CN105000722B - 一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，该系统包括循环过滤系统、Fe盐定量投加系统、Mn盐定量投加系统、可溶性无机盐定量投加系统、化学辅助氧化系统和气水反冲洗系统。采用普通石英砂滤料快速活化的方法，所得到的活性石英砂滤料机械强度高、成本低廉，具备催化氧化高效去除水中氨氮、并同步去除铁锰的功能，可直接应用于高负荷氨氮及铁锰原水的净化处理。本发明既实现了活性滤料的快速制备，又可作为一种新型滤料应用于除氨氮工艺中，拓展了滤池去除氨氮的功能，解决常规工艺氨氮难以去除的难题。不仅适用于需具备氨氮去除功能的新建水厂，而且易于实现现有水厂滤池的快速升级改造。

Description

一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统

技术领域

本发明属于饮用水处理技术领域，具体涉及一种可用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统。

背景技术

随着我国经济的高速发展和人口剧增，生活污水和工业废水排放增多，使饮用水源水受到不同程度的污染。调查结果表明，2013年十大流域的国控断面中，Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为19.3％和9.0％，与上年相比，水质无明显变化，主要污染指标有氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量；同时，全国309个地级及以上城市的835个集中式饮用水源地取水达标率仅为97.3％，其中地表水水源地主要超标指标为总磷、锰和氨氮，地下水水源地主要超标指标为铁、锰和氨氮。由此可见，饮用水源水的氨氮污染已成为现阶段影响我国饮用水源水质主要污染因子。

若受污染的水源水不加处理或处理不当，将导致自来水厂出水中的氨氮含量偏高，会造成管网中亚硝化菌和硝化菌的繁殖生长，从而使管网中硝酸盐和亚硝酸盐的含量超标。硝酸盐过量会使婴儿患上高铁血红蛋白症，当饮用水中硝态氮(NO₃-N)含量高于10mg/L时就会使红血球不能带氧而导致婴儿窒息死亡；另外，硝酸盐和亚硝酸盐转化为亚硝胺后会产生“致癌、致突变、致畸”的物质。可见，水源水中较高浓度的氨氮对人体危害较大。

如何高效且低成本去除饮用水中氨氮一直是困扰众多水厂的难题，目前常见的氨氮处理方法主要有吸附去除法、折点加氯法和生物脱氮法等，但普遍存在建设投资大、运行成本高、处理效率偏低等问题，尤其是对现行绝大部分水厂的常规处理工艺的升级改造，由于条件限制而使得实施难度很大。

根据申请人的长期研究表明，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，其原理认为是降低了反应活化能或反应所需的能量，其反应具有催化氧化速率高、转化率高、去除率稳定、环境影响小等优势。申请人已授权的专利“复合微污染水源水中Fe、Mn和氨氮协同去除工艺系统”(专利号：ZL201320699810.1)是一种合理有效地集成了传质充氧、自然氧化、化学氧化、截留过滤、物理化学吸附、接触催化/生物氧化等多种技术，可有效地协同去除复合微污染水源中的浊度、色度、Fe、Mn和氨氮的工艺系统。但是，该工艺系统仅适用于同时含有Fe、Mn和氨氮三种污染物的水原水，但针对单一氨氮污染的饮用水源并不能适用，主要是因为滤料不具备催化活性。有研究表明，天然的锰砂虽也具有去除Fe/Mn的功能，但难以去除氨氮，同时其机械强度低、去除效率低和使用成本高，不利于大规模应用。因此，需要研发出一种新的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其制备的滤料直接具备高效去除水中氨氮的功能，以便用于受氨氮污染的饮用水净化处理。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，以实现活性滤料具备催化氧化高效去除水中氨氮、并同步去除铁锰的功能，可直接应用于高负荷氨氮及铁锰原水的净化处理，活化效率高、投资和运行成本低廉。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，该系统包括：

循环过滤系统，用于实现原水在制备主体中循环流动，促进主体内的滤料快速活化，提高活化效率；

Fe盐定量投加系统，用于向原水中定量投加Fe盐；

Mn盐定量投加系统，用于向原水中定量投加Mn盐；

可溶性无机盐定量投加系统，用于向原水中定量投加可溶性无机盐，使滤料表面生成具有催化活性的Fe/Mn氧化膜；

化学辅助氧化系统，用于在运行初期向原水中投加化学辅助氧化剂，快速氧化Fe和Mn离子，弥补自然氧化不足，提高氧化效率，使得滤料表面活性的Fe/Mn氧化膜快速形成；

气水反冲洗系统，用于定期对循环过滤系统的滤层进行气水反洗，剥落滤层中的滤料表面老化松散的活性Fe/Mn氧化膜，保证滤料表面活性Fe/Mn氧化膜致密和结实。

Fe盐定量投加系统、Mn盐定量投加系统、可溶性无机盐定量投加系统、气水反冲洗系统和化学辅助氧化系统分别与循环过滤系统相连接。

所述的Fe/Mn盐、可溶性无机盐和化学氧化剂汇集到一根加药管道集中投加到循环过滤系统的循环管道上，利用循环过滤系统内安装的管道静态混合器进行混合。

根据本发明，进一步还具有以下技术特点：

所述循环过滤系统由制备主体、布水/配气装置、射流曝气装置、循环系统和集水系统组成；制备主体与集水系统相连，循环系统与制备主体、布水/配气装置、射流曝气装置、集水系统相连，布水/配气装置与射流曝气装置相连；

其中，所述制备主体采用钢制混凝土、钢板或不锈钢板制作，制备主体内填充滤料层和承托层，滤料层在承托层的上部；

所述布水/集水装置采用穿孔管、滤砖或滤头形式；

所述射流曝气装置主要由射流器和进气调节阀组成，用于对水体进行充氧，保证水中溶解氧浓度；射流器安装在过滤系统的出水管上，并与管道静态混合器相连接；进气调节阀安装在射流器的上部；所述进气调节阀安装在射流器的进气端，用于调节射流器进气量，控制充氧量。

所述循环系统由循环水泵、循环管道、第一流量计、管道静态混合器、第一阀门和第二阀门组成，其中：循环水泵主要用于对制备主体出水进行加压，重新进行循环过滤；循环管道包括出水管和回水管，循环水泵与出水管和回水管相连接，出水管上安装第一流量计、管道静态混合器和第二阀门，循环水泵与回水管之间安装第一阀门；

流量计安装在循环水泵出口端，主要用于对水泵出水流量进行精确计量；

管道静态混合器安装在循环水泵出口端管道上，主要用于对投加的Fe盐、Mn盐和可溶性无机盐与原水进行充分混合；

阀门安装在循环管道上，主要用于流量调节与系统启停切换。

原水经循环水泵加压后，经射流曝气装置自然吸气充氧，氧化水中添加的Fe盐与Mn盐形成Fe/Mn复合氧化物，与可溶性无机盐结合后在滤料层内的滤料表面形成致密结实的活性氧化膜，实现普通滤料的快速活化，使其具备催化氧化去除水中氨氮、Fe与Mn的能力。

所述集水系统主要由集水渠、排水管和第九阀门组成，集水渠与制备主体合建而成，集水渠连接排水管和第九阀门。

所述集水系统主要由集水渠、排水管和第九阀门组成，集水渠设置在制备主体出水端，与制备主体合建而成，集水渠连接排水管和第九阀门。排水管设置在集水渠底部，主要用于排放反冲洗废水；第九阀门分别安装在排水管的末端和回水管的进口端。

所述Fe盐定量投加系统由Fe盐配药装置、第一投药装置、第一投药管、第二流量计和第三阀门组成，Fe盐配药装置与第一投药装置相连接，第一投药装置经投药管与循环过滤系统的出水管相连，第二流量计(13-2)和第三阀门安装在第一投药管上，所述Fe盐的投加浓度为0.1mg/L～2mg/L。

所述的Mn盐定量投加系统由Mn盐配药装置、第二投药装置、第二投药管、第三流量计和第四阀门组成，用于Mn盐的精确计量和投加。所述Mn盐配药装置与第二投药装置相连接，第二投药装置第二经投药管与循环过滤系统的出水管相连，第三流量计和第四阀门安装在第二投药管上，所述Mn盐的投加浓度为0.1mg/L～4mg/L。

所述可溶性无机盐定量投加系统主要由可溶性无机盐配药装置、第三投药装置、第三投药管、第四流量计和第五阀门组成，用于特定的可溶性无机盐的精确计量和投加。所述可溶性无机盐配药装置与第三投药装置相连接，第三投药装置经第三投药管与循环过滤系统的出水管相连，第四流量计和第五阀门安装在第三投药管上，所述可溶性无机盐主要为Ca²⁺、Mg²⁺、Na²⁺、SO₄ ^2-、HPO₄ ^2-或Na₂HPO₄，投加种类和浓度根据原水水质条件进行确定。

所述化学辅助氧化系统由配药装置、第四投药装置、第四投药管、第五流量计和第六阀门组成，用于化学氧化剂的精确计量和投加。配药装置与第四投药装置相连接，第四投药装置经第四投药管与循环过滤系统的出水管相连，第五流量计和第六阀门安装在第四投药管上；氧化剂的理论投加量按水中的铁锰离子浓度确定，实际投量为理论投加量的90％～110％。

所述的气水反冲洗系统由供水系统和配水管、供气系统和配气管组成，用于提供反冲洗时所需的水。

供水系统通过配水管与循环过滤系统的出水管连接；供气系统通过配气管与循环过滤系统的出水管相连接；

所述的供水系统由反洗水泵、第七流量计、第八阀门和配水管组成，用于提供反冲洗时所需的水。反洗水泵通过配水管与第二配气管相连，配水管上安装第七流量计和第八阀门；用于实现反洗水流量的计量和控制。

所述的供气系统由鼓风机、第六流量计、第七阀门、第一配气管、第二配气管和逆止阀组成，用于提供反冲洗时所需的空气。鼓风机通过第一配气管与第二配气管相连，第一配气管上安装第六流量计、第七阀门和逆止阀。用于实现反冲洗空气流量的计量和控制。

所述滤料层采用石英砂滤料，厚度为0.8m～1.6m；所述承托层厚度和级配均与普通快滤池相同。

所述制备主体的滤速为6m/h～16m/h，制备主体的反冲洗周期为2d～4d。

所述活性石英砂滤料制备成熟周期为1～4个月，具体由实际过滤运行参数决定，活性石英砂滤料制备成熟的标志为一个月后每隔一周向原水中投入1mg/L的氨氮，经制备主体处理后出水氨氮始终稳定保持在0.3mg/L以下，投加氨氮与出水氨氮实时监测的持续时间为2小时。

本发明提供了普通滤料快速活化的系统，原料具有成本低廉、来源广泛、易于保存等优点；在石英砂中投加一定量低价态铁盐和锰盐的原水经空气自然氧化作用后形成铁锰复合氧化物，与可溶性无机盐电化学结合后在滤料表面形成活性氧化膜，使普通石英砂滤料完成活化；制备的活性滤料机械强度高、成本低廉，具备催化氧化高效去除水中氨氮、并同步去除铁锰的功能，可直接应用于高负荷氨氮及铁锰原水的净化处理。既实现了活性滤料的快速制备，又可作为一种新型滤料应用于除氨氮工艺中，拓展了滤池去除氨氮的功能，解决常规工艺氨氮难以去除的难题。不仅适用于需具备氨氮去除功能的新建水厂，而且易于实现现有水厂滤池的快速升级改造。为弥补系统运行初期空气自然氧化的不足，设置化学辅助氧化系统，投加一定量的化学氧化剂，实现铁锰快速氧化，提高活化速率。

本发明具有下述优点：

1、提供了一种普通石英砂滤料快速活化的系统，既实现了活性滤料的快速形成，又可作为一种新型滤料应用于除氨氮工艺中，拓展了滤池去除氨氮的功能，解决常规工艺氨氮难以去除的难题。

2、采用活性石英砂滤料，其机械强度高、成本低廉，具备催化氧化高效去除水中氨氮、并同步去除铁锰的功能，可直接应用于高负荷氨氮及铁锰原水的净化处理。不仅适用于需具备氨氮去除功能的新建水厂，而且易于实现现有水厂滤池的快速升级改造。

3、采用的滤料仅为普通石英砂，具有成本低廉、来源广泛、易于保存等优点。

4、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，大大加快了滤料的活化速率。

5、曝气系统采用射流曝气的方式，最大限度利用了循环水泵的余压，有效地节省了系统的能耗。

6、为保证制备初期具有较高的活化效率，增加了辅助化学氧化系统，仅在系统运行初期进行投加，既节省了药剂消耗，也提高了活化效率。

附图说明

图1为本发明的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统结构示意图；

图2为活化前的石英砂滤料SEM照片；

图3成熟的活性石英砂滤料SEM照片；

图4是成熟的活性石英砂滤料的活性滤膜SEM照片；

图5是成熟的活性石英砂滤料的氨氮去除效果图。

附图上的标记为：a、循环过滤系统；b、Fe盐定量投加系统；c、Mn盐定量投加系统；d、特定的可溶性无机盐定量投加系统；e、化学辅助氧化系统；f、气水反冲洗系统；1、滤料层；2、承托层；3、布水/配气装置；4、集水渠；5、循环水泵；6、Fe盐配药装置；7、Mn盐配药装置；8、可溶性无机盐配药装置；9、配药装置；10、反洗水泵；11、鼓风机；12-1～12-4：投药装置；13-1～13-7：流量计；14-1～14-9：阀门；15、管道静态混合器；16、射流器；17、出水管；18、回水管；19-1～19-5：投药管；20-1、配气管，20-2、配水管，20-3、配气管；21、排水管；22、制备主体；23、进气调节阀；24、逆止阀。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明解决问题的技术构思是：将普通石英砂滤料置于系统的制备主体内，利用Fe盐、Mn盐和可溶性无机盐定量投加系统向制备主体进水中投加一定量低价态的Fe盐、Mn盐和特定的可溶性无机盐，在运行初期先利用化学辅助氧化系统将低价态铁锰进行快速化学氧化，再经射流曝气装置进行充分传质充氧，通过氧化作用形成新生态铁锰复合氧化物，并与可溶性无机盐结合后附着在石英砂滤料表面，从而在石英砂滤料表面形成致密结实的活性滤膜，实现催化氧化去除氨氮、Fe和Mn的活性石英砂滤料的制备。化学辅助氧化系统仅在系统运行初期使用，主要是为了弥补初期自然氧化的不足，保证活化效率，待系统正常运行后停止投加化学氧化剂。为保证石英砂滤料表面活性滤膜的致密性，利用气水反冲洗系统定期对滤层进行反洗，剥落石英砂滤料表面老化松散的氧化膜。

参阅图1，本实施例给出一种可用于催化氧化去除水中氨氮的催化氧化去除水中氨氮的系统，以实现原水在制备主体中循环流动而进行循环过滤，包括循环过滤系统a、Fe盐定量投加系统b、Mn盐定量投加系统c、可溶性无机盐定量投加系统d、化学辅助氧化系统e、气水反冲洗系统f、循环过滤系统a经Fe/Mn/可溶性无机盐定量投加系统(b/c/d)加入的低价态Fe盐、Mn盐在射流曝气装置和化学辅助氧化系统d的作用下形成新生态铁锰复合氧化物，与可溶性无机盐结合后吸附和截留在石英砂滤料的表面，在石英砂滤料表面形成致密结实的并具有催化活性的Fe/Mn氧化膜，使得石英砂滤料具备催化氧化去除水中氨氮、Fe和Mn的能力，实现石英砂滤料的活化。

循环过滤系统a，主要由制备主体22、射流曝气装置、布水/配气装置3、循环系统等组成。其中，制备主体22主要由滤料层1和承托层2组成，制备主体22过滤形式根据流向采用上向流过滤的形式。射流曝气装置为自然吸气曝气装置，主要是在循环水泵5的出水管道17上安装射流器16和进气调节阀23，利用高速水流形成的真空向循环水体中充气，实现水与空气剧烈混合以达到自然充氧的目的，可大大提高水体充氧传质和实现低价铁锰自然氧化的效率，并有效减少运行成本。布水/配气装置3主要用于制备主体22在不同运行工况下的均匀布水(过滤)或配气(反洗)，可采用穿孔管、滤砖、滤头等形式。

循环过滤系统a主要用于实现原水的循环过滤，提高滤料的活化效率，节约耗水量，同时通过管路切换实现制备主体22不同运行工况之间的转化，主要由循环水泵5、循环管道18、管道静态混合器15、流量计13-1、阀门14-1与阀门14-2组成。

Fe盐定量投加系统b，主要用于向原水中定量投加低价态的Fe盐，与原水中加入的低价态Mn盐和特定的可溶性无机盐混合后经射流曝气装置自然充氧氧化，形成铁锰复合氧化物。

Fe盐定量投加系统b主要由配药装置6、投药装置12-3、投药管19-1、流量计13-2和阀门14-3组成。

所述Mn盐定量投加系统c，主要用于向原水中定量投加低价态的Mn盐，与原水中加入的低价态Fe盐和特定的可溶性无机盐混合后经曝气装置充氧氧化，形成铁锰复合氧化物。所述Mn盐定量投加系统c主要由配药装置7、投药装置12-2、投药管19-2、流量计13-3和阀门14-4组成。

所述可溶性无机盐定量投加系统d，主要用于向原水中定量投加特定的可溶性无机盐制剂，与低价态铁锰烟花形成的铁锰氧化物进行有机结合，在滤料表面形成具备催化氧化高效去除水中氨氮、Fe与Mn功能的活性滤膜。

可溶性无机盐定量投加系统d主要由配药装置8、投药装置12-3、投药管19-3、流量计13-4和阀门14-5组成。

所述化学辅助氧化系统e，主要用于向原水中定量投加化学氧化剂，对其中的低价态铁锰和可溶性无机盐进行化学氧化反应，形成铁锰复合氧化物。

化学辅助氧化系统e，主要是在滤料表面形成活性滤膜之前，通过投加化学氧化剂氧化水中低价态铁锰，使之形成的Fe/Mn复合氧化物与可溶性无机盐有机结合，而后附着在滤料表面，加快滤料表面活性滤膜的形成，保证空气氧化后新生态铁锰复合氧化物在滤膜表面的吸附和高效附着。

所述化学辅助氧化系统e，主要由配药装置9、投药装置12-4、投药管19-4、第五流量计13-5和第六阀门14-6组成。

所述气水反冲洗系统f，主要用于对制备主体22中的滤料层1进行反冲洗，提供反洗过程所需的反洗水和反洗气，剥落滤料表面老化松散的活性氧化膜，保证滤料的过滤能力和滤膜的致密性。

气水反冲洗系统f，主要由供水系统和供气系统组成；所述供水系统由反洗水泵10、配水管20-2、流量计13-7和阀门14-8组成；所述供气系统由鼓风机11、配气管20-1、流量计13-6、阀门14-7和逆止阀24组成。

所述制备主体22主要由滤料层1和承托层2组成，制备主体20过滤采用上向流过滤形式。其中，滤料层1为石英砂滤料，承托层2厚度和级配均与普通快滤池相同。

制备主体22与集水渠4相连，集水渠4通过回水管18与循环水泵5相连，循环水泵5经出水管17与布水/配气装置3相连，布水/配气装置3位于制备主体22中承托层2底部，出水管17上安装有流量计13-1、管道混合器15、射流器16和阀门14-2，射流器16上安装有进气调节阀门23，Fe盐定量投加系统b、Mn盐定量投加系统c、特定的可溶性无机盐定量投加系统d和化学辅助氧化系统e经投药管19-5与循环水泵5的出水管17相连，配水/配气管20与与循环水泵5的出水管17相连。

正常制备时，参阅图1：

制备主体22进行正常制备时，阀门14-7、14-8与14-9处于关闭状态，其余阀门均处于开启状态。原水经循环水泵5加压后，流经流量计13-1、管道静态混合器15进入射流曝气装置自然吸气充氧氧化水中低价态的铁锰形成铁锰复合氧化物，出水经阀门14-2和出水管17输送至布水/配气装置3，出水经承托层2均匀地布置在滤料表面，水流自下而上流经滤料层1，与滤料层1充分接触反应，特定的可溶性无机盐与铁锰复合氧化物在滤料层1表面进行电化学结合形成具备催化氧化功能的活性滤膜。制备主体22出水跌落进集水渠4内，经回水管18收集后经阀门14-1输送到循环水泵5重新进行加压循环。

其中，Fe盐定量投加系统b由配药装置6、投药装置12-1、投药管19-1、流量计13-2和阀门14-3组成。低价态的铁盐首先在配药装置6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装置12-1，经投药管19-1按比例投加到循环水泵5的出水管道17上，利用投药管19-1上安装的流量计13-2和阀门14-3实现精确控制。

Mn盐定量投加系统c由配药装置7、投药装置12-2、投药管19-2、流量计13-3和阀门14-4组成。低价态的锰盐首先在配药装置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装置12-2，经投药管19-2按比例投加到循环水泵5的出水管道17上，利用投药管19-2上安装的流量计13-3和阀门14-4实现精确控制。

可溶性无机盐定量投加系统d由配药装置8、投药装置12-3、投药管19-3、流量计13-4和阀门14-5组成。低价态的特定的可溶性无机盐首先在配药装置8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装置12-3，经投药管19-3按比例投加到循环水泵5的出水管道17上，利用投药管19-3上安装的流量计13-4和阀门14-5实现精确控制。

化学辅助氧化系统e由配药装置9、投药装置12-4、投药管19-4、第五流量计13-5和阀门14-6组成。化学氧化剂首先在配药装置9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装置12-4，经投药管19-4按比例投加到循环水泵5的出水管道17上，利用投药管19-4上安装的第五流量计13-5和阀门14-6实现精确控制。化学辅助氧化系统d，主要用于向原水中定量投加化学氧化剂，对其中的低价态铁锰进行化学氧化反应，快速形成铁锰复合氧化物，弥补系统运行初期自然氧化的不足，保障较高的活化速率，待系统正常运行后可停止。

上述投加的Fe盐、Mn盐、可溶性无机盐和化学氧化剂经投药管19汇集后集中投加到循环水泵5出水管道17上的管道静态混合器15前端，利用管道静态混合器15实现药剂与原水的快速充分混合。

反冲洗时，继续参阅图1：

制备主体22进行反冲洗工作时，循环过滤系统a、Fe盐定量投加系统b、Mn盐定量投加系统c、特定的可溶性无机盐定量投加系统d与化学辅助氧化系统e均停止工作，阀门14-9处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态。水冲时，打开阀门14-8，反洗水经反洗水泵10加压后经配水/配气管20-2和20-3、出水管道17进入滤料层1底部的布水/配气装置3，而后对滤料层1进行水反冲洗，利用配水管20-2上安装的流量计13-7和阀门14-8实现精确控制。气冲时，阀门14-7打开，阀门14-8关闭。反洗气经鼓风机11加压后经配水管20-1/配气管20-3、逆止阀24、出水管道17进入滤料层1底部的布水/配气装置3，而后对滤料层1进行气反冲洗，利用配水/配气管20-1上安装的流量计13-6和阀门14-7实现精确控制。气水联合冲时，阀门14-7打开，阀门14-8打开。反洗水和反洗气经配水/配气管20-1、20-2和20-3、出水管道17进入滤料层1底部的布水/配气装置3，而后对滤料层1进行气水联合反冲洗，利用流量计13-6与13-7、阀门14-7与14-8可调节反冲洗气水比例。布水/配气装置3出水经承托层2均匀的布置在石英砂滤料表面，水流自下而上流经滤料层1，与滤料层1充分接触，剥落滤料层1表面老化和松散的滤膜。反洗水跌落进集水渠4内，进行固液分离，废液经排水管21收集后经阀门14-9排放至生产废水处理设施进行处理后排放。

本发明提供了一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，所采用的原料仅为普通的石英砂滤料，原料具有成本低廉、来源广泛、易于保存等优点；投加一定量低价态铁盐和锰盐的原水经空气自然氧化作用后形成铁锰复合氧化物，与可溶性无机盐电化学结合后在石英砂滤料表面形成活性氧化膜，使普通石英砂滤料完成活化；制备的活性滤料机械强度高、成本低廉，具备催化氧化高效去除水中氨氮、并同步去除铁锰的功能，可直接应用于高负荷氨氮及铁锰原水的净化处理。既实现了活性滤料的快速制备，又可作为一种新型滤料应用于除氨氮工艺中，拓展了滤池去除氨氮的功能，解决常规工艺氨氮难以去除的难题。不仅适用于需具备氨氮去除功能的新建水厂，而且易于实现现有水厂滤池的快速升级改造。为弥补系统运行初期空气自然氧化的不足，设置化学辅助氧化系统，投加一定量的化学氧化剂，实现铁锰快速氧化，提高活化速率。

下面通过1个具体的实例来进一步说明本发明的有益效果和工程应用。

实施例：发明人对上述用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统进行了中试试验，中试的原水采用西北地区某地表水厂的滤池出水，设计进水量为1m³/h，设计滤速6m/h，滤柱的滤料层1采用均质石英砂滤料，当量粒径为1.20mm，不均匀系数K₈₀＝1.38，滤料层1的厚度1.2m；Fe盐投加浓度为1.4mg/L，Mn盐投加浓度为2mg/L；可溶性无机盐采用Na₂HPO₄，投加浓度为30μg/L；辅助氧化剂采用高锰酸钾，投加浓度为4.8mg/L。中试系统运行45天后，向原水中投入1mg/L的氨氮，经制备主体处理后出水氨氮始终稳定保持在0.3mg/L以下，这说明成熟(活性)滤料已制备完成，停止中试系统工作，此时石英砂滤料表面生成了致密结实的活性滤膜(详见图2～4：电子显微镜扫描照片)。数天后又重新开启中试系统，但停止投加Fe盐、Mn盐、可溶性无机盐和辅助氧化剂，向原水中连续投加1.5～2.0mg/L的氨氮进行氨氮去除试验，系统连续运行30多天，其出水水质完全满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求(详见图4)。

尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体技术方案进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，该系统包括：

循环过滤系统(a)，用于实现原水在制备主体中循环流动，促进主体内的滤料快速活化，提高活化效率；

Fe盐定量投加系统(b)，用于向原水中定量投加Fe盐；

Mn盐定量投加系统(c)，用于向原水中定量投加Mn盐；

可溶性无机盐定量投加系统(d)，用于向原水中定量投加可溶性无机盐，使滤料表面生成具有催化活性的Fe/Mn氧化膜；

化学辅助氧化系统(e)，用于在运行初期向原水中投加化学辅助氧化剂，快速氧化Fe和Mn离子，弥补自然氧化不足，提高氧化效率，使得滤料表面活性的Fe/Mn氧化膜快速形成；

气水反冲洗系统(f)，用于定期对循环过滤系统(a)的滤层进行气水反洗，剥落滤层中的滤料表面老化松散的活性Fe/Mn氧化膜，保证滤料表面活性Fe/Mn氧化物膜致密和结实；

Fe盐定量投加系统(b)、Mn盐定量投加系统(c)、可溶性无机盐定量投加系统(d)、化学辅助氧化系统(e)和气水反冲洗系统(f)分别与循环过滤系统(a)相连；

所述的Fe盐、Mn盐、可溶性无机盐和化学氧化剂汇集到一根加药管道集中投加到循环过滤系统(a)的循环管道上，利用循环过滤系统(a)内安装的管道静态混合器进行混合；

所述循环过滤系统(a)由制备主体(22)、布水/配气装置(3)、射流曝气装置、循环系统和集水系统组成；制备主体(22)与集水系统相连，循环系统与制备主体(22)、布水/配气装置(3)、射流曝气装置、集水系统相连，布水/配气装置(3)与射流曝气装置相连；

其中，所述制备主体(22)采用钢制混凝土、钢板或不锈钢板制作，制备主体(22)内填充滤料层(1)和承托层(2)，滤料层(1)在承托层(2)的上部；

所述布水/集水装置(3)采用穿孔管、滤砖或滤头形式；

所述射流曝气装置主要由射流器(16)和进气调节阀(23)组成，射流器(16)安装在过滤系统(a)的出水管(17)上，并与管道静态混合器(15)相连接；进气调节阀(23)安装在射流器(16)的上部；

所述循环系统由循环水泵(5)、循环管道、第一流量计(13-1)、管道静态混合器(15)、第一阀门(14-1)和第二阀门(14-2)组成，其中：循环管道包括出水管(17)和回水管(18)，循环水泵(5)与出水管(17)和回水管(18)相连接，出水管(17)上安装第一流量计(13-1)、管道静态混合器(15)和第二阀门(14-2)，循环水泵(5)与回水管(18)之间安装第一阀门(14-1)；

所述集水系统主要由集水渠(4)、排水管(21)和第九阀门(14-9)组成，集水渠(4)与制备主体(22)合建而成，集水渠(4)连接排水管(21)和第九阀门(14-9)。

2.如权利要求1所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述Fe盐定量投加系统(b)由Fe盐配药装置(6)、第一投药装置(12-1)、第一投药管(19-1)、第二流量计(13-2)和第三阀门(14-3)组成，Fe盐配药装置(6)与第一投药装置(12-1)相连接，第一投药装置(12-1)经投药管(19-1)与循环过滤系统(a)的出水管(17)相连，第二流量计(13-2)和第三阀门(14-3)安装在第一投药管(19-1)上，所述Fe盐的投加浓度为0.1mg/L～2mg/L。

3.如权利要求1所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述的Mn盐定量投加系统(c)由Mn盐配药装置(7)、 第二投药装置(12-2)、第二投药管(19-2)、第三流量计(13-3)和第四阀门(14-4)组成，所述Mn盐配药装置(7)与第二投药装置(12-2)相连接，第二投药装置(12-2)第二经投药管(19-2)与循环过滤系统(a)的出水管(17)相连，第三流量计(13-3)和第四阀门(14-4)安装在第二投药管(19-2)上，所述Mn盐的投加浓度为0.1mg/L～4mg/L。

4.如权利要求1所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述可溶性无机盐定量投加系统(d)主要由可溶性无机盐配药装置(8)、第三投药装置(12-3)、第三投药管(19-3)、第四流量计(13-4)和第五阀门(14-5)组成，所述可溶性无机盐配药装置(8)与第三投药装置(12-3)相连接，第三投药装置(12-3)经第三投药管(19-3)与循环过滤系统(a)的出水管(17)相连，第四流量计(13-4)和第五阀门(14-5)安装在第三投药管(19-3)上，所述可溶性无机盐主要为Ca²⁺、Mg²⁺、Na²⁺、SO₄ ^2-、HPO₄ ^2-或Na₂HPO₄，投加种类和浓度根据原水水质条件进行确定。

5.如权利要求1所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述化学辅助氧化系统(e)由配药装置(9)、第四投药装置(12-4)、第四投药管(19-4)、第五流量计(13-5)和第六阀门(14-6)组成，配药装置(9)与第四投药装置(12-4)相连接，第四投药装置(12-4)经第四投药管(19-4)与循环过滤系统(a)的出水管(17)相连，第五流量计(13-5)和第六阀门(14-6)安装在第四投药管(19-4)上；氧化剂的理论投加量按水中的铁锰离子浓度确定，实际投量为理论投加量的90％～110％。

6.如权利要求1所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述的气水反冲洗系统(f)由供水系统和配水管、供气 系统和配气管组成，供水系统通过配水管与循环过滤系统(a)的出水管(17)连接；供气系统通过配气管与循环过滤系统(a)的出水管(17)相连接；

所述的供水系统由反洗水泵(10)、第七流量计(13-7)、第八阀门(14-8)和配水管(20-2)组成，反洗水泵(10)通过配水管(20-2)与第二配气管(20-3)相连，配水管(20-2)上安装第七流量计(13-7)和第八阀门(14-8)；

所述的供气系统由鼓风机(11)、第六流量计(13-6)、第七阀门(14-7)、第一配气管(20-1)、第二配气管(20-3)和逆止阀(24)组成，鼓风机(11)通过第一配气管(20-1)与第二配气管(20-3)相连，第一配气管(20-1)上安装第六流量计(13-6)、第七阀门(14-7)和逆止阀(24)。

7.如权利要求1所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述滤料层(1)采用石英砂滤料，厚度为0.8m～1.6m；所述承托层(2)厚度和级配均与普通快滤池相同。

8.如权利要求1所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述制备主体(22)的滤速为6m/h～16m/h，制备主体(22)的反冲洗周期为2d～4d。

9.如权利要求7所述的用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统，其特征在于，所述石英砂滤料制备成熟周期为1～4个月，具体由实际过滤运行参数决定，石英砂滤料制备成熟的标志为一个月后每隔一周向原水中投入1mg/L的氨氮，经制备主体处理后出水氨氮始终稳定保持在0.3mg/L以下，投加氨氮与出水氨氮实时监测的持续时间为2小时。