用于处理污染水体的微颗粒吸附及深床过滤耦合装置及方法与流程

本发明涉及一种用水处理装置和方法，具体涉及一种污染水体的微颗粒吸附预处理及深床过滤耦合装置和方法。

背景技术：

深床过滤可以使污水通过颗粒物质或可压缩滤料组成的滤床，达到去除污水中悬浮颗粒物、cod、总氮、总磷等污染物的目的。它实际是在对混凝、过滤作用机理及其工艺过程深入研究的基础上,将混凝与过滤过程有机集成为一体，形成了当今水处理的高新技术系统，广泛用于石油开采、冶金、电力和污水深度处理等领域。深床过滤与表面过滤相比具有截污量大、过滤周期长、抗冲击、操作维护简单等优点。但实际使用过程中由于工况、人为因素等的影响，造成过滤器反洗不彻底引起滤料板结、滤料流失等现象，使过滤器失去截污能力，造成出水水质变差、频繁更换滤料。

在深床过滤处理前对污水进行一定的预处理，在提高对污染物截留去除能力的同时还可有效降低进入深床过滤装置的污染负荷，增强装置抗污染能力，大幅减少深床过滤材料反冲洗次数。目前在污水预处理工艺中，最具可行性和实用性的预处理方法包括混凝、吸附、氧化、澄清、软化、预过滤及其组合工艺。吸附预处理指利用悬浮状粉末或固定吸附床在膜滤处理前对原水进行预处理，已成为目前实际水处理系统中最成功的预处理手段。所用吸附剂材料多具有高分散性和多孔性，并具有较高比表面积，其表面在热力学上是不稳定的，容易从水体中吸附悬浮颗粒物和多种颗粒污染物微污染物，达到有效去除污染物的目的。

不仅吸附剂的种类、粒径等会影响膜污染减轻效果，吸附剂与料液、与分离膜材料的接触方式也会显著影响对膜污染的控制能力。从工程应用角度至少有三种吸附剂与进水的接触方式：（1）预吸附，即先将吸附剂与进水完全混合，固液分离后将进水进行膜分离；（2）直接过滤，即吸附剂在进水中完全混合后直接进行膜分离；（3）预沉积，即在膜表面沉积一层吸附剂层，进水首先通过吸附剂层后再通过膜介质。最近相关研究成果表明研究利用新型吸附剂材料，如热化金属氧化物颗粒材料较之传统的铝盐、铁盐混凝方法能有效去除更多污水中悬浮颗粒物cod以及污染组分，而且采用预沉积模式将金属氧化物颗粒负载在膜材料表面再进行处理能更有效去除多种污染物，对于缓解后续深床过滤装置污染负荷具有潜在应用价值。

技术实现要素：

针对现有深床过滤技术的不足，本发明所要解决的技术问题是通过耦合一种微颗粒吸附预处理装置对污水进行预处理，发明一种新型的微颗粒吸附预处理及深床过滤耦合装置用于处理污染水体，该装置的使用能缓解深床过滤污染负荷，降低深床过滤污染冲击，有效去除污水中cod、总氮、总磷和多种微污染物，同时有效降低深床过滤反冲洗次数。

为达到上述目的，提供一种用于处理污染水体的微颗粒吸附及深床过滤耦合装置，包括深床过滤装置，微颗粒吸附净化预处理装置、反冲洗吸附剂储纳池、吸附剂浓缩液储存池、污水供给池、预处理滤出液储存池和絮凝剂加药槽；所述微颗粒吸附净化预处理装置的内部设有用作微颗粒吸附剂负载基底的陶瓷膜，

所述的微颗粒吸附净化预处理装置的上端出口通过吸附剂反冲洗管道与反冲洗吸附剂储纳池连接；下端出口分别通过吸附剂负载管道、污水管道与吸附剂浓缩液储存池和污水供给池连通；中部出口分别连接水冲管道和预处理滤出液管道；

所述预处理滤出液管道与预处理滤出液储存池连通，预处理滤出液储存池通过管道分别与絮凝剂加药槽和管道混合器连通，管道混合器的出口通过深床过滤管道与深床过滤装置连通。

根据本发明的一个方面：所述吸附剂反冲洗管道、吸附剂负载管道和污水管道上设置有闸阀。所述预处理滤出液储存池和管道混合器之间的管道上设置有闸阀和流量计。

所述深床过滤装置的上端口通过出水管道与出水池连通，所述出水管道上设置有第二采样口；深床过滤装置自底端向上分别填充砾石、细沙和活性炭颗粒；所述的砾石、细沙和活性炭颗粒的厚度分别为10cm、30cm和100cm。

一种用于污染水体的微颗粒吸附及深床过滤方法，包括如下步骤：

步骤一：在吸附剂浓缩液储纳池中储存al元素浓度为8~12g/l的热化氧化铝或者ti元素浓度为8~12g/l的热化氧化钛微颗粒，在吸附剂浓缩液储纳箱中添加游离cl元素浓度在50mg/l以上的naclo，将吸附剂浓缩液储纳箱中的吸附剂浓缩液经吸附剂负载管道打入微颗粒吸附净化预处理装置内，并使吸附剂浓缩液在陶瓷膜内壁均匀循环，以200~250l/m²h的流速将吸附剂浓缩液经预处理滤出液管道泵出，预沉积过程持续5~15分钟；

步骤二：在吸附剂预沉积结束后，将污水供给池中的污水经污水管道以80~120l/m²h的流速打入微颗粒吸附净化预处理装置，并以相同流速将预处理后滤出液经预处理滤出液管道抽出至预处理滤出液储存池收集，作为深床过滤处理的原液；在处理一个周期的污水后，对微颗粒吸附净化预处理装置进行水冲15~45s，反冲洗下的吸附剂混合液经吸附剂反冲洗管道打入反冲洗吸附剂储纳池；

步骤三：将预处理滤出液储存池中的预处理后污水和絮凝剂加药槽中的絮凝剂打入管道混合器，混合时间为10~15s，流速为0.8~1.0m/s，并通过深床过滤管道进入深床过滤装置进行过滤处理。

根据本发明的一个方面：所述的热化氧化铝微颗粒制备方式为：称取al2(so4)3溶解至去离子水中，边搅拌边向al2(so4)3溶液中缓慢滴加naoh溶液，当ph值达到7.0，得到乳白色al(oh)3悬浊液时，将该悬浊液定容并转移至蓝口瓶中，并在110℃烘箱中煅烧，得到铝氧化物颗粒悬浮液。

根据本发明的一个方面：所述的热化钛氧化物微颗粒制备方法为：将ticl4溶解至去离子水中，边搅拌边向ticl4溶液中缓慢滴加naoh，当ph值达到7.0，得到乳白色氢氧化钛悬浊液；将悬浊液定容并转移至蓝口瓶中，在110℃烘箱中煅烧，得到钛氧化物颗粒悬浮液。

根据本发明的一个方面：步骤二中的水冲强度为7~9l/（sm²）。步骤二中冲后再进行气冲，气冲时间为25~35s，气冲强度为16~20l/（sm²）。步骤三中的絮凝剂为液体聚合氯化铝，al浓度为4~5mg/l；步骤三中的深床过滤装置自底端向上分别填充砾石、细沙和活性炭颗粒；所述的砾石、细沙和活性炭颗粒的厚度分别为10cm、30cm和100cm。

与现有技术相比，本发明耦合一种微颗粒吸附预处理装置，且采用热化氧化铝或者热化氧化钛微颗粒作为吸附剂对污水进行预处理，去除大部分污染物后，再在深床过滤装置中过滤深度去除微污染物和氮磷等，该装置的使用能缓解深床过滤污染负荷，降低深床过滤污染冲击，有效去除污水中cod、总氮、总磷和多种微污染物，同时有效降低深床过滤反冲洗次数。

附图说明

图1为本发明污染水体的微颗粒吸附及深床过滤耦合装置的原理图。

图2是本发明的微颗粒吸附预处理装置的原理图。

图3是图2沿a—a线的剖视图。

图4a和图4b分别是几种不同预处理方式对uv、doc的去除效率图。

图5是微颗粒吸附预处理及深床过滤耦合装置对几种污染指标的去除效率图。

图6是微颗粒吸附预处理及深床过滤耦合装置经过长期运行后对几种污染指标的去除效率图。

具体实施方式

接下来通过实例对本发明进行详细的说明。

如图1、图2和图3所示，一种污染水体的微颗粒吸附及深床过滤耦合装置，包括深床过滤装置1，还包括微颗粒吸附净化预处理装置2，其内部设有作为微颗粒吸附剂负载基底的陶瓷膜3，所述的微颗粒吸附净化预处理装置的上端出口通过吸附剂反冲洗管道4与反冲洗吸附剂储纳池5连接、下端出口分别通过吸附剂负载管道6和污水管道7与吸附剂浓缩液储存池8和污水供给池9连接、中部出口分别连接水冲管道20和预处理滤出液管道10，预处理滤出液管道与预处理滤出液储存池11连接，预处理滤出液管道上设有采样口12，预处理滤出液储存池还通过管道分别与絮凝剂加药槽13和管道混合器14连接，管道混合器进口管上设有流量计15，管道混合器出口通过深床过滤管道16与深床过滤装置连接，深床过滤装置1通过出水管道与出水池18连接，出水管道17设有深床过滤采样口19。微颗粒吸附预处理装置2为柱状，主体外壳由聚氟乙烯（pvc）制成，深床过滤装置为上流式，由玻璃钢制成。微颗粒吸附预处理装置中通过吸附剂去除大部分污染物，再在深床过滤装置中过滤深度去除微污染物和氮磷等。

本发明所述的污水是城市生活污水或污水处理厂二级出水。

本发明还提供一种污染水体的微颗粒吸附及深床过滤方法，该方法包括：

步骤一：在吸附剂浓缩液储纳池中储存al浓度为10g/l的热化氧化铝或者ti浓度为10g/l的热化氧化钛微颗粒，在吸附剂浓缩液储纳箱中添加游离cl浓度在50mg/l以上的naclo，将吸附剂浓缩液储纳箱中的吸附剂浓缩液经吸附剂负载管道打入微颗粒吸附净化预处理装置内，并使吸附剂浓缩液在陶瓷膜内壁均匀循环，以225l/m²h的流速将吸附剂浓缩液经预处理滤出液管道泵出，预沉积过程持续5~15分钟；

步骤二：在吸附剂预沉积结束后，将污水供给池中的污水经污水管道以100l/m²h的流速打入微颗粒吸附净化预处理装置，并以相同流速将预处理后滤出液经预处理滤出液管道抽出至预处理滤出液储存池收集，作为深床过滤处理的原液；在处理一个周期的污水后，对微颗粒吸附净化预处理装置进行水冲30s，反冲洗下的吸附剂混合液经吸附剂反冲洗管道打入反冲洗吸附剂储纳池；

步骤三：将预处理滤出液储存池中的预处理后污水和絮凝剂加药槽中的絮凝剂打入管道混合器，混合时间为10~15s，流速为0.8~1.0m/s，并通过深床过滤管道进入深床过滤装置进行过滤处理。

所述的热化氧化铝微颗粒制备方式为：称取63.4gal2(so4)3溶解至400ml去离子水中，边搅拌，边向al2(so4)3溶液中缓慢滴加10mnaoh溶液，当ph值达到7.0，得到乳白色al(oh)3悬浊液时，将该悬浊液定容至1l并转移至蓝口瓶中，并在110^oc烘箱中煅烧24h得到铝氧化物颗粒悬浮液。

所述的热化钛氧化物微颗粒制备方法为：称取39.6gticl4溶解至400ml去离子水中，边搅拌，边向ticl4溶液中缓慢滴加10mnaoh，当ph值达到7.0，得到乳白色氢氧化钛悬浊液；将悬浊液定容至1l并转移至蓝口瓶中，在110^oc烘箱中煅烧24h得到钛氧化物颗粒悬浮液。

步骤二中的水冲强度为8l/（sm²）。步骤二中冲后再进行气冲，气冲时间为30s，气冲强度为18l/（sm²）。步骤三中的絮凝剂为液体聚合氯化铝，al浓度为4~5mg/l。

步骤三中的深床过滤装置（1）自底端向上分别填充砾石、细沙和活性炭颗粒。砾石、细沙和活性炭颗粒的厚度分别为10cm、30cm和100cm。

热化氧化铝吸附剂（heatedaluminumoxideparticles,简称haops）的制备：称取63.4gal2(so4)3（分子量342.15）溶解至400ml去离子水中，磁力搅拌溶解；配制10mnaoh溶液，向磁力搅拌中的al2(so4)3溶液中缓慢滴加naoh，并记录ph值变化；溶液ph值达到7.0，得到乳白色al(oh)3悬浊液；将悬浊液定容至1l并转移至蓝口瓶中，在110^oc烘箱中煅烧24h得到haops颗粒悬浮液，此时al浓度为10g/l，待用。

热化氧化钛吸附剂（heatedtitaniumoxideparticles，简称htops），其制备方法为：称取39.6gticl4（分子量189.68）溶解至400ml去离子水中，磁力搅拌溶解；配制10mnaoh溶液，向磁力搅拌中的ticl4溶液中缓慢滴加naoh，溶液ph值达到7.0，得到乳白色氢氧化钛悬浊液；将悬浊液不锈钢波纹填料。最终产物采用气相色谱法（gc）检测，gc条件为∶色谱柱∶毛细管柱，长30m，内径0.32mm；固定相∶hp-5(5%苯基聚硅氧烷）；膜厚∶0.25μm；色谱炉温度∶100℃恒温4min，然后线性程序升温从100℃～190℃，速率10℃/min，最后在190℃恒温15min；进样口温度∶250℃；检测器温度∶250℃；检测器∶氢火焰离子化检测器；载气∶氮气；柱前压∶34.475kpa；进样量∶0.2μl；分流比∶1/100。定容至1l并转移至蓝口瓶中，110^oc烘箱中煅烧24h得到htops颗粒悬浮液，此时ti浓度为10g/l，待用。

实施例1

步骤一：在吸附剂浓缩液储纳池8中储存al浓度为10g/l的热化氧化铝或者ti浓度为10g/l的热化氧化钛微颗粒，在吸附剂浓缩液储纳箱8中添加游离cl浓度在50mg/l以上的naclo，目的是对陶瓷膜起到杀菌消毒作用，同时在吸附剂预沉积过程中部分氧化一些污染物。将吸附剂浓缩液储纳箱8中的吸附剂浓缩液经吸附剂负载管道6打入微颗粒吸附净化预处理装置2内，并使吸附剂浓缩液在陶瓷膜3内壁均匀循环，以225l/m²h的流速将吸附剂浓缩液经预处理滤出液管道10泵出，预沉积过程持续5~15分钟，通过此方式热化金属氧化物颗粒负载到陶瓷膜外壁，形成一层致密的吸附剂层。

步骤二：待处理污水取自某城市生活污水处理厂原水并用0.45μm滤膜进行过滤去除较大颗粒杂质储存于污水供给池9。在吸附剂预沉积结束后，将污水供给池9中的污水经污水管道4以100l/m²h的流速打入微颗粒吸附净化预处理装置2，并以相同流速将预处理后滤出液经预处理滤出液管道10抽出至预处理滤出液储存池11收集，作为深床过滤处理的原液；在如图2和图3所示的深床过滤装置中进行深床过滤处理，一个周期约处理2000l污水。在处理一个周期的污水后，对微颗粒吸附净化预处理装置6进行水冲和气冲处理，水冲和气冲时间各为30s，气冲强度和水冲强度分别采用18和8l/（sm²），结合上升水流的冲刷和剪切作用以及空气的表面擦洗作用将处理后的吸附剂反冲下来，反冲洗下的吸附剂混合液经吸附剂反冲洗管道4打入反冲洗吸附剂储纳池5。反冲洗步骤结束后开始新的吸附剂预沉积、污水预处理、吸附剂反冲洗步骤。在采样口12对预处理后污水进行采样用于化学分析。

步骤三：预处理滤出液储存池11中的预处理后污水和絮凝剂加药槽13中的絮凝剂打入管道混合器14，絮凝剂为液体聚合氯化铝，al浓度为4~5mg/l，混合时间为10~15s，流速为0.8~1.0m/s，经充分混合后的污水通过深床过滤管道16以上流式进入深床过滤装置1进行过滤处理。滤料自深床过滤装置底向上分别为10cm厚度的砾石33，30cm厚度的石英砂和100cm厚度的活性炭颗粒。污水在整个吸附柱内的停留时间约为20min，利用界面吸附强化聚合氯化铝的絮凝过程，在滤柱内完成反应、沉淀和截留悬浮颗粒物的过程，过滤出水通过出水管道17进入出水池18。在深床过滤采样口19对深床过滤处理后污水进行采样用于化学分析。

如图4、图5和图6所示，使用热化氧化铝作为吸附剂对污水进行预处理后，在处理体积0~2000l/m²h范围内，对doc去除效率稳定在59%~65%，对uv254去除效率更高，在72%~80%。图5显示微颗粒吸附净化能有效去除多种污染指标，在预处理约2000l污水后，总悬浮颗粒物、溶解性有机碳、uv254、总氮、氨氮和总磷的去除效率分别达到89.6%、85.8%、75.2%、76.1%、99.8%、93.3%。深床过滤装置能进一步有效提升各种污染物去除效率，污水经深床过滤处理后各污染物去除效率分别达到99.2%、97.8%、97.6%、96.9%、99.9%、99.0%。

通过试验进一步探究深床过滤长期运行对各种污染物的去除效率，在过滤滤料体积25000倍的料液后，系统对总悬浮颗粒物、溶解性有机碳、uv254、总氮、氨氮和总磷的去除效率仍可维持在89.8%、95.0%、96.5%、94.0%、99.4%和98.1%，结果证实经预处理后再进行深床过滤能有效缓解深床过滤污染程度，降低反清洗次数。

实施例2

步骤一：待处理污水取自某城市生活污水处理厂原水并用0.45μm滤膜进行过滤去除较大颗粒杂质，储存于污水供给池9。将污水供给池9中的污水经污水管道4以100l/m²h的流速打入微颗粒吸附净化预处理装置2，并以相同流速将预处理后滤出液经预处理滤出液管道10抽出至预处理滤出液储存池11收集，作为深床过滤处理的原液；一个周期约处理2000l污水，在采样口12对预处理后污水进行采样用于化学分析。

步骤二：同实施例1步骤三。

实施例3

步骤一：待处理污水取自某城市生活污水处理厂原水并用0.45μm滤膜进行过滤去除较大颗粒杂质，储存于污水供给池9。在污水供给池9中加入聚合氯化铝进行絮凝处理，使溶液中al浓度为5.6mg/l，混合搅拌均匀。将污水供给池9中聚合氯化铝絮凝处理后的污水经污水管道4以100l/m²h的流速打入微颗粒吸附净化预处理装置2，并以相同流速将预处理后滤出液经预处理滤出液管道10抽出至预处理滤出液储存池11收集，作为深床过滤处理的原液，一个周期约处理2000l污水，在采样口12对预处理后污水进行采样用于化学分析。

步骤二：同实施例1步骤三。

实施例4

步骤一：待处理污水取自某城市生活污水处理厂原水并用0.45μm滤膜进行过滤去除较大颗粒杂质，储存于污水供给池9。在污水供给池9中加入热化氧化铝颗粒进行絮凝处理，使溶液中al浓度为5.6mg/l，混合搅拌均匀。将污水供给池9中热化氧化铝颗粒絮凝处理后的污水经污水管道4以100l/m²h的流速打入微颗粒吸附净化预处理装置2，并以相同流速将预处理后滤出液经预处理滤出液管道10抽出至预处理滤出液储存池11收集，作为深床过滤处理的原液，一个周期约处理2000l污水，在采样口12对预处理后污水进行采样用于化学分析。

步骤二：同实施例1步骤三。

图4综合比较实施例1~4对污水中doc和uv254的去除效率。实施例2中陶瓷膜装置对污染物去除率有限，对doc和uv254的去除效率在8%和10%左右。实施例3中使用聚合氯化铝对污水进行絮凝处理，系统在过滤2000l/m²h污水过程中对doc和uv254的去除效率分别为32~40%和40~45%。实施例4中使用热话氧化铝颗粒对污水进行絮凝处理，系统在过滤2000l/m²h污水过程中对doc和uv254的去除效率分别为40~48%和52~59%。结果证实采用预沉积模式对原污水进行预处理能在使用相同吸附剂浓度条件下达到最高的污染物去除效率，是最优的吸附剂预处理模式。

需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。