專利名稱：飲用水中腐殖酸去除裝置及其去除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飲用水處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是采用Ti02/UV催化氧化耦合膜分離去除水中腐殖酸的水處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
腐殖酸(HA)是天然有機物(NOM)的一種重要組成部分，它主要源于植物和動物新陳代謝的分解產(chǎn)物，常存在于地表水與地下水中。腐殖物質(zhì)的存在可能影響飲用水中不良的口感和觀感，腐殖酸還與混凝和活性炭吸附水處理方法爭奪化合物吸附點。他們還可以在飲用水氯化消毒過程發(fā)生反應(yīng)形成消毒副產(chǎn)物，如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸和鹵乙腈等消毒副產(chǎn)品。因此，在地表水的處理中控制腐殖酸起著重要的作用。有研究表明，常規(guī)的水處理工藝很難去除含有腐殖酸的天然有機物，一般來說，在常規(guī)凈水工藝對總有機碳(TOC)去除率僅為10% 50%。即使是微濾(MF)和超濾(UF)膜盡管能有效地去除水中一些大分子 物質(zhì)如濁度及病原體等，但對NOM的去除效果較差，例如，有學(xué)者研究證實MF/UF對NOM的去除低于10%，反過來NOM會增加對膜的污染。對去除水中腐殖酸的化學(xué)方法之一是光催化氧化。光催化氧化始于1972年日本學(xué)者Fujisllima和Honda在《Nature》雜志上發(fā)表的關(guān)于光電池中光福射TiO2發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極光分解水，并產(chǎn)生氫氣。1976年Frank等人用半導(dǎo)體材料催化氧化污染物取得重要進展，研究了 TiO2多晶電極/紫外光作用下對二苯酚、1_、Br'Cl'Fe2+、Ce3+和Cr3+，的光解過程，用TiO2粉末來催化光解水中污染物也取得了滿意的結(jié)果。同年John和Carey等報道了在紫外光照射下，納米級TiO2能使難降解的有機化合物多氯聯(lián)苯(Polyclllorinatedbiphenyls)脫氯。1985年，Ollis發(fā)表了第一篇光催化在廢水治理方面的應(yīng)用綜述,有關(guān)光催化降解有機污染物研究工作開始取得很大進步，出現(xiàn)了眾多的研究報道。相對于常規(guī)的水和廢水處理方法這項技術(shù)在過去幾十年中成為研究熱點。二氧化鈦由于其光催化活性強，穩(wěn)定性高，無環(huán)境污染和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，是最常用的光催化劑之一。該催化劑可應(yīng)用于粉末懸浮狀態(tài)的形式，也可以固定在各種載體上，如玻璃，石英或不銹鋼等。兩種構(gòu)造均有其優(yōu)缺點。固定在載體上的光催化劑通常會顯著減少與溶液的接觸面積，結(jié)果會降低光催化劑的活性。當(dāng)使用懸浮狀態(tài)的光催化劑時，雖然其光催化降解效率高，但是要必須解決反應(yīng)后的催化劑分離問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中天然有機物去除率低、同時光催化劑污染膜，導(dǎo)致膜使用壽命降低的技術(shù)難題，提供一種飲用水中腐殖酸去除裝置，強化了對天然有機物的去除，而且能夠降低膜污染。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種飲用水中腐殖酸去除裝置，包括反應(yīng)器主體、存放原水的進水箱和存放凈化水的出水箱，所述的反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)有一擋光板，所述的擋光板將反應(yīng)器主體分為光催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)，光催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)的上下兩端連通，光催化反應(yīng)區(qū)中設(shè)有透明燈套，透明燈套中設(shè)有紫外線光源，進水箱的出口通過管路連通光催化反應(yīng)區(qū)的進口 ；膜分離區(qū)中設(shè)有浸沒在原水的平板膜組件，所述的平板膜組件的正下方設(shè)有氣體擴散裝置，所述的氣體擴散裝置通過管路連接提供氣源的空氣泵，所述的平板膜組件的出口通過抽吸泵及閥路系統(tǒng)連通光催化反應(yīng)區(qū)的進口、采樣瓶和出水箱。為控制反應(yīng)時的溫度，達到最佳的反應(yīng)效率和效果，所述的反應(yīng)器主體外壁設(shè)有冷卻水循環(huán)筒，冷卻水循環(huán)筒的下部設(shè)有進水口、上部設(shè)有出水口。為達到最佳的反應(yīng)效率和效果，控制溫度在25°C左右。為使反應(yīng)液與光催化劑混合均勻，所述的反應(yīng)器主體底部設(shè)有攪拌器。進一步的，所述的攪拌器為磁力攪拌器，磁力攪拌器的攪拌子置于反應(yīng)器主體內(nèi)。為了強化反應(yīng)器主體兩區(qū)之間的水質(zhì)均勻，還具有循環(huán)泵，所述的循環(huán)泵通過管路使光催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)形成循環(huán)回路。為實現(xiàn)自動化控制，所述的空氣泵、抽吸泵和循環(huán)泵由智能控制系統(tǒng)控制工作。所述的平板膜組件與抽吸泵之間的管路上具有開關(guān)閥和精密壓力表。作為優(yōu)先，所述的反應(yīng)器主體的光催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)的體積比例為I : I。作為優(yōu)選，所述的透明燈套為石英燈套，所述的紫外線光源包括至少三個可分開控制開關(guān)的紫外線燈，所述的紫外線燈的功率為16W、所發(fā)出的紫外線波長為253. 7nm，所述的紫外線燈垂直放置。為保持反應(yīng)器主體中恒定的水位，所述的反應(yīng)器主體中設(shè)有顯示液位高度的水位計。一種采用上述飲用水中腐殖酸去除裝置的處理方法，具有如下步驟①在反應(yīng)器主體內(nèi)注滿待處理水樣，然后在原水中加入TiO2光催化劑；②開啟紫外線光源和空氣泵，氣體擴散裝置開始曝氣；③通過控制抽吸泵及閥路系統(tǒng)將平板膜組件的出口連通光催化反應(yīng)區(qū)的進口，循環(huán)處理至少60min ；④按步驟③處理至少60min后控制閥路系統(tǒng)將平板膜組件的出口連通采樣瓶，并對采樣瓶內(nèi)的水進行檢測；⑤按步驟④檢測合格后，通過閥路系統(tǒng)將完成處理的水排入出水箱。為實現(xiàn)連續(xù)原水處理，按步驟⑤排入出水箱時，反應(yīng)器主體內(nèi)同時補入待處理水樣，維持反應(yīng)器主體內(nèi)在恒定的水位。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的飲用水中腐殖酸去除裝置采用浸沒式平板膜光催化反應(yīng)器(FSMPR)，配合采用懸浮的二氧化鈦(P25)作為光催化劑來降解N0M，平板膜分離一方面限定了催化劑的反應(yīng)環(huán)境，同時可以通過膜抽吸通量的大小來調(diào)節(jié)目標(biāo)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，并解決了光催化劑在反應(yīng)器中同時參與反應(yīng)與分離的問題。兩者的組合兼 具有兩個主要優(yōu)點不僅強化了對天然有機物的去除，而且能夠降低膜污染。兩者構(gòu)成互補關(guān)系，延長膜的使用壽命，加強了其實際使用性能。對于平板膜組件而言，上升的氣液兩相流體與膜面接觸面積更大，向上的剪切力會更有效地擦洗膜表面，減少光催化劑在膜表面的沉積與堵塞。強大的水氣兩相錯流，會顯著提高對平板膜表面的擦洗效果。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖I是本發(fā)明的飲用水中腐殖酸去除裝置的最佳實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.反應(yīng)器主體，11.攪拌器，12.水位計，2.進水箱，3.出水箱，4.擋光板，
5.光催化反應(yīng)區(qū)，51.透明燈套，52.紫外線光源，6.膜分離區(qū)，61.平板膜組件，62.氣體擴散裝置，63.空氣泵，64.抽吸泵，65.精密壓力表，7.冷卻水循環(huán)筒，8.循環(huán)泵，9.智能控制系統(tǒng)，10.米樣瓶。
具體實施例方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。如圖I所示，一種飲用水中腐殖酸去除裝置，包括反應(yīng)器主體I、存放原水的進水箱2和存放凈化水的出水箱3，反應(yīng)器主體I內(nèi)設(shè)有一擋光板4，擋光板4將反應(yīng)器主體I分為光催化反應(yīng)區(qū)5和膜分離區(qū)6，光催化反應(yīng)區(qū)5和膜分離區(qū)6的上下兩端連通，光催化反應(yīng)區(qū)5中設(shè)有透明燈套51，透明燈套51中設(shè)有紫外線光源52，進水箱2的出口通過管路連通光催化反應(yīng)區(qū)5的進口 ；膜分離區(qū)6中設(shè)有浸沒在原水的平板膜組件61，平板膜組件61的正下方設(shè)有氣體擴散裝置62，氣體擴散裝置62通過管路連接提供氣源的空氣泵63，平板膜組件61的出口通過抽吸泵64及閥路系統(tǒng)連通光催化反應(yīng)區(qū)5的進口、采樣瓶10和出水箱3。為控制反應(yīng)時的溫度，達到最佳的反應(yīng)效率和效果，反應(yīng)器主體I外壁設(shè)有冷卻水循環(huán)筒7，冷卻水循環(huán)筒7的下部設(shè)有進水口、上部設(shè)有出水口。為達到最佳的反應(yīng)效率和效果，控制溫度在25°C左右。為使反應(yīng)液與光催化劑混合均勻，反應(yīng)器主體I底部設(shè)有攪拌器11。攪拌器11為磁力攪拌器，磁力攪拌器的攪拌子置于反應(yīng)器主體I內(nèi)。為了強化反應(yīng)器主體兩區(qū)之間的水質(zhì)均勻，還具有循環(huán)泵8，循環(huán)泵8通過管路使光催化反應(yīng)區(qū)5和膜分離區(qū)6形成循環(huán)回路。為實現(xiàn)自動化控制，空氣泵63、抽吸泵64和循環(huán)泵8由智能控制系統(tǒng)9控制工作。為方便控制流量，平板膜組件61與抽吸泵64之間的管路上具有開關(guān)閥和精密壓力表65。作為優(yōu)選，反應(yīng)器主體I的光催化反應(yīng)區(qū)5和膜分離區(qū)6的體積比例為1:1。作為優(yōu)選，透明燈套51為石英燈套，紫外線光源52包括至少三個可分開控制開關(guān)的紫外線燈，紫外線燈的功率為16W、所發(fā)出的紫外線波長為253. 7nm，紫外線燈垂直放置。為保持反應(yīng)器主體中恒定的水位，反應(yīng)器主體I中設(shè)有顯示液位高度的水位計12。一種采用上述飲用水中腐殖酸去除裝置的處理方法，具有如下步驟①在反應(yīng)器主體I內(nèi)注滿待處理水樣，然后在原水中加入TiO2光催化劑；②開啟紫外線光源52和空氣泵63，氣體擴散裝置62開始曝氣；③通過控制抽吸泵64及閥路系統(tǒng)將平板膜組件61的出口連通光催化反應(yīng)區(qū)5的進口，循環(huán)處理至少60min ；
④按步驟③處理至少60min后控制閥路系統(tǒng)將平板膜組件61的出口連通采樣瓶10，并對采樣瓶10內(nèi)的水進行檢測；⑤按步驟④檢測合格后，通過閥路系統(tǒng)將完成處理的水排入出水箱3。按步驟⑤排入出水箱3時，反應(yīng)器主體I內(nèi)同時補入待處理水樣，維持反應(yīng)器主體I內(nèi)在恒定的水位。實施例I :先在進水箱2及反應(yīng)器主體I內(nèi)充滿待處理水樣，然后加入TiO2光催化劑，接著打開空氣泵63和紫外線光源52開始進行反應(yīng)，攪拌器11開始攪拌待處理水樣，循環(huán)泵8開始工作使光催化反應(yīng)區(qū)5和膜分離區(qū)6內(nèi)的待處理水樣水質(zhì)更均勻。反應(yīng)一段時間后，抽吸泵64將經(jīng)平板膜組件61過濾的水回流至光催化反應(yīng)區(qū)5，進行循環(huán)處理至少60min。然后排出至出水箱(3)，再從進水箱(2)中向反應(yīng)器主體I補入下批待處理水樣，形 成間隙式循環(huán)水處理。試驗結(jié)果表明(I)待處理水樣經(jīng)150min的FSMPR系統(tǒng)處理后可以除去86%以上的DOC和近100%的UV254,并有效地降低THMFP值小于19 u g/L ；(2) Ti02/UV預(yù)處理能夠非常有效地控制膜污染，只要光催化氧化反應(yīng)一直進行，平板膜組件61分離含有TiO2的HA混合溶液中TMP沒有明顯的增加現(xiàn)象；(3)平板膜污染的降低，主要是因為光催化氧化能夠降解疏水性的紫外光區(qū)腐殖酸類大分子有機物為親水性的小分子類蛋白有機物，這部分光催化中間產(chǎn)物盡管在150min系統(tǒng)處理后沒有完全去除，但是并沒有明顯造成對膜的污染。實施例2 :先在進水箱2及反應(yīng)器主體I內(nèi)充滿待處理水樣，然后加入TiO2光催化劑，接著打開空氣泵63和紫外線光源52開始進行反應(yīng)，攪拌器11開始攪拌待處理水樣，循環(huán)泵8開始工作使光催化反應(yīng)區(qū)5和膜分離區(qū)6內(nèi)的待處理水樣水質(zhì)更均勻。反應(yīng)一段時間后，抽吸泵64將經(jīng)平板膜組件61過濾的水回流至光催化反應(yīng)區(qū)5，進行循環(huán)處理至少60min。然后控制閥路系統(tǒng)使抽吸泵64將水樣排入出水箱(3)，同時從進水箱(2)將待處理水樣連續(xù)的加入反應(yīng)槽主體I內(nèi)。通過水位計12可保證反應(yīng)器主體I中維持恒定的水位，通過調(diào)節(jié)抽吸泵64轉(zhuǎn)速可以控制平板膜組件61的膜通量的變化，通過調(diào)節(jié)時間繼電器可控制抽吸泵64的運行工況(間隙抽吸，抽吸IOmin后停止lmin)，系統(tǒng)反應(yīng)溫度在冷凝循環(huán)水的輔助下控制在25°C左右。實驗過程中，通過抽吸泵64的抽吸控制其恒定的膜通量30L/m2. h^90L/m2. h范圍內(nèi)運行。膜壓差(TMP)通過安裝在出水管路上的精密壓力表65測試。光催化耦合平板超濾膜技術(shù)不僅保留了 TiO2在反應(yīng)器主體I中懸浮的濃度，解決了細小的TiO2分離問題，同時降解了對平板膜污染的有機物，減少了膜污染。在本研究中，采用連續(xù)模式處理太湖水，試驗結(jié)果如下(I) 一種新型的FSMPR技術(shù)被用于地表水的凈化處理。反應(yīng)器主體I底部的大氣泡曝氣，避免了 TiO2在平板膜組件61表面的沉積，保留了懸浮液中TiO2的濃度；(2)水力停留時間HRT為13. 4h，膜通量為30L/m2. h時連續(xù)運行420min出水水質(zhì)達到穩(wěn)定，UV254去除率達86%，DOC去除率也有70%，出水THMFP滿足生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)CHNSDWQ(GB5749-2006)；(3)表觀分子量AMW及親疏水性分離結(jié)果表明，F(xiàn)SMPR能幾乎完全去除分子量2000Da-5000Da以上的疏水性腐殖酸類物質(zhì)及部分親水性物質(zhì)。在處理過程中光催化首先將疏水性的大分子腐殖酸有機物裂解為親水性的小分子有機物，隨后礦化為CO2與H2O,穩(wěn) 定出水中雖仍留有部分難以降解的親水性有機物，但這部分有機物對膜的污染影響不大。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
權(quán)利要求
1.一種飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是包括反應(yīng)器主體(I)、存放原水的進水箱(2)和存放凈化水的出水箱(3)，所述的反應(yīng)器主體(I)內(nèi)設(shè)有一擋光板(4)，所述的擋光板(4)將反應(yīng)器主體(I)分為光催化反應(yīng)區(qū)(5)和膜分離區(qū)(6)，光催化反應(yīng)區(qū)(5)和膜分離區(qū)(6)的上下兩端連通，光催化反應(yīng)區(qū)(5)中設(shè)有透明燈套(51)，透明燈套(51)中設(shè)有紫外線光源(52 )，進水箱(2 )的出口通過管路連通光催化反應(yīng)區(qū)(5 )的進口；膜分離區(qū)(6 )中設(shè)有浸沒在原水的平板膜組件(61)，所述的平板膜組件(61)的正下方設(shè)有氣體擴散裝置(62)，所述的氣體擴散裝置(62)通過管路連接提供氣源的空氣泵(63)，所述的平板膜組件(61)的出口通過抽吸泵(64)及閥路系統(tǒng)連通光催化反應(yīng)區(qū)(5)的進口、采樣瓶(10)和出水箱(3)。
2.如權(quán)利要求I所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的反應(yīng)器主體(I)夕卜壁設(shè)有冷卻水循環(huán)筒(7)，冷卻水循環(huán)筒(7)的下部設(shè)有進水口、上部設(shè)有出水口。
3.如權(quán)利要求2所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的反應(yīng)器主體(I)底部設(shè)有攪拌器(11)。
4.如權(quán)利要求3所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的攪拌器(11)為磁力攪拌器，磁力攪拌器的攪拌子置于反應(yīng)器主體(I)內(nèi)。
5.如權(quán)利要求I所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是還具有循環(huán)泵(8)，所述的循環(huán)泵(8)通過管路使光催化反應(yīng)區(qū)(5)和膜分離區(qū)(6)形成循環(huán)回路。
6.如權(quán)利要求5所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的空氣泵(63)、抽吸泵(64)和循環(huán)泵(8)由智能控制系統(tǒng)(9)控制工作。
7.如權(quán)利要求I所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的平板膜組件(61)與抽吸泵(64)之間的管路上具有開關(guān)閥和精密壓力表(65)。
8.如權(quán)利要求I所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的反應(yīng)器主體(I)的光催化反應(yīng)區(qū)(5)和膜分離區(qū)(6)的體積比例為I : I。
9.如權(quán)利要求I所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的透明燈套(51)為石英燈套，所述的紫外線光源(52)包括至少三個可分開控制開關(guān)的紫外線燈，所述的紫外線燈的功率為16W、所發(fā)出的紫外線波長為253. 7nm，所述的紫外線燈垂直放置。
10.如權(quán)利要求I所述的飲用水中腐殖酸去除裝置，其特征是所述的反應(yīng)器主體(I)中設(shè)有顯示液位高度的水位計(12)。
11.一種采用權(quán)利要求1-10任一項所述的飲用水中腐殖酸去除裝置的處理方法，其特征是具有如下步驟 ①在反應(yīng)器主體(I)內(nèi)注滿待處理水樣，然后在原水中加入TiO2光催化劑； ②開啟紫外線光源(52)和空氣泵(63 )，氣體擴散裝置(62 )開始曝氣； ③通過控制抽吸泵(64)及閥路系統(tǒng)將平板膜組件(61)的出口連通光催化反應(yīng)區(qū)(5)的進口，循環(huán)處理至少60min ； ④按步驟③處理至少60min后控制閥路系統(tǒng)將平板膜組件(61)的出口連通采樣瓶(10)，并對采樣瓶(10)內(nèi)的水進行檢測； ⑤按步驟④檢測合格后，通過閥路系統(tǒng)將完成處理的水排入出水箱(3)。
12.如權(quán)利要求11所述的處理方法，其特征是按步驟⑤排入出水箱(3)時，反應(yīng)器主體(I)內(nèi)同時補入待處理水樣,維持反應(yīng)器主體(I)內(nèi)在恒定的水位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種飲用水中腐殖酸去除裝置，包括反應(yīng)器主體、進水箱和出水箱，反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)有一擋光板，擋光板將反應(yīng)器主體分為光催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)，光催化反應(yīng)區(qū)中設(shè)有透明燈套，透明燈套中設(shè)有紫外線光源，進水箱的出口通過管路連通光催化反應(yīng)區(qū)的進口；膜分離區(qū)中設(shè)有浸沒在原水的平板膜組件，平板膜組件的正下方設(shè)有氣體擴散裝置，氣體擴散裝置通過管路連接提供氣源的空氣泵，平板膜組件的出口通過抽吸泵及閥路系統(tǒng)連通光催化反應(yīng)區(qū)的進口、采樣瓶和出水箱。本發(fā)明不僅強化了對天然有機物的去除，而且能夠降低膜污染，兩者構(gòu)成互補關(guān)系，延長膜的使用壽命，加強了其實際使用性能。
文檔編號C02F1/44GK102701318SQ201210192600
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者魏永 申請人:常州大學(xué)