CN111995034B - 重力驱动光催化超滤净水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重力驱动光催化超滤净水装置及方法，该装置包括高位原水箱、光催化超滤反应器以及产水箱，光催化超滤反应器内设有超滤膜固定装置及固定其上的复合光催化超滤膜，光催化超滤反应器在复合光催化超滤膜的上侧设有进水口、反冲洗排水口和排泥口，下侧设有出水口和反冲洗进水口，高位原水箱的原水出口经安装有控制阀的第一管线连接进水口，出水口经安装有控制阀和流量计的第二管线连接产水箱的产水进口，产水箱的反冲水出口经安装有控制阀的第三管线连接反冲洗进水口，反冲洗排水口连接安装有控制阀的第四管线，排泥口连接安装有控制阀的第五管线。该装置及方法不仅有利于提高超滤净水效果，而且可以降低装置运行能耗，降低净水成本。

Description

重力驱动光催化超滤净水装置及方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种重力驱动光催化超滤净水装置及方法。

背景技术

随着我国经济社会发展和城镇化进程的不断深入，城镇居民生活水平日益提高，这使得生态文明建设地位愈发突出。但与此同时，阻碍美丽中国建设的重要因素之一的饮用水用水安全问题却愈发严重，因而实现有效去除水中有机物、重金属以及病原微生物等污染物是保障饮用水水质安全的关键。然而，现有的以混凝、沉淀、过滤和消毒水处理工艺为代表的传统水处理技术，对水中对溶解性小分子有机物、氨氮、耐氯性微生物等污染物的去除能力十分有限，其运用的局限性也愈发明显。因此，亟需探寻一种新的饮用水处理工艺以应对日益复杂的水环境污染问题。超滤净水技术作为第三代水处理工艺，以其特有的优势，能够有效解决第一代和第二代水处理工艺不能解决的问题，并随着膜材料性能的提高和膜价格的降低，在饮用水处理领域的应用越来越广泛。

超滤技术能有效截留水中的细小悬浮物、胶体、大分子化合物等杂质，同时能彻底去除“两虫”等病原微生物，从而解决了水中的生物安全性问题。但同时超滤膜在长时间运行后必然发生的膜污染问题仍然是制约该技术进一步推广应用的重要原因。为此，水处理业界通过采用与其他工艺结合的方法，来强化膜前预处理效率进而延缓膜污染。但是现有组合工艺往往较为复杂，工程建设和管理维护成本也较高，因此，近年来国内外已有越来越多的研究从单纯的工艺组合改进，转向致力于从对超滤膜材料本身进行一定改性来提高超滤膜的处理性能和抗污染性能。

近年来，利用半导体物质作为光催化剂，实现将光能转化为化学能的光催化技术逐渐成为水处理领域的研究热点。纳米级光催化材料因其具有活性高、化学稳定性好、无毒、微粒简便易得、成本低廉、原料丰富、吸附能力强等优点，现已被广泛应用于各类光催化氧化反应。因此，利用纳米级光催化材料去除水中污染物是一种有效的、成本低廉的新方法。但由于纳米催化剂通常呈粉末状，在实际应用中不易回收，易造成严重的二次污染，易对水生生物产生毒害作用。为此如何使光催化材料高效稳定的在水中发挥作用，一直是该技术运用于实际所需要解决的关键点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重力驱动光催化超滤净水装置及方法，该装置及方法不仅有利于提高超滤净水效果，而且可以降低装置运行能耗，降低净水成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种重力驱动光催化超滤净水装置，包括用于储存原水和提供过滤驱动力的高位原水箱，用于进行光催化和超滤的光催化超滤反应器，以及用于储存产水和提供反冲洗驱动力的产水箱，所述光催化超滤反应器内设有超滤膜固定装置及固定于其上的复合光催化超滤膜，所述光催化超滤反应器在复合光催化超滤膜的上侧设有进水口、反冲洗排水口和排泥口，下侧设有出水口和反冲洗进水口，所述高位原水箱的原水出口经其上安装有控制阀的第一管线连接进水口，所述出水口经其上安装有控制阀和流量计的第二管线连接产水箱的产水进口，所述产水箱的反冲水出口经其上安装有控制阀的第三管线连接反冲洗进水口，所述反冲洗排水口连接其上安装有控制阀的第四管线，所述排泥口连接其上安装有控制阀的第五管线。

进一步地，所述超滤膜固定装置及复合光催化超滤膜横向设置于光催化超滤反应器中下部，并与水平面有一定的斜度，斜度的取值范围为0.02~0.20。

进一步地，所述排泥口设于复合光催化超滤膜斜向下倾斜一侧的光催化超滤反应器侧壁上，以便于排出超滤膜表面淤积的杂质，所述进水口、反冲洗排水口设于复合光催化超滤膜上侧的光催化超滤反应器侧壁上，所述出水口设于复合光催化超滤膜下侧的光催化超滤反应器侧壁上，所述反冲洗进水口设于光催化超滤反应器底部。

进一步地，所述超滤膜固定装置包括上压板和下压板，所述复合光催化超滤膜压设于上压板与下压板之间，并在上、下压板两端采用螺纹紧固件压紧固定复合光催化超滤膜。

进一步地，所述光催化超滤反应器的四周侧壁及顶盖采用石英玻璃板组成。

进一步地，所述复合光催化超滤膜所负载的光催化材料是TiO₂、GO、ZnO、ZnS和Ag+离子中的一种或几种的组合；所述复合光催化超滤膜的光催化反应所需光源是自然光源或模拟光源。

进一步地，所述高位原水箱中设有液位计。

进一步地，设有控制器，所述控制器分别与各控制阀、流量计和液位计电性连接。

本发明还提供了一种重力驱动光催化超滤净水方法，包括以下步骤：

1）将待处理原水引至高位原水箱中；

2）控制器打开第一管线上的控制阀，原水通过第一管线进入光催化超滤反应器中，在光源的照射下同时进行光催化和超滤；

3）待装置运行一段时间后，控制器打开第二管线上的控制阀，产水通过第二管线进入产水箱，从而实现了仅通过重力驱动完成光催化超滤净水的过程；

4）在装置长时间运行后，当第二管线上的流量计检测到流通量下降到一定值时，表明超滤膜发生膜污染使得膜通量下降至一定程度，流量计传输信号至控制器，控制器发出指令暂停原水引流，并关闭第一、二管线上的控制阀，使光催化超滤反应器处于静置状态，并在光源的照射下通过复合光催化超滤膜自带的光催化功能进行超滤膜的自清洁；

5）待超滤膜自清洁一定时间后，控制器打开第五管线上的控制阀，将淤积于复合光催化超滤膜表面的过滤杂质通过排泥口排出；

6）在过滤杂质排出后，控制器关闭第五管线上的控制阀，然后重复步骤2-3，并通过第二管线上的流量计检测流通量，如果检测到的流通量恢复到了预期值，表明超滤膜恢复了膜通量，装置可以继续进行净水作业，如果检测到的流通量仍没有恢复到预期值，则表明自清洁仍无法使超滤膜恢复膜通量，控制器关闭第一、二管线上的控制阀，并打开第三管线上的控制阀，由于产水箱中液位高于光催化超滤反应器中液位，产水箱中的水通过反冲洗进水口进入光催化超滤反应器进行重力驱动反冲洗；

7）待反冲洗一定时间后，控制器打开第四管线上的控制阀，将反冲洗废水通过反冲洗排水口排出；

8）在反冲洗废水排出后，控制器关闭第三、四管线上的控制阀，然后装置可以重复步骤2-3，继续进行净水作业。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明采用负载了光催化材料的复合超滤膜，这既解决了超滤膜污染和光催化材料二次污染的问题，还使得超滤膜具备光催化功能，加强了超滤净水能力并减缓膜污染，且能够在光照条件下自动清洁超滤膜以恢复膜通量，无需进行反冲洗或能够大大减少反冲洗，从而降低净水成本。此外，该装置采用重力运行驱动，大幅地减少了设备运行所需能耗，大大提降低了该装置的净水和维护管理成本。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构示意图。

图2是本发明实施例中光催化超滤反应器的结构示意图。

图中：1-高位原水箱；2-光催化超滤反应器；3-产水箱；4、8-液位计；5、6、9、10、11-控制阀；7、12-流量计；13-超滤膜固定装置；14-光源；15-进水口；16-排泥口；17-反冲洗进水口；18-出水口；19-反冲洗排水口；20-螺丝；21-复合光催化超滤膜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-2所示，本发明提供了一种重力驱动光催化超滤净水装置，包括用于储存原水和提供过滤驱动力的高位原水箱1，用于进行光催化和超滤的光催化超滤反应器2，以及用于储存产水和提供反冲洗驱动力的产水箱3。所述光催化超滤反应器2内设有超滤膜固定装置13及固定于其上的复合光催化超滤膜21，所述光催化超滤反应器2在复合光催化超滤膜21的上侧设有进水口15、反冲洗排水口19和排泥口16，下侧设有出水口18和反冲洗进水口17。所述高位原水箱1的原水出口经其上安装有控制阀5的第一管线连接进水口15，所述出水口18经其上安装有控制阀6和流量计的第二管线连接产水箱的产水进口，所述产水箱3的反冲水出口经其上安装有控制阀11和流量计的第三管线连接反冲洗进水口17，所述反冲洗排水口19连接其上安装有控制阀9的第四管线，所述排泥口16连接其上安装有控制阀10的第五管线。所述高位原水箱和产水箱中均设有液位计。

其中，所述超滤膜固定装置及复合光催化超滤膜横向设置于光催化超滤反应器中下部，并与水平面有一定的斜度，斜度的取值范围为0.02~0.20。所述光催化超滤反应器的四周侧壁及顶盖采用石英玻璃板组成。所述排泥口设于复合光催化超滤膜斜向下倾斜一侧的光催化超滤反应器侧壁上，以便于排出超滤膜表面淤积的杂质，所述进水口、反冲洗排水口设于复合光催化超滤膜上侧的光催化超滤反应器侧壁上，所述出水口设于复合光催化超滤膜下侧的光催化超滤反应器侧壁上，所述反冲洗进水口设于光催化超滤反应器底部。

所述超滤膜固定装置包括不锈钢上压板和不锈钢下压板，所述复合光催化超滤膜压设于上压板与下压板之间，并在上、下压板两端采用螺纹紧固件压紧固定复合光催化超滤膜。在本发明的不同实施例中，超滤膜固定装置与光催化超滤反应器可以有不同的连接实现方式。可以在光催化超滤反应器上横向开设用于穿过超滤膜固定装置的通孔，超滤膜固定装置将复合光催化超滤膜固定后，穿过通孔，进行密封固定。或者也可以将光催化超滤反应器分为上、下部，上部与上压板固定为一体，下部与下压板固定为一体，在超滤膜固定装置的上、下压板固定连接后，光催化超滤反应器的上、下部自然被连接在一起。上、下压板的边缘部分可设置密封圈，以在压紧复合光催化超滤膜后实现密封。

所述复合光催化超滤膜所负载的光催化材料是TiO₂、GO、ZnO、ZnS和Ag+离子中的一种或几种的组合。所述复合光催化超滤膜的光催化反应所需光源是自然光源或模拟可见光源。

为实现装置的自动控制，装置上设有控制器，所述控制器分别与各控制阀、流量计和液位计电性连接。

本发明还提供了基于上述装置的重力驱动光催化超滤净水方法，包括以下步骤：

1）将待处理原水引至高位原水箱1中，当高位原水箱1中液位计检测到原水液位达到过滤所需液位时，传输信号至控制器，控制器控制引流速率，以维持高位原水箱内的液位，使过滤驱动力保持稳定；

2）控制器打开第一管线上的控制阀5，原水通过第一管线进入光催化超滤反应器2中，在光源14的照射下同时进行光催化和超滤；

3）待装置运行一段时间后，控制器打开第二管线上的控制阀6，产水通过第二管线2进入产水箱，从而实现了仅通过重力驱动完成光催化超滤净水的过程；

4）在装置长时间运行后，当第二管线上的流量计检测到流通量下降到一定值时，表明超滤膜发生膜污染使得膜通量下降至一定程度，流量计传输信号至控制器，控制器发出指令暂停原水引流，并关闭第一、二管线上的控制阀，使光催化超滤反应器2处于静置状态，并在光源14的照射下通过复合光催化超滤膜自带的光催化功能进行超滤膜的自清洁；

5）待超滤膜自清洁一定时间后，控制器打开第五管线上的控制阀10，将淤积于复合光催化超滤膜21表面的过滤杂质通过排泥口16排出；

6）在过滤杂质排出后，控制器关闭第五管线上的控制阀10，然后重复步骤2-3，并通过第二管线上的流量计检测流通量，如果检测到的流通量恢复到了预期值，表明超滤膜恢复了膜通量，装置可以继续进行净水作业，如果检测到的流通量仍没有恢复到预期值，则表明自清洁仍无法使超滤膜恢复膜通量，控制器关闭第一、二管线上的控制阀，并打开第三管线上的控制阀，由于产水箱3中液位高于光催化超滤反应器2中液位，产水箱3中的水通过反冲洗进水口17进入光催化超滤反应器进行重力驱动反冲洗；

7）待反冲洗一定时间后，控制器打开第四管线上的控制阀9，将反冲洗废水通过反冲洗排水口19排出；

8）在反冲洗废水排出后，控制器关闭第三、四管线上的控制阀，然后装置可以重复步骤2-3，继续进行净水作业。

本发明的重力驱动光催化超滤净水装置，为克服传统超滤设备能耗高，设计了利用重力驱动的超滤工艺，该工艺过滤和反洗均无需水泵，仅需通过调节原水箱1和产水箱3与反应器2之间的液位差实现工艺运行。稳定的原水箱1液位能够提供稳定的产水流量，同样，稳定的产水箱3液位也能提供必需的产水缓冲能力和稳定的出水流量、出水压力。当需要提升装置产水量时，产水箱3液位应在短时间降低，原水箱1和产水箱3的液位差增加，过滤驱动力增加，从而超滤产水流量增加，由此需要增加反应器2的进水控制阀5的开启程度，并且提升原水箱1液位，从而逐渐使产水箱3液位恢复稳定。当长时间过滤之后必须进行反冲洗时，通过打开反冲洗控制阀12启动反冲洗，利用产水箱3与反应器2的液位差作为反冲洗的驱动力清洗膜污染，恢复膜通量。

本发明的重力驱动光催化超滤净水装置，通过特制的复合光催化超滤膜，能够实现在保持超滤原有技术特点和优势的基础上使得其而外具有光催化功能，从而实现超滤技术和光催化技术的耦合协同。在装置净水作业过程中，一方面负载于超滤膜上的光催化材料能够对超滤难以去除的有机物等污染物质进行氧化降解，加强了超滤的净水效果。另一方面，当超滤膜发生膜污染时，无需通过反冲洗，仅需通过将反应器在光照下静置一段时间，就能够利用光催化氧化降解膜污染，使得超滤膜通量得以恢复。此外，在该两种技术耦合的基础上，该装置巧妙利用原水箱和产水箱与反应器之间的高差，从而使得整套装置无需而外添加泵组仅需通过重力即可完成运行驱动，从而大大降低能够降低净水成本。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种重力驱动光催化超滤净水装置，其特征在于，包括用于储存原水和提供过滤驱动力的高位原水箱，用于进行光催化和超滤的光催化超滤反应器，以及用于储存产水和提供反冲洗驱动力的产水箱，所述光催化超滤反应器内设有超滤膜固定装置及固定于其上的复合光催化超滤膜，所述光催化超滤反应器在复合光催化超滤膜的上侧设有进水口、反冲洗排水口和排泥口，下侧设有出水口和反冲洗进水口，所述高位原水箱的原水出口经其上安装有控制阀的第一管线连接进水口，所述出水口经其上安装有控制阀和流量计的第二管线连接产水箱的产水进口，所述产水箱的反冲水出口经其上安装有控制阀的第三管线连接反冲洗进水口，所述反冲洗排水口连接其上安装有控制阀的第四管线，所述排泥口连接其上安装有控制阀的第五管线；

所述超滤膜固定装置及复合光催化超滤膜横向设置于光催化超滤反应器中下部，并与水平面有一定的斜度，斜度的取值范围为0.02~0.20；

所述排泥口设于复合光催化超滤膜斜向下倾斜一侧的光催化超滤反应器侧壁上，以便于排出超滤膜表面淤积的杂质，所述进水口、反冲洗排水口设于复合光催化超滤膜上侧的光催化超滤反应器侧壁上，所述出水口设于复合光催化超滤膜下侧的光催化超滤反应器侧壁上，所述反冲洗进水口设于光催化超滤反应器底部；

所述复合光催化超滤膜所负载的光催化材料是TiO₂、GO、ZnO、ZnS和Ag+离子中的一种或几种的组合；所述复合光催化超滤膜的光催化反应所需光源是自然光源或模拟光源；

所述高位原水箱中设有液位计；

所述重力驱动光催化超滤净水装置设有控制器，所述控制器分别与各控制阀、流量计和液位计电性连接；

基于所述重力驱动光催化超滤净水装置的重力驱动光催化超滤净水方法，包括以下步骤：

1）将待处理原水引至高位原水箱中；

2）控制器打开第一管线上的控制阀，原水通过第一管线进入光催化超滤反应器中，在光源的照射下同时进行光催化和超滤；

3）待装置运行一段时间后，控制器打开第二管线上的控制阀，产水通过第二管线进入产水箱，从而实现仅通过重力驱动完成光催化超滤净水的过程；

4）在装置长时间运行后，当第二管线上的流量计检测到流通量下降到一定值时，表明超滤膜发生膜污染使得膜通量下降至一定程度，流量计传输信号至控制器，控制器发出指令暂停原水引流，并关闭第一、二管线上的控制阀，使光催化超滤反应器处于静置状态，并在光源的照射下通过复合光催化超滤膜自带的光催化功能进行超滤膜的自清洁；

5）待超滤膜自清洁一定时间后，控制器打开第五管线上的控制阀，将淤积于复合光催化超滤膜表面的过滤杂质通过排泥口排出；

6）在过滤杂质排出后，控制器关闭第五管线上的控制阀，然后重复步骤2-3，并通过第二管线上的流量计检测流通量，如果检测到的流通量恢复到了预期值，表明超滤膜恢复了膜通量，装置继续进行净水作业，如果检测到的流通量仍没有恢复到预期值，则表明自清洁仍无法使超滤膜恢复膜通量，控制器关闭第一、二管线上的控制阀，并打开第三管线上的控制阀，由于产水箱中液位高于光催化超滤反应器中液位，产水箱中的水通过反冲洗进水口进入光催化超滤反应器进行重力驱动反冲洗；

7）待反冲洗一定时间后，控制器打开第四管线上的控制阀，将反冲洗废水通过反冲洗排水口排出；

8）在反冲洗废水排出后，控制器关闭第三、四管线上的控制阀，然后装置重复步骤2-3，继续进行净水作业。

2.根据权利要求1所述的重力驱动光催化超滤净水装置，其特征在于，所述超滤膜固定装置包括采用不锈钢板挤压固定和螺丝固定的方式固定复合光催化超滤膜。

3.根据权利要求1所述的重力驱动光催化超滤净水装置，其特征在于，所述光催化超滤反应器的四周侧壁及顶盖采用石英玻璃板组成。