CN105000653A - 一种滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，该方法在过滤装置中接入一套药液投加装置，通过药液投加装置向滤料中加入剥膜剂浸泡滤料，实现滤料表面活性氧化膜的原位剥离。所述的滤料表面活性氧化膜为滤料表面形成的Fe/Mn复合氧化物膜。所述的剥膜剂为HCl溶液或H₂SO₄溶液，质量浓度分别为0.5g/L～1.5g/L与1.0g/L～1.5g/L。本发明既实现了滤料表面活性氧化膜在原有滤池中进行高效剥离，又保证了滤料活性不被破坏，大大延长了滤池的过滤周期。本发明所采用的技术方法仅需在现状或新建滤池中增加一套药液投加装置，无需改造现有系统，实施简单、投资节省及运行方便。

Description

一种滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法

技术领域

本发明属于饮用水处理技术领域，主要涉及一种水厂中具备催化氧化去除氨氮功能的滤池滤料表面活性氧化膜原位剥离的技术方法，具体涉及一种技术可行、操作简单、成本低廉、效果显著的滤料表面活性氧化膜剥离的技术方法。

背景技术

近年来，我国水污染日趋严重，饮用水水源也受到不同程度的污染，尤其是近年来全国各地饮用水水源Fe、Mn和氨氮等复合微污染问题的加剧，对饮用水水质安全造成了直接威胁，而常规的饮用水净化工艺已难以保证处理后饮用水的达标供应。

水厂过滤装置中加入石英砂滤料形成滤料层，随着水处理过程的进行，石英砂滤料表面会形成一层滤膜，滤膜会随着时间增长，该滤膜即滤料表面活性氧化膜。研究表明，在特定条件下，石英砂滤料表面形成的Fe/Mn氧化物活性氧化膜具有催化氧化去除水中氨氮的能力，其原理认为通过活性氧化膜的催化作用降低了化学氧化所需的反应活化能，从而大大提高了对氨氮的氧化速度和氧化效率。该技术合理集成了传质充氧、自然氧化、化学氧化、截留过滤、物理化学吸附、接触催化氧化等多种作用机理和功能，可协同、有效地去除水中氨氮、Fe、Mn、色度和浊度，具有运行成本低、处理效率高、运行稳定、水质安全性高等优势。

但是，利用该技术的水厂在持续运行几年后，滤料表面的活性氧化膜会 越来越厚，过厚的活性氧化膜会导致滤层的孔隙率大大降低，增大了滤池的水头损失，降低了滤池的截污和纳污能力，导致滤池的过滤周期缩短，产水量下降。目前，恢复常规滤池过滤能力最常用的的方法主要是反冲洗，但对于滤料表面形成结构致密紧实的Fe/Mn复合氧化物膜的催化氧化滤池而言，常规的气水反冲洗条件不能使氧化膜有效剥离，而单靠增大气水反冲洗强度不但剥离效果很差，而且用水量和运行成本大幅提高，滤料大量流失。若将滤料移出滤池进行剥膜再生，又会影响水厂生产，工程量和处理费用大大提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种滤料表面活性氧化膜有效剥离的技术方法，不仅能够实现活性氧化膜的有效剥离，恢复滤池的过滤周期，同时还能保证剥离后滤料表面氧化膜的活性不受影响，实现技术可行、操作简单、成本低廉、效果显著之目的。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，该方法在过滤装置中接入一套药液投加装置，通过药液投加装置向滤料中加入剥膜剂浸泡滤料，实现滤料表面活性氧化膜的原位剥离。

本发明还具有如下区别技术特征：

所述的滤料表面活性氧化膜为滤料表面形成的Fe/Mn复合氧化物膜。

所述的剥膜剂为质量浓度为0.5g/L～1.5g/L的HCl溶液或质量浓度为1.0g/L～1.5g/L的H₂SO₄溶液。

所述的剥膜剂淹没滤料后，剥膜剂的液面高出滤料顶面0.2m～0.4m。

所述的过滤装置通过反冲洗管道与气水反冲洗装置相连通，所述的剥膜 剂浸泡滤料过程中采用气水反冲洗装置向过滤装置中通入反冲洗气体。

所述反冲洗气体的气冲强度在剥膜阶段中为常规砂滤池反冲洗气冲强度的1/2～2/3，在剥膜阶段完成后进行的反冲洗阶段中的气冲强度与常规砂滤池反冲洗气冲强度相同。

当滤料表面活性氧化膜的厚度大于等于100μm时，开始向过滤装置中加入剥膜剂，进行剥膜阶段；当滤料表面活性氧化膜的厚度小于等于40μm时，停止向水过滤装置中加入剥膜剂，完成剥膜阶段，通过反冲洗阶段将剥膜剂和剥离下来的滤料表面活性氧化膜冲洗掉。一般情况下，剥膜过程结束的最终标志为活性氧化膜厚度剥至20～40μm左右。

所述的过滤装置通过反冲洗管道与药液投加装置相连通；所述的药液投加装置包括配药罐，配药罐与投药泵连通，投药泵与流量计连通，流量计通过阀门与投药管连通，投药管与反冲洗管道连通。

具体的，所述的过滤装置包括滤料层、承托层、布水/布气装置、排水渠、阀门与排水管，滤料层下方设置有承托层，承托层下方设置有布水/布气装置，布水/布气装置与反冲洗管道连通；滤料层上方设置有与滤料层连通的排水渠，排水渠通过阀门与排水管连通。

所述布水/布气装置主要用于过滤系统反冲洗过程的均匀布水和配气，可采用穿孔管、滤砖、滤头等形式。

具体的，所述的气水反冲洗装置包括两条并联的支路，一条支路上依次串联有鼓风机、流量计、阀门和气水分离器，另一条支路上依次串联有反冲洗水泵、流量计和阀门，两条支路并联后通过配水/配气管与反冲洗管道连通。

反冲洗水主要用于清洗去除滤料表面剥落的活性氧化膜，同时将滤料清洗干净，水冲强度与常规砂滤池的反冲洗强度相同。

反冲洗气的作用主要有两个目的：一是在剥膜阶段，用于搅动滤层，利用空气上升扰动使滤料和剥膜剂充分搅拌、混合、接触和反应，加快剥膜速率，气冲强度为常规砂滤池反冲洗气强度的1/3～1/2，以滤层轻微膨胀为宜；二是在反冲洗阶段，用于过滤装置的气水反冲洗时提供气源，气冲强度与常规砂滤池的反冲洗气强度相同。

本发明的有益效果在于：

(Ⅰ)提供了一种滤料表面活性氧化膜原位剥离的工艺方法，既实现了滤料表面活性氧化膜在原有滤池中进行高效剥离，又保证了滤料活性不被破坏，大大延长了滤池的过滤周期。

(Ⅱ)本发明所采用的技术方法仅需在现状或新建滤池中增加一套药液投加装置，无需改造现有系统，实施简单、投资节省及运行方便。

(Ⅲ)此发明所采用的剥膜剂原料为普通的酸溶液，原料具有成本低廉、来源广泛、易于保存等优点。

(Ⅳ)该系统模块化程度高，能够实现各子系统的精确控制和运行，从而能够根据环境变化实时调节运行工况，使整个系统始终处于最高效的运行状态，大大加快了滤料的剥膜速率。

(Ⅴ)剥膜过程的气冲主要作用是既实现滤料与剥膜剂的充分混合接触反应，又可保留原有的气水反冲洗装置，无需外加其他搅拌混合反应装置，使系统能耗降低。

附图说明

图1是剥膜过程的示意图。

图2是剥膜剂的投加系统示意图。

图3是不同浸泡时间下的脱膜率。

图4是成熟的活性滤料的SEM图像(×5000)。

图5是石英砂生料的SEM图像(×3000)。

图6是成熟的活性滤料被HCl脱膜后的滤料的SEM图像(×5000)。

图7是成熟的活性滤料被H₂SO₄脱膜后的滤料的SEM图像(×5000)。

图中各个标号的含义为：a、过滤装置；b、气水反冲洗装置；c、药液投加装置；1、滤料层；2、承托层；3、布水/布气装置；4、排水渠；5、反冲洗水泵；6、鼓风机；7、配药罐；8、投药泵；9-1、9-2、9-3均为流量计；10-1、10-2、10-3、10-4均为阀门；11、反冲洗管道；12、配水/配气管，12-1、配水管，12-2、配气管；13、投药管；14、排水管；15、气水分离器。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

针对背景技术中的难题，需要解决的一个技术问题就是：提出一种适宜、高效的滤料表面氧化膜的原位剥膜方法，以解决现有工艺技术中存在的问题，不仅能够实现活性氧化膜的有效剥离以恢复滤池的过滤周期，同时还要保证不降低滤料表面氧化膜的催化氧化活性。

遵从上述技术方案，如图1和图2所示，本发明给出一种滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，该方法在过滤装置a中接入一套药液投加装置c，通过药液投加装置c向过滤装置a中加入剥膜剂浸泡滤料，实现滤料表面活性氧化膜的原位剥离。

具体的，滤料表面活性氧化膜为滤料表面形成的Fe/Mn复合氧化物膜。

具体的，所述的剥膜剂为质量浓度为0.5g/L～1.5g/L的HCl溶液或质量浓度为1.0g/L～1.5g/L的H₂SO₄溶液。

优选的，剥膜剂淹没滤料后，剥膜剂的液面高出滤料顶面0.2m～0.4m。

优选的，过滤装置a通过反冲洗管道11与气水反冲洗装置b相连通，所述的剥膜剂浸泡滤料过程中采用气水反冲洗装置b向过滤装置a中通入反冲洗气体。

更优选的，所述反冲洗气体的气冲强度在剥膜阶段中为常规砂滤池反冲洗气冲强度的1/2～2/3，在剥膜阶段完成后进行的反冲洗阶段中的气冲强度与常规砂滤池反冲洗气冲强度相同。

进一步地，当滤料表面活性氧化膜的厚度大于等于100μm时，开始向过滤装置中加入剥膜剂，进行剥膜阶段；当滤料表面活性氧化膜的厚度小于等于40μm时，停止向水过滤装置中加入剥膜剂，完成剥膜阶段，通过反冲洗阶段将剥膜剂和剥离下来的滤料表面活性氧化膜冲洗掉。

具体的，过滤装置a通过反冲洗管道11与药液投加装置c相连通；所述的药液投加装置c包括配药罐7，配药罐7与投药泵8连通，投药泵8与流量计9-3连通，流量计9-3通过阀门10-3与投药管13连通，投药管13与反冲洗管道11连通。

具体的，过滤装置a包括滤料层1、承托层2、布水/布气装置3、排水渠4、阀门10-4与排水管14，滤料层1下方设置有承托层2，承托层2下部设置有布水/布气装置3，布水/布气装置3与反冲洗管道11连通；滤料层1上方设置有与滤料层1连通的排水渠4，排水渠4通过阀门10-4与排水管14连通。

具体的，气水反冲洗装置b包括两条并联的支路，一条支路上依次串联有鼓风机6、流量计9-2、阀门10-2和气水分离器15，另一条支路上依次串联有反冲洗水泵5、流量计9-1和阀门10-1，两条支路并联后通过配水/配气管12与反冲洗管道11连通。

参见图1，本发明解决问题的技术构思是：在剥膜的反应过程中，表层的活性氧化膜不断被剥离，反应界面不断向膜内部移动。通过向滤池内投加一定浓度的酸进行浸泡，酸会在反应界面周围形成一层液体膜，即边界层；随着空气搅动混合，酸分解生成的氢离子，通过边界层向活性氧化膜表面进行接触传质，与活性氧化膜表面的物质进行反应，反应后活性氧化膜颗粒表面晶格破裂，从活性氧化膜表面脱落；一部分活性氧化膜会被剥离下来，随着反冲洗过程被去除。

所述过滤装置a，实现滤料的剥膜和清洗，经药液投加装置c加入的剥膜剂在过滤装置a中与滤料层1的滤料接触反应，气水反冲洗装置b所产生的反洗气体经布水/布气装置3搅动滤层，使滤料1与剥膜剂充分搅动、混合、接触和反应，加快剥膜速率，实现活性氧化膜的快速剥离。所述过滤装置a主要由滤料层1、承托层2、布水/布气装置3、反冲洗管道11、排水装置等组成。其中，滤料层1位于承托层2之上；布水/布气装置3位于承托层2之下，主要用于过滤装置a在不同运行工况下的均匀布水(反洗)或布气(反洗与剥膜)，可采用穿孔管、滤砖、滤头等形式；反冲洗管道11之上连接有布水/布气装置3，并与配水/配气管12、投药管13相连接；排水装置主要用于实现剥落活性氧化膜与反冲洗废水的排出，主要由排水渠4、排水管14和阀门10-4组成。

所述气水反冲洗装置b，主要用于对过滤装置a进行反冲洗，提供反洗过程所需的反洗水、反冲洗气和剥膜过程所需的空气，实现滤料与剥膜剂的充分混合及进行滤料的反冲洗。所述气水反冲洗装置b主要由供水装置和供气装置组成，所述供水装置由反洗水泵5、配水管12-1、流量计9-1和阀门10-1组成。所述供气装置由鼓风机6、配气管12-2、流量计9-2和阀门10-2组成。

所述药液投加装置c，主要用于向过滤装置a投加剥膜剂，与其中的滤料表面的活性氧化膜接触反应，使活性氧化膜逐渐剥离，恢复滤料活性。所述药液投加装置c主要由配药罐7、投药泵8、投药管13、流量计9-3和阀门10-3组成。

参阅图2：剥膜过程开始前，先关闭过滤装置a的进水，排空过滤装置a。剥膜剂经药液投加装置c制备、投加并经反冲洗管道11和布水/布气装置3投加到过滤装置a中，液面高度上升至滤料层1表面0.2～0.4·m时，关闭阀门10-3，停止运行药液投加装置c。同时，打开阀门10-2，空气经鼓风机6加压后通过配水/配气管12和反冲洗管道11进入过滤装置a，再经过滤装置a底部的布水/布气装置3均匀布水配气，利用空气上升扰动搅动滤料层1，使滤料和剥膜剂充分搅拌、混合、接触和反应，精确控制通过配水/配气管12上安装的流量计9-2和阀门10-2实现。剥膜剂与滤料层1中的活性滤料在过滤装置a中充分接触反应，活性氧化膜逐渐剥落，浸泡30min～120min后打开阀门10-4，启动气水反冲洗装置b，反洗程序与常规滤池气水反冲洗装置相同，主要分为以下三个步骤：(A)将气冲强度调整至正常的常规砂滤池反冲洗气强度，气冲洗时间为1～2min；(B)而后开启阀门10-1和启动反冲洗水泵5进行气水同时反冲洗，反冲洗气和反冲洗水同时经加压后通过配水/配气管12和反冲洗管道11进入过滤装置a，再经过滤装置a底部的布水/布气装置3均匀布水布气，对滤料层1进行气水联合反冲洗，水冲和气冲强度根据配水/配气管12上安装的流量计和阀门实现调整控制，气水联合同时反冲洗时间为3～4min；(C)关闭阀门10-1和鼓风机6后仅进行单独水冲洗，与步骤(A)相同，单独水冲洗5～8min；反冲洗排水通过排水渠4、排水管14和阀门10-4排至生产废水收集设施。

高浓度剥膜剂首先在配药罐7中溶解成一定浓度的标准溶液，配置好的标准溶液利用投药泵8，经投药管13、反冲洗管道11和布水/布气装置3均匀投加到过滤装置a内，精确控制通过投药管13上安装的流量计9-3和阀门10-3实现。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，西北地区某水源地地下水水质状况复杂，污染物种类较多，铁锰超标最为普遍，色度、浑浊度和肉眼可见物等存在季节型超标现象。申请人根据其水质条件提出和应用上述发明工艺，并进行了试验研究。实验过程所用的材料取自某地下水源地现场的中试滤柱，该滤柱采用均质石英砂滤料，持续运行几年来，滤料表面已形成了成熟的氧化物膜，但过滤周期却在逐渐缩短，从最初的65h缩短至33h左右。实验对不同质量浓度的盐酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)溶液作为剥膜剂进行了脱膜试验。试验结果表明，本发明工艺能够有效实现滤料表面活性氧化膜的高效剥离，在盐酸(HCl)质量浓度在0.5g/L～1.5g/L或硫酸(H₂SO₄)质量浓度在1.0g/L～1.5g/L、浸泡时间30min以上时，平均剥膜率达60％以上(见图3)，滤池过滤周期从32h恢复至60h左右，氧化膜的厚度从剥膜前的100～110μm缩减至剥膜后的20～40μm左右。从图4～7中可以看出石英砂生料表面密实、局部较为平整，棱角分明，无肉眼可见缝隙孔道；而成熟的活性滤料表面有许多大约1～6μm的氧化物颗粒，滤料表面结构相比石英砂更为粗糙，表面凹凸不平，呈现出较多的缝隙与孔洞，与内部 结合较为紧密，这些颗粒对于氧化氨氮和其它物质提供了氧化活性位；脱膜后，氧化膜表面的形态基本无变化，说明滤料剥膜前后活性不受影响。

本发明提供了一种滤料表面活性氧化膜的化学原位剥离的工艺方法，用以解决水厂中用于催化氧化去除氨氮的滤池滤料表面活性氧化膜增厚导致滤池过滤周期缩短的技术问题。本发明仅需在现状或新建水厂过滤装置中增加一套药液投加装置，无需改造现有系统；所使用的剥膜剂原料为普通的酸溶液，具有成本低廉、来源广泛、易于保存等优点。该方法既实现了滤料表面活性氧化膜在原有滤池中进行高效剥离，又保证了滤料活性不被破坏，大大延长了滤池的过滤周期，具有技术可行、操作简单、剥膜效率高、不产生任何副产物、成本低廉、效果显著等优势，适用于新建水厂的设计和现状水厂过滤装置的升级改造以恢复滤池过滤周期。

Claims (8)

1.一种滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：该方法在现状或新建水厂过滤装置(a)中接入一套药液投加装置(c)，通过药液投加装置(c)向过滤装置(a)中加入剥膜剂浸泡滤料，实现滤料表面活性氧化膜的原位剥离。

2.如权利要求1所述的滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：所述的滤料表面氧化膜为滤料表面形成的Fe/Mn复合活性氧化物膜。

3.如权利要求1所述的滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：所述的剥膜剂为质量浓度为0.5g/L～1.5g/L的HCl溶液或质量浓度为1.0g/L～1.5g/L的H₂SO₄溶液。

4.如权利要求1所述的滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：所述的剥膜剂淹没滤料后，剥膜剂的液面高出滤料顶面0.2m～0.4m。

5.如权利要求1所述的滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：所述的过滤装置(a)通过反冲洗管道(11)与气水反冲洗装置(b)相连通，所述的剥膜剂浸泡滤料过程中采用气水反冲洗装置(b)向过滤装置(a)中通入反冲洗气体。

6.如权利要求5所述的滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：所述反冲洗气体的气冲强度在剥膜阶段中为常规砂滤池反冲洗气冲强度的1/2～2/3，在剥膜阶段完成后进行的反冲洗阶段中的气冲强度与常规砂滤池反冲洗气冲强度相同。

7.如权利要求6所述的滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：当滤料表面活性氧化膜的厚度大于等于100μm时，开始向过滤装置中加入剥膜剂，进行剥膜阶段；当滤料表面活性氧化膜的厚度小于等于40μm时，停止向水过滤装置中加入剥膜剂，完成剥膜阶段，通过反冲洗阶段将剥膜剂和剥离下来的滤料表面活性氧化膜冲洗干净。

8.如权利要求1所述的滤料表面活性氧化膜的原位剥离方法，其特征在于：所述的过滤装置(a)通过反冲洗管道(11)与药液投加装置(c)相连通；所述的药液投加装置(c)包括配药罐(7)，配药罐(7)与投药泵(8)连通，投药泵(8)与流量计(9-3)连通，流量计(9-3)通过阀门(10-3)与投药管(13)连通，投药管(13)与反冲洗管道(11)连通。