CN101407363A - 一种处理饮用水中氧化性污染物的装置 - Google Patents

Abstract

一种处理饮用水中氧化性污染物的装置，涉及饮用水中氧化性污染物的处理装置。筒体(13)内底有水下搅拌器(19)，下部有与内壁固结的固定支架装置(17)，内部有通过纤维膜密封胶(12)将两端的中空纤维膜和膜组件端头套筒(11)固结并密封的可拆卸中空纤维膜组件(14)，膜组件端头套筒(11)通过内螺纹紧固套筒(10)分别与底端的膜组件支架(15)和顶端与法兰盖(3)固结的膜组件固定件(4)连接，法兰盖(3)上有氢气管接头(2)。将膜组件支架(15)与固定支架装置(17)装好，盖紧法兰盖(3)即可。本发明结构合理，中空纤维膜组件安装、拆卸容易，电子供体氢气洁净、高效、成本低、无需后续处理。可去除饮用水中多种氧化性污染物质。

Description

一种处理饮用水中氧化性污染物的装置

技术领域

本发明涉及一种处理饮用水中氧化性污染物质的装置，属于环境工程中饮用水中氧化性污染物质的处理技术领域，具体是利用氢气自养菌生物膜对污染水体进行净化处理的装置。

背景技术

在我国的不少地区饮用水的氧化性污染物质污染相当严重，这些氧化性物质主要包括硝酸盐、高价态重金属物质及挥发性有机物质如氯仿等。含高浓度硝酸盐污染的饮用水被婴幼儿饮用后，易导致“蓝婴综合症”。为了提高饮水安全性，世界上很多国家设定了饮用水中硝酸盐和亚硝酸盐浓度标准，世界卫生组织(WHO)规定的饮用水中硝酸盐氮含量不超过10mg·L^-1；我国现行GB/T14848-93地下水水质标准中III类饮用水标准规定NO₃ ^--N≤20mg·L^-1。目前去除饮用水中硝酸盐的方法主要有离子交换法、反渗透法、电解法、化学还原法及异养生物反硝化法。反渗透、离子交换和电渗析通常认为是去除含硝酸盐污染地下水的最佳可行技术(BAT)。然而，前四种方法属于物理化学法处理技术领域，其所需装置复杂，技术成本高，处理后产生的浓缩废液还需要进一步处理；异养生物反硝化常常因地下水中有机物含量较低而受到限制。对饮用水中的高价态重金属如六价铬，国内外通常使用FeSO₄ ^-石灰法、SO₂还原法、电解法、铁氧体法、钡盐法、活性炭吸附法、铁屑过滤法、反渗透、电渗析法及藻类吸附等，这些方法有一定的效果，但耗资较大，还可能造成二次污染。近年来研究表明，微生物法处理重金属铬，不仅去除效率高，而且运行成本低。生物还原可以将Cr(VI)以适当的方式还原成Cr(III)而降低其毒性，或者还原所生成的Cr(III)形成Cr(OH)₃(s)沉淀，通过过滤加以去除，但饮用水中有机营养贫乏，异养生物还原Cr(VI)也受到一定的限制。

氢基质膜生物技术是一种自养生物还原方法，该技术采用氢气作为电子供体，中空纤维膜作为生物膜载体，氢气从中空纤维膜内部扩散到膜外的过程中，被膜面的微生物利用；同时，氧化性物质被还原而达到净水目的，如硝酸盐被彻底还原为氮气，Cr(VI)被还原成Cr(III)而使其毒性降低，或者还原所生成的Cr(III)形成Cr(OH)₃(s)沉淀后经过滤而得以去除。氢气原料具有清洁、无残留、利用率高、成本低廉、无须后续生物稳定性处理等优点。美国亚利桑那州立大学的Rittmann教授采用hollow fiber membrane biofilm reactor(HFMBfR)处理饮用水中的氧化性污染物质，如硝酸盐、六价铬等，取得良好效果；但该反应器采用外循环泵以达到完全混合的效果，动力消耗大，且膜组件膜拆卸不方便，膜面沉积钙盐等污染物质后不易清除，限制了氢气的供应及有效利用，对处理效果的影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于处理饮用水中氧化性污染物质的装置，该装置属于完全混合式氢基质膜生物反应器，具有生物挂膜容易，氢气利用率高，污染物去除效率高，膜组件易于拆卸和清洗、膜污染易于清除等优点，解决了基于氢基质的生物膜反应器因氢气利用效率低、膜污染不易清除及膜组件不易更换等限制其推广应用的问题。

为达上述目的，本发明是通过如下的技术方案实现的：包括设有进水口和出水口的筒体，以及筒体内的内膜孔与氢气连接的中空纤维膜，氢气由内膜孔扩散到膜外，流经膜面的水中的氧化性物质被膜面氢自养微生物还原而除去。其结构要点是：筒体内的底部固定盘的中心固结水下搅拌器；筒体下部进水口和放空管的上面设有与筒体内壁固定连接的固定支架装置，固定支架装置开设与支架螺栓大小匹配的孔；筒体内有2-4组均由中空纤维膜和两端的膜组件端头套筒组成的可拆卸中空纤维膜组件；两端的膜组件端头套筒和中空纤维膜通过纤维膜密封胶固结并密封；两端的膜组件端头套筒的外螺纹与内螺纹紧固套筒的螺纹匹配，通过正、反方向旋转与法兰盖固结的膜组件固定件的外周凸台上挂有的能转动的内螺纹紧固套筒，选择将顶端的膜组件端头套筒与膜组件固定件连接成一体，或分开；同样，通过正、反方向旋转膜组件支架的外周凸台上挂有能转动的内螺纹紧固套筒，选择将底端的膜组件端头套筒与膜组件支架连接成一体，或分开；底端的膜组件支架上固结有支架螺栓，将支架螺栓插入固定支架装置的孔内，达到可拆卸中空纤维膜组件的安装就位；再通过固定螺母及螺栓将法兰盖、法兰垫片与筒体顶端的法兰固结成一体，构成处理饮用水中氧化性污染物质的装置。

上述的可拆卸中空纤维膜组件的中空纤维膜为市售的PE、PVC或PEDF材质，膜孔径为0.01μm-0.04μm。

上述的固定支架装置是均匀固结于筒体内壁的3-4块悬挂式支座，或者是固结于筒体内壁的一个横截面形状为圆形、方形或矩形的环。

本发明的效果及益处是：

1.由于本发明采用了顶端与法兰盖进行选择性的固定连接或随时分离结构，底端与膜组件支架活动连接结构的可拆卸中空纤维膜组件，因此，使可拆卸中空纤维膜组件拆卸方便，易于更换膜组件及清洗膜面等。

2.由于本发明采用了氢气作为电子供体，在微生物的作用下，还原地下水中的氧化性物质，氢气廉价、洁净、利用效率高、无后续污染；同时，该装置也适用于处理地下水中的氧化性重金属物质及氧化性有机物质。

3.本文发明在受氧化性物质污染的饮用水源处理中有着广泛的应用前景，如应用于含高硝酸盐的地下水区，军火生产区地下水(高氯酸盐污染)、受干洗行业废水(含氯仿类污染物)污染的地下水等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的俯视图

图3为本发明的A-A截面图

图4为本发明的I点放大图

图5为本发明的II点放大图

图中，

1-氢气管线；2-氢气管接头；3-法兰盖；4-膜组件固定件；5-固定螺母及螺栓；6-法兰垫片；7-法兰；8-出水口；9-环形密封垫；10-内螺纹紧固套筒；11-膜组件端头套筒；12-纤维膜密封胶；13-筒体；14-可拆卸中空纤维膜组件；15-膜组件支架；16-支架螺栓；17-固定支架装置；18-放空管；19-水下搅拌器；20-进水口；21-反应器底盘固定螺栓；22-底部固定盘。

具体实施方式

请参阅图1-5。

先进行法兰盖3和可拆卸中空纤维膜组件14的组装。采用市售的中空纤维膜，外径1.5mm，内径0.85mm，膜孔径0.01um，每组可拆卸中空纤维膜组件14共有6000根中空纤维膜，有效膜面积45m²，共设两组可拆卸中空纤维膜组件14。6000根中空纤维膜的顶端与底端均套入膜组件端头套筒11，然后用纤维膜密封胶12将所有的中空纤维膜端部与膜组件端头套筒11粘结固定，中空纤维膜的膜之间也用纤维膜密封胶12完全密封，但中空纤维膜开口不密封，这样，氢气可由可拆卸中空纤维膜组件14的顶部套筒没有的密封的中空纤维膜端头进入中空纤维膜内部，再由中空纤维膜的膜孔扩散到膜外。顶端的膜组件端头套筒11通过内螺纹紧固套筒10环形密封垫9，与膜组件固定件4连接，膜组件固定件4的顶端与筒体13顶部的法兰盖3固结成一体，通过旋转膜组件固定件4的外周凸台上挂有的能转动的内螺纹紧固套筒10，给内螺纹紧固套筒10提供支撑并压紧环形密封垫9，为顶端的膜组件端头套筒11上部的气体密封作保证，将膜组件端头套筒11与膜组件固定件4连接成一体。反方向旋转，可将膜组件端头套筒11与膜组件固定件4分开。法兰盖3上的每一组可拆卸中空纤维膜组件14处设有氢气管接头2，氢气管接头2与氢气管线1连接。底端的膜组件端头套筒11通过内螺纹紧固套筒10与膜组件支架15连接，通过旋转膜组件支架15的外周凸台上挂有能转动的内螺纹紧固套筒10，将膜组件端头套筒11与膜组件支架15连接成一体，反方向旋转，可将膜组件端头套筒11与膜组件支架15分开。膜组件支架15上焊接支架螺栓16。

安装时，先将水下搅拌器19置于筒体13底部的底部固定盘22上并固定连接。通过反应器底盘固定螺栓21将本发明固定在合适的位置。筒体13的形状为圆柱型，上部设有出水口8，下部位于水下搅拌器19，上面有进水口20和放空管18。进水口20和放空管18上面的筒体13内壁上焊接4块匀布与内壁水平圆周的悬挂式支座，每块悬挂式支座的底板开有与能插入支架螺栓16的孔。将已经与法兰盖3组装在一起的可拆卸中空纤维膜组件14放入筒体13内，并将膜组件支架15上的支架螺栓16插入固定支架装置17的孔内就位；再通过固定螺母及螺栓5将法兰盖3、法兰垫片6与筒体13顶端的法兰7固结成一体，组成本发明的一种处理饮用水中氧化性污染物的装置。

工作原理和效果

本发明的装置运行时，采用氢气压力罐提供氢气，氢气以一定的压力通过氢气管线1，由氢气管接头2进入中空纤维膜内，再由膜内向膜外扩散；硝酸盐等氧化性物质的污染水通过泵由进水口20进入装置，从上部靠近法兰7处的出水口8溢流。运行时，底部进水，在水下搅拌器19的作用下，筒体13内的水流呈完全混合流，氢气一定的分压力从中空纤维膜内部扩散到膜外，扩散的过程中被生物膜利用，同时微生物还原膜外水体中的氧化性物质，得到净化的水体从顶部出水口溢流流出。在膜面污染严重时，可将膜组件从反应器中取出，更换膜组件或清洗膜面的污垢及过厚的污泥等。处理含高浓度NO₃ ^--N污染地下水，在一定的氢分压下，反应器水停留时间4～10个小时的条件下，可以彻底去除硝酸盐污染。处理含Cr(VI)浓度1～3mg/L的污染地下水时，在一定的氢分压下，水力停留时间3～9个小时的条件下，Cr(VI)去除效率达60％以上。另外，去除效率也取决于膜面积，适当增大膜面积，可提高膜面污染物去除负荷，达到更好的去处效果。

用本发明处理含硝酸盐污染地下水。处理水量1.4m³/d，硝酸盐浓度50mg/L。采用有效容积560L，尺寸为内径Φ600mm，高2000mm的装置。中空纤维膜采用市售的外径1.5mm，内径0.85mm，膜孔径0.01um，单个膜组件共有6000根中空纤维膜，有效膜面积45m²，反应器内设两个膜组件。由氢气压力罐供氢气，供气压力为0.02～0.05MPa，蠕动泵进水，水下搅拌器19搅拌形成完全混合流，出水口8溢流出水。驯化期接种城市污水处理厂缺氧池活性污泥驯化培养，接种量为3000mg/L的污泥30ml，接种污泥由进水泵从进水口20加入反应器，反应器间歇运行挂膜一周，完成驯化过程。反应器运行过程中，氢气以一定的压力进入中空纤维膜后，从膜孔内向外无泡扩散，在通过中空纤维膜外生物膜扩散的过程中，被生物膜利用，同时还原水流中硝酸盐氧化性污染物质。挂膜结束后，连续进水，水力停留时间控制在4～6h；运行1～2周后，出水无硝酸盐和亚硝酸盐检出。

用本发明处理含Cr⁶⁺污染地下水，处理水量1.5L/d，Cr⁶⁺浓度2mg/L。装置有效容积5.8L，尺寸为内径Φ6cm，高20cm。膜组件端头套筒(11)的内径2.5cm，采用市售中空纤维膜，外径1.5mm，内径0.85mm，膜孔径0.01um，中空纤维膜根数140根，有效膜面积1.0m²。由氢气压力罐供氢气，供气压力为0.02～0.05MPa，蠕动泵进水，水下搅拌器搅拌形成反应器内完全混合流。采用上述驯化成熟的氢自养反硝化活性污泥接种，接种量为10mg DW/L，接种污泥在反应器内间歇运行挂膜一周。挂膜结束后，连续进水，水力停留时间控制在6～8h；运行3～4周后，出水无硝酸盐、亚硝酸盐检出，Cr⁶⁺的浓度降低到0.6mg/L。

Claims (3)

1、一种处理饮用水中氧化性污染物的装置，包括设有进水口(20)和出水口(8)的筒体(13)，以及筒体(13)内的内膜孔与氢气连接的中空纤维膜，其特征是：筒体(13)内的底部固定盘(22)的中心固结水下搅拌器(19)；筒体(13)下部进水口(20)和放空管(18)的上面设有与筒体(13)内壁固定连接的固定支架装置(17)，固定支架装置(17)开设与支架螺栓(16)大小匹配的孔；筒体(13)内有2-4组均由中空纤维膜和两端的膜组件端头套筒(11)组成的可拆卸中空纤维膜组件(14)；两端的膜组件端头套筒(11)和中空纤维膜通过纤维膜密封胶(12)固结并密封；两端的膜组件端头套筒(11)的外螺纹与内螺纹紧固套筒(10)的螺纹匹配，通过正反方向旋转与法兰盖(3)固结的膜组件固定件(4)的外周凸台上挂有的能转动的内螺纹紧固套筒(10)，选择将顶端的膜组件端头套筒(11)与膜组件固定件(4)连接成一体，或分开；同样，通过正反方向旋转膜组件支架(15)的外周凸台上挂有能转动的内螺纹紧固套筒(10)，选择将底端的膜组件端头套筒(11)与膜组件支架(15)连接成一体，或分开；底端的膜组件支架(15)上固结有支架螺栓(16)，将支架螺栓(16)插入固定支架装置17的孔内，达到可拆卸中空纤维膜组件(14)的安装就位；再通过固定螺母及螺栓(5)将法兰盖(3)、法兰垫片(6)与筒体(13)顶端的法兰(7)固结成一体，构成处理饮用水中氧化性污染物质的装置。

2、根据权利要求1所述的一种处理饮用水中氧化性污染物的装置，其特征是：所述的可拆卸中空纤维膜组件(14)的中空纤维膜为市售的PE、PVC或PEDF材质，膜孔径为0.01μm-0.04μm。

3.根据权利要求1所述的一种处理饮用水中氧化性污染物的装置，其特征是：所述的固定支架装置(17)是均匀固结于筒体(13)内壁的3-4块悬挂式支座，或者是固结于筒体(13)内壁的一个横截面形状为圆形、方形或矩形的环。

Images