CN102897959A - 一种一体化水处理设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一体化水处理设备，包括水泵、反应装置、过滤装置、紫外发生装置和电源；所述过滤装置顶部为环形的上隔水挡板，底部为圆形的下隔水挡板，侧壁包括一级过滤网和二级过滤网，二级过滤网设置于一级过滤网内；所述过滤装置设于反应装置内，并将反应装置分割为反应层和集水层，反应层侧壁设有切向进水口、底部设有排污阀，集水层侧壁设有出水口；所述水泵与反应层的进水口连接；所述紫外发生装置设于过滤装置内，包括石英套管和紫外灯管，所述紫外灯管设于石英套管内；所述一级过滤网、二级过滤网和紫外发生装置分别与电源连接。该设备结构简单紧凑、占地面积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，处理效果好、处理效率高。

Description

一种一体化水处理设备及方法

技术领域

本发明属于水处理设备领域，特别涉及一种一体化水处理设备，还涉及利用该设备进行水处理的方法。

背景技术

随着现代工业的不断发展，水污染对环境的影响越来越严重，直接威胁着人类的健康和生态安全。传统的污水处理方法常采用物化法、化学法、生化法等，但由于受水质影响，常规处理技术往往很难达到满意的效果，并且能耗高、体积大，降解不完全，甚至会造成二次污染。因此，体积小、效率高、操作简便的一体化处理设备和技术一直是国内外水处理工作中的一个难点和研究热点。

对污水进行过滤处理操作简便，无污染，往往被用作污水的预处理工艺。然而，水体中杂质含量和种类等影响，单一方法的过滤往往效果较差，且滤网易堵塞，清污繁琐，不能进行连续流处理。高级氧化技术（AOPs）是以促进产生高活性的羟基自由基（·OH）为目的的氧化技术。羟基自由基是一种很强的氧化剂，能与有机分子结合生成二氧化碳和水及其他无机物，且具有消毒杀菌能力，从而最终实现污染物的无害化处置。高级氧化技术作为一种有效的废水处理手段，近年来引起了越来越多的关注。其中，尤以光电催化法和超声催化法等因其良好的可操控性以及与环境有着较好的兼容性而受到人们的青睐。光电催化技术是近年来提出的一种能有效促进光生电子和空穴分离并利用光电协同作用的增强型光催化氧化技术。以光催化剂作为光阳极，对其施加一定的偏电压，光生电子就会迁移至外电路，从而抑制光生电子和空穴的复合。空穴在催化剂表面累积，并发生进一步反应以去除污染物。在反应体系中加入电压可显著减少电子空穴对的复合，利用这一特点可解决半导体光催化中电子空穴对严重的复合问题。光电催化技术虽然效率较高，但仍受光辐射效率、水体传质等限制。超声技术设备简单、条件温和、易于自动控制，并且不会带来二次污染等优点，被誉为“环境友好”的水处理技术。然而，单一的超声处理很难有效降解有机污染物。因此，寻求建立一种可以在常温常压下进行，并且有高效性和广谱性的耦合处理技术，使各处理技术之间协同互补，提高处理效果，设计出一体化的反应装置简化工艺并缩小体积是有效解决高效水处理难题及推动该技术能够实际应用的关键。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供了一种效率高、体积小、成本低的水处理设备以及利用该设备进行水处理的方法。

技术方案：本发明提供的一体化水处理设备，包括水泵（1）、反应装置（2）、过滤装置（3）、紫外发生装置（4）和电源（5）；所述过滤装置（3）顶部为环形的上隔水挡板（33），底部为圆形的下隔水挡板（34），侧壁包括一级过滤网（31）和二级过滤网（32），二级过滤网（32）设置于一级过滤网（31）内；所述过滤装置（3）设于反应装置（2）内，并将反应装置（2）分割为反应层（21）和集水层（22），反应层（21）侧壁设有切向进水口（23）、底部设有排污阀（24），集水层（22）侧壁设有出水口（25）；所述水泵（1）与反应层（21）的进水口（23）连接；所述紫外发生装置（4）设于过滤装置（3）内，包括石英套管（41）和紫外灯管（42），所述紫外灯管（42）设于石英套管（41）内；所述一级过滤网（31）、二级过滤网（32）和紫外发生装置（4）分别与电源（5）连接。

装置通过设置切向进水口，使进水切向进入反应装置并在反应层中形成涡旋状，利用产生的离心力使密度较大的杂质沿反应装置内壁滑落至底部，通过排污阀去除；初步净化的水经过一级过滤网粗孔过滤和二级过滤网微孔过滤，在集水层中经光、电等协同作用耦合催化，即可处理得到净化水；其中，过滤装置同时兼具过滤和电化学功能；电源可同时满足紫外灯管、电化学装置等装置的工作要求，并具备输出可调，信号反馈、远程可控等功能。

作为本发明一体化水处理设备的一种改进，还包括超声装置（6），所述超声装置（6）设于反应装置（2）内并与电源（5）连接。

作为本发明一体化水处理设备的进一步改进，所述超声装置（6）为震杆式超声发生器，频率为20-60KHz，功率密度为0.3W/cm²以上。

作为本发明一体化水处理设备的另一种改进，还包括反冲洗装置（7），所述反冲洗装置（7）包括电机（71）、轴杆（72）以及依次连通的反冲洗排污管（73）、旋转部件（74）、连接套管（75）、反冲洗总排水管（76）和反冲洗排污阀（77）；所述反冲洗排污管（73）紧贴一级过滤网（31）和二级过滤网（32）外壁设置，所述反冲洗排污管（73）与过滤装置（3）接触部位设有开孔；所述电机（71）通过轴杆（72）与旋转部件（74）相连；所述电机（71）与电源（5）连接。反冲洗排污管上开孔可将滤网外壁附着的杂质在压差作用下随滤网内壁流出的反冲洗水去除，从而实现连续流处理，保证出水水质。

作为本发明一体化水处理设备的另一种改进，还包括第一压力传感器（8）、第二压力传感器（9）和自控单元（10）；所述第一压力传感器（8）设于反应装置（2）进水口（23）内，所述第二压力传感器（9）设于反应装置（2）出水口（25）内；所述自控单元（10）分别与电源（5）、第一压力传感器（8）、第二压力传感器（9）以及反冲洗排污阀（77）连接；所述第一压力传感器（8）和第二压力传感器（9）输出检测信号至自控单元（10），所述自控单元（10）输出控制信号至电源（5）和反冲洗排污阀（78）。自控单元（10）可根据需要设置参数，在第一压力传感器（8）和第二压力传感器（9）之间压差达到设定值或者设备运行设定时间后自动启动反冲洗程序。自控单元可进行软件编程，信号采集，信号分析，模拟计算，自动调控，错误报警，数据记录等功能，从而实现参数设定、调节、故障反馈、报警与记录等功能的智能化操作，提高了该设备的实用性。

作为本发明一体化水处理设备的进一步改进，所述反冲洗排污阀（77）为气动阀或电动阀；从而可受自控单元控制开闭，使用更方便。

作为本发明一体化水处理设备的另一种改进，所述第一过滤网（31）为圆筒形不锈钢或钛过滤网，为光滑型或曲折型，过滤精度0.1-2mm；所述二级过滤网（32）为圆筒形钛基过滤网，表面设有改性或未改性的二氧化钛薄膜或二氧化钛纳米管，为光滑型或曲折型，过滤精度10-100μm。其中，第一过滤网（32）作为阴极，所述二级过滤网（32）作为阳极；从而使过滤装置不仅起到过滤作用，更能够充当电化学反应装置，优化了反应装置结构，提高了处理效率，降低了处理成本，提高了出水水质。

作为本发明一体化水处理设备的另一种改进，所述紫外灯管（42）为低压或中压汞灯，功率为8W至6KW。

作为本发明一体化水处理设备的另一种改进，所述上隔水挡板（33）和下隔水挡板（34）为绝缘防腐材料板。

作为本发明一体化水处理设备的另一种改进，所述反应装置（2）上部为圆筒形，下部为圆锥形；从而使密度较大的杂质更易沉淀、去除，提高处理效率。

本发明还提供了一种利用上述一体化水处理设备处理水的方法，包括以下步骤：

（1）利用水泵对水体进行增压、增速，使水体高速、切向进入反应装置；

（2）水体在反应装置内作旋流运动，利用产生的离心力使密度较大的杂质沿反应装置内壁滑落至底部，通过排污阀去除；初步净化的水体再依次经一级过滤网粗孔过滤和二级过滤网微孔过滤，得初级净化水；

（3）在声、光、电耦合催化作用下，处理初级净化水，即得净化水。

有益效果：本发明提供的一体化水处理设备结构简单紧凑、占地面积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，利用水力旋流分离、两级过滤网过滤、声光电耦合催化降解作用有效处理水中的污染物，实现较好的净化水质的效果，处理效果好、处理效率高。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

一、利用切向进水口使水力旋流分离，并通过两级过滤网过滤、声光电耦合催化等技术之间存在的互补、协同作用，显著提高处理效果，实现单一工艺或一般工艺难以达到的降解效果；复合协同工艺的应用能够提高处理效率，降低处理成本，对污水净化彻底，避免产生二次污染，环保可靠，具有广阔的市场前景。

二、利用特殊的反应装置结构设计以及多功能滤网，可在同一反应区间实现水力旋流分离、两级滤网过滤，声、光、电耦合催化降解等多种反应及他们之间的协同效应，使反应器结构紧凑，提高处理效果的同时显著缩小反应器体积，使反应装置携带、使用更方便。

在水力旋流初步净化后，逐步通过粗孔过滤和微孔过滤不但可以较彻底地去除水中的固体杂质，而且极大地提高了滤网的过滤效率，减小了滤网堵塞的概率。此外，滤网在起过滤作用的同时，作为电极实现了声、光、电耦合催化降解作用，减小了设备体积，降低了处理成本。

三、利用超声技术不但实现多种协同降解反应，同时可加强水体传质，清洗滤网、石英管壁和反应器壁，避免污垢沉积，使之能够长期有效运行，管理方便。

四、利用反冲洗装置和自控单元，可同步实现过滤和反冲洗处理，提高了处理效率并使设备具备连续流处理功能。

五、通过自控单元与各部件相连接以及传感器数据反馈，可实现处理过程的全自动、智能化控制。

本发明提供的水处理方法工艺简单、处理效率高，能够有效、经济、环保、一体化的通过水力旋流分离、两级过滤网过滤、声光电耦合催化进行水处理。该“一体化”即在同一反应区间实现各工艺的协同耦合作用，使其互补互促，克服各自单一作用时的缺点，显著提高处理效果并降低能耗，优化反应器结构，缩小占地面积。

该方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）利用水体在反应装置内的物理运动，通过水力旋流产生的离心力使密度较大的杂质沿反应装置内壁滑落至底部，将其去除；初步净化的水体再依次经一级粗孔过滤和二级微孔过滤双重过滤后得到进一步净化，处理效率高，处理效果好。

（2）通过巧妙的工艺构思，在一体化的水处理反应器中同步利用物理过滤结合声、光、电耦合强化催化，实现多种工艺的协同作用，互补互促。此外，通过智能化的反冲洗设计，大大提高处理效率，实现了连续流处理，避免了滤网堵塞、定期清污等问题，降低处理成本，拓展了广谱性，具备实际可行性和适用性。

附图说明

图1是实施例1的一体化水处理设备的结构示意图。

图2为实施例1的一体化水处理设备的过滤装置结构示意图。

图3是实施例2的一体化水处理设备的结构示意图。

图4是实施例2的一体化水处理设备的俯视示意图。

图5是实施例3的一体化水处理设备的结构示意图。

图6是实施例3的一体化水处理设备的反冲洗装置俯视示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

一体化水处理设备，见图1至2，包括水泵1、反应装置2、过滤装置3、紫外发生装置4和电源5。

过滤装置3顶部为环形的上隔水挡板33，底部为圆形的下隔水挡板34，侧壁包括一级过滤网31和二级过滤网32，二级过滤网32设置于一级过滤网31内；过滤装置3设于反应装置2内，并将反应装置2分割为反应层21和集水层22，反应层21侧壁设有切向进水口23、底部设有排污阀24，集水层22侧壁设有出水口25；水泵1与反应层21的进水口23连接；紫外发生装置4设于过滤装置3内，包括石英套管41和紫外灯管42，紫外灯管42设于石英套管41内；一级过滤网31、二级过滤网32和紫外发生装置4分别与电源5连接。其中，上隔水挡板33和下隔水挡板34为绝缘防腐材料板。

本发明中，反应装置2上部为圆筒形，下部为圆锥形，可选地，反应装置2也可以为其他任意形状；然而，本发明中的圆筒形反应装置能够使进水呈涡旋型，从而易使较大密度的杂质离心分离、沉淀。

本发明中，一级过滤网31为曲折型不锈钢丝网，在有限空间内增大了过滤面积，过滤精度200μm；可选地，一级过滤网31可以为光滑型或曲折型的不锈钢或钛过滤网，形状优选圆筒形，过滤精度可根据需要合理选择，优选0.1-2mm。二级过滤网32为曲折性钛基二氧化钛薄膜过滤网，在有限空间内增大了过滤面积，过滤精度50μm；可选地，其表面也可以设有改性或未改性的二氧化钛薄膜或二氧化钛纳米管，过滤精度可根据需要合理选择，10-100μm。紫外灯管42采用20w的低压汞灯，可选地，紫外灯管42功率也可以根据装置大小及废水处理量合理选择，优选地，为8W至6KW。

待处理水体由水泵1增压、增速后由反应装置2的进水口23高速、切向进入反应装置2；由反应装置2的出水口25流出，在反应装置2的腔体内形成处理区间；石英套管41内含紫外灯管42，悬臂式设置于反应装置2内。

实施例2

一体化水处理设备，见图3至图4，与实施例1基本相同，不同之处在于：还包括超声装置6，紫外灯管42采用6支环形布置的20W的低压汞灯，超声装置6设置于反应装置2内。其中，超声装置6为震杆式超声发生器，可选地，频率为20-60KHz，功率密度为0.3W/cm²以上。

实施例3

一体化水处理设备，见图5至图6，包括水泵1、反应装置2、过滤装置3、紫外发生装置4、电源5、超声装置6、反冲洗装置7、一号压力传感器8、二号压力传感器9和自控单元10。

过滤装置3顶部为环形的上隔水挡板33，底部为圆形的下隔水挡板34，侧壁包括一级过滤网31和二级过滤网32，二级过滤网32设置于一级过滤网31内；过滤装置3设于反应装置2内，并将反应装置2分割为反应层21和集水层22，反应层21侧壁设有切向进水口23、底部设有排污阀24，集水层22侧壁设有出水口25；水泵1与反应层21的进水口23连接；紫外发生装置4设于过滤装置3内，包括石英套管41和紫外灯管42，紫外灯管42设于石英套管41内；一级过滤网31、二级过滤网32和紫外发生装置4分别与电源5连接。

反冲洗装置7包括电机71、轴杆72以及依次连通的反冲洗排污管73、旋转部件74、连接套管75、反冲洗总排水管76和反冲洗排污阀77；反冲洗排污管73紧贴一级过滤网31和二级过滤网32外壁设置，反冲洗排污管73与过滤装置3接触部位设有开孔；电机71通过轴杆72与旋转部件74相连；电机71与电源5连接。其中，反冲洗排污阀77优选为气动阀或电动阀。

第一压力传感器8设于反应装置2进水口23内，第二压力传感器9设于反应装置2出水口25内；自控单元10分别与电源5、第一压力传感器8、第二压力传感器9以及反冲洗排污阀77连接；第一压力传感器8和第二压力传感器9输出检测信号至自控单元10，自控单元10输出控制信号至电源5和反冲洗排污阀77。

当一号压力传感器8和二号压力传感器9之间压力差达到0.04MPa时启动反冲洗程序。反冲洗时，反冲洗排污管紧贴一级过滤网31和二级过滤网32外壁作旋转运动。当反冲洗程序启动，打开反冲洗排污阀77时，反冲洗排污管与外界大气相通，此时滤网内腔的净化水压力大于反冲洗排污管内压力，形成压力差。如图5所示，反冲洗排污管与过滤网接触部分水流自滤网内腔向外流入反冲洗排污管，对过滤网形成反冲洗；与此同时，没有反冲洗排污管接触的过滤网部分仍进行过滤处理。在电机71带动下，反冲洗排污管沿过滤网外壁作圆周旋转运动，逐步对整个过滤网外表面进行反冲洗排污。

通过压力传感器和电源与自控单元10信号输入输出连接，可实现工艺设计，参数设定、调节，故障反馈，报警与记录等功能，在实际运行中进行智能化的操作，从而使之具备更强的实用性。控制管理是水处理运行过程中的重要环节，通过设置监测装置和自控单元可实现处理的智能化运行，适用于各种环境。

实施例4

利用实施例1至3所述的一体化水处理设备进行水处理，包括以下步骤：

（1）利用水泵对水体进行增压、增速，使其高速、切向进入反应装置；

（2）水体在反应装置内作旋流运动，利用产生的离心力使密度较大的杂质沿反应装置内壁滑落至底部，通过排污阀去除；初步净化的水体再依次经一级过滤网粗孔过滤和二级过滤网微孔过滤，得初级净化水；

（3）在声、光、电耦合催化作用下，处理初级净化水，即得净化水；同时，可在压力传感器反馈和自控单元控制作用下，同步实现过滤和反冲洗处理。

对污水厂水体进行灭菌处理，初始细菌总数为8×10⁴CFU/mL。处理参数及效果见表1。

表1一体化水处理设备进行水体消毒处理方法及效果

对污水进行净化处理，初始COD为320mg/L。处理参数及效果见表2。

表2一体化水处理设备进行水体净化处理方法及效果

Claims (10)

1.一种一体化水处理设备，其特征在于：包括水泵（1）、反应装置（2)、过滤装置（3)、紫外发生装置（4）和电源（5）；所述过滤装置（3）顶部为环形的上隔水挡板（33），底部为圆形的下隔水挡板（34），侧壁包括一级过滤网（31）和二级过滤网（32），二级过滤网（32）设置于一级过滤网（31）内；所述过滤装置（3）设于反应装置（2）内，并将反应装置（2）分割为反应层（21）和集水层（22），反应层（21）侧壁设有切向进水口（23）、底部设有排污阀（24），集水层（22）侧壁设有出水口（25）；所述水泵（1）与反应层（21）的进水口（23）连接；所述紫外发生装置（4）设于过滤装置（3）内，包括石英套管（41）和紫外灯管（42），所述紫外灯管（42）设于石英套管（41）内；所述一级过滤网（31）、二级过滤网（32）和紫外发生装置（4）分别与电源（5）连接。

2.根据权利要求1所述的一体化水处理设备，其特征在于：还包括超声装置（6），所述超声装置（6）设于反应装置（2）内并与电源（5）连接。

3.根据权利要求2所述的一体化水处理设备，其特征在于：所述超声装置（6）为震杆式超声发生器，频率为20-60KHz，功率密度为0.3W/cm²以上。

4.根据权利要求1所述的一体化水处理设备，其特征在于：还包括反冲洗装置（7），所述反冲洗装置（7）包括电机（71）、轴杆（72）以及依次连通的反冲洗排污管（73)、旋转部件（74）、连接套管（75）、反冲洗总排水管（76）和反冲洗排污阀（77）；所述反冲洗排污管（73）紧贴一级过滤网（31）和二级过滤网（32）外壁设置，所述反冲洗排污管（73）与过滤装置（3）接触部位设有开孔；所述电机（71）通过轴杆（72）与旋转部件（74）相连；所述电机（71）与电源（5）连接。

5.根据权利要求4所述的一体化水处理设备，其特征在于：还包括第一压力传感器（8)、第二压力传感器（9）和自控单元（10）；所述第一压力传感器（8）设于反应装置（2）进水口（23）内，所述第二压力传感器（9）设于反应装置（2）出水口（25）内；所述自控单元（10）分别与电源（5）、第一压力传感器（8）、第二压力传感器（9）以及反冲洗排污阀（77）连接；所述第一压力传感器（8）和第二压力传感器（9）输出检测信号至自控单元（10），所述自控单元（10）输出控制信号至电源（5）和反冲洗排污阀（78）。

6.根据权利要求5所述的一体化水处理设备，其特征在于：所述反冲洗排污阀（77）为气动阀或电动阀。

7.根据权利要求1所述的一体化水处理设备，其特征在于：所述第一过滤网（31）为圆筒形不锈钢或钛过滤网，为光滑型或曲折型，过滤精度0.1-2mm；所述二级过滤网（32）为圆筒形钛基过滤网，表面设有改性或未改性的二氧化钛薄膜或二氧化钛纳米管，为光滑型或曲折型，过滤精度10-100μm；所述紫外灯管（42）为低压或中压汞灯，功率为8W至6KW。

8.根据权利要求1所述的一体化水处理设备，其特征在于：所述上隔水挡板（33）和下隔水挡板（34）为绝缘防腐材料板。

9.根据权利要求1所述的一体化水处理设备，其特征在于：所述反应装置（2）上部为圆筒形，下部为圆锥形。

10.一种利用权利要求1至9任一项所述的一体化水处理设备处理水的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）利用水泵对水体进行增压、增速，使水体高速、切向进入反应装置；

（2）水体在反应装置内作旋流运动，利用产生的离心力使密度较大的杂质沿反应装置内壁滑落至底部，通过排污阀去除；初步净化的水体再依次经一级过滤网粗孔过滤和二级过滤网微孔过滤，得初级净化水；

（3）在声、光、电耦合催化作用下，处理初级净化水，即得净化水。

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