CN104150688B - 一种地下水有机物分类、分区净化装置和净化方法 - Google Patents

Abstract

一种地下水有机物分类、分区净化装置，主要由地下水提升系统、深度筛滤系统、地表修复系统三部分组成。本发明还公开了利用上述装置进行地下水净化处理的方法。<pb pnum="1" />

Description

一种地下水有机物分类、分区净化装置和净化方法

技术领域

本发明涉及一种快速去除受污染地下水中污染物质的组合装置，具体地涉及一种下水有机物(如：毒性有机物、病原菌、无机污染物等)分类、分区净化的装置。

本发明还涉及利用上述装置处理受污染地下水的方法。

背景技术

近年来我国经济社会快速发展，环境污染事件频繁发生，特别是爆炸、泄露、偷排等重大环境污染事件产生的高强度地下水污染，对人民健康、生态环境及社会安全构成了严重威胁。因此突发性重金属污染地下水的应急快速修复技术成为当前我国亟待解决的技术难点之一。由于突发性重金属污染事件有一定的不可预见性和不可控制性，因此研发适用于修复突发性重金属污染地下水的装置及处理工艺较为重要，而联合运用多种技术进行集成将成为突发性重金属污染地下水应急处理技术的主要发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下水有机物分类、分区净化装置。

本发明的又一目的是提供一种利用上述装置进行受污染地下水的净化方法。

为实现上述目的，本发明提供的地下水有机物分类、分区净化装置，主要由地下水提升系统、深度筛滤系统、地表修复系统三部分组成：其中：

地下水提升系统，是在一提升井的内壁设置有可旋转的过滤网，过滤网板设置有针式清扫器，针式清扫器探入过滤网孔的尖端有微小弯钩；过滤网的四周填充的填料自上而下地依次为弗罗里硅藻土、赤泥介孔分子筛填料和细砂，提升水泵将地下水自提升井内过滤并提升至原地水平线处，进入深度筛滤系统中；

深度筛滤系统由多孔网格分为上、下两个部分，多孔网格的上方为集水池，集水池中填充有混合填料，混合填料是石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，混合填料内埋设有连接纳米曝气机的纳米曝气头；混合填料上方设有一阻流板，阻流板对应的另一侧设有曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，曝气管的一侧安装有超声波发生仪；

深度筛滤系统的进水口一侧设有进水堰，与进水堰相对应的另一侧设有回流槽；

多孔网格的下方设有紧密排列的圆筒状的分压仓以分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格；分压仓下方为出水池，出水池的外壁涂刷有避光黑色涂料，内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，底部安装有紫外灭菌灯，且紫外灭菌灯之间设有连接纳米曝气机的纳米曝气头，出水池内部剩余空间填充有半导体负载填料；

出水池的一端连接一通气管，该通气管同时连接深度筛滤系统的进水堰；出水池的出水口通过三通管分别连接至储水箱和出储水箱出水口，作为对深度筛滤系统进行反冲洗的用水通道；

深度筛滤系统中储水箱出水口连接至埋设在地表修复系统的配水管；配水管为两端设有出水孔的PVC管，配水管外包裹一层土工布防止堵塞，土工布外包裹一层铁碳填料，具有微电解功能；

地表修复系统四周以及底部注射有土壤板结剂为隔断墙，地表修复系统内自上而下地依次填充有菌糠填料和弗罗里硅藻土，地表修复系统设置有碱性注射装置；菌糠填料表面栽种有植物；

地表修复系统内部设有隔断墙，形成分大分子有机物处理区和小分子有机物处理区两部分，其中大分子有机物处理区内布置有纳米曝气头；配水管出水口对应于小分子有机物处理区。

所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，过滤网四周填充的赤泥介孔分子筛填料为赤泥介孔分子筛与零价纳米铁体积比为5-3:1的混合填料，赤泥介孔分子筛的粒径为2mm-5mm，零价纳米铁的粒径为2mm-5mm。

所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，深度筛滤系统的多孔网格为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网。

所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，出水池内壁均匀负载的非金属掺杂光催化剂为纳米TiO₂粉体。

所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，出水池内的半导体负载填料为纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯表面的填料。

所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，深度筛滤系统的混合填料中石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的体积比是5:2:1，粒径为0.5-1.2mm，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。

所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，菌糠填料为粒径6mm-10mm的菌糠与粒径15mm-20mm的活性炭混合组成，菌糠与活性炭体的积比为2-3:1。

所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，深度筛滤系统的纳米曝气管通过流量计与一纳米曝气机连接。

本发明提供的利用上述地下水有机物分类、分区净化装置进行净化的方法：

开启碱性注射装置注射碱溶液，控制地表修复系统的表面土壤层pH呈微碱性，防止重金属析出；

提升井内的废水通过深度筛滤系统去除地下水中的悬浮物胶体后，由配水管进入地表修复系统的大分子有机物处理区内，利用地表修复系统表面的植物庞大根系吸收重金属，利用菌糠填料粒径的大小不同控制水流流向以及水力停留时间，利用弗罗里硅藻土遮挡大分子有机物，使透过的地下水内仅包含小分子有机物。

所述的方法，其中，地表修复系统的表面栽种植物为菖蒲、香蒲和蜈蚣草。

本发明使用深度筛滤系统对受污染地下水进行处理，过滤掉水中有机的悬浮物质、杂质和胶体，在筛滤的同时本发明采用紫外灯、半导体负载填料以及纳米曝气技术对出水进行高级氧化，深度去除其中污染物质，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，可灭杀受污染地下水中的细菌，病原菌等致病微生物量，并针对毒性有机物质的处理具有很大的优势，使大分子难降解有机物氧化成低毒或无毒的小分子物质。菌糠-赤泥介孔分子筛地表修复系统采用瞬间吸附-缓释处理方式，快速净化地下水中各类毒性高浓度污染物质，提高出水水质，经过本装置处理的地下水透明度高、水质好，可及时完成地下水高污染的紧急处理。

附图说明

图1是本发明的净化装置结构示意图。

图2是图1中标号为4的深度筛滤系统的结构示意图。

附图主要组件符号说明：

1植物；2碱性注射装置；3弗罗里硅藻土；4深度筛滤系统；5提升水泵；6隔断墙；7配水管；7A配水管出水口；8纳米曝气头；9菌糠填料层；10提升井；11过滤网；12针式清扫器；13套筒；14细砂；15赤泥介孔分子筛填料；16第一阀门；17第二阀门；18增压泵；19进水堰；20阻流板；21混合填料；22三通管；23曝气管；24回流槽；25多孔网格；26分压仓；27储水箱；28第三阀门；29第四.阀门；30水泵；31半导体负载填料；32紫外灭菌灯；33出水池；34通气管；35超声波发生仪；39纳米曝气机；A1竖直不透水层；A2水平不透水层；B1大分子有机物处理区；B2小分子有机物处理区。

具体实施方式

本发明公开了一种地下水有机物分类、分区净化装置。

本发明还公开了利用上述装置处理受污染地下水的方法。。

以下结合附图作详细说明。需要说明的是，在以下叙述中提到的左、右、上、下等均是以附图所示的方向为准。

请参阅图1，本发明提供的地下水有机物分类、分区净化装置，其主要结构包括：地下水提升系统、深度筛滤系统、地表修复系统三部分。

其中，地下水提升系统的主要结构为提升井10，提升井内设置有可旋转的过滤网11，过滤网11的四周填充有填料，该填料自上而下地依次为弗罗里硅藻土3、赤泥介孔分子筛填料15和细砂14，赤泥介孔分子筛填料为粒径2mm-5mm的赤泥介孔分子筛与粒径为2mm-5mm的零价纳米铁的混合物，两者的体积比为5-3:1。在提升水泵5的抽吸作用下将地下水提升至原地水平线处，提升过程中地下水流经过滤网11进行过滤以便于下一步处理；同时为防止过滤网11堵塞，特别设置针式清扫器12，清扫器探入过滤网孔的尖端有微小弯钩，用于清扫过滤网防止其堵塞。出水流入深度筛滤系统4中；

深度筛滤系统4主要用于去除地下水中有机物质，有机物与重金属会发生络合作用，络合后的重金属仅仅被固定下来，不但占据空间位置，而且易导致土壤堵塞板结，影响地下水中重金属的处理，成为致命的缺陷。深度筛滤系统4通过高级氧化的原理去除地下水中大多数有机物，屏蔽其对重金属的影响；

深度筛滤系统4由多孔网格25分为上、下两个部分，多孔网格25是由两层多孔网格中间夹设一层不锈钢纱网所组成。

多孔网格25的上方为集水池，集水池中设有连接纳米曝气机39的纳米曝气头8，纳米曝气头8是填充有用于筛滤的混合填料21，该混合填料21是选取石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，粒径为0.5-1.2mm，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。混合填料21上方设有一阻流板20，阻流板20对应的另一侧设有曝气管23，曝气管23设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上。在曝气管23的一侧安装有超声波发生仪35。深度筛滤系统4连接纳米曝气凝聚-微涡流絮凝装置13出水口35的一侧设有进水堰19，与进水堰19相对应的另一侧设有回流槽24。

多孔网格25的下方设有紧密排列的圆筒状的分压仓26以分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格25。分压仓下方为储水箱33，储水箱33的外壁涂刷有避光黑色涂料，内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂(如纳米TiO₂粉体)，底部安装有紫外灭菌灯32，且紫外灭菌灯32之间设有连接纳米曝气机的纳米曝气头7，储水箱33内部剩余空间填充有半导体负载填料(如纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯上的填料)。储水箱33的一端连接一通气管34，该通气管34同时连接深度筛滤系统的进水堰19。本发明将填料固定在载体上，解决了常规光催化剂需要分散剂协同使用的弊端，减少了催化剂的流失现象，避免了反应结束后催化剂的分离步骤，无需使用分散剂，并减少催化剂的流失现象。

深度筛滤系统4的储水箱33的出水口通过三通管22连接至出水池27，该三通管22还连接出水池27的出水口，作为对深度筛滤系统4进行反冲洗的用水通道。

深度筛滤系统4的出水口连接至地表修复系统的配水管7，配水管为两端设有出水孔7A的PVC管，管外包裹一层土工布防止堵塞，土工布外包裹一层铁碳填料，具有微电解功能。

地表修复系统的四周以及底部均注射土壤板结剂形成竖直不透水层A1和水平不透水层A2，地表修复系统的表面同时设置有碱性注射装置2，以控制人工湿地的pH值，防止重金属析出。

地表修复系统的中间设有隔断墙6，将地表修复系统的内部分为大分子有机物处理区B1和小分子有机物处理区B2两个部分，大分子有机物处理区B1内布置有纳米曝气头8，纳米曝气头8连接一纳料曝气机39。大分子有机物处理区B1和小分子有机物处理区B2内填充有菌糠填料层9，菌糠填料层9由粒径6mm-10mm的菌糠填料与粒径15mm-20mm的活性炭混合组成，菌糠与活性炭体积混合比例为2-3:1，菌糠填料层9底部铺有弗罗里硅藻土3。菌糠填料层9上栽种有植物1以起到吸收作用，本发明的植物选择菖蒲、香蒲和蜈蚣草等，保证对污染物质吸收效果最好的同时具有景观效果。

配水管7两端的出水孔7A分别对应于大分子有机物处理区B1进行布水，通过赤泥介孔分子筛填料层15和菌糠填料层9两个填料层使用弗罗里硅藻土3做隔离，利用填料粒径大小不同控制水流流向以及水力停留时间，利用弗罗里硅藻土3遮挡大分子有机物，使透过的地下水内仅包含小分子有机物。

正常筛滤时，污水自深度筛滤系统4的进水堰19进入深度筛滤系统4。深度筛滤系统4在筛滤的同时采用紫外灭菌灯32、半导体负载填料31以及纳米曝气技术大量激发羟基自由基对出水进行高级氧化，紫外灭菌灯平均照射剂量在300J/m²以上，深度去除其中污染物质，灭杀污水中的细菌，病原菌，并针对环境类激素(如激素类农药、抗生素、二恶英、雌激素以及人工合成激素等微量有害化学物质)的处理方面具有很大的优势，使大分子难降解有机物氧化成低毒或无毒的小分子物质，提高了出水水质，使其达到国家回用标准，各类有机污染物都可完全去除。经过本发明处理的出水透明度高、水质好，同时有效防止餐厨垃圾渗滤液发酵产生恶臭，对周边环境造成不良影响，并更好的达到了反冲洗作用，最大程度节省了水资源。

本发明的深度筛滤系统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，开启深度筛滤系统4左上角增压泵18、曝气管23并间歇开启多孔网格上方纳米曝气头8，集水池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16、第四阀门29，开启第三阀门28、第二阀门17，启动深度筛滤系统4的增压泵18、曝气管23及两个纳米曝气机头8，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，关闭深度筛滤系统4的增压泵18、多孔网格25下方的纳米曝气头8、第三阀门28、第二阀门17，开启第一阀门16、第四阀门29，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16、第四阀门29，开启第三阀门28、第二阀门17，启动深度筛滤系统4的增压泵18、曝气管23及两个纳米曝气头8、超声波发生仪35，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网格细孔上升搅拌，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。深度筛滤系统的曝气管通过流量计与一曝气机连接。

深度筛滤系统的反冲洗时纳米曝气头进气为O₂，用于混凝搅拌和清洁填料；深度筛滤系统的储水池纳米曝气头进气为O₃，通过纳米曝气强化羟基自由基的产生过程。

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。本发明对胶体、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，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。

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按体积比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 (10)

1.一种地下水有机物分类、分区净化装置，主要由地下水提升系统、深度筛滤系统、地表修复系统三部分组成：其中：

地下水提升系统，是在一提升井的内壁设置有可旋转的过滤网，过滤网设置有针式清扫器，针式清扫器探入过滤网孔的尖端有微小弯钩；过滤网的四周填充的填料自上而下地依次为弗罗里硅藻土、赤泥介孔分子筛填料和细砂，提升水泵将地下水自提升井内过滤并提升至原地水平线处，进入深度筛滤系统中；

深度筛滤系统由多孔网格分为上、下两个部分，多孔网格的上方为集水池，集水池中填充有混合填料，混合填料是石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的混合物，混合填料内埋设有连接纳米曝气机的纳米曝气头；

深度筛滤系统的进水口一侧设有进水堰，出水口一侧设有回流槽；

混合填料上方位于进水堰一侧设有一阻流板，回流槽的一侧设有曝气管，曝气管设有多个细孔曝气孔，曝气孔垂直向上，曝气管的一侧安装有超声波发生仪；

多孔网格的下方设有紧密排列的圆筒状的分压仓以分割空间，防止局部压力过大冲破多孔网格；分压仓下方为出水池，出水池的外壁涂刷有避光黑色涂料，内壁均匀负载一层非金属掺杂的光催化剂，底部安装有紫外灭菌灯，且紫外灭菌灯之间设有连接纳米曝气机的纳米曝气头，出水池内部剩余空间填充有半导体负载填料；

出水池的一端连接一通气管，该通气管同时连接深度筛滤系统的进水堰；出水池的出水口通过三通管分别连接至储水箱和储水箱出水口，作为对深度筛滤系统进行反冲洗的用水通道；

深度筛滤系统中储水箱出水口连接至埋设在地表修复系统的配水管；配水管为两端设有出水孔的PVC管，配水管外包裹一层土工布防止堵塞，土工布外包裹一层铁碳填料，具有微电解功能；

地表修复系统四周以及底部注射有土壤板结剂为隔断墙，地表修复系统内自上而下地依次填充有菌糠填料和弗罗里硅藻土，地表修复系统设置有碱性注射装置；菌糠填料表面栽种有植物；

地表修复系统内部设有隔断墙，形成分大分子有机物处理区和小分子有机物处理区两部分，其中大分子有机物处理区内布置有纳米曝气头；配水管出水口对应于小分子有机物处理区。

2.根据权利要求1所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，过滤网四周填充的赤泥介孔分子筛填料为赤泥介孔分子筛与零价纳米铁体积比为5-3:1的混合填料，赤泥介孔分子筛的粒径为2mm-5mm，零价纳米铁的粒径为2mm-5mm。

3.根据权利要求1所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，深度筛滤系统的多孔网格为两层，中间铺设并固定一层不锈钢网。

4.根据权利要求1所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，出水池内壁均匀负载的非金属掺杂光催化剂为纳米TiO₂粉体。

5.根据权利要求1所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，出水池内的半导体负载填料为纳米TiO₂粉体负载在立体网状聚丙烯表面的填料。

6.根据权利要求1所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，深度筛滤系统的混合填料中石英砂、改性锰砂与天然沸石分子筛的体积比是5:2:1，粒径为0.5-1.2mm，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。

7.根据权利要求1所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，菌糠填料为粒径6mm-10mm的菌糠与粒径15mm-20mm的活性炭混合组成，菌糠与活性炭体的积比为2-3:1。

8.据权利要求1所述的地下水有机物分类、分区净化装置，其中，深度筛滤系统的纳米曝气管通过流量计与一纳米曝气机连接。

9.利用权利要求1所述地下水有机物分类、分区净化装置进行净化的方法：

开启碱性注射装置注射碱溶液，控制地表修复系统的表面土壤层pH呈微碱性，防止重金属析出；

提升井内的废水通过深度筛滤系统去除地下水中的悬浮物胶体后，由配水管进入地表修复系统的大分子有机物处理区内，利用地表修复系统表面的植物庞大根系吸收重金属，利用菌糠填料粒径的大小不同控制水流流向以及水力停留时间，利用弗罗里硅藻土遮挡大分子有机物，使透过的地下水内仅包含小分子有机物。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，地表修复系统的表面栽种植物为菖蒲、香蒲和蜈蚣草。