CN102205995A - 基于竖流式三相混合反应器的饮用水深度处理系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于竖流式三相混合反应器的饮用水深度处理系统与方法，属于水处理领域。本发明系统包括竖流式三相混合反应器、磁性树脂再生罐、磁性树脂清洗罐和纳滤系统，其特征在于竖流式三相混合反应器与磁性树脂再生罐连接，磁性树脂再生罐分别连接磁性树脂清洗罐、纳滤系统，磁性树脂清洗罐与竖流式三相混合反应器连接。本发明方法，其步骤为三相混合、吸附、固、液、气三相分离、磁性树脂再生、清洗、脱附液回用。本发明可去除饮用水常规出水中50%以上的COD_Mn，70%以上的氨氮、40%以上的硝酸根，50%以上的硫酸根，出水水质稳定。

Description

基于竖流式三相混合反应器的饮用水深度处理系统与方法

技术领域

本发明涉及一种饮用水深度处理设备及方法，更具体的说是基于竖流式三相混合反应器的饮用水深度处理系统与方法。

背景技术

目前饮用水深度处理方法主要有臭氧/活性炭法、膜法和磁性树脂吸附法，这些方法在应用过程中存在以下问题：

1）臭氧/活性炭作为一种传统的饮用水深度处理技术在国内水厂得到较多的应用，然而臭氧对水中有机物氧化不彻底会生成消毒副产物前驱物，导致在后续氯消毒过程中生成卤代烷烃和卤乙酸，增加了饮用水的生物毒性；

2）膜法可以有效去除水中各类污染物质，提高出水水质，成为水处理领域的重要技术，但是膜技术投资运行费用较高，不适宜大水量的水厂应用，同时膜污染的问题没有得到根本解决；

3）磁性树脂技术作为国外饮用水深度处理的主流技术目前正在国内进行积极的推广，该项技术设备、运行费用低，出水水质好，然而目前文献报道的吸附-分离装置多为分体式，采用机械式搅拌将树脂与进水混合。因此磁性树脂与进水混合吸附发生在一个反应器中，而磁性树脂与吸附出水分离沉降发生在另一个反应器中，这在一定程度上增加了设备的投资成本和占地面积，同时机械搅拌也容易导致磁性树脂破碎。MIEX技术控制饮用水消毒副产物的研究进展, 陈卫, 韩志刚, 刘成, 谢成塔, 周华,中国给水排水, 2009, 25(6):14-18。该文献中描述的磁性树脂方法主要是去除水中DOC和UV254，其中MIEX反应器和再生装置构成了MIEX 系统，MIEX反应器主要由搅拌区和斜板分离区组成。MIEX系统的工作流程见图1，水经MIEX反应器底部以20～30 m／h的流速向上流，MIEX粒子与进水经搅拌区充分接触后，在斜板分离区进行分离，失效粒子被定时定量地输送到再生罐中，再生后回到反应器中再利用。

该系统和反应器的缺陷为（1）系统需要分设反应器和沉降池两个构筑物，设备投资高、占地面积大；（2）机械桨式搅拌器速度过慢无法使水和树脂充分混合，而搅拌速度过快则会打碎树脂，导致树脂流失率增加，该文献报道每匹次的处理过程中树脂会有0.1%的损失，按照每天处理48匹次计算，25天就需要更换补充全部树脂，成本极高。

中国专利申请号200820237941.7 磁性树脂吸附反应器, 该专利中描述的磁性树脂吸附反应器主体是圆柱体和圆台锥体构成，反应器上部为敞口圆柱体，下部为收口的锥体，在反应器主体内部设置一～二层叶桨式搅拌器，用搅拌作为磁性树脂与水混合反应的动力。

该反应器的缺陷在于（1）反应器后段需增设沉降池，设备投资高、占地面积大；（2）机械桨式搅拌器速度过慢无法使水和树脂充分混合，而搅拌速度过快则会打碎树脂，导致树脂流失率增加。

发明内容

1、发明要解决的技术问题

针对磁性树脂法在运行过程中需要分设混合反应器和分离沉降池以及机械搅拌的不足，本发明提供基于竖流式三相混合反应器的饮用水深度处理系统与方法，能实现吸附与分离在同一个混合反应内进行，利用水力和曝气取代机械搅拌，采用连续进水/出水的运行模式工作。

2、发明内容

本发明的原理：基于竖流式三相混合反应器的饮用水深度处理系统与方法通过布水喷管将进水水流、曝气和磁性树脂充分混合，通过水力回流和隔板将磁性树脂和水分离，实现吸附分离在一个反应器中进行。

本发明的技术方案为：

基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，包括竖流式三相混合反应器、磁性树脂再生罐、磁性树脂清洗罐和纳滤系统，其特征在于竖流式三相混合反应器与磁性树脂再生罐连接，磁性树脂再生罐分别连接磁性树脂清洗罐、纳滤系统，磁性树脂清洗罐与竖流式三相混合反应器连接。

竖流式三相混合反应器内设置有布水喷管，布水喷管连接常规处理出水入口、曝气入口和再生后磁性树脂回流入口；竖流式三相混合反应器内设置有阻隔板，阻隔板上方设置有集气罩；竖流式三相混合反应器顶部设置有溢流围堰口，溢流围堰口装有磁铁。磁性树脂再生罐和磁性树脂清洗罐中分别设置有搅拌器；纳滤系统连接市政污水处理厂；竖流式三相混合反应器底部出口处、磁性树脂再生罐底部出口处和磁性树脂清洗罐底部出口处分别设置有蠕动泵；本系统中磁性树脂是磁性阴离子交换树脂MIEX或MD201。

基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理方法，其步骤为：

步骤1、三相混合：常规处理出水、曝气、磁性树脂在布水喷管中混合，以1-5米/秒的流速喷出；

步骤2、吸附：喷出的水、固、气三相混合流体受阻隔板的作用，在喷管上方形成混合反应回流区，磁性树脂与进水充分混合后吸附去除水中微量污染物，同时磁性树脂随回流水流和受阻隔板的作用下沉入反应器底部，底部的部分磁性树脂也会受回流水流作用进入混合反应区，竖流式混合反应器，底部为锥形，采用连续进水模式；

步骤3、固、液、气三相分离：步骤2中气体从集气罩中排出，80%-90%的磁性树脂随回流水流沉入反应器底部，剩余磁性树脂受阻隔板作用也沉入反应器底部，吸附出水从溢流围堰口流出；

步骤4、磁性树脂再生：室温下，竖流式三相混合反应器底部的磁性树脂经蠕动泵输送至再生罐中，用1-1.5个再生树脂体积、质量百分比为15-30%的NaCl溶液再生，再生罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性阴离子交换树脂经蠕动泵输送至清洗罐；

步骤5、清洗：用清水对清洗罐中的磁性树脂进行清洗，清洗罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至反应器的布水喷管中；

步骤6、脱附液回用：磁性树脂脱附液进入纳滤系统，纳滤出水回流到再生液配制槽，用于NaCl溶液的配制，纳滤浓缩液可进入排污管道送至市政污水处理厂处理。

、有益效果

采用本发明方法，可以去除常规处理出水中50%以上的COD_Mn，70%以上的氨氮、40%以上的硝酸根，50%以上的硫酸根，出水水质稳定；吸附与分离在同一个混合反应内进行，采用连续进水/出水的运行模式，降低了设备的投资成本，还节省了设备的占地面积。

说明书附图

图1为MIEX系统工作流程图；

图2为基于竖流式磁性树脂吸附-分离反应器的饮用水深度处理方法流程图；

图3为基于竖流式磁性树脂吸附-分离反应器的饮用水深度处理装置结构示意图；

1溢流围堰口，2集气罩，3磁铁，4磁性树脂清洗罐，5纳滤系统，6市政污水处理厂，7磁性树脂再生罐，8搅拌器，8’搅拌器，9再生后磁性树脂回流入口，10蠕动泵，11常规处理出水入口，12曝气入口，13布水喷管，14阻隔板，15竖流式反应器。

具体实施方式

以下通过实施例进一步说明本发明。

如附图2、3所示，实施例所使用的基于竖流式三相混合反应器的饮用水深度处理系统包括竖流式三相混合反应器15、磁性树脂再生罐7、磁性树脂清洗罐4和纳滤系统5，其特征在于竖流式反应器15与磁性树脂再生罐7连接，磁性树脂再生罐7分别连接磁性树脂清洗罐4、纳滤系统5，磁性树脂清洗罐4与竖流式反应器15连接。

竖流式反应器内设置有布水喷管13，布水喷管连接常规处理出水入口11、曝气入口12和再生后磁性树脂回流入口9；竖流式三相混合反应器内设置有阻隔板14，阻隔板上方设置有集气罩2；竖流式三相混合反应器顶部设置有溢流围堰口1，溢流围堰口装有磁铁3。磁性树脂再生罐和磁性树脂清洗罐中分别设置有搅拌器8、8’；纳滤系统连接市政污水处理厂6；竖流式三相混合反应器底部出口处、磁性树脂再生罐底部出口处和磁性树脂清洗罐底部出口处分别设置有蠕动泵10；本系统中磁性树脂是磁性阴离子交换树脂MIEX或MD201。

以下实施例中饮用水常规处理出水（即混凝／沙滤出水），主要水质指标如表1：

表1 常规处理出水水质

CODMn（mg/L）	色度（铂钴色度单位）	氨氮（mg/L）	硝酸盐（以N计，mg/L）	硫酸根（mg/L）
					5.4	18	0.7	13	190

实施例1：

步骤1.1 三相混合：将150mL磁性树脂MD201装入竖流式三相混合反应器中（反应器直径0.2米，高0.4米，锥形底部高0.1米），进水方式为常规处理出水、曝气、再生后磁性树脂在布水喷管中混合后，以2米/秒的流速喷出，其中进水流量为40升/小时，曝气量为40升/小时，连续进水/出水；

步骤1.2 吸附：喷出的水、固、气三相混合流体受阻隔板作用，在喷管上方形成混合反应回流区，磁性树脂与进水充分混合后吸附去除水中微量污染物，同时磁性树脂随回流水流和受阻隔板的作用下沉入反应器底部，底部的部分磁性树脂也会受回流水流作用进入混合反应区；

步骤1.3 固、液、气三相分离：步骤2中气体从集气罩中排出，85%磁性树脂随回流水流沉入反应器底部，剩余磁性树脂受阻隔板作用也沉入反应器底部，吸附出水从溢流围堰口流出；

步骤1.4 室温下，竖流式三相混合反应器底部的磁性树脂经蠕动泵以30 mL/h 的流量将磁力沉降池底的磁性阴离子交换树脂输送至再生罐中（再生罐直径0.15米，高0.15米），用150mL 20%的NaCl溶液再生，再生罐内置搅拌器，间歇式搅拌，以120r/min搅拌20min，静置10min后，沉降在罐底的磁性阴离子交换树脂经蠕动泵输送至清洗罐，出水水质如表2：

表2 深度处理效果

水质指标	常规处理出水	深度处理出水	去除率
				CODMn（mg/L）	5.4	1.8	67%
色度（铂钴色度单位）	18	10	44%
				氨氮（mg/L）	0.7	0.17	76%
硝酸盐（以N计，mg/L）	13	4.8	69%
				硫酸根（mg/L）	190	75	61%

步骤1.5 清洗：用清水对清洗罐中的磁性树脂进行清洗，清洗罐内置搅拌器，间歇式搅拌，以120r/min搅拌20min，静置10min后，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至反应器的布水喷管中，清洗液经可回用于再生液配制槽。

步骤1.6 脱附液回用：磁性树脂脱附液进入纳滤系统，纳滤出水回用于NaCl溶液的配制，纳滤浓缩液可进入排污管道送至市政污水处理厂处理。

实施例2：

操作条件同实施例1，但将步骤1.1的进水流速调至3米/秒，步骤1.3 中80%磁性树脂随回流水流沉入反应器底部，步骤1.4用150mL 30%的NaCl溶液再生，出水水质见表3：

表3 深度处理出水水质

水质指标	常规处理出水	深度处理出水	去除率（%）
				CODMn（mg/L）	5.4	2.4	56%
色度（铂钴色度单位）	18	12	33%
				氨氮（mg/L）	0.7	0.21	70%
硝酸盐（以N计，mg/L）	13	5.6	57%
				硫酸根（mg/L）	190	92	52%

实施例3：

步骤同实施例1，但将步骤1.1中的MD-201树脂改为MIEX树脂，常规处理出水、曝气、再生后磁性树脂在布水喷管中混合后，以,1米/秒的流速喷出，其它操作条件不变，出水水质见表4：

表4 深度处理出水水质

水质指标	常规处理出水	深度处理出水	去除率（%）
				CODMn（mg/L）	5.4	2.3	57%
色度（铂钴色度单位）	18	11	39%
				氨氮（mg/L）	0.7	0.22	83%
硝酸盐（以N计，mg/L）	13	7.1	45%
				硫酸根（mg/L）	190	94	51%

实施例4：

步骤同实施例1，但将步骤1.1中的进水流量改为50L/h，布水喷管曝气量改为30L/h，步骤1.3 中90%磁性树脂随回流水流沉入反应器底部，其它操作条件不变，出水水质见表5：

表5 深度处理出水水质

水质指标	常规处理出水	深度处理出水	去除率（%）
				CODMn（mg/L）	5.4	2.1	61%
色度（铂钴色度单位）	18	12	33%
				氨氮（mg/L）	0.7	0.19	73%
硝酸盐（以N计，mg/L）	13	7.1	45%
				硫酸根（mg/L）	190	94	51%

实施例5：

步骤同实施例1，但将步骤1.1中的磁性树脂改为200mL，常规处理出水、曝气、再生后磁性树脂在布水喷管中混合后，以5米/秒的流速喷出，步骤1.4用300mL 15%的NaCl溶液再生，其它操作条件不变，出水水质见表6：

表6 深度处理出水水质

水质指标	常规处理出水	深度处理出水	去除率（%）
				CODMn（mg/L）	5.4	1.6	70%
色度（铂钴色度单位）	18	9	50%
				氨氮（mg/L）	0.7	0.15	79%
硝酸盐（以N计，mg/L）	13	4.3	67%
				硫酸根（mg/L）	190	54	72%

实施例6：

步骤同实施例1，但将步骤1.4中的脱附剂改为浓度为15% NaCl溶液，其它操作条件不变，其实施结果与实施例1基本相同。

实施例7：

步骤同实施例1，但将步骤1.4中输送至再生罐中的磁性树脂流量调至40 mL/h，其它操作条件不变，其实施结果与实施例1基本相同。

实施例8：

步骤同实施例1，但将步骤1.5中磁性树脂清洗时间改为搅拌10分钟、静置10分钟，其它操作条件不变，其实施结果与实施例1基本相同。

Claims (9)

1.基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，包括竖流式反应器、磁性树脂再生罐、磁性树脂清洗罐和纳滤系统，其特征在于竖流式反应器与磁性树脂再生罐连接，磁性树脂再生罐分别连接磁性树脂清洗罐、纳滤系统，磁性树脂清洗罐与竖流式反应器连接。

2.根据权利要求1所述的基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，其特征在于所述的竖流式反应器内设置有布水喷管，布水喷管连接常规处理出水入口、曝气入口和再生后磁性树脂回流入口。

3.根据权利要求2所述的基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，其特征在于所述的竖流式反应器内设置有阻隔板，阻隔板上方设置有集气罩。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，其特征在于所述的竖流式反应器顶部设置有溢流围堰口，溢流围堰口装有磁铁。

5.根据权利要求1~3中任一项所述的基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，其特征在于所述的磁性树脂再生罐和磁性树脂清洗罐中分别设置有搅拌器。

6.根据权利要求1~3中任一项所述的基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，其特征在于所述的纳滤系统处理罐连接市政污水处理厂。

7.根据权利要求1所述的基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，其特征在于所述的竖流式反应器底部出口处、磁性树脂再生罐底部出口处和磁性树脂清洗罐底部出口处分别设置有蠕动泵。

8.根据权利要求1所述的基于竖流式三相混合反应器的饮用水处理系统，其特征在于所述的磁性树脂是磁性阴离子交换树脂MIEX或MD201。

9.基于竖流式磁性树脂吸附-分离反应器的饮用水处理方法，其步骤为：

步骤1、三相混合：常规处理出水、曝气、磁性树脂在布水喷管中混合，以1-5米/秒的流速喷出；

步骤2、吸附：喷出的水、固、气三相混合流体受阻隔板的作用，在喷管上方形成混合反应回流区，磁性树脂与进水充分混合后吸附去除水中微量污染物，同时磁性树脂随回流水流和受阻隔板的作用下沉入反应器底部，底部的部分磁性树脂也会受回流水流作用进入混合反应区，竖流式混合反应器，底部为锥形，采用连续进水模式；

步骤3、固、液、气三相分离：步骤2中气体从集气罩中排出，80%-90%的磁性树脂随回流水流沉入反应器底部，剩余磁性树脂受阻隔板作用也沉入反应器底部，吸附出水从溢流围堰口流出；

步骤4、磁性树脂再生：室温下，竖流式三相混合反应器底部的磁性树脂经蠕动泵输送至再生罐中，用1-1.5个再生树脂体积质量百分比为15-30%的NaCl溶液再生，再生罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性阴离子交换树脂经蠕动泵输送至清洗罐；

步骤5、清洗：用清水对清洗罐中的磁性树脂进行清洗，清洗罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至反应器的布水喷管中；

步骤6、脱附液回用：磁性树脂脱附液进入纳滤系统，纳滤出水回流到再生液配制槽，用于NaCl溶液的配制，纳滤浓缩液可进入排污管道送至市政污水处理厂处理。

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