一种臭氧强化电过滤的水处理系统及处理水的方法

1.本发明涉及一种水处理系统及处理水的方法，尤其涉及一种臭氧强化电过滤的水处理系统及处理水的方法，属于水处理系统和方法领域。


背景技术：

2.水体污染威胁水生生态安全和人类健康，高效的水处理技术和装置研发具有重要意义。近年来，臭氧氧化和电化学水处理技术因其操控简便、处理高效而受到人们的青睐。当二者耦合，尤其是采用碳基电极时可引发电过臭氧化反应，通过生成高活性羟基自由基可实现协同处理效果。
3.目前，基于臭氧的高级氧化水处理中，一个较大的缺陷是溶解到水中的臭氧容易被水中的非目标本底物质消耗，从而降低了通过臭氧定向化学反应而产生高活性自由基的量，即臭氧被低效利用。在臭氧/电化学耦合水处理过程中，如何进行有效的前处理，高效利用臭氧进行电过臭氧化反应尚有待解决。
4.此外，电化学反应往往受反应物在电极表面传质过程的限制。通过构建过流式的反应体系，可以提高反应物与电极的接触，从而加速电化学反应。但实际水体中往往会含有各种杂质，在水处理过程中会污染过滤膜或电极，而传统的清洗或反冲洗程序往往过程繁琐且多需要中断水处理操作。对于相关技术的改进和革新是进一步提高其水处理效率的需求和关键所在。


技术实现要素：

5.发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种清除水中的非目标本底物质消耗臭氧，提高臭氧利用率的臭氧强化电过滤的水处理系统及处理水的方法，且水处理过程中不需要中断水处理过程即可实现清洗或反冲洗程序，解决了现有技术中传统电化学水处理技术受到传质和催化效率的问题。
6.技术方案：本发明所述一种臭氧强化电过滤的水处理系统，包括进水泵、电化学/臭氧反应装置、电源和臭氧发生器；所述电化学/臭氧反应装置内设有净化单元；所述净化单元将电化学/臭氧反应装置内部空间分隔为进水区、净化单元区、一级净化出水区和三级净化出水区；所述净化单元内部空间包括一级净化反应区、二级净化反应区和三级净化反应区；所述净化单元内部设有阳极和阴极；所述阳极和阴极分别与电源的正极、负极连接；所述电化学/臭氧反应装置上部设有出水阀出水阀；所述进水泵与进水区相连，所述臭氧发生器出气口与阴极下部进气口相连。
7.进一步地，所述阳极和阴极为圆筒状，所述阴极平行设置于阳极内部空间；所述阳极由透水性不同的下部一号阳极和二号阳极组成，所述一号阳极和上部二号阳极之间设有单向阀；所述阴极由透水性不同的一号阴极和二号阴极组成，所述阴极内部设有曝气盘，所述曝气盘将一号阴极和二号阴极分成两部分；所述一号阳极、一号阴极、二号阳极、二号阴极、曝气盘和单向阀将净化单元内部空间分隔为一级净化反应区、二级净化反应区、三级净
化反应区和气室。
8.进一步地，所述一号阳极的过滤精度高于二号阳极；所述一号阴极侧壁设有进气口以通入臭氧化气体，其余四周及底部密封不透水；所述二号阴极的下部为多孔透水透气结构且过滤精度高于一号阳极，所述二号阴极的上部密封不透水；所述二号阳极和二号阴极之间区域顶部绝缘且密封不透水。
9.进一步地，所述一号阳极和一号阴极之间底部为敞口无遮挡的环形过水通道。
10.进一步地，所述一号阳极和二号阳极为金属或金属氧化物多孔滤网材质的电极。
11.进一步地，所述一号阴极为金属或碳基材质的电极。
12.进一步地，所述二号阴极为碳基材质的电极。
13.进一步地，所述单向阀仅可向一号阳极和一号阴极一侧按角度0-90度打开。
14.进一步地，所述曝气盘为多孔金属或石英砂材质。
15.进一步地，所述电化学/臭氧反应装置内部设有多个相互平行阵列排列的净化单元。
16.更进一步地，所述水处理系统还包括与电化学/臭氧反应装置相连的反冲洗装置，所述反冲洗装置包括反冲洗电机、反冲洗密封管、反冲洗出水管、连接固件、连接套管、反冲洗出水阀；所述反冲洗电机与反冲洗密封管相连接，所述反冲洗密封管与电化学/臭氧反应装置上部相连，所述反冲洗密封管管径大于等于阳极直径；所述反冲洗出水管与电化学/臭氧反应装置下部相连，所述反冲洗出水管管径与阳极的管径相等；反冲洗密封管与反冲洗出水管通过连接固件相连接；所述反冲洗电机通过连接固件带动反冲洗密封管与反冲洗出水管旋转；所述连接套管置于反冲洗出水管上，用于连接反冲洗出水管的旋转部分和固定部分；所述反冲洗出水阀置于反冲洗出水管末端。
17.更进一步地，所述水处理系统还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括臭氧浓度监测仪、气体流量计、液体流量计、残余氧化物浓度监测传感器、一号压力传感器、二号压力传感器和控制单元；所述臭氧发生器与臭氧浓度监测仪、气体流量计、阴极依次连接；所述液体流量计、残余氧化物浓度监测传感器与出水阀依次相连，置于三级净化出水区的出水管路上；所述一号压力传感器置设置于电化学/臭氧反应装置下端进水区侧壁；所述二号压力传感器设置于电化学/臭氧反应装置上端三级净化出水区侧壁；所述控制单元接收各控件信号并输出指令。
18.本发明所述的水处理系统处理水的方法，包括以下步骤：
19.a、原水通过进水泵进入电化学/臭氧反应装置下端的进水区，而后流入一级净化反应区，经过电化学氧化还原作用以及粗过滤作用后流入一级净化出水区；
20.b、一级净化出水区内的水体流入二级净化反应区，经电化学氧化还原以及精过滤作用后流入三级净化反应区；
21.c、三级净化反应区内的水体受臭氧/电化学耦合作用后流入三级净化出水区，并经出水管路流出电化学/臭氧反应装置，即得净化水；
22.进一步地，当水处理系统使用反冲洗装置时处理水的方法包括以下步骤：
23.a、原水通过进水泵进入电化学/臭氧反应装置下端的进水区，而后流入一级净化反应区，经过电化学氧化还原作用以及粗过滤作用后流入一级净化出水区；
24.b、一级净化出水区内的水体流入二级净化反应区，经电化学氧化还原以及精过滤
作用后流入三级净化反应区；
25.c、三级净化反应区内的水体受臭氧/电化学耦合作用后流入三级净化出水区，并经出水管路流出电化学/臭氧反应装置，即得净化水；
26.d、水处理过程运行一定时间后，根据进、出水压差和出水流量，启动反冲洗电机，打开反冲洗出水阀，当反冲洗密封管与反冲洗出水管旋转至分别与某一净化单元的阳极上端和阳极下端重合时，相应的净化单元内的三级净化反应区和三级净化出水区被反冲洗密封管隔断，停止出水；在不间断曝气作用下三级净化反应区内的水体和气体透过阴极上端进入二级净化反应区，形成对阴极上端的反冲洗；
27.e、同时，水体由一级净化出水区流经一级净化反应区后流入反冲洗出水管，形成对阳极下端的反冲洗；二级净化反应区水压大于一级净化反应区内水压时单向阀将被打开，二级净化反应区内的阴极上端反冲洗污水将流经单向阀打开的通道进入一级净化反应区，并最终流入反冲洗出水管排放；反冲洗电机按频率0.5-15r/min带动反冲洗密封管和反冲洗出水管旋转，在不中断水处理的同时，依次完成对各净化单元的反冲洗，水体恢复出水流量和水压后完成反冲洗流程。
28.更进一步地，当水处理系统使用自动控制系统时处理水的方法包括以下步骤：
29.a、原水通过进水泵进入电化学/臭氧反应装置下端的进水区，而后流入一级净化反应区，经过电化学氧化还原作用以及粗过滤作用后，流入一级净化出水区；
30.b、一级净化出水区内的水体再次流入二级净化反应区，经电化学氧化还原以及精过滤作用后流入三级净化反应区；
31.c、三级净化反应区内的水体受臭氧/电化学耦合作用后流入电化学/臭氧反应装置上端三级净化出水区，并经出水管路流出电化学/臭氧反应装置，即得净化水；
32.d、水处理过程运行一定时间后，根据进、出水压差和出水流量，进行反冲洗；启动反冲洗电机，打开反冲洗出水阀，当反冲洗密封管与反冲洗出水管旋转至分别与某一净化单元的阳极上端和阳极下端重合时，相应的净化单元内的三级净化反应区和三级净化出水区被反冲洗密封管隔断，停止出水；在不间断曝气作用下三级净化反应区内的水体和气体透过阴极上端进入二级净化反应区，形成对阴极上端的反冲洗；
33.e、同时，水体由一级净化出水区流经一级净化反应区后流入反冲洗出水管，形成对阳极下端的反冲洗；二级净化反应区水压大于一级净化反应区内水压时单向阀将被打开，二级净化反应区内的阴极上端反冲洗污水将流经单向阀打开的通道进入一级净化反应区，并最终流入反冲洗出水管排放；反冲洗电机按频率0.5-15r/min带动反冲洗密封管和反冲洗出水管旋转，在不中断水处理的同时，依次完成对各净化单元的反冲洗，水体恢复出水流量和水压后完成反冲洗流程；
34.f、净化过程中，控制单元通过plc编程实现对进水泵、电源、臭氧发生器、反冲洗电机、反冲洗出水阀、臭氧浓度监测仪、气体流量计、液体流量计、残余氧化物浓度监测传感器、一号压力传感器、二号压力传感器的数据信号采集和指令控制。
35.有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性优点：
36.1)水处理过程包含了三级处理，通过一级粗过滤和二级精过滤处理使水中的固体杂质、溶解性污染物等得到了有效的预去除，使得进行三级处理时臭氧能够得到高效利用，减少了过臭氧化反应生成的活性自由基的无效消耗，提高了处理效率。
37.2)通过设置反冲洗设置，实现了水处理过程和反冲洗过程的同步进行，并巧妙地利用了流体流场，使二级电过滤滤网的反冲洗能同步进行，并精简了设备，省去了传统的反冲洗水泵、反冲洗储水等设施。
38.3)处理系统实现了一体化、小型化和智能化，不仅使过滤处理和化学氧化还原能同步处理，提高了体系传质，缩减了设备体积，并且利用部分电极内部空间充当了气室，整个系统结构精简紧凑，处理过程还能通过参数监测智能自控。
附图说明
39.图1是实施例1臭氧强化电过滤的水处理系统的结构示意图；
40.图2是实施例2臭氧强化电过滤的水处理系统的结构示意图；
41.图3是实施例3臭氧强化电过滤的水处理系统的结构示意图。
具体实施方式
42.实施例1
43.如图1所示，本发明公开的一种臭氧强化电过滤的水处理系统，包括进水泵1、进水阀2、电化学/臭氧反应装置3、电源4、进气阀5、臭氧发生器6和出水阀7。进水泵1、进水阀2、电化学/臭氧反应装置3和出水阀12依次相连；电化学/臭氧反应装置3内设有净化单元7；净化单元7将电化学/臭氧反应装置3内部空间分隔为进水区3-1、净化单元7区、一级净化出水区3-3和三级净化出水区3-6；净化单元7设有阳极8和阴极9，分别连接至电源4的正、负极。阳极8和阴极9为圆筒状，阴极9平行设置于阳极8内部空间。阳极8由透水性不同的下部一号阳极8-1和上部二号阳极8-2组成，一号阳极8-1和二号阳极8-2以设置于阴极9与阳极8之间的单向阀11为分界。阴极9由透水性不同的一号阴极9-1和二号阴极9-2组成，阴极9-1和二号阴极9-2以设置于阴极9内部的曝气盘10为分界。一号阳极8-1、一号阴极9-1、二号阳极8-2、二号阴极9-2、曝气盘10和单向阀11将净化单元7内部空间分隔为一级净化反应区3-2、二级净化反应区(3-4)、三级净化反应区3-5和气室3-7。进气阀5、臭氧发生器6和一号阴极9-1依次相连接。电源4为直流稳压电源，一号阳极8-1为不锈钢滤网电极，一号阴极9-1为石墨电极，二号阳极8-2为不锈钢滤网电极，二号阴极9-2为碳纤维滤网电极，曝气盘为石英砂曝气盘。
44.利用臭氧强化电过滤的水处理系统具体处理水的方法如下：
45.a、打开进水阀2，单向阀11关闭，原水通过进水泵1进入电化学/臭氧反应装置3下端进水区3-1，而后流入净化单元7内阳极8的一号阳极8-1和阴极9的一号阴极9-1之间的一级净化反应区3-2，打开电源4，在电化学氧化还原作用以及一号阳极8-1的粗过滤作用下对原水进行初步净化，净化后的水体流入一级净化出水区3-3；
46.b、一级净化出水区3-3内的水体流经阳极8的二号阳极8-2后进入二号阳极8-2与阴极9的二号阴极9-2之间的二级净化反应区3-4，在此区域受电化学氧化还原以及二号阴极9-2的精过滤作用下进行二级净化，净化后的水体流入三级净化反应区3-5；
47.c、打开进气阀5、臭氧发生器6，臭氧进入气室3-7，在不间断曝气作用下，三级净化反应区3-5内的水体受臭氧/电化学耦合作用得到最终净化，净化后的水体流入电化学/臭氧反应装置3上端三级净化出水区3-6，打开出水阀12，净化后的水体经出水管路流出电化
学/臭氧反应装置3，即得净化水。
48.采用上述水处理系统通过上述方法对模拟配水进行消毒处理，原水初始细菌总数约为10
6-107cfu/ml，处理过水的效果见表1。
49.实施例2：
50.如图2所示，同实施例1，不同之处在于：电化学/臭氧反应装置可同时包含四个净化单元7，相互平行阵列设置，水处理系统还包括反冲洗装置。反冲洗装置包括反冲洗电机13、反冲洗密封管14、反冲洗出水管15、连接固件16、连接套管17、反冲洗出水阀18。反冲洗电机13与反冲洗密封管14相连接，反冲洗密封管14与反冲洗出水管15通过连接固件16相连接；反冲洗密封管14管径大于第二阳极8-2管径；反冲洗出水管15与第一阳极8-1具有相同的管径；反冲洗电机13带动反冲洗密封管14与反冲洗出水管15旋转，可使它们分别与第二阳极8-2上端和第一阳极8-1下端重合；连接套管17置于反冲洗出水管15上，用于连接反冲洗出水管15旋转部件和水管15后端；反冲洗出水阀18置于反冲洗出水管15末端。
51.利用臭氧强化电过滤的水处理系统具体处理水的方法如下：
52.操作步骤同实施例1，不同之处在于还可进行同步反冲洗，具体步骤为：
53.a、当出水流量小于运行初始值的70％时，启动反冲洗电机13，打开反冲洗出水阀18，当反冲洗电机13带动反冲洗密封管14与反冲洗出水管15旋转至分别与某一净化单元7的第二阳极8-2上端和第一阳极8-1下端重合时，相应的净化单元7内的三级净化反应区3-5和三级净化出水区3-6被反冲洗密封管14隔断，停止出水；在不间断曝气作用下三级净化反应区3-5内的水体和气体透过二号阴极9-2进入二级净化反应区3-4，形成对二号阴极9-2的反冲洗；
54.b、同时，水体由一级净化出水区3-3流经一级净化反应区3-2后流入反冲洗出水管15，形成对一号阳极8-1的反冲洗；此外，由于第二阳极8-2的滤网孔径大于第一阳极8-1，二级净化反应区3-4水压将大于一级净化反应区3-2内水压，单向阀11将被打开，二级净化反应区3-4内的二号阴极9-2反冲洗污水将流经单向阀11打开的通道进入一级净化反应区3-2，并最终流入反冲洗出水管15排放；反冲洗电机13按频率15r/min带动反冲洗密封管14和反冲洗出水管15旋转，在不中断水处理的同时，依次完成对各净化单元的反冲洗，待出水水量恢复至初始运行值90％以上时完成反冲洗流程。
55.采用上述水处理系统通过上述方法对模拟配水进行消毒处理，原水初始细菌总数约为10
6-107cfu/ml，处理过水的效果见表1。
56.表1水处理方法及处理水的效果表
[0057][0058]
实施例3：
[0059]
如图3所示，同实施例2，不同之处在于：水处理系统还包括臭氧浓度监测仪19、气体流量计20、液体流量计21、残余氧化物浓度监测传感器22、一号压力传感器23、二号压力
传感器24和控制单元25。臭氧发生器6与臭氧浓度监测仪19、气体流量计20、曝气盘10依次连接；液体流量计21、残余氧化物浓度监测传感器22与出水阀12依次相连，并置于三级净化出水区3-6的出水管路上；一号压力传感器23置于电化学/臭氧反应装置3下端进水区3-1侧壁；二号压力传感器24置于电化学/臭氧反应装置3上端三级净化出水区3-6侧壁；控制单元25分别与进水泵1、电源4、臭氧发生器6、反冲洗电机13、反冲洗出水阀18、臭氧浓度监测仪19、气体流量计20、液体流量计21、残余氧化物浓度监测传感器22、一号压力传感器23和二号压力传感器24相连，接收各控件单元的信号并输出指令。
[0060]
利用臭氧强化电过滤的水处理系统具体处理水的方法如下：
[0061]
操作步骤同实施例2，反冲洗电机13按频率0.5r/min带动反冲洗密封管14和反冲洗出水管15旋转，净化过程中，当需要自动控制水处理系统时，打开控制单元25。控制单元25通过plc编程实现对进水泵1、电源4、臭氧发生器6、反冲洗电机13、反冲洗出水阀18、臭氧浓度监测仪19、气体流量计20、液体流量计21、残余氧化物浓度监测传感器22、一号压力传感器23、二号压力传感器24的数据信号采集和指令控制。