CN102249452B - 一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理系统与方法，属于水处理领域。本发明系统包括磁性树脂清洗罐、磁性树脂再生罐、反应器和纳滤系统，其特征在于反应器与磁性树脂再生罐相连接，磁性树脂再生罐分别与磁性树脂清洗罐、纳滤系统相连接，磁性树脂清洗罐与反应器相连接。一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理方法，其步骤为：进水；主反应区吸附；副反应区树脂吸附、回流；斜管沉降；磁性树脂再生；清洗；脱附液回用。本发明充分利用水力旋流实现树脂与水的混合，避免搅拌浆打碎树脂或者曝气气泡对树脂吸附产生的不利影响；磁性树脂吸附与分离沉降在一个反应器中进行，无须另设分离沉降池，占地面积少。
Description
技术领域
本发明涉及一种饮用水深度处理设备及方法，更具体的说是一种基于水力循环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，然而目前采用的吸附-分离装置为分体式，即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；
4）传统磁性树脂吸附反应器采用叶桨机械搅拌方式，但机械式搅拌容易导致树脂破碎。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系统的工作流程见附图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磁性树脂再生罐中，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
针对现有的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搅拌方式存在的不足，本发明提供了一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理系统及方法，可充分利用水力旋流实现磁性树脂与水的混合，磁性树脂吸附与分离沉降在一个反应器中进行，实现吸附与分离在同一个混合反应器内进行。
2、技术方案
发明原理：本发明通过布水喷嘴沿进水桶切线方向双向进水，形成上行旋流，带动磁性树脂与水混合，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，实现在常规处理出水的基础上去除52%以上的CODMn，60%以上的氨氮、44%以上的硝酸根离子，50%以上的硫酸根离子，出水水质稳定。
本发明的技术方案：
一种基于磁性树脂与水力循环反应器的饮用水深度处理系统，包括磁性树脂清洗罐、磁性树脂再生罐、反应器和纳滤系统，反应器与磁性树脂再生罐相连接，磁性树脂再生罐分别与磁性树脂清洗罐、纳滤系统相连接，磁性树脂清洗罐与反应器相连接。
反应器是水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器，底部为锥形，夹角A为30度，水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器内部分为主反应区、副反应区、清水区和斜管沉降区，溢流围堰口装有磁铁，运行模式是连续出水/连续进水模式，水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器的进水设备为沿进水桶切线方向进水的双向布水喷嘴，水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器中的吸附剂是磁性阴离子交换树脂MIEX或MD201。
一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理方法，其步骤为：
步骤1、进水：常规处理出水经双向布水喷嘴以1-3米/秒流速沿进水桶壁的切线方向进水，进水方式为双向进水，形成上行旋流；
步骤2、主反应区吸附：步骤1中的上行旋流挟带磁性树脂进入主反应区，水流与树脂充分混合、吸附；
步骤3、副反应区树脂吸附、回流：受阻隔板的作用，上行旋流改变方向，成为下行水流，受下行水流作用，树脂回流到反应区底部，并随着进水桶的上行旋流再次进入主反应区，实现树脂在水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器中的循环；
步骤4、斜管沉降：少量磁性树脂进入清水区，经斜管沉降进入水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器底部，出水从溢流围堰口流出；
步骤5、磁性树脂再生：室温下，水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器底部的磁性树脂经蠕动泵输送至磁性树脂再生罐中用1-1.5个再生磁性树脂体积质量百分比为15-30%的NaCl溶液再生，磁性树脂再生罐内置搅拌器，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磁性树脂清洗罐；
步骤6、清洗：用清水对磁性树脂清洗罐中的磁性树脂进行清洗，磁性树脂清洗罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器的双向布水喷嘴中；
步骤7、脱附液回用：磁性树脂再生罐中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。
3、有益效果
1）充分利用水力旋流实现树脂与水的混合，避免搅拌浆打碎树脂或者曝气气泡对树脂吸附产生的不利影响；
2）磁性树脂吸附与分离沉降在一个反应器中进行，无须另设分离沉降池，设备投资低，占地面积少；
3）可以去除常规处理出水中52%以上的CODMn，60%以上的氨氮、44%以上的硝酸根离子，50%以上的硫酸根离子，出水水质稳定。
说明书附图
图1为MIEX系统工作流程图；
图2为一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理系统工作流程图；
图3为一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理系统结构图，1水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器，2磁性树脂再生罐，3磁性树脂清洗罐，4纳滤系统；
图4为本发明水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器结构图，5、5′磁铁，6、6′斜管，7磁性树脂沉降层，8、8′清水区，9、9′副反应区，10主反应区，11溢流围堰口，12阻隔板，13水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器底部，14进水桶，15上行旋流，16下行水流，17双向布水喷嘴，18进水管。
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、4所示，实施例所使用基于磁性树脂与水力循环反应器的饮用水深度处理系统，包括磁性树脂清洗罐3、磁性树脂再生罐2、反应器1和纳滤系统4，反应器与磁性树脂再生罐相连接，磁性树脂再生罐分别与磁性树脂清洗罐、纳滤系统相连接，磁性树脂清洗罐与反应器相连接。反应器4是水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器，底部为锥形，夹角A为30度，反应器内部分为主反应区10、副反应区9、9′、清水区8、8′和斜管6沉降区，溢流围堰口11装有磁铁5、5′，运行模式是连续出水/连续进水模式，反应器的进水设备为沿进水桶切线方向的双向布水喷嘴17，反应器中的吸附剂是磁性阴离子交换树脂MIEX或MD201。
实施例1：
实施例1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 |
基于水力循环反应器的饮用水深度处理方法，其步骤为：
步骤1.1、进水：将200mL磁性树脂MD201装入水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器中（反应器直径0.6米，高0.5米，底部椎体高0.18米，夹角A为30度），室温下进水管18以80L/h的流量连续进水/出水，常规处理出水经双向布水喷嘴17（喷嘴口半径0.2厘米）以1米/秒的流速沿进水桶14壁的切线方向进水，进水方式为双向进水，形成上行旋流15；
步骤1.2、主反应区吸附：步骤1中的上行旋流15挟带磁性树脂进入主反应区10，水流与树脂充分混合、吸附；
,步骤1.3、副反应区9、9′树脂吸附、回流：受阻隔板12的作用，上行旋流15改变方向，成为下行水流16，受下行水流16作用，树脂回流到反应器底部13，并随着进水桶的上行旋流再次进入主反应区，实现树脂在反应器中的循环；
步骤1.4、斜管沉降：少量磁性树脂进入清水区，经斜管6沉降进入反应器磁性树脂沉降层7，并沉淀在反应器底部13，出水从溢流围堰口11流出；
步骤1.5、磁性树脂再生：室温下，反应器底部的磁性树脂经蠕动泵以20 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磁性树脂再生罐中（磁性树脂再生罐直径0.15米，高0.15米），用1个再生磁性树脂体积的质量百分比为20%的NaCl溶液再生，磁性树脂再生罐内置搅拌器，间歇式搅拌，运行20min，间歇10min，沉降在罐底的磁性阴离子交换树脂经蠕动泵输送至磁性树脂清洗罐；
出水水质如表2：
表2 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 | 9 | 50% |
| 氨氮（mg/L） | 0.7 | 0.19 | 73% |
| 硝酸盐（以N计，mg/L） | 13 | 5.6 | 57% |
| 硫酸根（mg/L） | 190 | 67 | 65% |
步骤1.6、清洗：用清水对磁性树脂清洗罐中的磁性树脂进行清洗，磁性树脂清洗罐内置搅拌器，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双向布水喷嘴中，清洗液经可回用于再生液配制槽；
步骤1.7、脱附液回用：磁性树脂再生罐中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。
实施例2：
操作条件同实施例1，但将步骤1.1中双向布水喷嘴以2米/秒的流速沿进水桶壁的切线方向进水，出水水质见表3：
表3 深度处理出水水质表
| 水质指标 | 常规处理出水 | 深度处理出水 | 去除率 |
| CODMn（mg/L） | 5.4 | 2.6 | 52% |
| 色度（铂钴色度单位） | 18 | 12 | 33% |
| 氨氮（mg/L） | 0.7 | 0.23 | 67% |
| 硝酸盐（以N计，mg/L） | 13 | 6.5 | 50% |
| 硫酸根（mg/L） | 190 | 84 | 56% |
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，双向布水喷嘴以3米/秒的流速沿进水桶壁的切线方向进水，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 | 2.4 | 56% |
| 色度（铂钴色度单位） | 18 | 11 | 39% |
| 氨氮（mg/L） | 0.7 | 0.28 | 60% |
| 硝酸盐（以N计，mg/L） | 13 | 7.3 | 44% |
| 硫酸根（mg/L） | 190 | 94 | 51% |
实施例4：
操作条件同实施例1，但将步骤1.1中磁性树脂量增至300mL，步骤1.5中的脱附剂改为用1个再生磁性树脂体积质量百分比为15% NaCl溶液，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 | 1.6 | 70% |
| 色度（铂钴色度单位） | 18 | 7 | 61% |
| 氨氮（mg/L） | 0.7 | 0.13 | 81% |
| 硝酸盐（以N计，mg/L） | 13 | 4.6 | 65% |
| 硫酸根（mg/L） | 190 | 57 | 70% |
实施例5：
步骤同实施例1，但将步骤1.5中的蠕动泵输送磁性树脂至磁性树脂再生罐中的流量调至25 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6：
步骤同实施例1，但将步骤1.5中的脱附剂改为用1.5个再生磁性树脂体积质量百分比为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1.5中脱附剂改为质量百分比为,30% NaCl溶液，磁性树脂再生时间改为搅拌30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 (1)
1.一种基于水力循环反应器的饮用水深度处理方法，其步骤为：
步骤1、进水：常规处理出水经双向布水喷嘴以1-3米/秒的流速沿进水桶壁的切线方向进水，进水方式为双向进水，受进水桶壁作用，形成上行旋流；
步骤2、主反应区吸附：步骤1中进水产生的上行旋流挟带磁性树脂进入主反应区，水流与树脂充分混合、吸附；
步骤3、副反应区树脂吸附、回流：受阻隔板的作用，上行旋流改变方向，成为下行水流，受下行水流作用，树脂回流到反应区底部，并随着进水桶的上行旋流再次进入主反应区，实现树脂在水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器中的循环；
步骤4、斜管沉降：少量磁性树脂进入清水区，经斜管沉降进入水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器底部，出水从溢流围堰口流出；
步骤5、磁性树脂再生：室温下，水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器底部的磁性树脂经蠕动泵输送至磁性树脂再生罐中用1.0-1.5倍于再生磁性树脂体积质量百分比为15-30%的NaCl溶液再生，磁性树脂再生罐内置搅拌器，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磁性树脂清洗罐；
步骤6、清洗：用清水对磁性树脂清洗罐中的磁性树脂进行清洗，磁性树脂清洗罐内置搅拌器，间歇式搅拌，沉降在罐底的磁性树脂经蠕动泵输送至水力循环式磁性树脂吸附-分离反应器的双向布水喷嘴中；
步骤7、脱附液回用：磁性树脂再生罐中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。
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