一種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器。光催化消毒反應器包括消毒器殼體，消毒反應區(qū)。所述的消毒器殼體上設(shè)有進水管和出水管，消毒器殼體包括石英套管和不銹鋼外套筒；所述的消毒反應區(qū)是由石英套管和不銹鋼外套筒之間所形成的環(huán)形空間，消毒反應區(qū)每隔120mm布置豎隔板，豎隔板內(nèi)固定有活性炭纖維(ACF)負載納米TiO2光催化材料；所述的石英套管一端設(shè)有抽吸散熱風扇，石英套管內(nèi)設(shè)有紫外燈。本實用新型一方面能有效滅活再生水及雨水中的細菌，另一方面，反應器操作管理方便，安全可靠，可適應一定水量沖擊負荷，此外，對水中有機物具有一定去除效果，避免了再生水及雨水中的細菌帶來的生物安全風險。
【專利說明】-種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于城市污水處理消毒領(lǐng)域，具體地說，涉及一種用于再生水及雨水消毒 的光催化消毒反應器。

【背景技術(shù)】
[0002] 城市污水再生利用及雨水利用是減輕水體污染、改善生態(tài)環(huán)境、解決城市缺水問 題的有效途徑，具有很大的利用潛力，是解決水資源緊缺問題的戰(zhàn)略性對策。再生水及雨水 利用對人體可能的健康風險是當前公眾關(guān)注的焦點問題之一，尤其是再生水利用過程中的 微生物風險問題。對人體健康造成危害的病原微生物大體分為細菌，寄生菌（寄生蟲與原 生動物）和病毒等幾類。病原微生物會對人群健康造成極大的危害，因此，非常有必要采取 有效消毒措施保證再生水的生物安全性。再生水及雨水主要應用于雜用水、景觀環(huán)境用水 等用途，我國《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920-2002)、《城市污水再生利 用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T18921-2002)等標準中均提出了細菌學指標要求。當前主要 通過加氯消毒，但是分散的再生水及雨水利用設(shè)施通常較小，采用液氯消毒需要液氯儲罐， 存在一定安全風險，且由于一些再生水及雨水處理設(shè)施間歇運行，水量波動大，對加氯操作 管理要求較高。因此，研究一種高效，操作方便、安全可靠的再生水及雨水消毒設(shè)施對于促 進城市再生水及雨水利用具有重要實用價值。
[0003] 以高級氧化為核心的新型飲用水消毒技術(shù)正在備受關(guān)注，其中UV/Ti02光催化消 毒技術(shù)是水處理領(lǐng)域研究的熱點之一。UV/Ti02光催化氧化消毒具有無毒、廣譜性殺菌等 特點，是一種有前途的替代氯消毒工藝。UV/Ti02光催化消毒機理是其產(chǎn)生的強氧化性羥基 自由基（?〇!!)首先破壞細菌細胞壁，而后造成細胞膜及胞內(nèi)代謝物質(zhì)及遺傳物質(zhì)的氧化破 壞，最終導致細胞死亡而達到殺菌目的。在水處理實際應用中，為了避免粉體二氧化鈦難以 回收的問題，大多將二氧化鈦負載于不同的載體上以實現(xiàn)固定化。采用多孔吸附性材料作 為二氧化鈦的載體是當前研究的一個重要方向，如沸石，活性炭、活性炭纖維等，可將體相 溶液濃度較低的目標污染物濃縮到二氧化鈦周圍，達到提高光催化反應效率的目的。
[0004] 活性炭纖維具有豐富的微孔和高的比表面積，其吸附容量遠高于其他多孔吸附材 料，如沸石、硅膠等；吸附容量比其同類產(chǎn)品活性炭也好。由于其形態(tài)一般為氈狀或布狀，實 際應用中比粒狀活性炭更加便于反應器的設(shè)計應用。
[0005] 國內(nèi)外UV/Ti02|催化消毒技術(shù)研究尚處于起步階段，國內(nèi)目前就活性炭纖維 (ACF)負載二氧化鈦方面開展了相關(guān)研究。例如，中國專利申請?zhí)枺?00510035311. 2,申請 日：2005年11月30日，該發(fā)明公開了一種含納米二氧化鈦微粒的活性炭纖維及其制備方 法和用途。該發(fā)明涉及一種含納米二氧化鈦微粒的活性炭纖維及其制備方法和用途。該活 性炭纖維是由活性炭纖維材料負載上納米二氧化鈦微粒而成，其中納米二氧化鈦微粒占總 質(zhì)量的5 - 25%。該發(fā)明采用溶膠一凝膠法，先將Ti02的前驅(qū)體有機鈦化合物經(jīng)水解生成 Ti〇2溶膠，并沉積于活性炭纖維上，溶膠經(jīng)干燥成為凝膠，再經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)化為納米Ti02微粒 復合在活性炭纖維的表面，制得含納米二氧化鈦微粒的活性炭纖維。它既保持了活性炭纖 維的多孔性，又增強了二氧化鈦微粒光催化活性，可用于低濃度氣態(tài)揮發(fā)性有機污染物的 去除，尤其適用于小空間中氣態(tài)揮發(fā)性有機污染物的吸附和分解。其對氣態(tài)揮發(fā)性有機污 染物的吸附容量可達500mg/g，對低濃度揮發(fā)性有機污染物的光催化分解率可達到36%。 但是該發(fā)明只是針對空氣中氣態(tài)低濃度揮發(fā)性有機污染物去除，處理再生水及雨水的效果 并不顯著。
[0006] 就目前的已有研究成果來看，主要集中于活性炭纖維（ACF)負載二氧化鈦方法研 究并將其應用于氣體及水中有機物去除。在水處理消毒方面，已見報道僅限于其它負載材 料負載Ti02通過UV/Ti02方法對人工培養(yǎng)的特定細菌進行滅活；例如，中國專利申請?zhí)枺?201010017224. 5,申請日：2010年01月05日。該發(fā)明公布了一種飲用水活性炭工藝出水 紫外線二氧化鈦消毒反應器。該發(fā)明的目的在于針對活性炭出水中細菌尤其是炭菌的生物 安全問題，提出一種飲用水活性炭工藝出水中炭菌的紫外線二氧化鈦消毒反應器。該反應 器是在吸取UV消毒優(yōu)點和Ti02催化特性的基礎(chǔ)上，通過工藝優(yōu)化和集成形成的一體化消 毒反應器系統(tǒng)。UV/Ti02(紫外線/二氧化鈦）消毒反應器可以有效滅活活性炭出水中的炭 菌，其處理出水水質(zhì)達到生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749-2006)要求；并能承受一定程度的 供水負荷變化。但是該發(fā)明只是停留在理論階段上，至今沒有應用在實際應用中。且該發(fā) 明中的玻璃板負載材料不具有吸附性能，表面積不夠大，負載Ti02量有限，處理微生物種類 和數(shù)量更多的再生水及雨水的效果并不是很理想。
[0007] 對于實際應用上的再生水及雨水的光催化消毒應用，國內(nèi)外均未見報道。而采用 吸附性能更好，表面積更大的ACF負載二氧化鈦的UV/Ti02光催化消毒反應器更未有報道。 所以現(xiàn)在迫切需要一種能夠解決UV/Ti02光催化消毒反應器更加理想地處理再生水及雨水 的方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 1、要解決的問題
[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)缺少高效，操作方便、安全可靠的再生水及雨水消毒設(shè)施的問題，本 發(fā)明提供一種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器，其用于再生水及雨水消毒的 UV/Ti02光催化消毒反應器是在結(jié)合UV消毒優(yōu)點和Ti02光催化特性的基礎(chǔ)上，以ACF為載 體制備負載型納米二氧化鈦材料，通過工藝優(yōu)化和集成形成的一體化消毒反應器系統(tǒng)，其 不但能可以有效滅活再生水及雨水中的細菌，而且有效地承受一定程度的水量沖擊負荷， 操作管理方便，使用安全可靠。
[0010] 2、技術(shù)方案
[0011] 為解決上述問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下。
[0012] 一種用于再生水及雨水消毒的UV/Ti02光催化消毒反應器，包括消毒器殼體，消毒 反應區(qū)，所述的消毒器殼體上設(shè)有進水管和出水管；所述的消毒器殼體包括石英套管和不 銹鋼外套筒；所述的石英套管位于不銹鋼外套筒中；所述的消毒反應區(qū)是由石英套管和不 銹鋼外套筒之間所形成的環(huán)形空間；所述的石英套管和不銹鋼外套筒的間距為60-120mm; 所述的消毒反應區(qū)每隔120mm布置堅隔板，堅隔板內(nèi)固定有活性炭纖維（ACF)負載納米 Ti02光催化材料；所述的石英套管兩端設(shè)有開口，一端設(shè)有抽吸風扇；所述的石英套管內(nèi)設(shè) 有紫外燈。
[0013] 優(yōu)選地，所述的紫外燈采用主波長253. 7nm殺菌燈，功率在18-40W之間，消毒區(qū)內(nèi) 平均UV光強設(shè)為0. 25-0. 53mW/cm2 ;消毒器殼體長度大于紫外燈長度，長度為1200mm，兩側(cè) 留50mm接口。
[0014] 優(yōu)選地，所述的不銹鋼外套筒為不銹鋼材質(zhì)，直徑200?300mm。
[0015] 優(yōu)選地，所述的不銹鋼外套筒與石英套管之間在出水管一側(cè)用玻璃膠粘接，并通 過外卡箍固定和密封；在進水管一側(cè)加密封圈后通過法蘭連接。
[0016] 3、有益效果
[0017] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：
[0018] (1)本發(fā)明的反應器包括消毒器殼體，消毒反應區(qū)，消毒器殼體上設(shè)有進水管和出 水管；消毒器殼體包括石英套管和不銹鋼外套筒；石英套管位于不銹鋼外套筒中；消毒反 應區(qū)是由石英套管和不銹鋼外套筒之間所形成的環(huán)形空間；石英套管和不銹鋼外套筒的間 距為60-120mm;消毒反應區(qū)每間隔120mm布置堅隔板，堅隔板內(nèi)固定有ACF負載的納米Ti02 光催化材料，在UV作用下形成UV/Ti02光催化消毒，同時活性炭纖維對有機物吸附作用和 UV/Ti02對有機物降解作用的耦合，能夠去除水中有機物；石英套管兩端設(shè)有開口，一端設(shè) 有抽吸風扇，石英套管內(nèi)設(shè)有紫外燈；由于光催化劑表面上產(chǎn)生的?〇!!的遷移范圍有限，消 毒反應區(qū)光催化作用主要集中在UV/Ti02光催化材料表面上，? 0H的生成及主要的滅菌過 程集中在Ti02材料表面的0?50mm的距離范圍內(nèi)，多孔活性炭纖維作為載體具有很大優(yōu) 越性，水流流經(jīng)活性炭纖維空隙過程中更容易與光催化產(chǎn)生的? 0H接觸而產(chǎn)生理想的光催 化消毒作用；光催化消毒反應器中UV/Ti02光催化材料垂直于水流方向布置，水流通過活性 炭纖維的空隙均勻通過，增加了出水中細菌與Ti02催化材料的碰撞以及與Ti02表面形成的 羥基自由基（? 0H)的接觸概率，從而加強了 ? 0H的滅菌效果；此外，水流采用推流的方式 通過消毒區(qū)，避免了返混造成消毒效率下降；
[0019] (2)本發(fā)明很好的滿足了分散式再生水及雨水利用工程消毒需求，在再生水及雨 水消毒方面，本發(fā)明比傳統(tǒng)氯消毒具有一定優(yōu)勢，反應器的圓柱形結(jié)構(gòu)及接觸式消毒方式 允許其方便的安裝在出水管道中，并可靈活串聯(lián)或并聯(lián)反應器以應對不同處理水量的變化 和水質(zhì)要求，體現(xiàn)了較強適應性和實用性，在取得理想消毒效果同時對水中有機物具有去 除作用，一定程度提高了再生水和雨水水質(zhì)；
[0020] (3)本發(fā)明的紫外燈采用主波長253. 7nm殺菌燈，功率在18-40?之間，消毒區(qū)內(nèi)平 均UV光強設(shè)為0. 25-0. 53mW/cm2 ;消毒器殼體長度大于紫外燈長度，長度約1200mm，兩側(cè)留 50_接口；消毒區(qū)內(nèi)平均UV光強太小會降低消毒效能，光強太大會造成能源浪費而對進一 步提1?消毒效率貢獻不大；
[0021] (4)本發(fā)明的不銹鋼外套筒為不銹鋼材質(zhì)，直徑200?300mm;在保證材料的機械 力學性能要求的情況下，選用不銹鋼，可以有效地降低成本，且能避免紫外光外泄對旁邊的 工作人員造成身體傷害；
[0022] (5)本發(fā)明的不銹鋼外套筒與石英套管之間靠出水管一側(cè)通過玻璃膠粘接，并通 過外卡箍固定和密封，進水管一側(cè)加密封圈后通過法蘭連接；反應器的圓柱形結(jié)構(gòu)及接觸 式消毒方式允許其方便的安裝在出水管道中；并可靈活串聯(lián)或并聯(lián)反應器以應對不同處理 水量的變化和水質(zhì)要求，體現(xiàn)了較強適應性和實用性，不銹鋼外套筒和石英套管的同心套 筒體的設(shè)計不僅最大程度的提高了光催化反應器的空間利用率，而且方便與前后段工藝的 銜接；此外，圓柱同心套筒體結(jié)構(gòu)使得過水區(qū)水流狀態(tài)平穩(wěn)，避免產(chǎn)生死水區(qū)和返混現(xiàn)象從 而影響消毒效率，水力條件優(yōu)越。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的活性炭纖維負載UV/Ti02光催化反應器結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的UV/Ti02催化材料板結(jié)構(gòu)圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的UV/Ti02反應器的內(nèi)外套筒結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖中：1、進水管；2、配水區(qū)；3、活性炭纖維（ACF)負載納米Ti02光催化材料；4、紫 外燈；5、出水管；6、石英套管；7、抽吸風扇；8、不銹鋼外套筒。

【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
[0028] 實施例1
[0029] 如圖1、圖2和圖3所示，一種用于再生水及雨水消毒的UV/Ti02光催化消毒反應 器，包括消毒器殼體，消毒反應區(qū)，消毒器殼體上設(shè)有進水管1和出水管5 ;消毒器殼體包括 石英套管6和不銹鋼外套筒8 ;石英套管6位于不銹鋼外套筒8中；消毒反應區(qū)是由石英 套管6和不銹鋼外套筒8之間所形成的環(huán)形空間；石英套管6和不銹鋼外套筒8的間距為 90mm;消毒反應區(qū)間隔120mm布置兩行堅隔板，兩行堅隔板內(nèi)固定有活性炭纖維（ACF)負 載納米Ti02光催化材料3 ;石英套管6兩端設(shè)有開口，一端設(shè)有抽吸風扇7 ;石英套管6內(nèi) 設(shè)有紫外燈4。紫外燈4采用主波長253. 7nm殺菌燈，功率為30w，消毒區(qū)內(nèi)平均UV光強為 0. 39mw/cm2 ;消毒器殼體長度為1200mm，兩側(cè)留50mm接口。不銹鋼外套筒8為不銹鋼材質(zhì)， 直徑250_。不銹鋼外套筒8與石英套管6之間靠出水管5 -側(cè)用玻璃膠粘接，并通過外卡 箍固定和密封，進水管1 一側(cè)加橡膠圈后法蘭連接。
[0030] 上述設(shè)備中用到的負載納米Ti02光催化材料ACF的制備方法，其步驟為：
[0031] A準備粘膠基活性炭纖維（南通森友炭纖維有限公司，其比表面積1500m2 孔 容0. 752mL?g'鈦酸正丁酯）、鈦酸正丁酯（C16H3604TiAR，上海凌峰化學試劑廠）、三乙醇 胺（C6H15N03AR，國藥集團化學試劑）、無水乙醇（C2H50HAR，南京化學試劑廠）、H20,原料的 摩爾配比為C16H3604Ti:C6H15N03 :C2H50H:H20 = 1:0. 86:26. 6:1. 5,混合攪拌將其制成溶膠； 其中溶膠制備的具體方法為：取678mL無水乙醇置于1000mL燒杯，緩慢攪拌下加入170mL 鈦酸四丁酯，再加入30mL水解抑制劑三乙醇胺，制成前驅(qū)體；
[0032] 取100mL無水乙醇，加入10mL7jC，攪拌均勻，再加入6mL的濃鹽酸。將該溶液移入 滴定管在強烈攪拌下緩慢加入到上述前驅(qū)體當中；加完繼續(xù)攪拌30min，得到淡黃色溶膠， 溶膠陳化24h后備用，得到Ti02溶膠；
[0033] B將按尺寸加工好的圓環(huán)形活性炭纖維進行水、乙醇超聲清洗，除去灰份和有機 物；將氈浸入溶膠中浸泡l〇min;將圓環(huán)形活性炭纖維氈緩慢從溶膠中提拉出后，再將其放 入溫度為l〇5°C的恒溫干燥箱干燥2h;
[0034] C將步驟B中得到的圓環(huán)形活性炭纖維氈重復步驟B-次；
[0035] D將步驟C中得到的圓環(huán)形活性炭纖維氈置于馬弗爐中，在氮氣保護下升溫至 550°C保持2h后，自然冷卻后取出；得到UV/Ti02光催化材料；其中升溫速率為50°C/min， 氮氣流量為25mL/min。
[0036] 本實施例中，未經(jīng)處理的再生水及雨水從進水管1中均勻進入消毒反應區(qū)，以推 流方式順次經(jīng)過配水區(qū)2內(nèi)的活性炭纖維（ACF)負載納米Ti02光催化材料3。水流在紫外 區(qū)的紫外燈4照射下和消毒反應區(qū)中負載納米Ti02光催化材料3的ACF的催化聯(lián)合作用 下消毒，消毒后的再生水及雨水經(jīng)出水管5排出，抽吸風扇7始終運轉(zhuǎn)以降低紫外燈照射產(chǎn) 生的熱量。
[0037] 用負載納米Ti02光催化材料3的ACF對再生水及雨水共進行五批試驗，實驗結(jié)果 為：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器，包括消毒器殼體，消毒反應區(qū)，其 特征在于：所述的消毒器殼體上設(shè)有進水管（1)和出水管（5);所述的消毒器殼體包括石英 套管（6)和不銹鋼外套筒（8);所述的石英套管（6)位于不銹鋼外套筒（8)中；所述的消 毒反應區(qū)是由石英套管（6)和不銹鋼外套筒（8)之間所形成的環(huán)形空間；所述的石英套管 (6)和不銹鋼外套筒（8)的間距為60-120mm;所述的消毒反應區(qū)每隔120mm布置堅隔板，堅 隔板內(nèi)固定有活性炭纖維負載納米Ti02光催化材料（3);所述的石英套管（6)兩端設(shè)有開 口，一端設(shè)有抽吸風扇（7);所述的石英套管（6)內(nèi)設(shè)有紫外燈（4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器，其特征在 于：所述的紫外燈（4)采用主波長253. 7nm殺菌燈，功率在18-40?之間，消毒區(qū)內(nèi)平均UV光 強為0. 25-0. 53mw/cm2 ;消毒器殼體長度大于紫外燈（4)長度，長度為1200mm，兩側(cè)留50mm 接口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器，其特征在 于：所述的不銹鋼外套筒（8)為不銹鋼材質(zhì)，直徑200?300mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反應器，其特征在 于：所述的不銹鋼外套筒（8)與石英套管（6)之間在出水管（5) -側(cè)用玻璃膠粘接，并通過 外卡箍固定和密封；在進水管（1) 一側(cè)加密封圈后通過法蘭連接。
【文檔編號】C02F1/32GK204079539SQ201420466220
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】趙金輝, 陸毅, 徐斌, 許志煥, 劉瑞菊 申請人:南京工業(yè)大學