CN105540761A - 一种水体消毒设备及利用其进行水体消毒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水体消毒设备及利用其进行水体消毒的方法，所述水体消毒设备包括进水装置、反应装置、电源、臭氧曝气装置、气液分离器和臭氧产生装置；所述反应装置内设有隔膜，将反应装置分为阳极室和阴极室，阳极和阴极分别设于阳极室和阴极室内，并且分别与设于反应装置外面的电源的正极和负极相连；所述阳极室和阴极室连通，排气阀设于阳极室顶端；所述进水装置与反应装置的阳极室连通，所述气液分离器与反应装置的阴极室连通；所述臭氧产生装置通过臭氧曝气装置与阴极室连通。相对于现有技术，该设备结构简单紧凑、占地面积小、运行管理方便，处理效果好、处理效率高。
Description
技术领域
本发明属于水处理设备领域，特别涉及一种水体消毒设备，还涉及利用该设备进行水体消毒的方法。
背景技术
水体中细菌、病毒的传播严重危害人类健康和生态安全，消毒是水处理工艺中的必要环节。目前水体消毒技术主要有液氯、氯胺、二氧化氯、紫外线、臭氧等。含氯消毒剂应用广泛，杀菌效果较好，但副产物具有“三致”作用，且需储存药剂，使用不便。紫外消毒安全性好，但能耗较高，处理效果受水质影响较大。臭氧消毒效果好，速度快，又有除臭、防腐、脱色等多种作用，是一种较理想的消毒方法。但臭氧在水处理过程中利用率较低，一些微生物具有抗臭氧氧化性能，且当水中含有溴离子时，会生成对人体健康有害的含溴副产物。电化学技术无需添加化学药剂，对大多数微生物如病毒、细菌、真菌和藻类等均有良好灭活的效果，设备体积小，自动化程度高，易与其他治理技术联用而越来越受到人们的重视。但是，单一电化学消毒存在处理时间较长，受水质电导性影响较大等问题。
水体消毒在保证微生物安全性的同时应尽量降低化学物质风险。然而，现有的消毒技术处理效能有待提高，消毒过程中有害副产物的生成增加了人体健康风险，开发高效的消毒工艺并抑制副产物生成日显迫切。电化学技术不仅与臭氧存在协同氧化效应，而且通过反应装置和流程设计可调节水体pH值、改变水中溴的形态、生成过氧化氢、还原溴酸根等，可在同一反应体系内对臭氧消毒进行多种形式的调控，抑制有害副产物的生成。设计出高效、合理的反应流程和装置是电化学/臭氧耦合消毒技术能够实际应用的关键。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供了一种效率高、安全、广谱的水体消毒设备以及利用该设备进行水体消毒的方法。
技术方案：本发明提供了一种水体消毒设备，包括进水装置、反应装置、电源、臭氧曝气装置、气液分离器和臭氧产生装置；
所述反应装置内设有隔膜，将反应装置分为阳极室和阴极室，阳极和阴极分别设于阳极室和阴极室内，并且分别与设于反应装置外面的电源的正极和负极相连；所述阳极室和阴极室连通，排气阀设于阳极室顶端；
所述进水装置与反应装置的阳极室连通，所述气液分离器与反应装置的阴极室连通；所述臭氧产生装置通过臭氧曝气装置与阴极室连通。
该设备结构简单紧凑、占地面积小、运行管理方便，处理效果好、处理效率高。
作为优选，所述臭氧曝气装置设于所述阴极室内或者阴极室外：
设于阴极室内时，臭氧曝气装置通过阴极室进气口与臭氧产生装置连通；设于阴极室外时，臭氧曝气装置设于阳极室出水口和阴极室进水口之间，并且与臭氧产生装置连通。
作为另一种优选，所述臭氧产生装置包括依次连接的第一气体控制阀、气体干燥器和臭氧发生器，所述臭氧发生器与臭氧曝气装置连接。
作为另一种优选，所述进水装置通过一号液体控制阀、阳极室进水口与反应装置的阳极室连通；所述气液分离器通过气液分离器进口、二号液体控制阀、阴极室出水口与反应装置的阴极室连通；所述阳极室和阴极室通过阳极室出水口和阴极室进水口连通；
作为改进，所述水体消毒设备还包括臭氧尾气破坏器、第二气体控制阀、气相臭氧浓度监测仪、气体流量计和止回阀；所述臭氧尾气破坏器的进气口与气液分离器出气口连接，其出气口与第二气体控制阀连接；所述臭氧产生装置与臭氧曝气装置之间依次连接气相臭氧浓度监测仪、气体流量计和止回阀。
作为另一种改进，所述水体消毒设备还包括粒子电极和过滤网；所述粒子电极设于阴极室内；所述过滤网设于阴极室出水口之前，以防止多孔粒子电极随流体流失。所述粒子电极为金属粒子、多孔粒子、金属氧化物改性多孔粒子等。
作为另一种改进，所述水体消毒设备还包括残余氧化物监测仪、还原剂存储器和自控单元；所述残余氧化物监测仪、还原剂存储器依次设于气液分离器出水口之后。所述还原剂存储器内装有亚硫酸钠或硫代硫酸钠类还原性物质。所述自控单元分别与进水装置、电源、臭氧发生器、气相臭氧浓度监测仪、气泵、残余氧化物监测仪、还原剂存储器等连接；所述自控单元可根据需要设置参数、信号采集、分析、模拟计算、自动调控、错误报警、数据记录等功能，这些功能的实现均为本领域常用的技术。
作为优选，所述反应装置为圆筒型、长方体或正方体；所述阳极、阴极平行设置成对电极，阳极可为石墨电极、不锈钢电极、钛电极、贵金属电极、掺硼金刚石电极等，所述阴极可为气体扩散电极、石墨电极、不锈钢电极、钛电极、贵金属电极、掺硼金刚石电极等。阳极和阴极表面可掺杂金属或金属氧化物以提高性能。
作为另一种优选，所述隔膜为离子交换膜，可实现阴阳两极通电。隔膜位置可根据水体在阳极室和阴极室内水力停留时间的需要调节。
作为另一种优选，所述臭氧产生装置供气来源可为空气或氧气。所述臭氧曝气装置可为微孔曝气材料、水力射流器、管道式气液混合器等。
所述进水装置可以选用进水泵。
本发明还提供了一种利用上述水体消毒设备进行水体消毒的方法，包括以下步骤：先将原水泵入反应装置阳极室，在电化学阳极氧化反应作用下，将水中可能含有的Cl-转化成具有消毒作用的Cl2和ClO-，实现初步消毒，并将水中可能含有的Br-转化为Br2，同时阳极析氧反应可将Br2随气泡脱除，并使水体pH下降；之后进入阴极室内，臭氧化气体中含有的氧气在阴极可还原生成过氧化氢，臭氧/过氧化氢的协同消毒可提高处理效果，且较低的水体初始pH能抑制含溴副产物的生成，同时已生成的溴酸根亦可在电化学阴极作用下得到还原，随着阴极还原反应的进行水体pH亦可逐步恢复到中性；最后出水再经气液分离器分离后得到净化水。
优选地，还可根据出水水质要求和水中残余氧化物浓度投加还原剂，确保出水安全性。
有益效果：本发明提供的水体消毒设备结构简单紧凑、占地面积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，利用电化学和臭氧消毒特性，通过阳极室预氧化、曝气脱溴、阴极室电化学/臭氧耦合作用，有效杀灭水中微生物，同步去除水中有机物污染物，并抑制副产物生成，实现较好的净化水质的效果，处理效果好、处理效率高。
具体而言，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
一、电化学/臭氧耦合提高了消毒效果，无需存储消毒药剂，并抑制了臭氧消毒过程中含溴副产物的生成，同时还可去除水中的有机污染物，互补互促，实现单一工艺或一般工艺难以达到的降解效果，亦可降低处理成本，对水体净化彻底，避免产生二次污染，环保可靠，具有广阔的市场前景。
二、利用特殊的反应装置结构设计，使电化学阳极和阴极充分发挥了各自作用，实现了臭氧和电化学的协同消毒，并使pH调控、阳极氧化-曝气脱溴、过氧化氢调控、电化学还原调控等抑制臭氧消毒过程中含溴副产物生成的方法在同一体系中发挥各自作用，提高处理效果的同时显著缩小反应器体积。
三、利用多孔粒子电极增大电化学反应的电极有效面积，在体系内通过电化学/臭氧耦合提高处理效果。同时利用臭氧曝气特性使多孔粒子电极在反应装置内得到充分流化和利用。
四、通过自控单元对臭氧浓度检测仪、残余氧化物浓度检测仪、水泵、气泵、电源等进行信号采集与控制，可实现处理过程的全自动、智能化控制。
本发明提供的水体消毒方法工艺简单、处理效率高，能够有效、经济、环保地进行水处理。
附图说明
图1是实施例1的水体消毒设备的结构示意图。
图2是实施例2的水体消毒设备的结构示意图。
图3是实施例3的水体消毒设备的结构示意图。
图4是实施例4的水体消毒设备的结构示意图。
图5是实施例5的水体消毒设备的结构示意图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
水体消毒设备，见图1，包括进水泵1、一号液体控制阀2、反应装置3、隔膜4、阳极5、阴极6、排气阀7、电源8、第一气体控制阀9、气体干燥器10、臭氧发生器11、臭氧曝气装置12、二号液体控制阀13和气液分离器14；一号液体控制阀2设于进水泵1和反应装置3之间；反应装置3内设有隔膜4，隔膜4将反应装置分为阳极室和阴极室；阳极室进水口3-1与进水泵1连接，阳极室出水口3-3与阴极室进水口3-4连接；二号液体控制阀13设于反应装置3和气液分离器14之间；阴极室出水口3-2与二号液体控制阀13的一端连接，二号液体控制阀13另一端与气液分离器进口14-1连接；阳极5置于阳极室内，阴极6置于阴极室内，阳极5、阴极6与电源8连接；排气阀7设于阳极室顶端；第一气体控制阀9与气体干燥器10进气口连接；气体干燥器10出气口与臭氧发生器11进气口连接；臭氧发生器11出气口与阴极室进气口3-5连接；臭氧曝气装置12与臭氧发生器11出气口连接。
本实施例中，隔膜4为离子交换膜，可实现阴阳两极通电。隔膜4位置可根据水体在阳极室和阴极室内水力停留时间的需要调节。阳极5、阴极6平行设置成对电极，阳极5可为石墨电极、不锈钢电极、钛电极、贵金属电极、掺硼金刚石电极等，阴极6可为气体扩散电极、石墨电极、不锈钢电极、钛电极、贵金属电极、掺硼金刚石电极等。阳极和阴极表面可掺杂金属或金属氧化物以提高性能。臭氧曝气装置12为微孔曝气材料置于反应装置3阴极室内。
待处理水体由进水泵1泵入反应装置3的阳极室后，在电化学阳极氧化反应作用下，将水中可能含有的Cl-转化成具有消毒作用的Cl2和ClO-，实现初步消毒，并将水中可能含有的Br-转化为Br2，同时阳极析氧反应可将Br2随气泡脱除，并使水体pH下降；阳极室出水进入阴极室内，同时气体干燥器10干燥后的空气或纯氧经臭氧发生器11转变成臭氧化气体后通过臭氧曝气装置12进入阴极室内与液相混合，臭氧化气体中含有的氧气在阴极可还原生成过氧化氢，臭氧/过氧化氢的协同消毒可提高处理效果，且阳极室出水较低的初始pH能抑制含溴副产物的生成，已生成的溴酸根亦可在电化学阴极作用下得到还原，随着阴极还原反应的进行水体pH亦可逐步恢复到中性；最后出水再经气液分离器14分离后得到净化水。
实施例2
水体消毒设备，见图2，与实施例1基本相同，不同之处在于：还包括臭氧尾气破坏器15、第二气体控制阀16、气相臭氧浓度监测仪17、气体流量计18和止回阀19。臭氧尾气破坏器15进气口与气液分离器出气口14-2连接，臭氧尾气破坏器15出气口与第二气体控制阀16连接；臭氧发生器11、气相臭氧浓度监测仪17、气体流量计18、止回阀19依次连接；止回阀19与臭氧曝气装置12通过阴极室进气口3-5连接。
臭氧尾气破坏器15可去除气液分离后尾气中的残余臭氧气体，确保安全、环保；气相臭氧浓度监测仪17、气体流量计18可实现对投加臭氧量的实时监控；止回阀19可防止液体进入臭氧发生系统，确保操作安全。
实施例3
水体消毒设备，见图3，与实施例2基本相同，不同之处仅在于：臭氧曝气装置12为水力射流器、管道式气液混合器、气液混合泵等置于反应装置3外，设于阳极室出水口3-3和阴极室进水口3-4之间，并且与臭氧产生装置25连通。
实施例4
水体消毒设备，见图4，与实施例2基本相同，不同之处仅在于：还包括粒子电极20、过滤网21；述粒子电极20设于阴极室内；过滤网21设于阴极室出水口3-2前。粒子电极20为金属粒子、多孔粒子、金属氧化物改性多孔粒子等。
粒子电极20可增加阴极室内电极面积，提高微生物灭活和有机物降解效率，亦可提高臭氧利用率，抑制副产物生成。过滤网21可防止粒子电极流失。由于阴极室内的气液混合体系特征，粒子电极的流化无需外加动力和能耗。
实施例5
水体消毒设备，见图4，与实施例4基本相同，不同之处在于：还包括残余氧化物监测仪22、还原剂存储器23、自控单元24；所述残余氧化物监测仪22、还原剂存储器23依次设于气液分离器出水口14-3后。
自控单元可对臭氧浓度检测仪、残余氧化物浓度检测仪、水泵、气泵、电源等进行信号采集与控制，可实现处理过程的全自动、智能化控制。通过仪表监控和自控运行，实现设备的高效、智能、环保、安全。
对水体进行消毒处理，处理方法及效果见表1。
表1水体消毒设备进行处理方法及效果
Claims (10)
1.一种水体消毒设备，其特征在于，包括进水装置(1)、反应装置(3)、电源(8)、臭氧曝气装置(12)、气液分离器(14)和臭氧产生装置(25)；
所述反应装置(3)内设有隔膜(4)，将反应装置(3)分为阳极室和阴极室，阳极(5)和阴极(6)分别设于阳极室和阴极室内，并且分别与设于反应装置(3)外面的电源(8)的正极和负极相连；所述阳极室和阴极室连通，排气阀(7)设于阳极室顶端；
所述进水装置(1)与反应装置(3)的阳极室连通，所述气液分离器(14)与反应装置(3)的阴极室连通；所述臭氧产生装置(25)通过臭氧曝气装置(12)与阴极室连通。
2.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，所述臭氧曝气装置(12)设于所述阴极室内或者阴极室外：
设于阴极室内时，臭氧曝气装置(12)通过阴极室进气口(3-5)与臭氧产生装置(25)连通；设于阴极室外时，臭氧曝气装置(12)设于阳极室出水口(3-3)和阴极室进水口(3-4)之间，并且与臭氧产生装置(25)连通。
3.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，所述臭氧产生装置(25)包括依次连接的第一气体控制阀(9)、气体干燥器(10)和臭氧发生器(11)，所述臭氧发生器(11)与臭氧曝气装置(12)连接。
4.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，所述进水装置(1)通过一号液体控制阀(2)、阳极室进水口(3-1)与反应装置(3)的阳极室连通；所述气液分离器(14)通过气液分离器进口(14-1)、二号液体控制阀(13)、阴极室出水口(3-2)与反应装置(3)的阴极室连通；所述阳极室和阴极室通过阳极室出水口(3-3)和阴极室进水口(3-4)连通。
5.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，还包括臭氧尾气破坏器(15)、第二气体控制阀(16)、气相臭氧浓度监测仪(17)、气体流量计(18)和止回阀(19)；所述臭氧尾气破坏器(15)的进气口与气液分离器出气口(14-2)连接，其出气口与第二气体控制阀(16)连接；所述臭氧产生装置(25)与臭氧曝气装置(12)之间依次连接气相臭氧浓度监测仪(17)、气体流量计(18)和止回阀(19)。
6.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，还包括粒子电极(20)和过滤网(21)；所述粒子电极(20)设于阴极室内；所述过滤网(21)设于阴极室出水口(3-2)之前。
7.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，还包括残余氧化物监测仪(22)、还原剂存储器(23)和自控单元(24)；所述残余氧化物监测仪(22)、还原剂存储器(23)依次设于气液分离器出水口(14-3)之后。
8.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，所述隔膜(4)为离子交换膜，能够实现阴阳两极通电，其在反应装置(3)中的位置根据水体在阳极室和阴极室内水力停留时间的需要调节；所述阳极(5)和阴极(6)平行设置成对电极。
9.根据权利要求1所述的水体消毒设备，其特征在于，所述臭氧产生装置(25)的供气来源可为空气或氧气；所述粒子电极(20)为金属粒子、多孔粒子或金属氧化物改性多孔粒子；所述还原剂存储器(23)内装有还原性物质。
10.利用权利要求1至9任一项所述水体消毒设备进行水体消毒的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过进水装置(1)，待消毒水体进入反应装置(3)的阳极室内，进行预消毒并脱溴处理，然后进入阴极室内，在臭氧产生装置(25)产生的臭氧氧化和阴极电化学反应的耦合作用下净化，再进入气液分离器(14)经分离后得到净化水。
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