CN102001798B

CN102001798B - 采用耐氧化膜对饮用水深度净化的方法及系统

Info

Publication number: CN102001798B
Application number: CN201010604810A
Authority: CN
Inventors: 张锡辉; 郭建宁
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102001798A

Abstract

一种采用耐氧化膜对饮用水深度净化的方法，包括以下步骤：将原水输送进入接触池，输入含臭氧气体经微孔曝气器进行臭氧曝气，对水流中有机物进行氧化降解；进而使水流进入微孔曝气器上方的耐氧化膜过滤组件过滤；经过耐氧化膜过滤的水流进入颗粒活性炭过滤床层，进行吸附和微生物净化，有效去除残留的有机物和氨氮，得到深度净化的饮用水。其通过臭氧、耐氧化膜及颗粒活性炭组合系统实现了对微污染水源的深度净化，突破了常用有机膜处理的局限性，不仅能够去除原水中的浊度，而且能够有效的去除原水中高浓度的有机物和氨氮，可在现有水厂常规工艺基础上进行改造，无需对水厂主要构筑物进行大的调整，便于推广。

Description

采用耐氧化膜对饮用水深度净化的方法及系统

技术领域

本发明涉及饮用水深度处理技术，具体是一种采用耐氧化膜对饮用水深度净化的方法及系统，本发明特别适用于水源受到有机物和氨氮污染而常规饮用水净化工艺不能使氨氮和有机物有效去除的情况。

背景技术

在现代社会中，人类日常生活所需要的饮用水主要来自地表水源，而地表水源普遍存在一定程度的有机物和氨氮污染问题，通常称为微污染。人类生产和消费活动是导致水源有机物和氨氮浓度升高的主要原因。常规饮用水净化处理工艺包括混凝、沉淀和石英砂过滤等，其主要目的是去除颗粒态污染物，使原水浊度得到有效去除，从而得到清澈的饮用水。但是，这种常规净化工艺不能够有效去除氨氮和有机物，面对微污染水源时，所生产的饮用水水质往往不能满足相关的水质标准。

针对受微污染的水源，需要采用深度净化处理工艺，以有效去除源水中的有机污染物和氨氮。目前普遍采用的深度净化处理工艺是臭氧-颗粒活性炭联用工艺，其中臭氧具有很强的氧化能力，能够有效分解有机污染物分子，降低其有毒有害的风险，并提高有机分子的生物可降解性；而颗粒活性炭能够吸附被臭氧氧化的有机物分子，颗粒活性炭表面还附着生长大量的活性微生物，能够将吸附的有机物分子最终降解转化成为二氧化碳；颗粒活性炭表面附着生长的活性微生物，还能进行硝化过程，将无机氨分子转化成为硝酸根离子，从而使氨氮得到有效去除。因此，臭氧-颗粒活性炭联用工艺得到了广泛应用。但是，采用这种深度净化工艺需要在常规水厂基础上增加处理设施，这大幅度增加了水厂建设投资和运行成本；而且有些已经建成的常规水厂常常没有足够的空间建设新的处理设施，水厂升级改造受到严重影响。

采用膜技术能够有效地去除水中的浊度，可以取代常规净化工艺包括混凝、沉淀和石英砂过滤等单元，从而将常规的三个单元压缩合并成为一个单元，大幅度减少了水厂占地面积。常用的膜是中空纤维状的有机膜，其材料是聚氯乙烯（缩写PVC）或者聚偏氟乙烯（缩写PVDF）。在通常采用的过滤压力下，膜通水量一般是100L/m²·h。中空纤维状的PVC膜或者PVDF膜具有成本低的特点，易于进行模块化管理，维护费用也比较低。但是，这种膜技术不能有效去除水源中的有机污染物和氨氮。在实践中，面对微污染水源时，水厂往往需要在工艺前端投加臭氧或者氯，称为预臭氧或者预加氯，目的是控制藻类的生长，改善混凝和沉淀的效果。但是，预臭氧或者预加氯会损坏PVC膜或者PVDF膜，这大大限制了这种类型的有机膜在饮用水净化处理中的应用。而且，有机污染的存在还加剧了膜污染，降低膜通量，缩短膜运行周期，严重影响膜过滤效率。

综合比较表明，常规净化工艺、常用的深度净化工艺和目前膜过滤技术等各有其优点，但是也存在明显的局限性，或者不能满足水质要求，或者需要增加占地面积，增加处理设施，引起投资和成本上升，影响水厂运营。因此，采用耐氧化膜集成净化技术对受污染水源进行深度净化的研究成为业内重要课题之一。目前，采用臭氧、耐氧化膜及颗粒活性炭组合系统对微污染水源进行深度净化处理，并同时达到去除浊度、有机物和氨氮的方案未见有关文献披露。

发明内容

为了克服现有饮用水净化工艺技术中存在的上述不足，本发明提供一种采用耐氧化膜对饮用水深度净化的方法及系统，其对受污染饮用水原水进行综合处理，能有效解决水源水受到不同程度有机物和氨氮污染的问题；同时能结合水厂现有工艺及条件实施改造，无需增加主要构筑物。

本发明采用耐氧化膜对饮用水深度净化的方法，采取以下步骤：

a、将原水或者经过混凝沉淀的水输送进入接触池中，输入含臭氧气体经微孔曝气器进行臭氧曝气，含臭氧气体以微小气泡的形式均匀分散到该接触池的水流中，对水流中有机物进行氧化降解；进而使含有溶解态臭氧的水流进入微孔曝气器上方的耐氧化膜过滤组件过滤，水流中浊度颗粒被膜微孔截留而沉淀，同时在膜孔隙中臭氧继续对水流中有机污染物进行氧化降解；以及

b、经过耐氧化膜过滤组件过滤的水流进入颗粒活性炭过滤床层，水流中残留的有机物污染被活性炭吸附，被吸附的有机污染物进而被活性炭颗粒表面附着的微生物降解去除，水流中残留的氨氮同时被活性炭表面附着的硝化细菌所降解，得到深度净化的饮用水。

其中，进入所述微孔曝气器的所述含臭氧气体是含臭氧空气或含臭氧氧气，臭氧浓度为4%-16%，控制所述含臭氧气体的流量使臭氧投加量为0.5-2.5mg/L。

所述耐氧化膜过滤组件的耐氧化膜材质为陶瓷或者聚四佛乙烯，膜孔径为10-200nm，过滤时的跨膜压差为－0.08 MPa 至＋0.2 MPa，，水流过滤通量维持在100-250L/m²·h。

所述耐氧化膜过滤组件放置在接触池内、微孔曝气器上方，含有溶解态臭氧的水流直接与耐氧化膜进行接触，总体接触时间为2-15分钟。

所述颗粒活性炭滤床中的填料为颗粒状活性炭，粒径为0.5-2mm，机械强度 85%-95%，碘值达到800mg/g以上，水流空床接触时间为15min，床层厚度为1-2m，过滤速度为8-12m/h。

实现上述方法的一种饮用水深度净化系统，包括：臭氧发生器，用于产生臭氧浓度为4%-16%的含臭氧气体；耐氧化膜过滤组件，该过滤组件设有出水口；接触池，设有进水口和排泥水口，在该接触池内靠近底部处安装微孔曝气器，于该微孔曝气器上方设置所述耐氧化膜过滤组件，所述臭氧发生器通过出气管连接该微孔曝气器；及，颗粒活性炭滤床，其内填充颗粒状活性炭滤层，该滤层上方安装配水管，该配水管的进水端与所述耐氧化膜过滤组件的出水口之间连接水泵，耐氧化膜过滤组件的出水流经过该配水管进入滤床进行活性炭的吸附和生物氧化降解处理。

其中，所述接触池、所有构件、管件都需要采用耐臭氧氧化的材料。微孔曝气器是钛金属微孔曝气器或陶瓷微孔曝气器，微孔曝气器呈板状或管状。

所述耐氧化膜过滤组件放置在接触池内、微孔曝气器上方，含有溶解态臭氧的水流能够直接与耐氧化膜进行接触，总体接触时间为2-15分钟。耐氧化膜过滤组件的耐氧化膜材质为陶瓷或者聚四佛乙烯，膜孔径为10-200nm，过滤时的跨膜压差为－0.08 MPa 至＋0.2 MPa，水流过滤通量维持在100-250L/m²·h。

根据本发明构思可以提供一种内设耐氧化膜过滤组件的接触池。该接触池包括池体，该池体上、下分别设有进水口和排泥水口；在该池体内靠近底部处安装由钛金属或者陶瓷制成的微孔曝气器，于该微孔曝气器上方设置耐氧化膜过滤组件；其中，该耐氧化膜过滤组件的耐氧化膜材质为陶瓷或聚四佛乙烯，膜孔径为10-200nm。

本发明通过臭氧、耐氧化膜及颗粒活性炭组合系统实现了对微污染水源的深度净化处理，突破了目前常用有机膜处理的局限性，不但能够去除原水中的绝大部分浊度，而且能够有效的去除原水中高浓度的有机物和氨氮，特别适用于水源受到有机物和氨氮污染而常规饮用水净化工艺不能使氨氮和有机物有效去除的情况。

其耐氧化膜过滤组件放置在接触池内、微孔曝气器上方，能够和臭氧氧化过程合并在一起，含有溶解态臭氧的水流能直接与膜进行充分接触，形成协同作用过程，提高臭氧氧化的效率，也减轻膜表面的污染，提高膜组件运行周期和效率。

本发明可在现有的水厂常规工艺基础上进行改造，无需对水厂主要构筑物进行大的调整，能够模块化管理，运行稳定，便于维护保养，有利于整个工艺系统的推广。

附图说明

图1为本发明采用耐氧化膜对饮用水深度净化系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体试验对本发明做进一步说明。

图1所示系统主要包括：臭氧发生器1，接触池2，设置于接触池2内的微孔曝气器3和耐氧化膜过滤组件4，以及颗粒活性炭滤床5等。

臭氧发生器1包括具有气源11、进气管12和出气管13，气源11采用经过除尘干燥的空气或者纯氧，气源压力为0.04-0.1MPa，经过高压放电，产生含臭氧的气体，调节气量和臭氧发生器的放电功率，出气中的臭氧浓度达到4%-16%。臭氧发生器可直接采用市场上已有的定型产品，但是气源的选择则需要视氨氮浓度的高低而定；当氨氮浓度低于2mg/L时，采用空气源；当氨氮浓度高于2mg/L，则采用纯氧源，保证氨氮进行生物硝化过程对氧的需要。

耐氧化膜过滤组件4的耐氧化膜材质为陶瓷或者聚四佛乙烯。耐氧化膜组件可采用市场上已有的陶瓷材料或者聚四氟乙烯材料制作的膜产品，膜孔径范围是10-200nm，正压过滤的操作压力是0.1-0.2MPa，负压过滤的操作压力是-0.04 至 -0.08MPa，过滤通量为100-250L/m²·h，出水浊度低于0.1NTU，颗粒数低于200个/ml。耐氧化膜过滤组件4设有出水口。

接触池2设有进水口和排泥水口24，接触池2为倾斜底结构，在接触池2内靠近底部处安装微孔曝气器3，于该微孔曝气器3上方设置耐氧化膜过滤组件4，臭氧发生器1通过出气管13连接接触池2内的微孔曝气器3，进气臭氧浓度为4%-16%，通过微孔曝气器3在接触池2内与水流充分接触，控制气体流量使臭氧投加量为0.5-2.5mg/L范围，臭氧利用率可达到85%以上。原水通过原水管21、水泵22、出水管23连接到接触池2的进水口，水流停留时间为2-15分钟。微孔曝气器3采用钛金属微孔曝气器或陶瓷微孔曝气器，微孔曝气器3呈板状或管状。

颗粒活性炭滤床5内填充颗粒状活性炭滤层51，该滤层51上方安装配水管52，该配水管52的进水端与所述耐氧化膜过滤组件4的出水口之间依次连接水管43、水泵42和水管41，耐氧化膜过滤组件4的出水流经过该配水管52进入滤床5内，通过配水管52使得该出水流均匀分散到颗粒活性炭床层上部，均匀通过颗粒状活性炭滤层51进行活性炭的吸附和生物氧化降解处理，过滤速度是8-12m/h，出水从设于该层床5下部的出水管53流出，出水管53上还可连接反冲洗管路。

上述颗粒活性炭滤床5中的颗粒状活性炭粒径范围是0.5-2mm，机械强度为85%-95%，碘值达到800mg/g以上，水流空床接触时间为15min，床层厚度为1-2m，过滤速度为8-12m/h。滤床出水浊度低于0.2NTU，对有机物去除率大于40%，对氨氮去除率大于90%。

上述水泵42可提供-0.08MPa的负压，或者+0.2MPa的正压，使膜过滤通量为100-250L/m²·h。

图1中，还示出了一种内设耐氧化膜过滤组件的接触池，它包括：池体，该池体上、下分别设有进水口和排泥水口；在该池体内靠近底部处安装由钛金属或者陶瓷制成的微孔曝气器3，于该微孔曝气器3上方设置耐氧化膜过滤组件4；其中，该耐氧化膜过滤组件的耐氧化膜材质为陶瓷或聚四佛乙烯，膜孔径为10-200nm。

图1系统的接触池2内配置有微孔曝气器3和耐氧化膜组件4，微孔曝气器3安装在接触池2内靠近底部处，耐氧化膜组件4安装在微孔曝气器3的上方。通过图1系统实现饮用水深度净化工艺的步骤如下：

①、通过原水管21、水泵22和出水管23将原水输送到接触池2内，泥水从排泥管24排出；气源11的原料气经过干燥除尘预处理后，通过进气管12引入臭氧发生器1，所产生的含臭氧气体由出气管13输出，进入接触池2内的微孔曝气器3进行臭氧曝气，含臭氧气体以微小气泡的形式均匀分散到该接触池的水流中，对水流中有机物进行氧化降解；

由于过滤组件4设置在微孔曝气器3上方位置，接触池2中的水流（含有溶解态臭氧）通过耐氧化膜过滤组件4的微小孔隙进入该过滤组件4内过滤，水流中浊度颗粒被膜微孔截留而沉淀，同时在膜孔隙中臭氧继续对水流中有机污染物进行氧化降解；

②、耐氧化膜过滤组件4的出水流通过水管41、水泵42和水管43进入颗粒活性炭滤床5内，通过颗粒状活性炭滤层51进行下向流过滤，水流中残留的有机物污染被活性炭吸附，被吸附的有机污染物进而被活性炭颗粒表面附着的微生物降解去除，水流中残留的氨氮同时被活性炭表面附着的硝化细菌所降解，得到深度净化的水流从滤床底部的出水管53排出。

其中，进入微孔曝气器3的所述含臭氧气体的臭氧浓度为4%-16%，控制所述含臭氧气体的流量使臭氧投加量为0.5-2.5mg/L；

由于耐氧化膜组件4放置在接触池2内、微孔曝气器3上方，含有溶解态臭氧的水流能够直接与耐氧化膜进行充分接触，总体接触时间可为2-15分钟。

耐氧化膜过滤组件的膜孔径为10-200nm，过滤时的跨膜压差为-0.08MPa的负压或者+0.2MPa的正压；当跨膜压差为－0.08 MPa 时，水流过滤通量维持在100-250L/m²·h；当跨膜压差为＋0.2 MPa 时，水流过滤通量维持在100-250L/m²·h。

实验1：测试本发明在不同浊度水平下工作对浊度的去除效率，原水浊度依次是10、50、100、500NTU，出水平均浊度依次是0.082、0.079、0.083、0.087NTU，浊度去除率依次是99.2%、99.8%、99.9%、99.99%，平均去除率是99.7%。

实验2：系列测试在低浊度情况下系统对于浊度的去除效率，原水浊度依次是5.52、5.52、5.52、5.52、8.45、8.45、8.45、10.4、10.4、10.4、10.4NTU，出水浊度依次是0.13、0.14、0.17、0.15、0.18、0.15、0.18、0.15、0.17、0.13NTU，最低去除率是97.3%，最高去除率是98.8%，平均去除率是97.9%。

实验3：测试系统对于有机物的去除效率，以TOC（总有机碳）表征，原水TOC浓度依次是3.06、3.06、3.06、3.06、3.06、4.62、4.62、4.62、4.90、4.90mg/L，出水TOC浓度依次是1.33、1.70、1.76、1.61、1.40、2.29、2.23、2.36、2.43、2.19mg/L，最低去除率是42.4%，最高去除率是56.5%，平均去除率是50.2%。

实验4：测试系统对于氨氮的去除效率，原水氨氮浓度依次是3.81、3.81、3.81、6.23、6.23、6.50mg/L，出水氨氮浓度依次是0.07、0.10、0.01、0.17、0.31、0.56mg/L，最低去除率是91.4%，最高去除率是99.7%，平均去除率是96.5%。

Claims

1.一种采用耐氧化膜对饮用水深度净化的方法，其特征在于采取以下步骤：

a、配置一臭氧发生器，用于产生臭氧浓度为4%-16%的含臭氧气体；一耐氧化膜过滤组件，该过滤组件设有出水口；一个具有进水口和排泥水口的倾斜底接触池，在该接触池内靠近底部处安装微孔曝气器，于接触池内、微孔曝气器上方设置耐氧化膜过滤组件，所述臭氧发生器通过出气管连接该微孔曝气器；将原水或者经过混凝沉淀的水输送进入该接触池中，输入含臭氧气体经微孔曝气器进行臭氧曝气，对水流中有机物进行氧化降解；进而使含有溶解态臭氧的水流进入微孔曝气器上方的耐氧化膜过滤组件过滤，水流中浊度颗粒被膜微孔截留而沉淀，同时在膜孔隙中臭氧继续对水流中有机污染物进行氧化降解；以及

b、配置一颗粒活性炭滤床，其内填充颗粒状活性炭滤层，该滤层上方安装配水管，该配水管的进水端与所述耐氧化膜过滤组件的出水口之间连接水泵，耐氧化膜过滤组件的出水流经过该配水管进入滤床进行活性炭的吸附和生物氧化降解处理；

经过耐氧化膜过滤组件过滤的水流进入颗粒活性炭过滤床，水流中残留的有机物污染被活性炭吸附，被吸附的有机污染物进而被活性炭颗粒表面附着的微生物降解去除，水流中残留的氨氮同时被活性炭表面附着的硝化细菌所降解，得到深度净化的饮用水；

其中，进入所述微孔曝气器的所述含臭氧气体是含臭氧空气或含臭氧氧气，控制所述含臭氧气体的流量使臭氧投加量为0.5-2.5mg/L；所述耐氧化膜过滤组件的耐氧化膜材质为陶瓷或者聚四氟乙烯，膜孔径为10-200nm，过滤时的跨膜压差为－0.08 MPa 至＋0.2 MPa，水流过滤通量维持在100-250L/m²·h；含有溶解态臭氧的水流直接与耐氧化膜的总体接触时间为2-15分钟。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述颗粒活性炭滤床中的填料为颗粒状活性炭，粒径为0.5-2mm，机械强度 85%-95%，碘值达到800mg/g以上，水流空床接触时间为15min，床层厚度为1-2m，过滤速度为8-12m/h。