CN104150636A - 一种降低浊度强化膜分离污水纯化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，主要由涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、超滤装置和反渗透装置组成。本发明还公开了利用上述装置进行水纯化的方法。经本发明处理后的出水水质极好，工艺高效安全，操作简单。

Description

一种降低浊度强化膜分离污水纯化的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种去除污水中悬浮物质以及营养物质(如：氮、磷、有机物、消毒副产物、悬浮颗粒、胶体等)的装置，具体地涉及一种降低浊度强化膜分离污水纯化的装置。

本发明还涉及利用上述装置降低浊度强化膜分离使污水纯化的方法。

背景技术

目前，我国有大中小型造纸厂总数10000余家，年排放废水量高达40多亿m3，占全国废水总排放量的十分之一，造纸废水的BOD₅年排放量200多万t，占全国废水总排放量的25％。因此，如何应用造纸废水治理技术，化废为宝，回收、利用资源，促进生态环境保护与造纸工业可持续发展，具有重要的现实意义。

废水的主要成分是木质素、纤维素、半纤维素、单糖、有机酸等，其水质为pH为9-11，悬浮物1000mg/l，COD为6000-25000mg/l，色度很深，含有大量纤维和在生产过程中添加的填料和胶料。造纸废水处理应着重于提高循环用水率，减少用水量和废水排放量，同时也应积极探索各种可靠、经济和能够充分利用废水中有用资源的废水处理方法。通常污水中胶体类污染物处理难度高，采用气浮、混凝等方法不但效果不佳，而且需要经常更换药品投入耗费较大，针对这类情况本发明采用纳米曝气浮选处理法可回收白水中纤维性固体物质，固体回收率可达98％；混凝沉淀法可去除废水中剩余悬浮固体；采用三级反冲洗筛滤提高出水水质，隔除固体污染物质并去除水溶性有机污染物，同时对出水细菌、微生物以及病原菌；最后使用超滤装置及反渗透装置，出水可直接回用与本工业过程中或作为中水回用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低浊度强化膜分离污水纯化的装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行污水纯化的方法。

为实现上述目的，本发明提供的降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，主要由涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、超滤装置和反渗透装置组成；其中：

涡凹气浮装置，其进水端为曝气区，出水端为出水区，曝气区和出水区之间不刮渣区，曝气区底部与刮渣区底部通过一联通管相连，曝气区设置有纳米曝气头，与叶轮和电机构成涡凹曝气机；刮渣区上方的电机通过传动装置带动链轮运转，使刮泥板将气浮处理污水表面的泥渣、油渣刮除至集渣槽内排除；出水区内由两个折板组成，隔绝涡凹气浮装置上部的浮渣及底部的污泥，将中部的清液收集起来后流至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接涡凹气浮装置出水口的一侧为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应区内设有微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入O₂的纳米曝气头，主反应区顶端设有用以添加混凝剂的加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截区内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，絮体二次拦截区底部设置有出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口；

三级反冲筛滤装置的水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反冲筛滤装置内部由多孔网格分为上部的集水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排列的圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入O₂的曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫外灭菌灯，且紫外灭菌灯之间设置有通入O₃的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入超滤装置内；

超滤装置内部为中空纤维超滤器，中空纤维超滤器的下方安装有纳米曝气机，出水导入反渗透装置；

反渗透装置为板框式反渗透器，内部布设PA-300聚醚酰胺反渗透膜。

所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，涡凹气浮装置中的叶轮和电机通过一基座固定在涡凹气浮装置的上端。

所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，三级反冲筛滤装置内的筛滤填料是石英砂、改性锰砂与天然分子筛填料的混合物，不均匀系数为2。

所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、超滤装置及反渗透装置内，纳米曝气头分别与一纳米曝气机连接；涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置反冲洗的纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池、超滤装置及反渗透装置内纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程，并防止膜堵塞、老化现象。

所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝池内使用的混凝剂为聚合氯化铝PAC+阳离子聚丙烯酰胺CPAM，其添加比例约为20:1。

所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，中空纤维超滤器采用尼龙中空纤维，膜孔径为0.4微米。

本发明提供的利用上述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置进行污水纯化的方法：

污水进入涡凹气浮装置的曝气区，与涡凹曝气机产生的微小气泡及纳米曝气头产生的纳米气泡充分混合，气泡在上升的过程中将固体悬浮物带到水面，刮泥板沿液面运行将悬浮物刮至集渣槽内，污水净化后在排放前会经过两个折板流入出水区，确保集渣槽中的液体不会流入污泥排放管道，同时进行二次沉淀，防止污泥进入出水区；

经过涡凹气浮装置去除颗粒型悬浮物后的出水导至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内的主反应区内进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至絮体二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出进入三级反冲筛滤装置；

在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及反洗周期；储水箱内的纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率，经三级反冲筛滤装置处理的污水进入超滤装置的中空纤维超滤器进行超滤，中空纤维超滤器的膜组件表面的错流是由纳米曝气机的纳米气泡搅动产生的，高温纳米气泡的气流搅动在膜表面产生剪切力以及湍流流动，无须较高的进水流速即可使膜表面的浓差极化层变薄，积累物质被带走，同时曝气亦可增大过滤压力；出水采用液压泵进行负压出水方式，去除污水中的剩余悬浮物，使出水达到中水回用标准，然后进入反渗透装置去除污水中的盐分后，排出达标的出水。

所述的方法，其中，涡凹气浮装置内刮渣区电机转速大于10r/min。

所述的方法，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内絮凝时间大于5min。

本发明采用纳米曝气技术改进涡凹气浮及混凝工艺的凝聚过程，利用气液两相相对运动、局部产生的高温高压状态和强烈冲击力，强化涡凹气浮的效果及凝聚-絮凝两个步骤，将污水中的微细污染物颗粒利用气泡俘获在其表面或者粘附在一起带上水面。气浮及混凝处理后的出水使用三级反冲筛滤装置过滤，在砂滤和高级氧化的作用下，实现清水与絮体的分离，三级反冲筛滤装置中纳米二氧化钛晶体作为光触媒在紫外灯照射下激发极具氧化力的自由负离子，同时在纳米曝气过程中以及超声波发生过程激发的能量亦可发生并加强自由负离子的产生，达成光催化效果；而自由负离子以及其摆脱共价键的束缚后留下空位，与纳米气泡表面带有的电荷同时产生微电解效果，降解污水中的大分子有机物及痕量毒性物质；又使用超滤及反渗滤两段再度过滤污水中的大分子有机物及盐分，初步使出水达到饮用标准，对污水进行纯化。本发明对污水中悬浮物和胶体去除率高达100％，处理后出水纯净度高，色度、浊度低，出水水质极好，工艺高效安全，操作简单。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图中主要组件符号说明：

1电机；2基座；3叶轮；4涡凹气浮装置；5链轮；6刮泥板；7传动装置；8出水区；8A、8B析板；9主反应区；10纳米曝气头；11加药装置；12絮体拦截区；13斜管；14纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置；15絮体二次拦截区；16立体网状结构填料；17第一阀门；18第二阀门；19增压泵；20进水堰；21阻流板；22筛滤填料；23三级反冲筛滤装置；24曝气管；25回流槽；26多孔网格；27分流仓；28超滤装置；29反渗透装置；30纳米曝气机；31压力泵；32中空纤维超滤器；33第三阀门；34第一闸阀；35第二闸阀；36半导体负载填料；37紫外灭菌灯；38通气管；39液压泵；40出水口；41出泥口；42螺旋输泥器；43微涡流混凝器；44集渣槽；45联通管；46曝气区；47超声波发生仪；48刮渣区

具体实施方式

请参阅图1。本发明提供的降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，主要由涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、超滤装置和反渗透装置组成；其中：

涡凹气浮装置4，主要分为曝气区46、刮渣区48、出水区8三个部分，曝气区46底部与刮渣区48底部通过一联通管45相连，防止进水不足造成涡凹曝气机空转，曝气区46设置有一连接纳米曝气机30的纳米曝气头10，与叶轮3和电机1构成涡凹曝气机，叶轮3和电机1通过一基座2固定在涡凹气浮装置4上端；刮渣区48上方的电机1通过传动装置7带动链轮5运转，从而使刮泥板6源源不断地将气浮处理污水表面的泥渣、油渣刮除至集渣槽44内排除；出水区8内由两个折板8A、8B组成，隔绝涡凹气浮装置4上部的浮渣及底部的污泥，将中部的清液收集起来。涡凹气浮装置内刮渣区48的电机转速大于10r/min。

未经处理的污水首先进入曝气区46，与涡凹曝气机产生的微小气泡及纳米曝气头10产生的纳米气泡充分混合，气泡在上升的过程中将固体悬浮物带到水面，刮泥板6沿液面运行将悬浮物刮至集渣槽44内，污水净化后在排放前会经过两个折板8A、8B流入出水区8，确保集渣槽44中的液体不会流入污泥排放管道，同时进行二次沉淀，防止污泥进入出水区8。

涡凹曝气机将“微气泡”直接注入污水中而不需要事先进行溶气，然后通过叶轮把“微气泡”均匀的分布于污水中，所以整个运行过程不会发生阻塞现象；曝气区46池底的纳米曝气头也辅助不断产生微纳米气泡，利用不同粒径气泡上浮过程中可将大型颗粒以及微纳米絮体、胶体两种级别的悬浮物质粘附，使其随之浮在水面上。同时微纳米气泡在污水中停留时间超过4小时，起预曝气作用。经过涡凹气浮装置4去除颗粒型悬浮物后出水自流至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置14内。

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置14底部设有螺旋输泥器42和出泥口41，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置14连接涡凹气浮装置4出水口的一侧为主反应区9，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区9为絮体拦截区12，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区15；主反应区9内设有微涡流混凝器43，主反应区9内部上方有通入O₂的纳米曝气头10，主反应区9顶端设有用以添加混凝剂的加药装置11，混凝剂为聚合氯化铝(PAC)+阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，其添加比例约为20:1。絮体拦截区12内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管13；絮体二次拦截区15内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料16，立体网状结构填料16下方铺设一纳米曝气头，絮体二次拦截区15底部设置有出水口40，出水通过液压泵39连接旋三级反冲筛滤装置23的进水口。

本发明的纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装过程，主要分为三个步骤：

(A)微纳米曝气前期气浮过程：微纳米气泡传质过程中，污水中的微细污染物颗粒俘获在气泡表面或与气泡粘附在一起，在气泡上升过程中带动微细污染物颗粒上浮至水体表面，达成气浮作用从而实现清水与悬浮颗粒物、胶体的分离；

(B)微纳米曝气中期加药混凝过程：利用微纳米气泡发生过程的强烈冲击力以及上浮过程中的气液两相相对运动、气泡爆炸时局部产生的高温高压状态和爆破力，对污水进行热补偿的同时施加强烈搅拌作用，迅速将混凝剂分散至待处理水体的各处，使混凝剂与污水快速均匀混合，打散包裹住混凝剂的胶体块，提高其分散程度，促进胶体相互碰撞凝聚成絮体。而当混凝剂被包裹形成絮体后，在纳米曝气下絮体成长质量更高，成长过大的絮体在纳米曝气的作用下会破碎成较小絮体从而恢复并保持絮凝能力(絮体过大会使总表面积减小，吸附能力下降)，密实度较低的絮体在纳米曝气的剪切力作用下会破碎并重新絮凝成密实度较高的絮体，有利于沉淀分离。

(C)微纳米曝气后期热断裂过程：利用微纳米曝气过程产生的以及气泡爆炸时局部产生的高温高压状态实现絮体薄弱处的断裂，进而重新撞击、吸附污水中胶体、悬浮物以形成更加稳固的絮体。

为了让形成的絮体更好的吸附脱稳胶体而成长的絮凝过程，本发明同时使用微涡流混凝器，涡流反应器形成的微涡旋流动能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞。一方面，混凝剂水解形成胶体在微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞，使水中胶体快速脱稳；另一方面，水中脱稳胶体在微涡流作用下具有更多碰撞机会，因而具有更高的凝聚效率。

污水经过主反应区纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至中间絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至右侧絮体二次拦截区，在高密度立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内絮凝时间应大于5min，对于微污染水源、低温低浊及污水处理可适当延长。二次拦截区填料定期清洗，清洗时同时开启填料底部纳米曝气头，利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗。出水通过液压泵导入三级反冲筛滤装置23。

三级反冲筛滤装置23的水池的进水口处设有一进水堰20，出水口处设有回流槽25，三级反冲筛滤装置23内部由多孔网格26分为上部的集水池和下部的分流仓27两个部分，分流仓27为紧密排列的圆筒状。多孔网格26上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠近进水堰20处设有一阻流板21，靠近回流槽25的一侧设有一通入O₂的曝气管24，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料22安装有超声波发生仪；筛滤填料选取石英砂、改性锰砂与天然分子筛填料的混合物，不均匀系数为2，是集过滤、吸附、离子交换、混凝及去除重金属为一体的多功能混合填料。分流仓的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫外灭菌灯37，且紫外灭菌灯37之间设置有通入O₃的曝气纳米曝气头10，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料36；三级反冲筛滤装置23的出水直接导入超滤装置28内。

三级反冲筛滤装置在使用时，集水池内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔板向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理。延长筛滤装置使用寿命及反洗周期，对于进水浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，不断运行净化污水。

集水池内纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O3氧化分解有机物的能力；且纳米级别O3气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于集水池，提高高级氧化效果，可有效提高·OH产生率。

超滤装置28内部使用中空纤维超滤器32进行超滤，中空纤维超滤器采用尼龙中空纤维，膜孔径为0.4微米，中空纤维超滤器直接置于反应器中，纳米曝气机10设置在膜组件的下方，膜表面的错流是由纳米曝气机的纳米气泡搅动产生的，高温纳米气泡的气流搅动在膜表面产生剪切力以及湍流流动，无须较高的进水流速即可使膜表面的浓差极化层变薄，积累物质被带走。出水采用液压泵进行负压出水方式，高效去除污水中的剩余悬浮物，出水导入反渗透装置29；

反渗透装置29为板框式反渗透器，内部布设PA-300聚醚酰胺反渗透膜，去除污水中的盐分，排出达标的出水。

本发明的涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、超滤装置及反渗透装置内，纳米曝气头分别连接一纳米曝气机。其国涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置反冲洗的纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池、超滤装置及反渗透装置内纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程，并防止膜堵塞、老化现象。

根据本发明的一个实施例，本发明对污水中溶解性腐殖质、悬浮物和胶体去除率高达100％，处理后出水纯净度高，色度、浊度低，出水水质极好。

本发明采用三级反冲洗技术进行反冲洗：

一级反冲洗为曝气循环反冲洗，由于污染物质在填料表面的堆积，污水难以透过填料之间的空隙渗透下去，在筛滤过程中进行反冲洗，开启三级反冲筛滤装置23左上角增压泵19、曝气管24并间歇开启多孔板上方纳米曝气头10，集水池内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔板向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下产生波轮效果，大力清洗填料表层片状致密污染物，溢流至回流槽，使填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，污水也可继续自分子筛空隙渗透下去；一级反冲洗可延长筛滤装置使用寿命及反洗周期，对于进水浊度较低的情况，甚至可以无需反冲洗，使装置不断运行净化污水。

二级反冲洗为空气脉冲反冲洗，由于污水浊度过高，导致污染物质在填料表面的大量堆积，仅仅靠一级反冲洗步骤仍不能达到继续筛滤的效果。关闭第一阀门17、第一闸阀34，开启第三阀门33、第二阀门18，启动三级反冲筛滤装置23右下角增压泵19、曝气管24及两个纳米曝气机头10，将出水池内出水导入集水池中。在回水压力的作用下，集水池中的全部空气受到快速挤压，沿分压仓上细孔上升，全部筛滤填料层在上升空气的强力搅拌，曝气管气流及纳米曝气头的冲击力作用下旋转流动，污染物质破碎浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽与初始进水混合，待水面快速下降，过滤速率重新稳定后，关闭三级反冲筛滤装置23右下角增压泵19、多孔板下方纳米曝气头10、第三阀门33、第二阀门18，开启第一阀门17、第一闸阀34，继续进行筛滤处理。

三级反冲洗为曝气湍流反冲洗，此时一、二级反冲洗已经不足以解决污染物质对填料的覆盖、阻塞问题，污水大量积聚不得过滤。此时关闭第一阀门17、第一闸阀34，开启第三阀门33、第二阀门18，启动三级反冲筛滤装置23右下角增压泵19、曝气管24及两个纳米曝气头10、超声波发生仪47，将出水池内出水大量导入集水池中。⑴集水池内部空气沿多孔板细孔上升搅拌，填料底部纳米曝气头开始曝气，填料上方涡轮不断转动；⑵利用纳米曝气技术冲击、氧化、气浮及高温作用协同清洗，上方填料呈现湍流状态，进行无规则高速运动状态，填料在水流旋涡的冲击力和气泡的剪切力作用下相互摩擦，填料上附着的有机污染物能够去除，得到较为纯净的填料；⑶利用超声波发生仪在液体介质中产生超声波，在筛滤填料表面产生空化效应，空化汽泡在闭合过程中破裂时形成的冲击波，会在其周围产生上千个气压的冲击压力，作用在填料表面上破坏污物之间粘性，并使它们迅速分散在反洗液中，从而达到填料表面洁净的效果。⑷空气排净后，出水池的出水继续导入，富含羟自由基的出水冲洗湍流状态的的填料颗粒表面及微孔，剥离污染物质，填料得到再生。⑸而污染物质在水流冲击力及右侧曝气管气浮作用下不断向上浮至水面，自左端进水堰及右端回流槽流出与初始进水混合。经过三级反冲洗，内部污染物被清洗排空殆尽。

常规砂滤是在过滤过程中不扰动砂层，使水流从砂子细小缝隙之间流过。通常采用不扰动砂层，压实填料、增加水压、砂上附加网格等手段改进砂滤过程，让水流从砂子细小缝隙之间流过，而污染物质停留在砂层的表层上。本发明则是利用扰动填料表层，防止污染物质堆积对水流的顺利通过形成阻力，同时利用高级氧化、纳米曝气、气泡的冲击力和剪切力等手段改进装置，利用分子筛、锰砂等填料进行优化设计，最后使用三级反冲洗等改进处理过程。本装置对胶体、纤维、藻类等悬浮物的截留效果好，对于浊度较低水质甚至无需反冲洗，即可完成处理过程，同时具有去除臭味，灭杀细菌、病原菌等微生物，分解难降解的少量残留表面活化剂、多氯联苯等难降解有机化合物的功效。

本发明的碳掺杂的纳米TiO₂粉体的制备：采用均匀沉淀法和水热法两步过程制备碳掺杂的纳米TiO₂。以硫酸钛和尿素为前驱，葡萄糖为碳源，具体制备过程如下：取6.48g27硫酸钛和3.24g54尿素(硫酸钛与尿素的摩尔比为1:2)溶于去离子水中，再加入适量的葡萄糖0.6搅拌均匀，1:2:0.023在90℃的条件下反应2h。待反应结束后取出反应物干燥、反复水洗至中性，再次干燥，用球磨机研磨得到碳掺杂的纳米TiO₂粉体。

本发明的纳米TiO₂粉体负载在填料上的方法：采用聚丙烯材质的立体网状结构填料，将纳米TiO2粉体与去离子水(粉体与水的质量比为1:20)混合，用超声波超声成乳浊液，将洁净的立体网状结构填料浸入与乙醇1:1混合的钛酸酯偶联剂，缓慢搅拌一段时间，然后将填料取出放入TiO₂乳浊液中继续搅拌一段时间，取出后放入烘箱中干燥(85℃以下)2h，即制得负载纳米TiO₂的聚丙烯悬浮填料，其外观呈淡黄色，膜层较均匀。

Claims (9)

1.一种降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，主要由涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、超滤装置和反渗透装置组成；其中：

涡凹气浮装置，其进水端为曝气区，出水端为出水区，曝气区和出水区之间不刮渣区，曝气区底部与刮渣区底部通过一联通管相连，曝气区设置有纳米曝气头，与叶轮和电机构成涡凹曝气机；刮渣区上方的电机通过传动装置带动链轮运转，使刮泥板将气浮处理污水表面的泥渣、油渣刮除至集渣槽内排除；出水区内由两个折板组成，隔绝涡凹气浮装置上部的浮渣及底部的污泥，将中部的清液收集起来后流至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内；

纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置底部设有螺旋输泥器和出泥口，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置连接涡凹气浮装置出水口的一侧为主反应区，用于完成纳米气浮-凝聚过程，相邻主反应区为絮体拦截区，相邻絮体拦截区的为絮体二次拦截区；主反应区内设有微涡流混凝器，主反应区内部上方有通入O₂的纳米曝气头，主反应区顶端设有用以添加混凝剂的加药装置；絮体拦截区内铺设有用于絮体拦截沉淀的斜管；絮体二次拦截区内部填充有聚丙烯的立体网状结构填料，立体网状结构填料下方铺设一纳米曝气头，絮体二次拦截区底部设置有出水口，出水通过液压泵连接旋三级反冲筛滤装置的进水口；

三级反冲筛滤装置的水池的进水口处设有一进水堰，出水口处设有回流槽，三级反冲筛滤装置内部由多孔网格分为上部的集水池和下部的分流仓两个部分，分流仓为紧密排列的圆筒状；多孔网格上方中央安放一纳米曝气头，埋设在填充的筛滤填料中，筛滤填料上方靠近进水堰处设有一阻流板，靠近回流槽的一侧设有一通入O₂的曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，筛滤填料安装有超声波发生仪；分流仓的下方为储水箱，储水箱外壁涂刷避光黑色涂料，其内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，其底部安装有紫外灭菌灯，且紫外灭菌灯之间设置有通入O₃的曝气纳米曝气头，储水箱内剩余的空间填充有半导体负载填料；三级反冲筛滤装置的出水直接导入超滤装置内；

超滤装置内部为中空纤维超滤器，中空纤维超滤器的下方安装有纳米曝气机，出水导入反渗透装置；

反渗透装置为板框式反渗透器，内部布设PA-300聚醚酰胺反渗透膜。

2.根据权利要求1所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，涡凹气浮装置中的叶轮和电机通过一基座固定在涡凹气浮装置的上端。

3.根据权利要求1所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，三级反冲筛滤装置内的筛滤填料是石英砂、改性锰砂与天然分子筛填料的混合物，不均匀系数为2。

4.根据权利要求1所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置、超滤装置及反渗透装置内，纳米曝气头分别与一纳米曝气机连接；涡凹气浮装置、纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置、三级反冲筛滤装置反冲洗的纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；三级反冲筛滤装置的储水池、超滤装置及反渗透装置内纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程，并防止膜堵塞、老化现象。

5.根据权利要求1所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝池内使用的混凝剂为聚合氯化铝+阳离子聚丙烯酰胺，其添加的摩尔质量比为20:1。

6.根据权利要求1所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置，其中，中空纤维超滤器采用尼龙中空纤维，膜孔径为0.4微米。

7.利用权利要求1所述降低浊度强化膜分离污水纯化的装置进行污水纯化的方法：

污水进入涡凹气浮装置的曝气区，与涡凹曝气机产生的微小气泡及纳米曝气头产生的纳米气泡充分混合，气泡在上升的过程中将固体悬浮物带到水面，刮泥板沿液面运行将悬浮物刮至集渣槽内，污水净化后在排放前会经过两个折板流入出水区，确保集渣槽中的液体不会流入污泥排放管道，同时进行二次沉淀，防止污泥进入出水区；

经过涡凹气浮装置去除颗粒型悬浮物后的出水导至纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内的主反应区内进行纳米气浮-凝聚处理后，于微涡流混凝器再次凝聚-絮凝，而后自流至絮体拦截区，絮体在斜管的拦截作用下沉至反应器底部，定时在螺旋输送器的带动下自出泥口定期排出，澄清液溢流至絮体二次拦截区，在立体网状结构填料的作用下进行二次拦截，过滤后的清液自出水口排出进入三级反冲筛滤装置；

在三级反冲筛滤装置中，储水箱内纳米曝气头不连续工作，空气自多孔网格向上鼓起，分割成小气泡，间歇冲散筛滤填料上的致密污物层，污染物质层破碎成片状浮起，在曝气管的浮力以及进水冲击挡流板向右推力的协同作用下，溢流至回流槽，使筛滤填料截留的污染物集中排除装置外，与进水混合重新处理，以延长三级反冲筛滤装置使用寿命及反洗周期；储水箱内的纳米曝气头采用O₃曝气，由于纳米气泡具有庞大的数量、比表面积、缓慢的上升速度等特性，同时气泡在水中停留时间长，增加了气液接触面积、接触时间，利于臭氧溶于水中，克服了臭氧难溶于水的缺点；微气泡内部具有较大的压力且纳米气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使产生更多的羟基自由基·OH，增强O₃氧化分解有机物的能力；且纳米级别O₃气泡与紫外灭菌灯、半导体负载填料共存于储水箱，提高高级氧化效果，有效提高·OH产生率，经三级反冲筛滤装置处理的污水进入超滤装置的中空纤维超滤器进行超滤；

同时三级反冲筛滤装置的部分出水回流至涡凹气浮装置，调节水质并高级氧化污水表面的泥渣、油渣，预处理污水的同时对其进行提前消解，冲刷叶轮表面防止气浮装置内部大量存积泥渣、油渣发臭腐烂，增大了进水污染度；

中空纤维超滤器的膜组件表面的错流是由纳米曝气机的纳米气泡搅动产生的，高温纳米气泡的气流搅动在膜表面产生剪切力以及湍流流动，无须较高的进水流速即可使膜表面的浓差极化层变薄，积累物质被带走，同时曝气亦可增大过滤压力；出水采用液压泵进行负压出水方式，去除污水中的剩余悬浮物，使出水达到中水回用标准，然后进入反渗透装置去除污水中的盐分后，排出达标的出水。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，涡凹气浮装置内刮渣区电机转速大于10r/min。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置内絮凝时间大于5min。