一种用于废水处理的光催化反应装置及方法与流程

1.本发明属于环境保护中污水处理技术领域，具体为一种用于废水处理的光催化反应装置及方法。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，不断提高的生活水平与日益严重的环境污染之间的矛盾愈发突出，污染物的有效防控与治理已成为世界各国政府所面临和亟待解决的难题。在众多的解决方案中，基于紫外诱导的高级氧化技术是利用自由基供体(如h2o2、o3、s2o
82
‑
)与紫外光相结合产生具有强氧化性的羟基自由基(
·
oh)、硫酸根自由基(
·
so4)等，可以快速无选择性地将大多数有机污染物氧化为co2、h2o及无机物，具有除净度高、无二次污染、降解速率快和易于操作等优点；
3.然而，基于紫外诱导的高级氧化技术处理现有废水过程中仍存在以下不足：1、自由基的生成效率低严重影响了有机物降解速率，以h2o2自由基供体为例，一般用于污水处理所使用的253.7nm紫外光，h2o2在此波长的光照射下的摩尔吸光系数低，吸收光子产生
·
oh较少。这就需要加大h2o2的投放量或者延长光照时间才能取得较好的降解效果。然而，大量实验数据表明，过量的h2o2不但不能产生更多的自由基，相反对
·
oh还有一定的捕获作用，造成溶液中
·
oh的表观生成速率还有所降低。因此，过量增加h2o2并不能实现高效降解效果，为此，研究者通过添加一些h2o2催化剂来促进
·
oh自由基的生成，feso4·
7h2o是最常用的催化剂之一，但该反应体系对ph值要求过于苛刻，同时还存在催化剂难以分离与回收，去除过程会产生污泥造成二次污染等风险。因此，如何简单、高效、绿色的促进自由基的生成在有机废水降解过程中至关重要；
4.2、处理能力低，工艺复杂造成成本高居不下而无法大规模商业化应用，一般光催化反应器处理污水能力较低，需要多次循环降解才能达到排放标准，这就需要添加额外储水、搅拌等设备，因而会提高设备的制造成本和使用成本及占地空间，同时还会有复杂的操作工艺；因此，光催化降解有机废水的大规模商业化实际应用迫切需要开发一种高效的非循环式反应器，不需要循环即可达到排放标准，以此来简化工艺，降低反应器的成本、体积，节省空间。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提供一种用于废水处理的光催化反应装置。前期研究发现，温度的提高可以促进
·
oh的产生(图1)，然而，温度的提高势必会带来能耗的增加。因此本发明通过巧妙的设计来提高反应体系温度来增加污水催化氧化效率，大幅减少能量损失，以此来解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种用于废水处理的光催化反应装置，包括进水口、水泵、电磁流量计、换热器、控温辅热器、试剂补充器、温度计、出水口、紫外灯反应箱、控制箱，所述紫外灯反应箱和控制
箱组合在一起；
8.所述控制箱包括上下两层，控制箱的上层设置有控制面板，下层设置为放置腔；所述进水口、水泵、电磁流量计、换热器的第一通道a、控温辅热器、试剂补充器之间依次连接并置于控制箱下层的放置腔内部；
9.所述紫外灯反应箱包括若干个串联紫外灯管式反应器，紫外灯反应箱的下端设置有紫外灯管式反应器入水口，所述紫外灯管式反应器入水口与试剂补充器的末端相连接，所述紫外灯反应箱的上端设置有紫外灯管式反应器出水口，紫外灯管式反应器出水口依次连接换热器第二通道b和出水口。
10.优选的，所述紫外灯管式反应器包括紫外管状光源、套管、进料、出料管、堵头以及紫外灯电源接头，若干所述紫外灯管式反应器通过卡管器倾斜一定角度固定于紫外灯反应箱的内部，所述套管外层依次包裹反光膜以及保温管套，所述水泵、电磁流量计、控温辅热器、试剂补充器、紫外灯电源接头以及温度计的控制端通过连接线与控制箱上层的控制面板电性连接。
11.优选的，所述紫外灯管式反应器出水口处设置有温度计。
12.优选的，所述控制面板包括镇流器、紫外灯开关、水泵开关、风扇开关、电磁流量计控制器、试剂补充控制器、辅热控制器、温度显示器，所述紫外灯电源接头与镇流器电性连接，所述紫外灯反应箱和控制箱底部均安装有脚轮，顶部均安装有风扇。
13.优选的，所述试剂补充器内设置有h2o2溶液，构成uv/h2o2体系，h2o2流速为0.23
‑
0.50ml/s。
14.优选的，所述反应装置的反应温度通过所述控温辅热器控制在85
‑
97℃。
15.优选的，所述换热器为板式换热器、蛇管换热器、列管式换热器中的一种或几种配合使用。
16.优选的，所述的紫外灯管材质为石英，所述紫外灯管的套管材质为石英、玻璃或陶瓷中的一种或几种。
17.本发明还要求保护所述用于废水处理的光催化反应装置进行废水处理的方法，包括如下步骤：
18.s1、首先，通过控制面板开启水泵开关、电磁流量计控制器和试剂补充控制器，将废水以一定流速充满到整个紫外灯管式反应器；
19.s2、关闭水泵、电磁流量计和试剂补充控制器，此时废水为非流动状态，开启所有紫外灯开关，利用紫外灯的加热将这些废水加热到95℃，其作为换热器的初始高温热源；
20.s3、水温达到后，通过控制面板依次开启水泵开关、风扇开关、电磁流量计控制器、试剂补充控制器、辅热控制器、温度显示器，将有机废水从进水口依次通过换热器第一通道a、辅热器和试剂补充器进入紫外灯管式反应器，利用h2o2自由基供体和紫外产生的
·
oh自由基对废水中的有机物进行降解，经光催化处理后的废水通过换热器第二通道b后从出水口排出，每隔一段时间对出水口废水取样进行水样检测。
21.优选的：步骤s3中，降解期间，进水处的室温下的废水与已处理过的高温废水通过换热器进行换热，将约80％热量换回，加热器只需间歇性辅热来控制温度即可，并且根据实际处理能力的需要，选择开启灯管的数量，达标的废水即可直接排放。
22.与现有技术相比，本发明的技术效果和优点：
23.1、本发明中只需要通过提升温度来促进自由基供体产生更多的自由基，无需添加过量自由基供体试剂或者催化剂，简单高效且不产生二次污染；同时，通过巧妙的设计，利用紫外灯管的自身的发热、换热器以及辅热器间歇式加热就可将废水加热到所需温度；降解完毕后，通过换热器又将热能从处理过的高温废水转移到进口的低温废水，有效的避免了热量的损失并大幅度减少了辅热器的耗电量；除此之外，若选用石英或者玻璃外管时，可以选择使用反光纸提高光源的利用率，降低光源在处理废水时的光能损失；
24.2、本发明大幅度提高了光催化分解水中污染物的速度和能力，是一种非循环式反应器，一次出水即可达到排放标准，无二次污染，减少了循环式反应器所需的大体积水槽以及繁琐的工艺操作；
25.3、本发明可通过控制面板，在门关闭的情况下实现灯的开关、温度、流速等控制功能，避免了紫外光对人的伤害，操作安全且方便；总而言之，本发明中所涉及的光能、热能利用率高、降解速率快、成本较低，便于大规模工业化应用。
附图说明
26.图1为不同温度下水杨酸捕获
·
oh自由基实验数据图；
27.图2为本发明中放置腔中内部结构示意图；
28.图3为本发明中紫外灯反应箱的内部结构示意图；
29.图4为本发明中紫外灯管式反应器的结构示意图；
30.图5为本发明中用于废水处理的光催化反应装置结构示意图。
31.图中：1、进水口；2、水泵；3、电磁流量计；4、换热器；5、控温辅热器；6、试剂补充器；7、温度计；8、出水口；9、紫外灯反应箱；10、控制箱；11、放置腔；12、紫外灯管式反应器入水口；13、紫外灯管式反应器出水口；14、紫外灯管式反应器；15、紫外管状光源；16、套管；17、进料管；18、出料管；19、堵头；20、紫外灯电源接头；21、镇流器；22、卡管器；23、控制面板；24、紫外灯开关；25、水泵开关；26、风扇开关；27、电磁流量计控制器；28、试剂补充控制器；29、辅热控制器；30、温度显示器；31、脚轮；32、风扇。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明所使用仪器的厂家如下：
34.水泵(厂家：浙江乐淘泵业有限公司型号：sgr型)
35.电磁流量计及控制器(厂家：金湖赫式仪表有限公司型号:dpld)
36.换热器(厂家：衡水万祥暖通设备有限公司产品型号：米
‑
400型
‑
a)
37.试剂补充器(厂家：卡川尔流体科技有限公司产品型号：nkcp)
38.镇流器(厂家：杭州思海环保设备有限公司产品型号：sx03
‑
2100
‑
320)
39.温度计(厂家：凯泽电气有限公司产品型号：wrnt
‑
05)
40.辅热控制器(厂家：正泰集团股份有限公司产品型号：xmt系列)
41.温度显示器(厂家：衡水市计量电子器具厂产品型号：xmd
‑
200型)。
42.实施例1
43.本发明提出了一种废水处理的光催化反应装置，如图2
‑
图5所示，其结构包括进水口1、水泵2、电磁流量计3、换热器4、控温辅热器5、试剂补充器6、温度计7、出水口8、紫外灯反应箱9、控制箱10，其特征在于：控制箱10包括上下两层，控制箱10上层安装有控制面板23，控制箱10的下层设置为放置腔11，换热器4包括第一通道a和和第二通道b，且进水口1、水泵2、电磁流量计3、换热器4的第一通道a、控温辅热器5、试剂补充器6之间依次连接并置于控制箱10下层的放置腔11内部，反应温度通过控温辅热器5控制在85
‑
97℃；
44.其中，换热器4设置为板式换热器、蛇管换热器、列管式换热器中的一种或几种配合使用；
45.紫外灯反应箱9的下端设置有紫外灯管式反应器入水口12，试剂补充器6末端与紫外灯管式反应器入水口12相连接，试剂补充器6内设置有h2o2溶液，构成uv/h2o2体系，h2o2流速为0.23
‑
0.50ml/s，紫外灯反应箱9的上端设置有紫外灯管式反应器出水口13，温度计7设置在紫外灯管式反应器出水口13处，且紫外灯管式反应器出水口13依次连接换热器4第二通道b和出水口8；
46.紫外灯反应箱9和控制箱10有机组合，紫外灯反应箱9包括若干个串联紫外灯管式反应器14，紫外灯管式反应器14包括紫外管状光源15、套管16、进料管17、出料管18、堵头19以及紫外灯电源接头20，若干紫外灯管式反应器14通过卡管器22倾斜固定于紫外灯反应箱9内部，套管16外层依次包裹反光膜以及保温管套，水泵2、电磁流量计3、控温辅热器5、试剂补充器6、紫外灯电源接头20、温度计7的控制端通过连接线与控制箱10上层的控制面板23电性连接；
47.其中，紫外管状光源15的套管16材质为石英、玻璃或陶瓷中的一种或几种，若选用石英或者玻璃外管时，可以选择包裹反光纸提高光源的利用率；
48.控制面板23包括镇流器21、紫外灯开关24、水泵开关25、风扇开关26、电磁流量计控制器27、试剂补充控制器28、辅热控制器29、温度显示器30，紫外灯电源接头20与镇流器21电性连接，紫外灯反应箱9和控制箱10底部均安装有脚轮31，且紫外灯反应箱9和控制箱10的顶部均安装有风扇32；
49.本处理废水的光催化装置操作流程具体为：
50.s1、通过控制面板开启水泵开关、电磁流量计控制器和试剂补充控制器，并将将废水充满到整个紫外灯管式反应器；
51.s2、关闭水泵、电磁流量计和试剂补充控制器，此时废水为非流动状态，开启所有紫外灯开关，利用紫外灯的加热将这些废水加热到95℃，其作为换热器的初始高温热源；
52.s3、水温达到后，通过控制面板依次开启水泵开关、风扇开关、电磁流量计控制器、试剂补充控制器、辅热控制器、温度显示器，然后将有机废水从进口处依次通过换热器第一通道a、辅热器和试剂补充器进入紫外灯管式反应器；利用h2o2自由基供体和紫外产生的
·
oh自由基对废水中的有机物进行降解，经光催化处理后的废水通过换热器第二通道b后从出水口排出，每隔一段时间对出水口废水取样进行水样检测；
53.其中，步骤s3中，降解期间，进水处的室温下的废水与已处理过的高温废水通过换热器进行换热，将约80％热量换回，加热器只需间歇性辅热来控制温度即可，并且根据实际
处理能力的需要，选择开启灯管的数量，达标的废水即可直接排放。
54.实施例2
55.利用实施例1的光催化降解废水的光催化反应装置进行甲基橙(mo)模拟废水实验，测试条件如下：
[0056][0057]
降解过程中，不同时间对尾水进行随机取样检测；结果表明，无需进行循环，经光催化处理的模拟废水的甲基橙浓度和cod均降为零，达到排放标准(gb 4287
‑
2012)。
[0058]
实施例3
[0059]
利用实施例1的光催化降解废水的光催化反应装置进行甲基橙模拟废水实验，测试条件如下：
[0060][0061]
降解过程中，不同时间对尾水进行随机取样检测；结果表明，无需进行循环，经光催化处理的模拟废水的甲基橙和cod浓度范围分别为0～9.4和15.6～47.47mg
·
l
‑1，均达到排放标准(gb 4287
‑
2012)。
[0062]
实施例4
[0063]
利用实施例1的光催化降解废水的光催化反应装置进行二甲亚砜模拟废水实验，测试条件如下：
[0064][0065]
降解过程中，不同时间对尾水进行随机取样检测；结果表明，无需进行循环，经光催化处理的模拟废水的二甲亚砜和cod浓度范围分别为0～5.35mg
·
l
‑1和0～17.24mg
·
l
‑1，均达到排放标准(gb 8978
‑
1996)。
[0066]
实施例5
[0067]
利用实施例1的光催化降解废水的光催化反应装置进行二甲亚砜模拟废水实验，
测试条件如下：
[0068][0069]
降解过程中，不同时间对尾水进行随机取样检测；结果表明，无需进行循环，经光催化处理的模拟废水的二甲亚砜和cod浓度范围分别为0～6.12mg
·
l
‑1和0～26.68mg
·
l
‑1，均达到排放标准(gb 8978
‑
1996)。
[0070]
实施例6
[0071]
利用实施例1的光催化降解废水的光催化反应装置进行某印染厂生化废水降解实验，测试条件如下：
[0072][0073]
降解过程中，不同时间对尾水进行随机取样检测；结果表明，无需进行循环，此印染厂生化废水经9根紫外灯管一次处理的cod、氨氮、总氮浓度范围分别为0～38.22、4.35～8.33、7.92～12.35mg
·
l
‑1，均达到直接排放的标准(gb 4287
‑
2012)。
[0074]
实施例7
[0075]
利用实施例1的光催化降解废水的光催化反应装置进行某制药厂废水实验，测试条件如下：
[0076][0077]
降解过程中，不同时间对尾水进行随机取样检测；结果表明，无需进行循环，此制药厂废水经9根紫外灯管一次处理的cod、氨氮、总氮浓度范围分别为0～28.35、4.30～7.87、6.92～16.35mg
·
l
‑1，均达到直接排放的标准(gb21907
‑
2008)。
[0078]
综上，本发明中只需要通过提升温度来促进自由基供体产生更多的自由基，无需添加过量自由基供体试剂或者催化剂，简单高效且不产生二次污染；同时，通过巧妙的设计，利用紫外灯管的自身的发热、换热器以及辅热器间歇式加热就可将废水加热到所需温
度；降解完毕后，通过换热器又将热能从处理过的高温废水转移到进口的低温废水，有效的避免了热量的损失并大幅度减少了辅热器的耗电量；除此之外，若选用石英或者玻璃外管时，可以选择使用反光纸提高光源的利用率，降低光源在处理废水时的光能损失；
[0079]
本发明大幅度提高了光催化分解水中污染物的速度和能力，是一种非循环式反应器，一次出水即可达到排放标准，无二次污染，减少了循环式反应器所需的大体积水槽以及繁琐的工艺操作；
[0080]
本发明可通过控制面板，在门关闭的情况下实现灯的开关、温度、流速等控制功能，避免了紫外光对人的伤害，操作安全且方便；总而言之，本发明中所涉及的光能、热能利用率高、降解速率快、成本较低，便于大规模工业化应用。
[0081]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。