一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器的製作方法

2023-05-24 21:50:21

專利名稱：一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，屬於廢水處理與回用的技術領域。
背景技術：
目前汙水廢水處理多採用生物法，其中，厭氧生物技術因其具有產能的特點，應用前景廣闊。厭氧膜生物反應器是厭氧生物技術與膜分離技術的結合，厭氧絮狀汙泥或顆粒汙泥可以有效地去除汙水廢水中可生化降解的有機汙染物，膜分離作用可實現高效的固液分離，並且進一步提高出水水質。但是，厭氧膜生物反應器對難生化降解和不可生化降解的有機汙染物(如偶氮化合物、多氯聯苯等)作用很小。因此，單純的厭氧膜生物法在難降解廢水的處理與回用領域有一定的局限性。現有採用內循環厭氧膜生物技術處理汙水廢水的技術:中國專利CN102502957公開了一種單反應區的內循環厭氧膜生物反應器，該裝置是對現有單反應區的內循環厭氧反應器的改進，是由反應器主體、進水管、出水管、降流管、升流管、出泥管和沼氣管組成，反應區主體內設隔板，將反應區主體分為上下兩部分，下部為反應區；上部由所設的第二隔板分為降流區和膜組件區。該裝置的突出特徵在於:在現有單反應區的內循環厭氧反應器的基礎上引入了膜分離技術，實現固液分離。該裝置的優點在於:由於膜組件的設置，膜組件區的容積小於原來的沉澱區，使得反應器的總容積減小；由膜組件實現固液分離代替了原有的三相分離沉澱分離，有效克服了現有單反應區的內循環厭氧反應器跑泥的問題，在該反應器中可以獲得更高的汙泥濃度，提高汙水廢水處理效率。但是該專利提供的反應器結構複雜，設計、製造和操作技術要求高；內循環是由升流管和降流管結合實現的，由於管徑較細，容易發生阻塞，阻礙循環；而且該專利也並未就難降解和不可降解的廢水做進一步處理。現有的採用光催化法處理汙水廢水的技術:中國專利CN201762164U公開了一種懸浮活性炭光催化臭氧水處理裝置屬於分離裝置，是由光催化反應筒、紫外光光源和分離器組成。光催化反應筒下端蓋上設有進水口和進氣口，在下封蓋的內側設有氣體整流罩，其管口上設分布器，氣體整流罩上部同心安裝導流筒，導流筒外部為光催化反應筒，與分離器相聯接。石英管從分離器頂部穿過，直接深入導流筒內，並通過紫斥光燈管固定板固定。紫外光燈管安轉於石英管內，導線伸出外部。本實用新型懸浮活性炭光催化臭氧水處理裝置，通過氣提作用使顆粒活性炭處於懸浮運動狀態，在一個裝置內實現固體催化劑和紫外光協同催化臭氧生成羥基自由基(.0H)，反應器效率高；升降流區密度差形成的液體循環，增強了臭氧化氣體和液體間的傳質作用，同時降流區的液體向下流運動形成臭氧化氣體的夾帶效應，增加了臭氧化氣體在反應器內停留時間，極大地提高了臭氧的利用率。該專利利用催化臭氧氧化原理對所述的汙水廢水進行處理，其處理原料成本較高，且有一定毒性；固體催化劑和紫外光協同催化臭氧氧化容易實現芳烴類、偶氮類等難生化降解的有機物的無機化，但是對於飽和鏈烴類等易生化降解的有機物礦化效果不明顯，不能實現對汙水廢水中易生化降解和難生化降解有機汙染物的同時處理。

實用新型內容針對現有技術的不足，本實用新型提供一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器。技術術語解釋:陶瓷膜:是固態膜的一種，主要是Al2O3, ZrO2, TiO2和SiO2等無機材料製備的多孔膜，其孔徑為2 - 50nm。具有化學穩定性好，能耐酸、耐鹼、耐有機溶劑，機械強度大，可反向衝洗，抗微生物能力強，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等特點。二氧化鈦光催化的機理=TiO2屬於一種η型半導體材料，它的禁帶寬度為3.2ev(銳鈦礦)，當它受到波長小於或等於387.5nm的光(紫外光)照射時，價帶的電子就會獲得光子的能量而越前至導帶，形成光生電子(e_);而價帶中則相應地形成光生空穴(h+)。如果把分散在溶液中的每一顆TiO2粒子近似看成是小型短路的光電化學電池，則光電效應產生的光生電子和空穴在電場的作用下分別遷移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生電子e_易被水中溶解氧等氧化性物質所捕獲，而空穴h+則可氧化吸附於TiO2表面的有機物或先把吸附在TiO2表面的0H_和H2O分子氧化成.0H自由基，.0H自由基的氧化能力是水體中存在的氧化劑中最強的，能氧化水中絕大部分的有機物及無機汙染物，將其礦化為無機小分子、CO2和H2O等無害物質。二氧化鈦光催化的基本化學反應過程如下:TiO2光催化降解有機物，實質上是一種自由基反應。本實用新型的技術方案如下:一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，包括反應筒、氣提筒、三相分離器和膜組件，在所述的反應筒的底部設置有進水管與進氣管；在反應筒的內部軸向自下而上設置有沼氣曝氣盤、氣提筒和三相分離器；在所述氣提筒的上方罩設有三相分離器，所述三相分離器包括自上而下設置的導流筒和傘狀導流罩，在傘狀導流罩的外邊緣設置有向內翻折的導流沿，所述導流筒的上端通過所述反應筒的頂蓋與外部出氣管相連通，並通過氣泵與所述的沼氣曝氣盤相連通；在所述反應筒內、且與所述導流筒水平對應的位置上設置有膜組件，所述膜組件通過反應筒側壁與外部的出水管相連；其特徵在於，所述膜組件為負載有納米二氧化鈦顆粒的圓筒形陶瓷膜，或所述膜組件為外表掛設有二氧化鈦輕質顆粒網的中空纖維超濾膜；在所述膜組件外套設一個鏤空支架，在所述鏤空支架上設置有紫外光光源；在所述中空纖維超濾膜的表面掛設的二氧化鈦輕質顆粒網，包括經緯排列的網線，在所述網線上掛設有二氧化鈦輕質顆粒。本實用新型將所述膜組件、二氧化鈦顆粒和紫外光光源一體化設置在所述反應器的上部清水區，不與厭氧汙泥直接接觸，將所述光催化反應程序後置，待汙水排出時，通過光催化對汙水中遺存的難降解物質進行光催化降解，不但大大降低了膜汙染、而且能高效去除汙水中難降解的物質。根據本實用新型優選的，所述二氧化鈦輕質顆粒的直徑範圍:2-4mm。根據本實用新型優選的，所述的網線呈網兜狀套設在所述中空纖維超濾膜的外表面。根據本實用新型優選的，所述中空纖維超濾膜的額定孔徑為0.01微米。根據本實用新型優選的，當所述膜組件為負載有納米二氧化鈦顆粒的圓筒形陶瓷膜時，所述納米二氧化鈦顆粒的重量按照處理汙水的總體積負載:每處理I升汙水負載3-5g納米二氧化鈦顆粒；當所述膜組件為外表掛設有二氧化鈦輕質顆粒網的中空纖維超濾膜時，所述二氧化鈦輕質顆粒的總體積為中空纖維超濾膜總體積的1/5-1/4。此處設計的優點在於，確保處理汙水時，其光催化效果達到最優。根據本實用新型優選的，所述的圓筒形陶瓷膜的額定孔徑為2-50納米。根據本實用新型優選的，所述紫外光光源的數量為四個，分別設置在所述鏤空支架上，所述單個紫外光光源的功率為20-60W。根據本實用新型優選的，所述反應筒包括由上而下設置的筒狀分離區和筒狀升降區，所述筒狀分離區的內徑大於所述筒狀升降區的內徑，所述筒狀分離區和筒狀升降區之間設置有傾斜沉降沿。所述的筒狀升降區的內徑小於筒狀分離區的內徑的目的在於，所述水流沿較小內徑的氣提筒上升至筒狀分離區，其內徑增大使得水流流速緩降，即所述廢水水流中的沉澱物沿筒狀升降區沉降至反應筒的底部，加速沉降效果。根據本實用新型優選的，所述的傾斜沉降沿的水平位置低於所述導流沿的水平位置。根據本實用新型優選的，所述光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器的容積負荷為 6-20g(C0D)/L.d0本實用新型的優點在於:本實用新型將所述的二氧化鈦光催化技術與膜生物反應器技術結合，將廢水中的可降解有機物先經厭氧生物作用，轉化為沼氣，難降解有機物以及微生物代謝產物經後續二氧化鈦光催化作用去除。本實用新型在有效去除廢水中的可生物降解物質的同時還能通過不斷的回流催化順利處理廢水中不可生物降解的物質。利用本實用新型所述的反應器對廢水進行處理:其中可生物降解的物質的去除率為90%以上，所述不可生物降解的物質的轉化率為90-95%，去除率為90%以上，經處理後的廢水可直接作為中水回用。本實用新型耦合了多種汙水處理技術，實現了難降解廢水的高效處理，達到了廢水回用的目的，是一種高效、實用的汙水廢水處理與回用工藝。本實用新型將改進的內循環厭氧流化膜生物反應器與二氧化鈦光催化技術相結合，既克服了現有內循環厭氧膜生物反應器易阻塞的問題，也簡化了反應器結構，並且同時實現了易生化降解和難生化降解有機汙染物的處理，二氧化鈦光催化的引入也降低了催化氧化的成本，減小了反應毒性。

圖1為本實用新型所述反應器的結構示意圖；[0033]圖2為本實用新型實施例1中所述膜組件的結構示意圖；圖3為本實用新型實施例2中所述膜組件的結構示意圖；在圖1中:1.反應筒；1-1.筒狀分離區；1-2.筒狀升降區；1-3.傾斜沉降；2.三相分離器；2-1.導流筒'2-2.傘狀導流罩；2-3.導流沿；3.氣提筒；4.進水管；5.膜組件；
6.出水管；7.恆流泵；8.出氣管；9.沼氣氣泡，10.二氧化鈦輕質顆粒；11.紫外光光源；12.沼氣曝氣盤；13.氣體流量計；14.進氣管；15、填汙泥料口 ；16、排汙泥料口。在圖2、圖3中，5-1、陶瓷膜；5_2、鏤空支架；5_3、中空纖維超濾膜；5_4、二氧化鈦輕質顆粒網；5-5、經緯排列的網線。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明，但不限於此。以下實施例中所述光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器的容積負荷為6_20g(C0D)/L.d。實施例1、如圖1-2所示。一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，包括反應筒1、氣提筒3、三相分離器2和膜組件5，在所述的反應筒I的底部設置有進水管4與進氣管14 ;在反應筒I的內部軸向自下而上設置有沼氣曝氣盤12、氣提筒3和三相分離器2 ;在所述氣提筒3的上方罩設有三相分離器2，所述三相分離器2包括自上而下設置的導流筒2-1和傘狀導流罩2-2，在傘狀導流罩2-2的外邊緣設置有向內翻折的導流沿2-3，所述導流筒2-1的上端通過所述反應筒I的頂蓋與外部出氣管8相連通，並通過氣泵與所述的沼氣曝氣盤12相連通；在所述反應筒I內、且與所述導流筒2-1水平對應的位置上設置有膜組件5，所述膜組件5通過反應筒I側壁與外部的出水管6相連；所述膜組件5為負載有納米二氧化鈦顆粒的圓筒形陶瓷膜5-1 ;在所述膜組件5外套設一個鏤空支架5-2，在所述鏤空支架5-2上設置有紫外光光源11 ;所述納米二氧化鈦顆粒的重量按照處理汙水的總體積負載:每處理I升汙水負載3-5g納米二氧化鈦顆粒；所述的圓筒形陶瓷膜5-1的額定孔徑為2-50納米。所述紫外光光源11的數量為四個，分別設置在所述鏤空支架5-2上，所述單個紫外光光源11的功率為20-60W。所述反應筒I包括由上而下設置的筒狀分離區1-1和筒狀升降區1-2，所述筒狀分離區1-1的內徑大於所述筒狀升降區1-2的內徑，所述筒狀分離區1-1和筒狀升降區1-2之間設置有傾斜沉降沿1-3。所述的傾斜沉降沿1-3的水平位置低於所述導流沿2-3的水
平位置。其中，所述負載納米二氧化鈦顆粒陶瓷膜的製備方法，包括步驟如下:a.在劇烈攪拌下，將體積為25_50mL的鈦酸丁酯滴加到體積為80_100mL的無水乙醇中，經過10-30min攪拌，得到均勻透明溶液A ;b.將質量分數濃度的1.0% -2.5%檸檬酸溶液緩慢加入溶液A中，劇烈攪拌30-60min，得溶液 B ；c.將去離子水和質量分數濃度為0.2% -1.0 %氯化鋁溶液緩慢滴加到溶液B中，劇烈攪拌40-60min，製得摻鋁納米Ti02膠體溶液；d.按照現有技術，以a -Al2O3為骨料，添加成孔劑，粘結劑，擠壓成型後燒結成載體；e.將所述的載體浸入摻鋁的膠體溶液中後取出，然後置於相對溼度為65%，溫度為18 25°C的條件下乾燥12-20小時；f.將經步驟e處理後的載體置於電阻爐中2小時，關閉電爐，所述載體隨爐自然冷卻，製成負載納米二氧化鈦顆粒的陶瓷膜；其中電爐溫度為400-600°C。一種利用如實施例1或實施例2所述反應器處理汙水的工作方法，包括步驟如下:(I)通過填汙泥料口 15向反應筒內I添加厭氧活性汙泥，所加厭氧汙泥的體積佔整個反應筒I體積的1/6 —1/5 ;在膜組件5外套設鏤空支架5-2，開啟鏤空支架上的紫外光光源11 ;(2)開啟進水口 4，向反應筒I內注入汙水；開啟沼氣曝氣盤12，向反應筒I內注入沼氣；(3)汙水沿氣提筒3上升至三相分離器2:沼氣沿三相分離器2、出氣管8排出；汙水中的沉澱物沿環氣提筒3的空間沉降，並與所述活性汙泥發生厭氧生物反應；(5)汙水中的清液部分留滯在反應筒I的上部，汙水清液通過膜組件5過濾、並在二氧化鈦、光催化的作用下，最後沿出水管6排出；(6)沿環氣提筒3的空間下流的汙水繼續回流至氣提筒3的底部，重複步驟(3)。實施例2、如圖1、3所示。如實施例1所述的光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其區別在於，所述膜組件5為外表掛設有二氧化鈦輕質顆粒網5-4的中空纖維超濾膜5-3 ;所述二氧化鈦輕質顆粒網5-4，包括經緯排列的網線5-5，在所述網線5-5上掛設有二氧化鈦輕質顆粒10。所述二氧化鈦輕質顆粒5-4的直徑範圍:2-4mm。所述的網線5-5呈網兜狀套設在所述中空纖維超濾膜5-3的外表面。所述中空纖維超濾膜5-3的額定孔徑為0.01微米。所述二氧化鈦輕質顆粒的總體積為中空纖維超濾膜總體積的1/5。其中，所述二氧化鈦輕質顆粒的製備方法，包括步驟如下:(I)使用磁力恆溫攪拌器在25°C下將分析純的鈦酸丁酯、分析純的冰乙酸依次加入無水乙醇中，攪拌15 20min，得到均勻透明的淡黃色溶液；所述鈦酸丁酯、冰乙酸和無水乙醇的體積份數分別為:鈦酸丁酯:5份；冰乙酸:1份；無水乙醇:15份；(2)繼續攪拌，加入步驟(I)中得到的淡黃色溶液體積百分比1-2%的硝酸溶液，所述硝酸溶液的濃度為65-68wt% ;加入佔步驟(I)中得到的淡黃色溶液體積百分比25-27%的乙醇溶液，所述乙醇溶液的濃度為90-95wt%，繼續攪拌1-1.5h，得到二氧化鈦溶膠；(3)將活性炭浸入步驟(2)製備的二氧化鈦溶膠中，充分浸潰，然後提拉出來後在烘箱中於105°C下烘乾2-3h，即為鍍膜一次；再重複步驟(3) 2次，即為鍍膜三次；(4)將鍍膜三次的活性炭顆粒置於石英管式爐中，通入氮氣作為保護氣，在500-600°C條件下恆溫煅燒4-5h，使二氧化鈦牢固附著於活性炭之上，即得二氧化鈦輕質顆粒，所述二氧化鈦輕質顆粒的堆積密度為0.3-0.5kg/L、比表面為1500-2000m2/g，粒徑範圍
2-4mm,吸水率為 300-450%。
權利要求1.一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，包括反應筒、氣提筒、三相分離器和膜組件，在所述的反應筒的底部設置有進水管與進氣管；在反應筒的內部軸向自下而上設置有沼氣曝氣盤、氣提筒和三相分離器；在所述氣提筒的上方罩設有三相分離器，所述三相分離器包括自上而下設置的導流筒和傘狀導流罩，在傘狀導流罩的外邊緣設置有向內翻折的導流沿，所述導流筒的上端通過所述反應筒的頂蓋與外部出氣管相連通，並通過氣泵與所述的沼氣曝氣盤相連通；在所述反應筒內、且與所述導流筒水平對應的位置上設置有膜組件，所述膜組件通過反應筒側壁與外部的出水管相連；其特徵在於，所述膜組件為負載有納米二氧化鈦顆粒的圓筒形陶瓷膜，或所述膜組件為外表掛設有二氧化鈦輕質顆粒網的中空纖維超濾膜；在所述膜組件外套設一個鏤空支架，在所述鏤空支架上設置有紫外光光源；在所述中空纖維超濾膜的表面掛設的二氧化鈦輕質顆粒網，包括經緯排列的網線，在所述網線上掛設有二氧化鈦輕質顆粒。
2.根據權利要求1所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，所述二氧化鈦輕質顆粒的直徑範圍:2-4mm。
3.根據權利要求1所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，所述的網線呈網兜狀套設在所述中空纖維超濾膜的外表面。
4.根據權利要求1所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，所述中空纖維超濾膜的額定孔徑為0.0l微米；所述的圓筒形陶瓷膜的額定孔徑為2-50納米。
5.根據權利要求1所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，當所述膜組件為負載有納米二氧化鈦顆粒的圓筒形陶瓷膜時，所述納米二氧化鈦顆粒的重量按照處理汙水的總體積負載:每處理I升汙水負載3-5g納米二氧化鈦顆粒；當所述膜組件為外表掛設有二氧化鈦輕質顆粒網的中空纖維超濾膜時，所述二氧化鈦輕質顆粒的總體積為中空纖維超濾膜總體積的1/5-1/4。
6.根據權利要求1所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，所述紫外光光源的數量為四個，分別設置在所述鏤空支架上，所述單個紫外光光源的功率為 20-60W。
7.根據權利要求1所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，所述反應筒包括由上而下設置的筒狀分離區和筒狀升降區，所述筒狀分離區的內徑大於所述筒狀升降區的內徑，所述筒狀分離區和筒狀升降區之間設置有傾斜沉降沿。
8.根據權利要求7所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，所述的傾斜沉降沿的水平位置低於所述導流沿的水平位置。
9.根據權利要求1所述的一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，其特徵在於，所述光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器的容積負荷為6-20g(C0D)/L.d。
專利摘要本實用新型涉及一種光催化後置的內循環厭氧流化膜生物反應器，包括反應筒、氣提筒、三相分離器和膜組件，在所述的反應筒的底部設置有進水管與進氣管；所述膜組件為負載有納米二氧化鈦顆粒的圓筒形陶瓷膜，或所述膜組件為外表掛設有二氧化鈦輕質顆粒網的中空纖維超濾膜。本實用新型將內循環厭氧處理技術和二氧化鈦光催化技術相結合，結合了厭氧膜生物反應器和光催化反應器的優點，使得出水水質得到明顯的改善，且膜組件設置在三相分離區的上清液部分，不與汙泥直接接觸，加上納米二氧化鈦的光催化作用，大大降低了膜汙染，延長了膜組件的使用壽命，減少了膜更換周期所需要的人力與物力。
文檔編號C02F9/14GK203007092SQ20122073852
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者王燕, 韓綺, 馬德方, 閆晗, 高寶玉, 嶽欽豔, 李倩 申請人:山東大學