一種溢流式光催化反應器的制作方法

本實用新型涉及一種廢水處理領域，涉及一種廢水處理裝置，具體涉及一種溢流式光催化反應器。

背景技術：

隨著石油、化工和制藥等行業的快速發展，高濃度難降解污染物廢水的處理問題日漸成為世界各國研究的難點和焦點。目前，工業廢水具有了新的特點：一方面污染物濃度更高；另一方面污染物成分更復雜，這就造成傳統的污染物廢水處理方法能效降低，采用諸如混凝法、生化法、吸附法、物化法等方法處理高濃度、難降解的污染物廢水，難以達到排放標準。因此，新型高效廢水處理技術的研究迫在眉睫。

濕式氧化技術（Wet Air Oxidation，簡稱WAO）是在高溫（125-320℃）和高壓（0.5-20MPa）條件下，以空氣中的O₂為氧化劑（現在也有使用其它氧化劑的，如臭氧、過氧化氫等），在液相中將有機污染物氧化為CO₂和水等無機物或小分子有機物的化學過程。 1944年美國的F. J. Zimmermann提出了WAO技術，也稱齊默爾曼法。1958年首次將WAO用于處理造紙黑液廢水，在反應溫度為150-350℃，壓力為5-20MPa條件下，廢水COD_Cr降解率達90%以上。

盡管WAO是一種有效處理高濃度、有毒有害、生物難降解有機廢水的技術，但由于其在高溫高壓下進行，在實際應用上還存在一些局限性：

（1）WAO氧化反應時，需要在高溫、高壓下進行，故要求反應器材料耐高溫、耐高壓和耐腐蝕，因此設備費用大，投資大；

（2）WAO適用于高濃度小流量的廢水處理，對于低濃度大流量的廢水則不經濟；

（3）對于某些有機物，如多氯聯苯等結構穩定的化合物，WAO的去除率不好；

（4）WAO氧化過程中有可能產生某些有毒的中間產物。

因此，對于傳統WAO技術的改進與完善非常重要。

由于WAO技術存在以上缺陷，隨著污染物廢水處理技術的進步，基于WAO技術，又出現了一些新的濕式氧化降解方法，催化劑引入到這個領域中，形成了一種新的技術一一催化濕式氧化技術（Catalytic Wet Oxidation，簡稱CWO），通過在反應過程加入適宜的催化劑，使反應溫度和壓力降低，能有效提高氧化分解能力，加快反應速度，縮短反應時間。催化濕式過氧化氫氧化技術（CatalyticWet Peroxide Oxidation，簡稱CWPO）是在催化濕式空氣氧化法的基礎上，將氧化劑更換為H₂O₂對廢水進行降解。催化濕式過氧化氫氧化技術雖大大提高了廢水降解速率，但仍需在高溫高壓的苛刻條件下進行，并沒有完全避免濕式氧化技術的致命缺點，使該技術的應用和推廣受到極大限制。

申請號為02156875.8的發明公開了一種管式光催化反應器，內管中為紫外光源，內管外壁與外管內壁之間為反應區域，反應區域內填裝有顆粒催化劑。光利用率低，處理量小。申請號為201220573548.1的實用新型公開了一種折流式光催化反應器，折流板與紫外燈垂直，廢水在反應不斷上下流動混合反應。未提到催化反應構造。申請號為201310150989.X的發明公開了一種V型折流板光催化反應器，V型折流板上附有催化劑，透光凹面將紫外光聚集并折射到V型板上，提高紫外光利用率，利用了氣體易擴散的特性，適用于凈化氣體。不適用于廢水處理，水的質量大，易使折流板及凹面變形。

技術實現要素：

針對上述提到的現有技術中的濕式氧化技術需要高溫高壓的條件下進行，要求條件比較苛刻的缺點，本實用新型提供一種典型的用于濕式氧化的裝置，其利用紫外線作為強化條件，加入催化劑進行濕式氧化，使廢水可以在常溫常壓下進行濕式氧化。

為了解決傳統催化濕式氧化技術降解條件苛刻的問題，本實用新型提出了紫外催化濕式氧化工藝（UV-Catalytic Wet Oxidation Process，簡稱UV-CWOP）。工藝特點是通過在反應體系中引入紫外光、氧化劑和催化劑（一種或多種變價過渡金屬或金屬氧化物），用它們的協同催化氧化作用，在常溫常壓的溫和條件下，將高濃度有毒有害廢水中有機污染物分解成CO₂和水等無害成份，并同時除臭、脫色及殺菌消毒，從而達到凈化廢水的目的。

為實現這一技術方案，本實用新型提供了一種溢流式光催化反應器，在該反應器中廢水在催化劑和紫外光的雙重催化下，常溫常壓濕式氧化反應，有機物分解為二氧化碳和水或其他易生化的小分子有機物。

一種溢流式光催化反應器，其特征在于，所述反應器內設有光源部件，折流板和床層均勻加藥裝置，反應器底部設有進水口，反應器上部設有溢流出水口；所述光源部件固定于反應器壁上，光源部件包括燈和罩在燈外部的雙層透光套管，套管管口端開有冷卻介質的進口和出口；所述折流板固定焊接于反應器內壁上或通過軌道、卡箍安裝在反應器內壁上；所述床層均勻加藥裝置安裝在反應器的垂直中心軸上。

廢水從反應器的底部進入后，與床層均與加藥裝置噴射出的藥劑混合，在紫外光的照射下發生催化氧化反應。進水液面達到折流板高度處時，液體被迫改變流向、形成紊流，不僅延長停留時間，還促進藥劑與水的混合，提高處理效率，反應處理液通過溢流出水，出水生化性顯著提高。

作為優選，反應器底部還設置有進氣口及布氣裝置，進氣口與曝氣裝置相連或與臭氧發生器連接。進氣口與曝氣裝置連接，通過曝氣攪拌反應液，促進廢水與催化氧化劑的混合，提高反應速率；進氣口與臭氧發生器連接，通入臭氧不僅加快傳質，還向反應體系投加另一種高效催化氧化劑，提高了反應速率和效率。

作為優選，所述布氣裝置為布氣板和/或布氣管，布氣裝置通過支撐桿固定在反應器底部。支撐桿與布氣裝置通過焊接連接或通過卡箍連接。更為優選地，布氣板通過焊接、卡箍或滑軌與反應器內壁連接。再優選，所述布氣裝置為微孔布氣裝置。通過微孔布氣裝置布氣，可提高氧化劑的利用率，提高催化氧化效率。

作為優選，反應器還帶有溫度感應器和壓力感應器及水質在線監測系統，反應器與自動化控制系統相連。感應器、檢測系統通過自動控制系統與冷卻介質流量控制閥、氣體放空閥和回流閥等調節裝置連鎖，調節反應參數，促進反應進行。所述的冷卻介質為透光的液體和/或氣體，是光源的套管內的流動相。

作為優選，溫度感應器與控制系統連鎖，通過控制冷卻介質的流速控制反應系統溫度保持穩定；所述的壓力感應器與控制系統連鎖，通過調節氣體放空閥的開度控制反應系統壓力保持穩定。

光源部件中，燈外罩有透光的冷卻套管，冷卻套管中有流動的冷卻相，可將燈產生的熱量帶走，避免了由于溫度過高導致的燈破損和/或燈產熱加速雙氧水分解等問題，同時可以回收熱量，還可防止燈安裝或更換過程中碰撞導致的燈破裂等。還可防止紫外燈破裂后汞流入處理系統中或汞中毒。

優選地，所述反應器可包含多組光源部件。每組光源部件之間的距離小于或等于光能衰減至60-80%時的距離的兩倍。每組光源部件的燈采用低壓汞燈、中壓汞燈或無極燈；光源部件套管的管口端與燈的接線端均位于反應器同一側，暴露在反應器外部，燈與套管均為可抽出。

光源部件的暴露端位置相對于反應器固定，光源部件的另一端通過支撐部件與反應器的另一側內壁連接，所述支撐桿可在同一平面內轉動或不可轉動，光源部件軸向與進水方向交叉。

再優選，所述的光源部件與自動控制系統連接，通過控制面板調節光源的功率和開關。

反應器中的折流板為透光的穿孔板，板長為反應器截面長度的50%-80%，板寬小于或等于反應器截面寬度。折流板上可涂催化劑。所述折流板可以為透光性材料板，優選采用透光石英玻璃板。

反應器中，通過床層均勻加藥裝置向廢水中加入催化氧化劑促進反應，催化氧化劑可選雙氧水、次氯酸鈉、過一硫酸中的一種或幾種。所述的床層均勻加藥裝置為穿孔管結構，該穿孔管安裝在反應器的垂直中心軸上，管的高度小于或等于反應器高度，管底密封或與反應器底部無縫連接，管壁開有小孔，小孔密度自上而下逐漸增大，床層均勻加藥裝置設有用于調節孔徑的穿孔管孔徑調節系統。穿孔管管底與反應器底部的無縫連接方式為焊接、套接或螺紋連接。所述無縫連接為焊接或套接、螺紋連接中的一種。

作為優選，穿孔管為雙層管，內管套與外管內，內管的外徑等于或小于外管的內徑。

當內管的外徑小于外管的內徑，外管高度小于或等于反應器高度，外管為固定管，外管底部密封或與反應器底部無縫連接；內管高度小于或等于外管高度，為活動管，通過旋轉或上下移動，與外管配合實現孔徑調節。

當內管的外徑等于外管的內徑，內管高度小于或等于反應器高度，內管為固定管，內管底部密封或與反應器底部無縫連接；外管管高度小于或等于內管高度，為活動管，通過旋轉或上下移動，與內管配合實現孔徑調節。

再優選，穿孔管孔徑調節系統與水質在線監測系統連鎖，通過水質檢測結果調節藥劑的流速和孔徑。

作為優選，反應器前段連有水質調節罐。水質調節罐帶有pH調節液和催化劑、催化氧化劑的進料口。采用常規酸堿將廢水調節至酸性，優選pH為2-6，但需保證調節pH過程中不產生沉淀。

作為優選，反應器上設有用于參數顯示和輸入的面板，面板與自動控制系統連接，面板可采用PLC全智能化控制面板。

實際廢水處理中，反應器材質采用耐腐蝕材料，例如不銹鋼、鈦等金屬材料或PP等非金屬。為提高廢水處理效果和廢水處理量，可將多個反應器以串聯和/或并聯的方式連接，同時用于廢水處理。

所述反應器的側面上開有視鏡和/或液位計。

反應器上設有催化劑進口。液態催化劑通過催化劑進口進入反應器，與廢水混合。所述催化劑為可溶性催化劑的水溶液。

采用上述反應器處理廢水的方法，包括以下步驟：

A、將廢水的pH值調節至2-6；

B、廢水通過底部的進水口進入反應器，通過均與床層加藥裝置加入催化氧化劑促進反應，所述催化氧化劑為雙氧水、次氯酸鈉或過一硫酸中的一種或幾種，催化氧化劑的加藥速度與廢水的進水速度保持1:50-200的比例；

C、開啟光源部件的紫外燈，紫外燈功率設置為300-800w；

D、通過控制面板設置反應溫度為0-100℃、壓力為常壓；

E、檢測溢流出水口的出水，自動控制出水的去向。

廢水經過反應器，通過以上方法處理，處理效率高、操作簡單、運行人工費用低、安全性高。連續運行3個月，出水穩定，光源無破損。

作為優選，步驟A中，向廢水中加入催化劑，催化劑可選鐵、銅、錳、鋅中的一種或幾種，催化劑的加入量為廢水質量的0.1-1%。

作為優選，在步驟D和步驟E之間，包括曝氣步驟：開啟曝氣裝置，向廢水中曝氣，氣速為2-10L/min。

達標排放前可通過過濾或混凝沉淀分離回收催化氧化劑。

與傳統光催化設備相比，本實用新型的有益效果是：

（1）光能利用率高，光源使用壽命長；

（2）光源可拆卸，便于維修更換；

（3）每組光源有單獨的控制系統，可分別調節頻率和功率，保證光催化穩定高效；

（4）采用透光折流板折流，促進水質均衡，增加光與廢水的作用時間；

（5）床層均勻加藥裝置采用穿孔管結構，催化氧化劑通過孔噴射進入反應器中，不僅可快速與廢水混合，還具有加速傳質作用。減少了攪拌成本，反應器中構造更簡單，操作簡潔；

（6）留有氣體進口，可曝氣加速傳質，還可通臭氧催化氧化，強化處理效果；

（7）連有自控設備，可全程自動控制、連續處理廢水，降低了管理費用和人工成本，適合中小型企業在線連續處理廢水。

（8）反應器前端連有預處理系統，可預先將廢水水質調節適宜，進一步降低反應階段的控制難度，保證廢水處理效果穩定；

（9）多個反應器串聯和/或并聯連接，可進一步提高出水水質，適應大流量廢水處理。

（10）本實用新型所述的反應器不僅可進行光催化反應、光芬頓反應，還可進行光助低溫常壓的濕式氧化反應。與傳統催化濕式氧化法需在高溫（150-350℃）和高壓（0.5-20MPa）的反應條件相比，采用本實用新型進行的氧化方法由于紫外線和催化劑的引入，可以使濕式氧化反應在常溫常壓的溫和條件下進行。

（11）采用本實用新型實現的氧化方法中所采用的催化劑為Cu、Fe、Mn、Zn等變價過渡態金屬，為常見工業催化劑材料，來源廣泛，價格低廉。

（12）采用本實用新型實現的氧化方法中所采用的氧化劑為空氣、氧氣、臭氧、過氧化氫、過氧乙酸中的一種或幾種的組合，價格便宜，使用方便。另外，由于光的加入，使得氧化劑的利用率明顯提高，所以與傳統的催化濕式氧化反應相比，節省了氧化劑的投量。

（13）反應體系中同時引入紫外光和催化劑，利用它們的協同催化氧化作用，將高濃度有毒有害廢水中有機污染物分解成CO₂和水等無害成份，并同時具有除臭、脫色及殺菌

消毒的效果。

綜上，采用本實用新型所述的裝置處理廢水，具有處理效率高、操作簡單、運行人工費用低、安全性高等優選。本實用新型所述的方法和裝置具有很高的實用價值，應用前景廣闊。

下面將結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步說明。

附圖說明

圖1為本實用新型所述的反應器的結構示意圖。

圖2是加藥裝置結構示意圖。

圖3是紫外燈管結構示意圖。

圖4是折流板結構示意圖。

圖中，1一反應器，2一光源部件， 3-進水口，4一進氣口，5一布氣裝置，6一折流板，7一均勻床層加藥裝置，8一溫度感應器，9一出水口，10—小孔，11-紫外燈，12-玻璃內管，13-玻璃外管，14-冷卻介質進口，15-冷卻介質出口，16-電阻絲，17-壓力感應器。

具體實施方式

實施例1

本實施例為本實用新型的其中一種實施方式示意圖，其他原理和基本結構與本實施例相同或近似的，均在本實用新型保護范圍之內。

如圖1所示，本實用新型所述反應器1為密閉式反應器，反應器1采用耐腐蝕材料加工而成。反應器1內設有8組光源部件2（矩陣式分布，2行4列）、進氣口4、布氣裝置5和均勻床層加藥裝置7。光源部件2包括低壓汞燈11和雙層石英玻璃套管（如圖3所示），雙層石英玻璃套管由玻璃內管12和玻璃外管13組成，套管管口端開有冷卻介質進口14和冷卻介質出口15，玻璃內管12和玻璃外管13圍成的空間內填充冷卻介質，冷卻介質為透光的液體。光源部件2的套管管口端與燈的電阻絲16接線端位于反應器同一側，并暴露在反應器外部；光源部件2的另一端通過卡槽與反應器的另一側內壁連接，光源部件軸向與進水方向交叉。相鄰光源部件間的間距為光能衰減至80%時的距離的2倍；透光折流板6與光源部件平行、與相鄰光源部件2的距離相等，折流板（如圖4所示）長度為反應器截面長度的80%，寬度等于反應器截面寬度。折流板的固定端通過卡扣固定在反應器內壁上；折流板的懸空端設有支撐部件。折流板為穿孔板。均勻床層加藥裝置7為穿孔管（如圖2所述），自上而下穿過折流板6，與光源部件2異面垂直。穿孔管長度小于反應器高度，管壁開有小孔10，密度自下而上逐漸遞減，穿孔管上端與催化氧化劑儲罐相連。反應器1底部設有進氣口4和布氣裝置5，進氣口4與曝氣裝置相連或與臭氧發生器連接，布氣裝置5下方設有支撐桿。

反應器前端設有廢水調節罐，調節廢水至酸性，從反應器底部的進水口3進入反應器1，廢水處理過后通過反應器上端的溢流出水口9流出。

反應器1與自動控制系統連接。反應器中帶有溫度感應器8和壓力感應器17及水質在線監測系統；溫度感應器8與控制系統連鎖，通過控制冷卻介質的流速控制反應系統溫度保持穩定；壓力感應器17與控制系統連鎖，通過調節排氣閥的開度控制反應系統壓力保持穩定。

反應器外壁上有控制面板，在面板上設置反應溫度和壓力等參數控制的選擇界面，面板與自動控制系統連接。通過自控系統程序，連鎖控制冷卻介質的流速及放空閥的開度。同時，通過自控系統調節光源的開關和光能的強弱、通過在線監測結果連鎖控制均勻床層加藥裝置7的進藥流速，出水不達標時自動開啟循環泵，出水循環處理直至達標。

采用上述反應器處理廢水的具體實施步驟如下：

某化工廢水，COD為5000mg/L，淺黃色，pH約8.5。

A、將廢水的pH值調節至3，向其中加入硫酸亞鐵催化劑，催化劑加量為廢水質量的0.2%；

B、將調節后的廢水打入反應器1，通過均勻床層加藥裝置7加入雙氧水。雙氧水的加藥速度與廢水的進水速度保持1:50-200的比例。

C、開啟紫外燈，紫外燈功率設置為500w。

D、在控制面板上設置反應溫度為常溫、壓力為常壓。

E、檢測溢流出水口的出水，自動控制出水的去向。

廢水經過上述反應器，通過以上方法處理，測得出水COD約50-120mg/L，B/C>0.5。連續運行3個月，出水穩定，光源無破損。

本實用新型的方法中，達標排放前通過過濾或混凝沉淀分離回收催化劑。

實施例2

實施例1所述的反應器中，進氣口通入臭氧，調節紫外燈功率為300w，步驟A中加入的催化劑為硫酸鐵、硫酸鋅和硫酸錳按2:1:1的比例配制而成，加量為0.2%（以廢水質量為基準），進水流速提高0.3倍。測得出水COD約77-91mg/L，B/C>0.45。

實施例3

實施例1所述的反應器中，進氣口通入臭氧，采用微孔布氣裝置，雙氧水的加藥速度與廢水的進水速度保持1:120-190，調節紫外燈功率為300w，進水流速提高0.3倍。測得出水COD約10-45mg/L，B/C>0.6。

實施例4

實施例1所述的處理方法中，折流板替換為有負有催化劑的石英玻璃板。測得出水的COD約150-205mg/L。,

實施例5

某有機廢水，COD約20000mg/L，廢水預處理過程中加熱至70℃，進入反應器中，在控制面板上設置反應溫度為70℃。按實施例1所述的處理方法處理，區別在于：加入硼摻金剛石材料的催化劑，測得出水的COD約450-605mg/L，B/C>0.45。

實施例6

實施例5所述的廢水，紫外燈功率調節至800w，進水流速增加0.25倍，通入臭氧，在控制面板上設置反應溫度為70℃，其余不變，測得出水的COD約250-315mg/L，B/C>0.55。