一、引言
隨著工業(yè)廢水復(fù)雜度的增加，傳統(tǒng)水處理技術(shù)面臨新興污染物去除效率低和設(shè)備易堵塞的雙重挑戰(zhàn)。光催化氧化技術(shù)憑借其對難降解有機(jī)物(如PPCPs、微塑料)的高效分解能力，近年來受到廣泛關(guān)注；而自清洗過濾器通過動態(tài)清洗機(jī)制解決了濾網(wǎng)堵塞問題。二者的協(xié)同創(chuàng)新——光催化氧化-自清洗一體化技術(shù)，在提升處理效率的同時降低了運(yùn)維成本，成為水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破。
二、技術(shù)協(xié)同原理
2.1 光催化氧化核心機(jī)制
2.1.1 光催化反應(yīng)過程
光催化劑(如TiO?、Z型TiO?)在紫外光激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對，引發(fā)以下反應(yīng)：
羥基自由基(·OH)：強(qiáng)氧化性，可降解90%以上的有機(jī)污染物。
超氧陰離子(·O??)：輔助分解大分子有機(jī)物。
2.1.2 光源與催化劑優(yōu)化
紫外光源：LED-UV(波長254nm)較傳統(tǒng)高壓汞燈節(jié)能30%，且無汞污染。
催化劑改性：氮摻雜TiO?(N-TiO?)的光響應(yīng)范圍擴(kuò)展至可見光(λ>400nm)，活性提升2倍。
2.2 自清洗過濾器技術(shù)集成
2.2.1 物理攔截與動態(tài)清洗
多級過濾體系：
粗濾段(100-200μm不銹鋼濾網(wǎng))：攔截懸浮物(SS)>85%。
精細(xì)濾段(超疏水膜或陶瓷濾芯)：通過疏油疏水效應(yīng)(接觸角>150°)防止有機(jī)物附著。
自清洗機(jī)制：
高壓脈沖反沖洗：0.3-1.5MPa瞬時脈沖水流剝離濾餅層。
旋轉(zhuǎn)離心剝離：1000-3000rpm高速旋轉(zhuǎn)利用離心力清除雜質(zhì)。
2.2.2 與光催化的協(xié)同接口
濾材改性：在陶瓷濾芯表面負(fù)載光催化劑(如TiO?)，實(shí)現(xiàn)過濾-催化反應(yīng)同步進(jìn)行。
流體動力學(xué)設(shè)計：優(yōu)化反應(yīng)器流道，確保光催化劑充分暴露于紫外光下。
2.3 協(xié)同優(yōu)勢分析
效率提升：光催化氧化分解有機(jī)物，自清洗過濾器避免催化劑失活。
能耗降低：動態(tài)清洗減少停機(jī)次數(shù)，紫外LED光源能耗較傳統(tǒng)高壓汞燈降低50%。
抗堵塞設(shè)計：自清洗機(jī)制維持濾網(wǎng)通透性，延長光催化劑使用壽命。
三、系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵參數(shù)
3.1 系統(tǒng)架構(gòu)
預(yù)處理單元：格柵、沉砂池去除大顆粒雜質(zhì)。
自清洗過濾器：
核心組件：陶瓷濾芯(孔徑50-100μm)、紫外LED燈陣列、脈沖清洗模塊。
控制邏輯：基于濁度傳感器和壓差傳感器自動觸發(fā)清洗。
光催化反應(yīng)器：
反應(yīng)器類型：平板流道式或蜂窩狀結(jié)構(gòu)，催化劑負(fù)載量0.5-2.0g/m²。
紫外光源布局：每平方米均勻分布2-4個LED燈珠。
3.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)
| 參數(shù) | 設(shè)計要求 |
| 過濾精度 | 50-100μm |
| 紫外波長 | 254nm（LED-UV） |
| 脈沖清洗壓力 | 0.3-1.2MPa |
| 催化劑類型 | N-TiO?（可見光響應(yīng)） |
| 水力停留時間（HRT） | 10-30min |
四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能對比
4.1性能對比實(shí)驗(yàn)
4.1.1 對難降解有機(jī)物的去除效率
| 廢水類型 | COD（mg/L） | UV254（吸光度） |
| 原水 | 320 | 0.85 |
| 單獨(dú)自清洗過濾 | 180 | 0.62 |
| 光催化-自清洗協(xié)同 | 85 | 0.15 |
4.1.2 催化劑穩(wěn)定性測試
循環(huán)次數(shù)：500次后，N-TiO?的XRD峰強(qiáng)度保持初始值的92%。
失活原因：少量催化劑被水流沖刷脫落(占比<5%)。
4.2 經(jīng)濟(jì)性分析
| 技術(shù)組合 | 運(yùn)行成本（萬元/年） | 投資回收期（年） |
| 傳統(tǒng)活性污泥法 | 80 | - |
| 光催化氧化 | 120 | 5 |
| 光催化-自清洗協(xié)同 | 65 | 3 |
