一、引言
隨著工業廢水復雜度的增加，傳統水處理技術面臨新興污染物去除效率低和設備易堵塞的雙重挑戰。光催化氧化技術憑借其對難降解有機物(如PPCPs、微塑料)的高效分解能力，近年來受到廣泛關注；而自清洗過濾器通過動態清洗機制解決了濾網堵塞問題。二者的協同創新——光催化氧化-自清洗一體化技術，在提升處理效率的同時降低了運維成本，成為水處理領域的關鍵技術突破。
二、技術協同原理
2.1 光催化氧化核心機制
2.1.1 光催化反應過程
光催化劑(如TiO?、Z型TiO?)在紫外光激發下產生電子-空穴對，引發以下反應：
羥基自由基(·OH)：強氧化性，可降解90%以上的有機污染物。
超氧陰離子(·O??)：輔助分解大分子有機物。
2.1.2 光源與催化劑優化
紫外光源：LED-UV(波長254nm)較傳統高壓汞燈節能30%，且無汞污染。
催化劑改性：氮摻雜TiO?(N-TiO?)的光響應范圍擴展至可見光(λ>400nm)，活性提升2倍。
2.2 自清洗過濾器技術集成
2.2.1 物理攔截與動態清洗
多級過濾體系：
粗濾段(100-200μm不銹鋼濾網)：攔截懸浮物(SS)>85%。
精細濾段(超疏水膜或陶瓷濾芯)：通過疏油疏水效應(接觸角>150°)防止有機物附著。
自清洗機制：
高壓脈沖反沖洗：0.3-1.5MPa瞬時脈沖水流剝離濾餅層。
旋轉離心剝離：1000-3000rpm高速旋轉利用離心力清除雜質。
2.2.2 與光催化的協同接口
濾材改性：在陶瓷濾芯表面負載光催化劑(如TiO?)，實現過濾-催化反應同步進行。
流體動力學設計：優化反應器流道，確保光催化劑充分暴露于紫外光下。
2.3 協同優勢分析
效率提升：光催化氧化分解有機物，自清洗過濾器避免催化劑失活。
能耗降低：動態清洗減少停機次數，紫外LED光源能耗較傳統高壓汞燈降低50%。
抗堵塞設計：自清洗機制維持濾網通透性，延長光催化劑使用壽命。
三、系統設計與關鍵參數
3.1 系統架構
預處理單元：格柵、沉砂池去除大顆粒雜質。
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清洗。
光催化反應器：
反應器類型：平板流道式或蜂窩狀結構，催化劑負載量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 關鍵技術參數
| 參數 | 設計要求 |
| 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） |
| 水力停留時間（HRT） | 10-30min |
四、實驗驗證與性能對比
4.1性能對比實驗
4.1.1 對難降解有機物的去除效率
| 廢水類型 | COD（mg/L） | UV254（吸光度） |
| 原水 | 320 | 0.85 |
| 單獨自清洗過濾 | 180 | 0.62 |
| 光催化-自清洗協同 | 85 | 0.15 |
4.1.2 催化劑穩定性測試
循環次數：500次后，N-TiO?的XRD峰強度保持初始值的92%。
失活原因：少量催化劑被水流沖刷脫落(占比<5%)。
4.2 經濟性分析
| 技術組合 | 運行成本（萬元/年） | 投資回收期（年） |
| 傳統活性污泥法 | 80 | - |
| 光催化氧化 | 120 | 5 |
| 光催化-自清洗協同 | 65 | 3 |
