛纳米管/纳米线；膜反应器的底部设有双氧水加药装置；膜反应器内还设有超滤膜组件，超滤膜组通过出水管路连接出水阀。但是当装置连续化运行时，人造光源能耗大，能量利用率不高，设备放大后运行成本上升。
6.cn208135924u公开了一种光催化芬顿法废水处理系统，包括：光催化芬顿池，所述光催化芬顿池具有出水口的进水口；亚铁离子供应设备，所述亚铁离子供应设备通过导管向所述光催化芬顿池供应亚铁离子；过氧化氢供应设备，所述过氧化氢供应设备通过导管
向所述光催化芬顿池供应过氧化氢；还包括光催化发生器，所述光催化发生器通过导气管向所述光催化芬顿池供应气体，所述气体包含羟基自由基；所述光催化芬顿池底部还连入曝气管，所述曝气管位于所述光催化芬顿池内的部分连接多个曝气头。
7.cn106315756a公开了一种光催化
‑
芬顿氧化协同深度处理有机废水装置，该装置包括光催化系统、芬顿氧化系统、曝气系统、催化剂回收系统以及冷却系统；光催化系统组成部分有反应容器，灯源和光催化剂；芬顿氧化系统包括芬顿试剂和搅拌装置；曝气系统由曝气组件和鼓风机组成；催化剂回收系统采用超滤膜进行分离；冷却系统主要对光催化的反应器进行降温。
8.但是目前的反应器，当装置连续化运行时，人造光源能耗大，能量利用率不高，设备放大后运行成本上升。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种芬顿氧化处理的光催化膜反应器及其处理方法，综合了非均相
‑
光芬顿反应和膜分离技术的优点，能耗低，对光利用效率高，操作方便，运行稳定，可用于染料、药品与个人护理用品、内分泌干扰物等难降解有机物废水的处理。
10.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
11.第一方面，本发明提供了一种用于芬顿氧化处理技术的光催化膜反应器，所述的光催化膜反应器包括沿废水流向依次对接的混料装置和反应装置；
12.所述的反应装置包括倾斜设置的筒体，所述筒体接入混料装置的一端高于筒体另一端；所述的筒体内部倾斜设置有至少一个负载有光催化剂的平板膜。
13.本发明在反应装置内设置平板膜，有利于大规模流体输送以及对自然光源的有效利用，使该装置在低能耗的同时获得高效的处理速率，降低设备运行成本。反应装置综合非均相
‑
光芬顿反应和膜分离技术的优点，能耗低，对光利用效率高，操作方便，运行稳定，可用于染料、药品与个人护理用品、内分泌干扰物等难降解有机物废水的处理。
14.需要说明的是，本发明使用的平板膜的数量可以根据实际情况自由增减，因此可以根据实际应用情况对反应器进一步工程放大。亦可通过调整平板膜与光源的角度距离检测不同催化剂对光的活性，或者其他光催化反应的处理效果，进行实验室科研研究。
15.作为本发明一种优选的技术方案，所述的混料装置包括壳体，所述壳体内部设置有搅拌装置。
16.优选地，所述的壳体分别接入废水进管和双氧水进管。
17.优选地，所述的壳体底部设置开设有排泥口。
18.优选地，所述的壳体底部还设置有曝气装置，所述的曝气装置外接进气管。
19.在本发明中，待处理废水通过废水进管进入混料装置，与过氧化氢和空气搅拌混合，泥渣回流到混料装置底部，可在清洗设备时经由经排泥口排除。
20.作为本发明一种优选的技术方案，所述的壳体顶部与反应装置入口对接处设置有导流室。
21.优选地，所述的导流室内设置有至少两片纵向隔板，相邻两片纵向隔板分别固定于导流室顶面和底面，所述的纵向隔板将导流室内分割成蛇形的折流通道。
22.优选地，所述的导流室所在壳体外壁处开设有溢流口，所述溢流口与导流室连通，经导流室过滤的泥渣由溢流口流入反应装置。
23.作为本发明一种优选的技术方案，所述的筒体内壁固定有至少一个紫外灯装置，所述的紫外灯装置与平板膜交替分布。
24.优选地，所述的紫外灯装置与平板膜相互平行。
25.在本发明中，反应装置的光源以自然光源为主，人造光源为辅。当日照充足时，通过调整反应装置的倾角，平板膜可通过卡扣调整其倾角，阳光经过直接或间接通过反射板反射至平板膜表面激发非均匀相
‑
光芬顿反应发生；当日照弱时，开启紫外灯装置，利用人造光源补光。
26.作为本发明一种优选的技术方案，所述的紫外灯装置包括石英管，所述的石英管内轴向设置有至少一个紫外灯管。
27.优选地，所述的石英管内设置有至少三个紫外灯管，所述紫外灯管的截面圆心围成的圆形与石英管的圆形截面呈同心圆分布。
28.优选地，所述的石英管的外径为150～300mm，例如可以是150mm、160mm、 170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、 260mm、270mm、280mm、290mm或300mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
29.优选地，所述的紫外灯管为直管形紫外灯管。
30.优选地，所述的紫外灯管的直径为50～80mm，例如可以是50mm、52mm、 54mm、56mm、58mm、60mm、62mm、64mm、66mm、68mm、70mm、72mm、 74mm、76mm、78mm或80mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
31.优选地，所述的紫外灯管的功率为8w。
32.作为本发明一种优选的技术方案，所述的筒体内侧壁设置有反射板，所述的反射板包括固定于筒体内侧壁上的玻璃钢平板以及贴附于所述的玻璃钢平板表面的氧化铝镀层。
33.本发明通过设置反射板，进一步提高反射效果，增加太阳光利用率。
34.所述的玻璃钢平板表面设置有卡扣，所述的紫外灯装置通过卡扣可拆卸固定于玻璃钢平板上。
35.作为本发明一种优选的技术方案，所述筒体远离混料装置的一端开设有出水口。
36.优选地，所述的筒体远离混料装置的一端开设有采样口。
37.优选地，所述筒体的外侧两端分别设置有高位调节支架和低位调节支架，所述的高位调节支架固定于筒体靠近混料装置的一端，所述的低位调节支架固定于另一端，通过分别调节高位调节支架和低位调节支架的高度实现对筒体倾斜程度的调节。
38.在本发明中，反应装置由高位调节支架和低位调节支架支撑，朝向为东西向阵列，可以通过分别调整高位调节支架和低位调节支架的高度改变反应装置与水平面的夹角。根据反应装置所处地理位置以及季节变化定期调节，实现对自然光源的最大利用。
39.优选地，所述的筒体轴线与水平面的夹角在5～40
°
范围内调节，例如可以是5
°
、10
°
、15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
或40
°
，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
40.作为本发明一种优选的技术方案，所述筒体外接循环管路，所述的循环管路的两
的含义是两个或两个以上。
56.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
57.本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
58.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
59.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种芬顿氧化处理的光催化膜反应器，所述的光催化膜反应器如图1所示，包括沿废水流向依次对接的混料装置1 和反应装置16。
60.所述的反应装置16包括倾斜设置的筒体，筒体接入混料装置1的一端高于筒体另一端；筒体内部倾斜设置有至少一个负载有光催化剂的平板膜9。通过在反应装置16内设置平板膜9，有利于大规模流体输送以及对自然光源的有效利用，使该装置在低能耗的同时获得高效的处理速率，降低设备运行成本。反应装置16综合非均相
‑
光芬顿反应和膜分离技术的优点，能耗低，对光利用效率高，操作方便，运行稳定，可用于染料、药品与个人护理用品、内分泌干扰物等难降解有机物废水的处理。
61.需要说明的是，本发明使用的平板膜9的数量可以根据实际情况自由增减，因此可以根据实际应用情况对反应器进一步工程放大。亦可通过调整平板膜9 与光源的角度距离检测不同催化剂对光的活性，或者其他光催化反应的处理效果，进行实验室科研研究。
62.混料装置1包括壳体，壳体内部设置有搅拌装置3。壳体分别接入废水进管 4和双氧水进管5。壳体底部设置开设有排泥口7，待处理废水通过废水进管4 进入混料装置1，与过氧化氢和空气搅拌混合，泥渣回流到混料装置1底部，可在清洗设备时经由经排泥口7排除。壳体底部还设置有曝气装置6，曝气装置6 外接进气管。壳体顶部与反应装置16入口对接处设置有导流室2，导流室2内设置有至少两片纵向隔板，相邻两片纵向隔板分别固定于导流室2顶面和底面，纵向隔板将导流室2内分割成蛇形的折流通道。导流室2所在壳体外壁处开设有溢流口8，溢流口8与导流室2连通，经导流室2过滤的泥渣由溢流口8流入反应装置16。
63.筒体内壁固定有至少一个紫外灯装置10，所述的紫外灯装置10与平板膜9 交替分布；紫外灯装置10与平板膜9相互平行。紫外灯装置10包括石英管，所述的石英管内轴向设置有至少一个紫外灯管。石英管内设置有至少三个紫外灯管，紫外灯管的截面圆心围成的圆形与石英管的圆形截面呈同心圆分布。石英管的外径为150～300mm。紫外灯管为直管形紫外灯管，紫外灯管的直径为 50～80mm，紫外灯管的功率为8w。
64.筒体内侧壁设置有反射板15，反射板15包括固定于筒体内侧壁上的玻璃钢平板以及贴附于玻璃钢平板表面的氧化铝镀层。玻璃钢平板表面设置有卡扣，紫外灯装置10通过卡扣可拆卸固定于玻璃钢平板上。本发明提供的反应装置16 采用的光源以自然光源为主，人造光源为辅。当日照充足时，通过调整反应装置16的倾角，平板膜9可通过卡扣调整其倾
角，阳光经过直接或间接通过反射板15反射至平板膜9表面激发非均匀相
‑
光芬顿反应发生；当日照弱时，开启紫外灯装置10，利用人造光源补光。
65.筒体远离混料装置1的一端开设有出水口13和采样口12。筒体的外侧两端分别设置有高位调节支架17和低位调节支架14，所述的高位调节支架17固定于筒体靠近混料装置1的一端，所述的低位调节支架14固定于另一端，通过分别调节高位调节支架17和低位调节支架14的高度实现对筒体倾斜程度的调节。筒体轴线与水平面的夹角在5～40
°
范围内调节。反应装置16由高位调节支架 17和低位调节支架14支撑，朝向为东西向阵列，可以通过分别调整高位调节支架17和低位调节支架14的高度改变反应装置16与水平面的夹角。根据反应装置16所处地理位置以及季节变化定期调节，实现对自然光源的最大利用。
66.筒体外接循环管路，所述的循环管路的两端分别接入筒体两端。循环管路的进口端接入筒体远离混料装置1的一端，循环管路的出口端接入筒体靠近混料装置1的一端，循环管路上设置有循环泵11。废水在反应装置16中经循环管路多次循环处理。在采样口12取样，利用紫外分光光度仪进行浓度检测，当水样达到相应排放标准后，经出水口13排出。
67.在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种废水处理方法，采用上述具体实施方式提供的光催化膜反应器对废水进行处理，所述的处理方法包括：
68.向混料装置1内注入双氧水和待处理废水，搅拌混合后的待处理废水经导流室2过滤后由溢流口8溢流进入反应装置16；参考当地维度，通过分别调节高位调节支架17和低位调节支架14的高度实现对筒体倾斜程度的调节以获得充足的日照时数，日照不足时，开启紫外灯装置10进行补光。平板膜9在光照条件下与混合有双氧水的待处理废水接触发生非均相
‑
光芬顿反应，通过采样口 12对处理后的废水进行采样检测，检测达标后排出；检测不达标时，开启循环泵11，废水经循环管路在反应装置16内循环，持续进行非均相
‑
光芬顿反应直至废水达标后排出。
69.示例性地，如表1所示，本发明提供了各主要城市的筒体倾角及峰值日照时数汇总：
70.表1
71.城市水平倾角(
°
)峰值日照时数h/天北京354.21上海254.09天津354.57重庆82.38石家庄375.03郑州294.23长沙203.18昆明254.4
[0072] 在一个具体实施方式中，本发明提供了一种芬顿氧化处理的光催化膜反应器，所述的光催化膜反应器如图1所示，包括沿废水流向依次对接的混料装置1 和反应装置16。
[0073]
所述的反应装置16包括倾斜设置的筒体，接入混料装置1的筒体一端高于筒体另一端；筒体内部倾斜设置有至少一个负载有光催化剂的平板膜9。
[0074]
混料装置1包括壳体，壳体内部设置有搅拌装置3。壳体分别接入废水进管 4和双
氧水进管5。壳体底部设置开设有排泥口7，壳体底部还设置有曝气装置 6，曝气装置6外接进气管。壳体顶部与反应装置16入口对接处设置有导流室2，导流室2内设置有至少两片纵向隔板，相邻两片纵向隔板分别固定于导流室2 顶面和底面，纵向隔板将导流室2内分割成蛇形的折流通道。导流室2所在壳体外壁处开设有溢流口8，溢流口8与导流室2连通，经导流室2过滤的泥渣由溢流口8流入反应装置16。
[0075]
筒体内壁固定有至少一个紫外灯装置10，所述的紫外灯装置10与平板膜9 交替分布；紫外灯装置10与平板膜9相互平行。紫外灯装置10包括石英管，所述的石英管内轴向设置有至少一个紫外灯管。石英管内设置有至少三个紫外灯管，紫外灯管的截面圆心围成的圆形与石英管的圆形截面呈同心圆分布。石英管的外径为150～300mm。紫外灯管为直管形紫外灯管，紫外灯管的直径为 50～80mm，紫外灯管的功率为8w。
[0076]
筒体内侧壁设置有反射板15，反射板15包括固定于筒体内侧壁上的玻璃钢平板以及贴附于玻璃钢平板表面的氧化铝镀层。玻璃钢平板表面设置有卡扣，紫外灯装置10通过卡扣可拆卸固定于玻璃钢平板上。
[0077]
筒体远离混料装置1的一端开设有出水口13和采样口12。筒体的外侧两端分别设置有高位调节支架17和低位调节支架14，所述的高位调节支架17固定于筒体靠近混料装置1的一端，所述的低位调节支架14固定于另一端，通过分别调节高位调节支架17和低位调节支架14的高度实现对筒体倾斜程度的调节。
[0078]
筒体外接循环管路，所述的循环管路的两端分别接入筒体两端。循环管路的进口端接入筒体远离混料装置1的一端，循环管路的出口端接入筒体靠近混料装置1的一端，循环管路上设置有循环泵11。
[0079]
实施例
[0080]
本实施例提供了一种光催化膜反应器，基于一个具体实施方式提供的光催化膜反应器，其中，紫外灯装置10包括外径为200mm石英管，石英管内轴向设置有4个紫外灯管，紫外灯管采用直径为60mm的8w直管型紫外灯管，紫外灯管分布在以石英管中心为圆心，直径为120mm的圆周上。
[0081]
上述光催化膜反应器布置于北京地区，筒体轴线与水平面的夹角为35
°
，平板膜9为负载四氧化铁的多孔陶瓷膜，模拟废水为实验室配制的含有180μg/l 双氯芬酸的废水，添加过氧化氢浓度为37ppm，经峰值日照4.21h后，废水中双氯芬酸的去除率为43％。
[0082]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种芬顿氧化处理的光催化膜反应器，其特征在于，所述的光催化膜反应器包括沿废水流向依次对接的混料装置和反应装置；所述的反应装置包括倾斜设置的筒体，所述筒体接入混料装置的一端高于筒体另一端；所述的筒体内部倾斜设置有至少一个负载有光催化剂的平板膜。2.根据权利要求1所述的光催化膜反应器，其特征在于，所述的混料装置包括壳体，所述壳体内部设置有搅拌装置；优选地，所述的壳体分别接入废水进管和双氧水进管；优选地，所述的壳体底部设置开设有排泥口；优选地，所述的壳体底部还设置有曝气装置，所述的曝气装置外接进气管。3.根据权利要求1或2所述的光催化膜反应器，其特征在于，所述的壳体顶部与反应装置入口对接处设置有导流室；优选地，所述的导流室内设置有至少两片纵向隔板，相邻两片纵向隔板分别固定于导流室顶面和底面，所述的纵向隔板将导流室内分割成蛇形的折流通道；优选地，所述的导流室所在壳体外壁处开设有溢流口，所述溢流口与导流室连通，经导流室过滤的泥渣由溢流口流入反应装置。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的光催化膜反应器，其特征在于，所述的筒体内壁固定有至少一个紫外灯装置，所述的紫外灯装置与平板膜交替分布；优选地，所述的紫外灯装置与平板膜相互平行。5.根据权利要求4所述的光催化膜反应器，其特征在于，所述的紫外灯装置包括石英管，所述的石英管内轴向设置有至少一个紫外灯管；优选地，所述的石英管内设置有至少三个紫外灯管，所述紫外灯管的截面圆心围成的圆形与石英管的圆形截面呈同心圆分布；优选地，所述的石英管的外径为150～300mm；优选地，所述的紫外灯管为直管形紫外灯管；优选地，所述的紫外灯管的直径为50～80mm；优选地，所述的紫外灯管的功率为8w。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的光催化膜反应器，其特征在于，所述的筒体内侧壁设置有反射板，所述的反射板包括固定于筒体内侧壁上的玻璃钢平板以及贴附于所述的玻璃钢平板表面的氧化铝镀层；所述的玻璃钢平板表面设置有卡扣，所述的紫外灯装置通过卡扣可拆卸固定于玻璃钢平板上。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的光催化膜反应器，其特征在于，所述筒体远离混料装置的一端开设有出水口；优选地，所述的筒体远离混料装置的一端开设有采样口；优选地，所述筒体的外侧两端分别设置有高位调节支架和低位调节支架，所述的高位调节支架固定于筒体靠近混料装置的一端，所述的低位调节支架固定于另一端，通过分别调节高位调节支架和低位调节支架的高度实现对筒体倾斜程度的调节；优选地，所述的筒体轴线与水平面的夹角在5～40
°
范围内调节。8.根据权利要求1
‑
7任一项所述的光催化膜反应器，其特征在于，所述筒体外接循环管
路，所述的循环管路的两端分别接入筒体两端；优选地，所述的循环管路的进口端接入筒体远离混料装置的一端，所述的循环管路的出口端接入筒体靠近混料装置的一端；优选地，所述的循环管路上设置有循环泵。9.一种废水处理方法，其特征在于，采用权利要求1
‑
8任一项所述的光催化膜反应器对废水进行处理，所述的处理方法包括：向混料装置内注入双氧水和待处理废水，搅拌混合后通入反应装置，平板膜在光照条件下与混合有双氧水的待处理废水接触发生非均相
‑
光芬顿反应，处理达标后排出。10.根据权利要求9所述的处理方法，其特征在于，搅拌混合后的待处理废水经导流室过滤后由溢流口溢流进入反应装置；优选地，通过采样口对处理后的废水进行采样检测，检测达标后排出；检测不达标时，开启循环泵，废水经循环管路在反应装置内循环，持续进行非均相
‑
光芬顿反应直至废水达标后排出；优选地，参考当地维度，通过分别调节高位调节支架和低位调节支架的高度实现对筒体倾斜程度的调节以获得充足的日照时数；优选地，日照不足时，开启紫外灯装置进行补光。
技术总结
本发明提供了一种芬顿氧化处理的光催化膜反应器及其处理方法，所述的光催化膜反应器包括沿废水流向依次对接的混料装置和反应装置；所述的反应装置包括倾斜设置的筒体，所述筒体接入混料装置的一端高于筒体另一端；所述的筒体内部倾斜设置有至少一个负载有光催化剂的平板膜。综合了非均相


技术研发人员：刘开琪 张佳钰 孙广超 闫明伟
受保护的技术使用者：中国科学院过程工程研究所
技术研发日：2021.04.23
技术公布日：2021/6/25