一种膜化学反应器、使用其的水处理系统和水处理方法与流程

本发明涉及水处理
技术领域：
，具体涉及一种膜化学反应器(mcr)技术。
背景技术：
：传统混凝+沉淀+介质过滤对于悬浮物有一定去除作用，作为超滤预处理工艺可满足浊度要求，但对于易结垢离子去除效果较差，且占地面积大、药耗及能耗均较高。高密池工艺将斜板沉淀与絮凝组合在一起，并对絮凝段进行了改良，增加污泥回流，对于硬度有一定去除，但相对占地较大、清理困难、且难以达到精确控制要求。电絮凝工艺将加碱反应池、电絮凝池和斜板沉淀池结合，也同样属于重力沉淀的一种，无法将细小悬浮物去除，对硬度等的去除无法精确控制。膜处理技术已有几十年的发展史，超微滤技术在悬浮物去除领域已验证其效果，但普通超微滤对进水水质要求较高，浊度基本不超过50ntu。管式微滤除硬在液体零排放领域有一定应用，产水也基本能满足后续处理要求。但其为内压过滤，对进微滤前液体的悬浮物含量有一定要求，且需大流量循环冲刷来降低膜污染，能耗较高。技术实现要素：为了解决上述技术问题至少之一，本发明提出一种膜化学反应器、使用其的水处理系统和水处理方法。本发明一方面的实施例提供一种膜化学反应器，该膜化学反应器包括：反应器本体，反应器本体具有过滤区和位于过滤区下部的强化反应区；位于过滤区的用于过滤的膜组件；以及位于强化反应区的射流布水器；其中，射流布水器包括：中心体，中心体具有顶部开口、底部开口以及连通顶部开口和底部开口的内部空间，并且顶部开口的面积大于底部开口的面积：位于中心体的顶部开口上方的挡水板，挡水板具有朝向顶部开口方向设置的凹部；以及位于中心体的底部开口下方的分离板，分离板具有朝向底部开口方向设置的凸部。在本发明的一些实施例中，膜组件包括过滤膜和与过滤膜连接的分隔板；反应器本体中在过滤区的上部设置有清液区，分隔板还用于分隔清液区和过滤区。在本发明的一些实施例中，过滤膜为管束式过滤膜，管束式过滤膜悬垂安装于分隔板。在本发明的一些实施例中，反应器本体包括进液口，与清液区连通的出液口，以及位于反应器本体底部的排泥口；并且射流布水器包括与进液口连接的进液管，进液管的出液管口设置于中心体的底部开口处。在本发明的一些实施例中，中心体的底部开口的面积为进水管的面积的1.5-2.5倍，分离板的底面与中心体的底部开口的距离为进水管的直径的1.5-2倍。在本发明的一些实施例中，中心体的内部空间为倒圆台形形状，倒圆台形内部空间的锥形角度在60-80°之间。在本发明的一些实施例中，挡水板为穹形形状，穹形的挡水板的底部角度在30-40°之间。在本发明的一些实施例中，分离板为锥形形状，锥形分离板的底部夹角在20-30°之间。本发明另一方面的实施例提供一种水处理系统，包括上述任一实施例的膜化学反应器。本发明另一方面的实施例提供一种使用上述实施例的水处理系统对水进行处理的方法，包括：将待处理的水投加反应药剂并进行初步反应处理；将经过初步反应的水通入膜化学反应器进行进一步反应处理。本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本发明一实施例的膜化学反应器的结构示意图；图2为本发明一实施例的膜化学反应器的反应器本体的区域划分图；图3为本发明一实施例的膜化学反应器的泥水流道图；图4为本发明一实施例的膜化学反应器的局部放大图；图5为本发明一实施例的水处理系统的结构示意图。图中，10、膜化学反应器，11、反应器本体，111、清液区，112、过滤区，113、强化反应区，1131、深度反应区，1132、泥水分离区，1133、泥区，114、柱体部，115、锥体部，116、进液口，117、出液口，118、排泥口，12、膜组件，121、分隔板，122、过滤膜，13、射流布水器，131、挡水板，132、中心体，1321、顶部开口，1322、底部开口，1323、内部空间，133、进液管，134、分离板，20、初级反应池，201、反应池体，202、加药设备，203、搅拌机，204、ph计。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。下面参照附图1-5描述本发明的膜化学反应器、水处理系统和水处理方法。如图1所示的膜化学反应器的结构示意图以及如图2所示的膜化学反应器的反应器本体的区域划分图。本发明的膜化学反应器10包括反应器本体11、膜组件12以及射流布水器13。其中反应器本体11从上到下可依次划分为清液区111、过滤区112和强化反应区113。射流布水器13包括位于过滤区112的膜组件12，膜组件12包括过滤膜122和分隔板121，其中分隔板121用于分隔清液区111和过滤区112，且分隔板121与过滤膜122连接，用于承载过滤膜122。射流布水器13位于强化反应区113，包括挡水板131、中心体132、进液管133以及分离板134。中心体132为中空形状，具有顶部开口1321、底部开口1322以及连通顶部开口1321和底部开口1322的内部空间1323，并且顶部开口1321的面积大于底部开口1322的面积。挡水板131位于中心体132的顶部开口1321上方，具有朝向顶部开口1321方向设置的凹部。分离板134位于中心体132的底部开口1322的下方，具有朝向底部开口1322方向设置的凸部。进液管133的出液管口设置于中心体132的底部开口1322处。如图1、2所示，反应器本体11还设置有进液口116，进液管133与进液口116连通，用于将外部待处理液体通入膜化学反应器10中；出液口117，与清液区111连通，用于将经过膜化学反应器10处理后得到的液体引出；排泥口118，设置在反应器本体11的底部，用于将经膜化学反应器10处理得到的泥排出。如图2所示，强化反应区113经射流布水器13的作用又可进一步分成深度反应区1131、深度反应区1131下部的泥水分离区1132和强化反应区113底部的泥区1133。并且结合如图3所示的泥水流道图，在待处理液由进液管133从底部开口1322处通入中心体132的内部空间1323内后进入泥水混合流a，由下向上流动。由于中心体132的顶部开口1321的面积大于底部开口1322的面积，借助待处理液向上的流动，在内部空间1323的下部形成微负压区，底部开口1322的面积小，可有效形成微负压区，顶部开口1321的面积较大，可有效减少阻力，使下部的微负压区更加稳定，且利于上部泥水的均匀分布。泥水混合流a向上流动遭遇位于中心体132上部的挡水板131，由于挡水板131为具有朝向顶部开口1321方向设置的凹部，促使泥水混合物向挡水板131的四周溢流，促成水流道b和泥流道的形成。其中水流道b中具有一部分轻质泥，向上进入过滤区112，水分子及可溶性物质经过滤膜122过滤后到达清液区111，从出液口117流出膜化学反应器10，部分泥留在过滤膜122表面形成滤饼层，经反冲后再次进入泥水混合物中，最终以重质泥形式进入泥区1133，并排出。由于水流道b中只有部分轻质泥到达过滤区112，也降低了过滤膜表面污染。泥流道包括轻质泥流道c和重质泥流道d，一部分轻质泥在负压的吸引下，再次从底部开口1322进入中心体132的内部空间1323，与待处理液原液混合后，再次进行泥水分离，一部分重质泥直接落入泥区并排出。因而通过轻质泥与待处理液原液的混合，进一步加强反应及絮凝作用，实现了待处理液的深度反应净化。射流布水器13还具有底部的分离板134，具有朝向底部开口1322方向设置的凸部，既可防止微负压区对底部泥区1133的扰动，又可通过凸部对轻质泥其引流作用，使其进入微负压区，同时也对重质泥起引流作用，使其通过凸部落入泥区。因而射流布水器13的使用，使得进入膜化学反应器内的泥水的二次混合成为现实，能够改善反应器内的水流道和泥流道，强化化学反应强度，使不同重量泥有效分离，进一步利用轻质泥进行化学强化反应。本发明该膜化学反应器将膜过滤与化学反应直接结合，实现了短流程且高效地除硬度、硅、重金属及悬浮物等污染物，能够实现污染物的一步去除，因而降低了药耗并提高了产水水质。相比普通混凝沉淀而言，产水水质优异，可达到ro进水要求。相比高密度沉淀池、电絮凝等技术而言，在产水水质和药耗等方面都有更大优势(产水硬度可达到10mg/l以下、产水硅可达到10mg/l以下、产水浊度0.3ntu以下)，直接达到ro进水要求。相比普通超滤、微滤等膜过滤技术而言，不仅去除悬浮物，还对待处理液中的溶解态污染物(硬度、硅、重金属等)有极高去除作用，去除率可达到99％以上；且对进水水质要求极低，对易结垢物质(硬度、重金属等)、悬浮物等要求范围极高(进水悬浮物耐受度可达3％，硬度可达1％)。本发明中过滤膜122可为各种形式的过滤膜，作为进一步改进，本发明的过滤膜122为管束式过滤膜，管束式过滤膜悬垂安装于分隔板121，管束式过滤膜间空隙较大，利于泥下落，使膜束间不堆积，且悬垂安装使管束式过滤膜在运行中不断抖动，可有效减缓污染，防止污染物沉积。具体的管束式过滤膜例如可为管袋式、管式或者中空纤维微滤膜等形式。作为进一步的改进，本发明的过滤膜采用微滤膜技术，膜表面孔径为0.1～0.5μm，使得水通量较大，在100-1000l/m2·h(处理不同污染物时表现不同)之间，较少过滤膜即可处理较大水量。作为进一步的改进，本发明的过滤膜材料采用表面光滑的ptfe、ectfe等全氟或类全氟材料，污染物更不易在膜表面沉积。过滤膜对污染物的深度截留，使较轻质泥不会随水流出，使反应器内的整体固含量达到10％以上，从而强化化学反应的进行。本发明中中心体为中空形状且使得顶部开口的面积大于底部开口的面积的目的在于，能够在中心体的内部空间的下部形成微负压区，因而并不特别限制内部空间的形状。在一实施例中，中心体132为中心体的内部空间为上大下小的倒圆台形形状，便于生产制造以及泥水混合流a的流动。更进一步，申请人发现如图4中内部空间1323的锥形角度α能够影响微负压区的形成以及部分轻质泥与待处理液在内部空间1323的混合反应效果，在内部空间1323的锥形角度α在60-80°之间时，可获得较佳的形成微负压区的效果，以及部分轻质泥与待处理液在内部空间的混合效果以及深度反应效果，锥形角度α较大时，会导致顶部开口1321面积与底部开口1322面积相差过小，无法较好地形成微负压区且混合效果变差，而锥形角度α较小时，会导致中心体132的整体高度缩减，因而泥水混合流a在内部空间1323的停留时间减少，同时也无法获得最佳的混合效果和反应效果。另外，中心体132可设置在反应器本体11的内部中心位置，采用中心布水方式，布水更加均匀、反应更加均匀，无死角。进一步，所述内部空间为由两个圆台形成的沙漏型形状，由于沙漏形形状的内部空间的底部开口的面积，大于内部空间的中间收缩部分的面积，且小于顶部开口的面积，通过该中间收缩部分使得内部空间在下部更好地形成微负压区，提高吸入轻质泥的效率以及数量，并使得轻质泥与待处理液更好地混合反应。本发明并不特别限制挡水板131的具体形状结构，只要挡水板131形成有的朝向顶部开口1321方向设置的凹部，促使泥水混合物向挡水板131的四周溢流，形成水流道和泥流道，促进泥水分离。在本发明的一些实施例中，挡水板为穹形形状，利于泥水分离。更进一步，穹形的挡水板的底部角度β在30-40°之间，在角度过小或过大时都无法较好的形成水流道和泥流道，因而无法获得最佳的泥水分离效果。另外，使得中心体132的延长线能够与挡水板131的凹部相交，即使得从中心体132的内部空间1323向上流出的泥水混合流a遭遇挡水板131时，可以起到有效导流作用。同时，可防止过滤膜122上的形成的泥饼直接落入中心体132内，而引导泥饼落入泥区1133。本发明并不特别限制分离板134所具有的朝向底部开口1322方向设置的凸部的形状。在一实施例中，例如凸部外表面可为球面，或者凸部为锥形或锥台等形状结构。更进一步，在本发明中分离板为锥形形状，底部夹角γ在20-30°之间，有利于将一部分轻质泥在负压的吸引下，再次从底部开口1322导入中心体132以及将一部分重质泥导入泥区。底部夹角γ的角度过大虽然有利于将重质泥导入泥区，但会导致轻质泥在负压吸引下导入中心体132的效果下降，在角度过小时，不利于将重质泥导入泥区，同样也会导致轻质泥在负压吸引下导入中心体132的效果下降。在本发明的一些实施例中，中心体132的底部开口1322的面积为进水管133的面积的1.5-2.5倍，底部开口1322的与进水管133的面积的比值过大不利于形成微负压区，比值过小会导致微负压区无法吸入足够的轻质泥，在比值为1.5-2.5时，能够保证泥流道中的轻质泥能够在微负压区的作用下吸入中心体132的内部空间1323内与待处理液充分混合反应。进水管133的面积以及直径指的是进水管的横截面中外表面所形成的圆的面积以及直径。作为进一步的改进，分离板134的底面与中心体132的底部开口1322的距离a为进水管133的直径的1.5-2倍。距离a多大会导致分离板134的导流作用下降，距离a多小会导致无法吸入足够的轻质泥，同样也会导致分离板134的导流作用下降。在本发明的一些实施例中，申请人发现底部开口1322处的微负压区的压力过小时，无法实现将泥流道中的大部分轻质泥吸收中心体132与待处理液进行有效混合，而如果微负压区的压力过大时，会将重质泥也吸入中心体132内，经过试验申请人发现底部开口1322处的微负压区的压力与顶部开口1321处的压力相差1％～7％之间为合适的范围。且经试验发现，在底部开口1322的半径r1，顶部开口1321的半径r2以及中心体132的高度b的比值在(0.23-0.37)：(0.5～0.8)：(1～1.5)内时可以实现以上压力差，且能够实现吸入和适量的轻质泥，并且使得轻质泥与待处理液最佳的混合反应效果。本发明的一些实施例中，反应器本体11包括柱体部114以及锥体部115，清液区111以及过滤区112位于柱体部114，强化反应区113位于锥体部115以及一部分柱体部114，排泥口118位于锥体部115的底端，利于通过收集以及暂时储存泥。下面结合如图4所示的本发明的水处理系统结构示意图，说明本发明的水处理系统。本发明的水处理系统主要包括膜化学反应器10。进一步还包括初级反应池20，初级反应池20通过管路与膜化学反应器10连通，用于将经过初级反应池20处理的水通入膜化学化反应器10。初级反应池20主要包括反应池体201，加药设备202，搅拌机203以及ph计204。其中，加药设备202以及ph计204可设置有一个以上。下面进一步说明使用上述水处理系统对水进行处理的方法，包括：向待处理的液体中投加反应药剂并进行初步反应处理。向待处理液体中投加药剂可以是任意合适的方式，例如直接投加到管路中或者投加到初级反应池中。在使用初级反应池20时，先将待处理的液体通入初级反应池20的反应池体201内，通过加药设备202向反应池体201内投加反应药剂，在搅拌设备203的搅拌作用下进行初步反应处理。另外ph计204可用于实时测量反应池体201内的ph值，并且可与加药设备202联锁，及时调整反应池体201内的ph值在合理范围内；接着，将经过初步反应的液体通入膜化学反应器10进行进一步反应处理。因而，本发明该水处理系统和方法，通过向待处理的液体中投加反应药剂并进行初步反应处理，然后进入膜化学反应器内，实现泥水的二次混合及化学反应的强化，能够降低药耗、提高产水水质。使用本发明的水处理方法分别对不同种类的废水进行处理，具体如下。实施例1某煤化工液体零排放项目，回用装置反渗透浓水，电导率在10000～20000μs/cm，废水中各污染物指标及处理结果见表1。对该废水做如下处理：1)首先向废水中投加石灰(浓度5％)、氢氧化钠(浓度40％)和镁剂(浓度5％)，再向废水中投加碳酸钠(浓度10％)，并据情况投加氢氧化钠(ph联锁)，在初级反应池20中反应30min；2)废水经过加药反应后，经泵提升进入膜化学反应器10，在深度反应区113进一步反应，并经过滤膜122过滤后，脱除反应过程中产生的大量悬浮颗粒(主要为钙、镁、硅的沉淀及络合物)，残渣在排渣过程中以固含量5％～10％的浓度从反应器内排出。表1：检测项目单位原水膜化学反应器产水总硬度(以碳酸钙计)mg/l500～800＜30ca2+mg/l184～300＜6mg2+mg/l316～500＜5全硅mg/l70～150＜10浊度ntu＜0.3实施例2某煤化工已二酸废水液体零排放项目，电导在10000～25000μs/cm，废水中各污染物指标及处理结果见表2。对该废水做如下处理：1)首先向废水中投加氢氧化钠(浓度40％)，再向废水中投加碳酸钠(浓度10％)，并据情况投加氢氧化钠(ph联锁)，在初级反应池20中反应30min；2)废水经过加药反应后，经泵提升进入膜化学反应器10，在深度反应区113内进一步反应，并经过滤膜122过滤后，脱除反应过程中产生的大量悬浮颗粒(主要为钙、镁、硅的沉淀及络合物)，残渣在排渣过程中以固含量5％～10％的浓度从反应器内排出。表2：检测项目单位原水膜化学反应器产水总硬度(以碳酸钙计)mg/l1500～2800＜30ca2+mg/l320～600＜6mg2+mg/l168～312＜6全硅mg/l70～120＜8浊度ntu＜0.3实施例3某催化剂废水，超细煤粉含量100-30000mg/l，采用普通混沉很难去除，采用普通超滤，普通超滤污堵严重，对最终产品品质影响极大。对该废水做如下处理：1)首先向废水中投加pac，投加量为3mg/l，使用进水管路投加；2)接着废水进入膜化学反应器10内进行进一步处理，产水浊度＜0.5，浓液以10-20％固含量排出。实施例4某电厂ro浓水，各污染物指标及处理结果见表3。对该废水做如下处理：1)首先向废水中投加氢氧化钠(浓度40％)，再向废水中投加碳酸钠(浓度10％)，并据情况投加氢氧化钠(ph联锁)，在初级反应池20中反应30min；2)废水经过加药反应后，经泵提升进入膜化学反应器10，在深度反应区113内进一步反应，并经过滤膜122过滤后，脱除反应过程中产生的大量悬浮颗粒(主要为钙、镁、硅的沉淀及络合物)，残渣在排渣过程中以固含量5％～10％的浓度从反应器内排出。表3：检测项目单位原水膜化学反应器产水总硬度(以碳酸钙计)mg/l1290＜50ca2+mg/l240＜10mg2+mg/l160＜10全硅mg/l30＜6浊度ntu200＜0.3应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，本发明实施例中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页12