CN104386859B - 一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，包括依次连接的进水单元(1)、磁性羟基磷灰石除氟单元(2)、过滤分离单元(3)、出水单元(4)和清水池(5)；所述进水单元(1)与磁性羟基磷灰石除氟单元(2)下部连接；所述过滤分离单元(3)包括依次连接的初步分离单元(31)、铁粉滤料层(32)和卵石层(33)，初步分离单元(31)与磁性羟基磷灰石除氟单元(2)连接，卵石层(33)和出水单元(4)连接。该装置结构紧凑、占地面积小、使用方便、运行灵活、适用范围广，可较好地保障地下水中氟的去除效果及整体出水水质，具有较好的推广应用前景。

Description

一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置
技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置。
背景技术
中国的地下水氟污染问题突出，高氟水分布面积超过160万平方公里，涉及用水人口近亿人。通过饮用水途径摄入过量的氟后而导致的氟中毒，是世界范围内普遍存在的严重问题。
现有地下水除氟技术主要包括混凝沉降法、活性氧化铝吸附法、电渗析法、反渗透法、离子交换法、吸附法、骨炭吸附以及沸石除氟法等，但在实际应用过程中各种技术均存在一定的问题，使其推广应用存在一定的困难。
羟基磷灰石为近期被用于地下水除氟的一种效果良好的新材料，由于材料本身没有毒害作用受到广泛关注。羟基磷灰石的形式包括粉状料和球形颗粒状滤料，并在一些实际工程中得到应用。然而，由于粉状羟基磷灰石难以回收利用，造成其除氟容量利用率较低。如何充分利用羟基磷灰石的吸附容量成为制约其推广应用的瓶颈之一。CN201210102971公开了一种地下水除氟装置及方法，即将粉状羟基磷灰石、混凝剂混合使用通过两者形成的絮体构建澄清单元，实现了粉状羟基磷灰石的回收利用，同时显著减少了混凝剂的使用量，降低了出水中铝离子超标的几率。然而，该方法中澄清单元上升流速较小，一般需要控制在3m/h以内，从而导致处理装置的占地面积较大，增加了处理成本。在此基础上发展出的专利CN201210364313.6将超滤膜引入到系统中，从而为工艺优化提供了较好的基础条件，且可较好的控制铝离子的含量。但同样存在超滤膜成本较高，造成装置造价及运行成本较高，在农村地区应用具有一定的限制。近期陆续出现了以羟基磷灰石为基本处理材料的除氟方法及装置，可以取得较好的除氟效果，但在实际应用中也存在一定的问题。
磁性羟基磷灰石作为羟基磷灰石的一种新的材料形式，其改变了羟基磷灰石的基本性状，从而引起应用形式的改变。因此，需要针对磁性羟基磷灰石的基本性状，研发一种新型的除氟装置，在确保除氟效果的同时既可以有效利用磁性羟基磷灰石的除氟容量，又可有效保障其出水的安全性。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种占地面积小、成本低、运行费用低、安全的新型地下水除氟装置。
技术方案：本发明提供了一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，包括依次连接的进水单元、磁性羟基磷灰石除氟单元、过滤分离单元、出水单元和清水池；所述进水单元与磁性羟基磷灰石除氟单元下部连接；所述过滤分离单元包括依次连接的初步分离单元、铁粉滤料层和卵石层，初步分离单元与磁性羟基磷灰石除氟单元连接，卵石层和出水单元连接。
作为改进，所述磁性羟基磷灰石除氟单元的底板倾斜设置；进水单元与底板上沿连接，且入水方向朝底板最低处设置；底板最低处设有气冲洗装置，所述气冲洗装置的顶部设有一组直径1-3mm的小孔，相邻小孔间距2-5mm，通入的空气量为10-50L/(m2·s)；所述磁性羟基磷灰石除氟单元的中部设有搅拌装置。
作为另一种改进，所述底板的倾角为20-60°。
作为另一种改进，所述磁性羟基磷灰石除氟单元为长方体或正方体，其长宽高比值介于1∶1∶1-3∶1∶2之间；所述磁性羟基磷灰石除氟单元内投入粒径10-1000nm的纳米级磁性羟基磷灰石，纳米级磁性羟基磷灰石的浓度介于1-10g/L。
作为另一种改进，所述初步分离单元为平行设置的2组以上孔径为2-10μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～130°，过水流速控制在20-600L/(m2·min)。
作为另一种改进，所述铁粉滤料层内填充10-30目铁粉，其厚度为30-80cm；所述卵石层的厚度为20-40cm；铁粉滤料层和卵石层中，滤速为3-8m/h。
作为另一种改进，所述初步分离单元的进水口上方设有导流板。
作为另一种改进，所述卵石层和出水单元之间设有滤头。
作为另一种改进，所述出水单元和清水池之间设有反冲洗水泵，出水单元上设有气洗进气管，所述初步分离单元上设有反冲洗排水管。
作为另一种改进，还包括再生单元，所述再生单元包括依次链接的储存罐和再生罐，与磁性羟基磷灰石除氟单元相对独立设置；磁性羟基磷灰石除氟单元中部自上而下依次设有进料管和出料管，分别与再生单元的储存罐和再生罐连接。
有益效果：本发明提供的地下水除氟装置结构紧凑、占地面积小、使用方便、运行灵活、适用范围广，可较好地保障地下水中氟的去除效果及整体出水水质，具有较好的推广应用前景。
具体而言，本发明相对于现有技术具有以下突出的优势：
(1)本发明装置去除效果好、能耗低。一方面，本发明通过采用具磁性的纳米级羟基磷灰石作为基本的除氟材料，从而较好地保障了氟的去除效果，而且可以根据原水水质的差异调节再生、回流比例来确保出水水质；另一方面，本发明通过除氟单元装置结构的改造(进水位置及流向、除氟单元底部的倾斜设置、中心横向搅拌桨的设置、圆弧形导流板的设置)最大限度的利用空气冲洗所产生的能量，促使水在除氟单元内定向循环流动，并实现磁性羟基磷灰石与含氟水的充分混合，降低了装置的整体能耗水平。
(2)该装置的初步分离单元根据颗粒粒径所优选的截留孔径范围即可有效保障其对纳米羟基磷灰石的截留效能，同时可保证其基本的过水能力；分离单元所设置的滤布或滤膜可设置成装卸型以利于及时的更换；通过空气曝气量的调整可达到及时地将粘附于初步过滤单元滤膜上的颗粒冲洗掉并重新回到除氟单元中，延长其使用时间，同时促使系统内水流的循环流动；
(3)该装置的初步分离单元中创新性地将滤膜倾斜设置，从而即避免了水平设置时水流方向与截留物质滑落方向截然相反，容易出现滤膜堵塞，过膜压力急剧增加的缺陷，又可充分滤膜下部的脉冲曝气装置将截留物质冲洗同主体溶液，还可以对除氟单元中的水流方向起到引导的作用，从而确保了整个装置的顺利运行。
(4)该装置的铁粉滤料层根据磁性羟基磷灰石的基本特性设置，从而可以进一步降低出水中纳米级颗粒出现的几率，有效规避了纳米材料应用中所带来的健康风险；同时，针对铁粉滤料层的反冲洗装置的设置巧妙地利用所设置电磁阀的开闭来实现滤层内截留纳米羟基磷灰石重新回流至除氟主体单元中，又可利用反冲洗后段较清洁的水、气来实现分离单元中滤膜的冲洗。
(5)该再生单元通过连续的将使用后的磁性羟基磷灰石进行再生，达到对磁性羟基磷灰石的再生和同流，从而确保系统稳定连续运行。
(6)该装置通过装置底部空间的利用，为系统的反冲洗提供了基本来源，并在一定程度上降低反冲洗的能耗。
附图说明
图1为本发明基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置做出进一步说明。
基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，见图1，包括再生单元7以及依次连接的进水单元1、磁性羟基磷灰石除氟单元2、过滤分离单元3、出水单元4、反冲洗水泵6、清水池5、反冲洗水泵6；进水单元1与磁性羟基磷灰石除氟单元2下部连接，进水单元1上设有磁性羟基磷灰石进料口；清水池5设于磁性羟基磷灰石除氟单元2底部，过滤分离单元3设于磁性羟基磷灰石除氟单元2右侧，出水单元4设于过滤分离单元3底部，出水单元4上设有气洗进气管41。
磁性羟基磷灰石除氟单元2为长方体或正方体，其长宽高比值介于1∶1∶1-3∶1∶2之间；磁性羟基磷灰石除氟单元2的底板21倾斜20-60°设置；进水单元1与底板21上沿连接，且入水方向朝底板21最低处设置；底板21最低处设有气冲洗装置22，气冲洗装置22的顶部设有一组直径1-3mm的小孔，相邻小孔间距2-5mm，通入的空气量为10-50L/(m2·s)；磁性羟基磷灰石除氟单元2的中部设有搅拌装置23；磁性羟基磷灰石除氟单元2内投入粒径10-1000nm的纳米级磁性羟基磷灰石，纳米级磁性羟基磷灰石的浓度介于1-10g/L；磁性羟基磷灰石除氟单元2顶部设有出气孔26。
过滤分离单元3包括依次连接的初步分离单元31、铁粉滤料层32和卵石层33，初步分离单元31与磁性羟基磷灰石除氟单元2连接，卵石层33和出水单元4之间通过滤头36连接，初步分离单元31的进水口上方设有导流板35；初步分离单元31为平行设置的2组以上孔径为2-10μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～130°，过水流速控制在20-600L/(m2·min)，初步分离单元31上设有反冲洗排水管34；铁粉滤料层32内填充10-30目铁粉，其厚度为30-80cm；卵石层33的厚度为20-40cm；铁粉滤料层32和卵石层33中，滤速为3-8m/h。
再生单元7包括依次链接的储存罐和再生罐，与磁性羟基磷灰石除氟单元2相对独立设置；磁性羟基磷灰石除氟单元2中部自上而下依次设有进料管24和出料管25，分别与再生单元7的储存罐和再生罐连接。
该装置在使用时，主要包括以下步骤：
(1)将磁性羟基磷灰石和待处理水通过进水单元1混合后进入磁性羟基磷灰石除氟单元2，在磁性羟基磷灰石除氟单元2内混凝后，经过滤分离单元3分离后，具体地，依次经过初步分离单元31过滤、铁粉滤料层32过滤和卵石层33过滤，再进入出水单元4中，通过清水池5流出。
(2)反冲洗时，开启反冲洗水泵6，清水反向经卵石层33、铁粉滤料层32、初步分离单元31后，从反冲洗排水管34排出。
(3)磁性羟基磷灰石除氟单元3内的磁性羟基磷灰石经废料管流到再生单元内，经过5-10％氢氧化钠溶液再生、清洗干净后，转移至储存罐，并通过泵将再生后混合颗粒回流至磁性羟基磷灰石除氟单元3内。经过连续的再生、回流保持系统对氟的高效去除。
为验证本除氟装置的效能，在河南省沈丘县某镇水厂进行了相关的效能验证。试验期间原水的水质情况如表1所示。
表1原水水质参数检测结果
通过采用不同的参数设置，验证水处理效果，该装置运行参数见表2。
表2运行参数
检测处理后水质，结果见3。
表3处理出水水质参数检测结果

Claims (10)

1.一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：包括依次连接的进水单元(1)、磁性羟基磷灰石除氟单元(2)、过滤分离单元(3)、出水单元(4)和清水池(5)；所述进水单元(1)与磁性羟基磷灰石除氟单元(2)下部连接；所述过滤分离单元(3)包括依次连接的初步分离单元(31)、铁粉滤料层(32)和卵石层(33)，初步分离单元(31)与磁性羟基磷灰石除氟单元(2)连接，卵石层(33)和出水单元(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述磁性羟基磷灰石除氟单元(2)的底板(21)倾斜设置；进水单元(1)与底板(21)上沿连接，且入水方向朝底板(21)最低处设置；底板(21)最低处设有气冲洗装置(22)，所述气冲洗装置(22)的顶部设有一组直径1-3mm的小孔，相邻小孔间距2-5mm，通入的空气量为10-50L/(m2·s)；所述磁性羟基磷灰石除氟单元(2)的中部设有搅拌装置(23)。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述底板(21)的倾角为20-60°。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述磁性羟基磷灰石除氟单元(2)为长方体或正方体，其长宽高比值介于1∶1∶1-3∶1∶2之间；所述磁性羟基磷灰石除氟单元(2)内投入粒径10-1000nm的纳米级磁性羟基磷灰石，纳米级磁性羟基磷灰石的浓度介于1-10g/L。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述初步分离单元(31)为平行设置的2组以上孔径为2-10μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～130°，过水流速控制在20-600L/(m2·min)，平面网状截留装置上设有滤膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述铁粉滤料层(32)内填充10-30目铁粉，其厚度为30-80cm；所述卵石层(33)的厚度为20-40cm；铁粉滤料层(32)和卵石层(33)中，滤速为3-8m/h。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述初步分离单元(31)的进水口上方设有导流板(35)。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述卵石层(33)和出水单元(4)之间设有滤头(36)。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：所述出水单元(4)和清水池(5)之间设有反冲洗水泵(6)，出水单元(4)上设有气洗进气管(41)，所述初步分离单元(31)上设有反冲洗排水管(34)。
10.根据权利要求1所述的一种基于磁性羟基磷灰石的地下水除氟装置，其特征在于：还包括再生单元(7)，所述再生单元(7)包括依次链接的储存罐和再生罐，与磁性羟基磷灰石除氟单元(2)相对独立设置；磁性羟基磷灰石除氟单元(2)中部自上而下依次设有进料管(24)和山料管(25)，分别与再生单元(7)的储存罐和再生罐连接。
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