CN105565541B - 一种用于富营养化水体治理的集成化工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于富营养化水体治理的集成化工艺和设备，该工艺包括串联运行的多级快滤工序、强力氧化工序和深度吸附工序。本发明不仅能够快速过滤水体中的悬浮物及藻细胞，还能够有效去除藻毒素、氮磷营养盐和有机污染物，同时起到提高水体溶解氧的作用，从而达到标本兼治的治理效果。此外，本发明通过技术集成，所开发的设备轻便、集约，便于移动和运输，尤其适用于城市景观湖、中小型水库、半封闭海湾轻度富营养化水体“水华”的预防和应急处理。

Description

一种用于富营养化水体治理的集成化工艺及设备
技术领域
本发明属于水环境治理领域，具体涉及一种用于富营养化水体治理的集成化工艺及设备。
背景技术
社会经济的快速发展导致了湖泊、水库等水体富营养化进程加剧。主要表现为溶解氧降低、营养盐含量升高、水质恶化、浮游藻类含量增加，其极端表现就是水华的爆发。其不仅对水环境将造成严重的危害，破坏生态平衡，甚至使水域丧失使用功能，造成水资源和区域经济的重大损失。因此，对自然水体富营养化风险的控制及突发性水质事件进行快速有效应急处理，有效削减水体中营养盐和污染物的输入，对于保障保证饮用水的安全具有重要意义。
目前，针对藻类暴发引起的水体富营养化风险的控制方法有物理法、化学法、生物法。物理法包括机械除藻、气浮除藻、过滤除藻、混凝沉淀除藻等，这些方法直接对藻体细胞进行去除，虽然操作方便、快速易行，但是无法消除水体中引起“水华”的氮、磷营养盐，只是一种治标不治本的方法。化学法是向水体中加入氧化剂或杀藻剂杀死藻类，工艺简单，造作方便，除藻速度快，但是藻体细胞死亡后分解消耗溶解氧，释放出藻毒素，容易造成二次污染，导致水体溶解氧下降、鱼类死亡、生物多样性降低，使水体环境形成恶性循环。生态治理是在外源污染得到控制的情况下，恢复水生高等植物以提高水体的自净能力，是湖泊富营养化治理和生态恢复的关键，但这种方法见效时间较长，难以在短期内实现富营养化水体的藻类控制。
申请号为201120163357.3公开了一种BFM 膜分离除藻系统，将微孔过滤装置和弯曲板式膜（BFM）分离系统相结合，在保证除藻率的前提下，增加氮磷、COD 的去除，以解决富营养化问题。其缺陷是：磷处理效率低，且占地面积大。申请号为201210158046.7公开了一种基于原位生成双混凝剂的预氧化-混凝除藻的方法，采用依次投加氧化剂、亚铁盐与铝盐等处理富营养化污染的水体。其缺陷是：化学药剂的投加增加了水体中固体的含量，容易造成水质的二次污染，同时处理费用较高。申请号为201310087761.0公开了一种适用于河道型水体的除藻方法及移动除藻平台，以船体作为载体采用超声波除藻仪、微滤机、自吸式螺旋搅拌曝气机和回旋式藻类打捞机进行除藻。其缺陷是：破坏了藻类细胞体，造成藻毒素的释放，易产生二次污染，对用水安全有影响。
发明内容
本发明克服现有处理方法存在的不足，提供一种高效、快速、简便的用于富营养化水体治理的集成化工艺及设备。本发明不仅能够快速过滤水体中的悬浮物及藻细胞，还能够有效去除藻毒素、氮磷营养盐和有机污染物，同时起到提高水体溶解氧的作用，从而达到标本兼治的治理效果。此外，本发明通过技术集成，所开发的设备轻便、集约，便于移动和运输，尤其适用于城市景观湖、中小型水库、半封闭海湾轻度富营养化水体“水华”的预防和应急处理。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于富营养化水体治理的集成化工艺，该工艺包括多级快滤工序、强力氧化工序和深度吸附工序。其中，所述的多级快滤工序设置至少两级过滤器，所述的过滤器的滤孔孔径范围为0.5~140μm，各级过滤器滤孔孔径依进水顺序逐级减小，且最后一级过滤器滤孔孔径不大于1μm；所述的强力氧化工序采用臭氧接触氧化，进一步对多级快滤出水残存的藻细胞进行消杀，同时氧化去除藻毒素和有机物。所述的深度吸附工序采用陶粒填料，对水体中的TP进行深度吸附去除。
本发明不仅能够快速过滤水体中的悬浮物及藻细胞，还能够有效去除藻毒素、氮磷营养盐和各类有机污染物，同时起到提高水体溶解氧的作用，从而达到标本兼治的治理效果。此外，本发明通过技术集成，所开发的设备轻便、集约，便于移动和运输，尤其适用于城市景观湖、中小型水库、半封闭海湾轻度富营养化水体“水华”的预防和应急处理。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化工艺中：所述的过滤器采用袋式过滤器。
袋式过滤器安装使用都方便。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化工艺中：所述的多级快滤过程包括采用四级快滤；第一级快滤时采用孔径为100μm的滤袋，第二级快滤时采用孔径为50μm的滤袋，第三级快滤时采用孔径为10μm的滤袋，第四级快滤时采用孔径为1μm的滤袋。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化工艺中：过滤时，滤速为90~120m/h，操作压力控制在0.02~0.4 MPa。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化工艺中：经过多级快滤后的水的依次流过4格串联的反应室完成氧化，其中， 4格反应室臭氧投加量按水流经过的顺序分别为60%、25%、10%、5%。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化工艺中：所述的深度吸附过程采用陶粒填料，对水体中的TP进行深度吸附去除。
本发明还提供一种用于富营养化水体治理的集成化设备，包括依次通过管道连接的过滤器、臭氧反应器、吸附填料塔；所述的过滤器包括至少两级滤网，所述滤网的滤孔孔径范围为0.5~140μm，各级过滤器的滤孔孔径依进水顺序逐级减小，且最后一级过滤器滤孔孔径不大于1μm；所述的臭氧反应器包括臭氧发生器，所述的臭氧发生器产生的臭氧注入从所述的过滤器流过的水中；所述的吸附填料塔采用对水体中的TP进行深度吸附的陶粒填料。
利用该装置能够充分对藻类进行氧化，消除水华。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化设备中：所述的臭氧反应器还包括密闭式反应室、射流泵和尾气破坏催化器；所述的密闭式反应室包括设置在密闭式不锈钢箱体内部通过导流墙分隔的四格反应室，水依次流经这四格反应室，在所述的反应室内设置有曝气管，沿水流方向的四个反应室内曝气管越来越少；所述的射流泵设置在连接过滤器与所述的臭氧反应器的密闭式反应室之间的管道上；所述的臭氧发生器产生的臭氧输出口与曝气管的输入口相连；所述的尾气破坏催化器设置在密闭式不锈钢箱体上的排气口处。
本发明中是一种用于富营养化水体治理的集成化工艺，该工艺包括串联运行的多级快滤工序、强力氧化工序和深度吸附工序。水体依次经过以上工序处理，先后去除固体颗粒、藻细胞、藻毒素、有机物和氮磷营养盐，有效地解决水体富营养化问题。其中，多级快滤工序设置至少两级过滤器，并可根据实际水质情况适当增加过滤器数量。过滤器采用袋式过滤器。袋式过滤器滤速快、通量大、设备简单轻便，能够实现高效快速地去除水中悬浮颗粒物。
考虑到自然水体中颗粒物及淡水藻类细胞的粒径分布通常在2~200μm之间，所述的过滤器安装的滤袋孔径范围在0.5~140μm，以确保较高的过滤精度。
上述的多级快滤工序中，各级过滤器安装的滤袋孔径依进水顺序按一定梯度逐级减小，最后一级过滤器滤袋孔径不大于1μm。由此将不同粒径的颗粒物逐级分离，有效避免了单级过滤效率降低、易堵塞等问题。
上述的多级快滤工序中，正常运行的滤速参数为36~90 m/h，操作压力为0.005~0.03 MPa。
优选地，上述的多级快滤工序设置四级过滤单元，第一级过滤孔径范围120~140μm，第二级过滤孔径范围50~80μm，第三级过滤孔径范围10~20μm，第四级过滤孔径范围0.5~1μm。由此可以保证较高的过滤效率和较长的使用寿命。
多级快滤工序对水体中不同粒径范围的悬浮颗粒物、胶体和藻细胞进行有效地分级过滤，去除了水中绝大部分的固体颗粒，大大减轻了后续工序的处理负荷。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化工艺中，所述的强力氧化工序采用臭氧接触氧化，利用臭氧的强氧化性，进一步消杀残存的藻细胞，同时对藻毒素和有机物起到氧化去除的效果。
所述的强力氧化工序中，臭氧反应器通过导流板分隔成数个串联的反应室，相邻两个反应室之间通过导流槽连同。从而相对地延长臭氧与水流混合接触的“历程”，提高臭氧的利用效率。
所述的强力氧化工序中，较佳的臭氧接触时间为2~5 min。
所述的强力氧化工序中，较佳的臭氧投加总量为5~8 mg/L，并按照一定的比例分配投加至各反应室中，较合理的分配比例为依进水顺序由高至低投加至各反应室。
上述的臭氧反应室采用上部进水、下部出水的方式。臭氧气体由反应室底部布设的曝气盘释放到水中，以保证水流与臭氧逆流接触充分混合。
强力氧化工序不仅能对残存的藻细胞深度消杀，还能对藻毒素和有机物起到氧化去除的效果，基本消除了水体富营养化的现象。
进一步的，上述的用于富营养化水体治理的集成化工艺中，所述的深度吸附工序采用陶粒填料，对水体中的TP进行深度吸附去除。所述的陶粒填料为粉煤灰、自来水厂污泥、粘土、牡蛎壳粉混合烧制而成，对于水中TP具有较强的吸附净化能力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果 ：
（1）本发明集成了多级快滤、强力氧化和深度吸附工艺，不仅能够快速过滤富营养化水体中的悬浮物及藻细胞，还可以有效去除藻毒素、氮磷营养盐和各类有机污染物，同时起到提高水体溶解氧的作用，从而达到标本兼治的治理效果。发明具有工艺紧凑、高效快速、操作简单、便于运输、无需加药、不产生二次污染等特点。
（2）本发明采用袋式过滤器作为过滤工艺的主体设备，相比于滤芯式过滤器、滤池、填料塔等工艺，具有如下优势：
① 过滤速率快。袋式过滤器单位滤速可达60~100 m/h以上，而传统滤池的滤一般不超过20 m/h。
② 过滤通量大。滤袋过滤通量相当于滤芯5～10倍。
③ 设备简单、轻便。传统过滤设备内部需填装大量滤芯或滤料，因此设备复杂、庞大，通常一个过滤单元即重达数吨。袋式过滤器则采用纤维织袋过滤，设备体积大大缩小、质量大大减轻。
④ 使用寿命长、处理成本低。传统滤料价格高昂，安装、清理、更换均花费甚高。而滤袋滤速快、通量大，使用寿命本身就远高于滤料，再加之滤袋生产工艺简单、价格低廉，同等处理能力下的投资费用仅为滤料的1/4~1/3。
⑤ 设备易于操作。传统过滤设备为了保证滤料的使用寿命需设置反冲洗系统。而滤袋价格低，袋式过滤器可不考虑设计反冲洗系统，当滤袋达到使用寿命后，直接更换即可。
除上述有益效果之外，本发明考虑到自然水体中颗粒物及藻类细胞的粒径分布通常在2~200μm之间，从而根据水体富营养化程度及实际水质情况，设置了过滤孔径逐级降低的多级过滤器，以便于将不同粒径的颗粒物和藻细胞依次分离，有效避免了采用单级过滤器因负荷过高造成的效率降低、易堵塞等问题，其目的是进一步提升设备的过滤效率和使用寿命。
通过上述措施实现了高滤速、大通量的快速过滤，以及设备的长效性和轻便性。
（3）本发明采用臭氧作为强力氧化的工艺，其目的是利用臭氧具有氧化性强、处理效率高、无有害物残留、不产生二次污染的特点，达到如下功效：溶裂藻细胞，对过滤后的水体起到深度消杀；分解藻体死亡后产生的藻毒素；矿化部分有机污染物；降低氨氮浓度；将部分有机磷转化为磷酸盐，便于后续吸附除磷；提高溶解氧的作用，在一定程度上避免了死亡后的藻体被微生物分解消耗溶解氧而导致的水质二次恶化。
本发明中采用多级过滤作为前处理，去除了水体中绝大部分颗粒物和藻细胞，减轻了臭氧氧化工序的处理负荷，因此臭氧工序接触时间可大大缩短至2~3min。其有益效果是：大大减小了反应器体积和臭氧投加量，提高了设备移动性，降低了处理成本。
整个臭氧反应器分隔成数个串联的反应室，每个反应室采取上端进水、下端出水的方式，反应室的底部分别布设有曝气盘，臭氧气体通过曝气盘释放至水中，并与水流发生逆流接触充分混合。同时，每个反应室臭氧投加量占臭氧总投加量的分配份额和安装曝气盘的数量依次降低。其有益效果是：1）水气接触采用逆流的方式，防止了“短路”的发生，使混合更加充分；2）分成多个串联的反应室，相对地延长了水气逆流接触的历程，避免了仅采取一个反应室因臭氧快速释放而造成的水气接触不充分；3）考虑到进水流经各个反应室后污染物浓度依次降低，以及还存在部分未完全反应的臭氧残余，故每个反应室采取逐次减小臭氧投加量的方式，进一步提高了臭氧的利用效率。
通过上述措施实现了氧化过程的高效性和设备的轻便性。
（4）本发明深度吸附工程采用粉煤灰、自来水厂污泥、粘土、牡蛎壳粉混合烧制的陶粒填料，对水体中的TP进行深度吸附去除，同时截留、吸附少量的藻细胞残体。其有益效果是：该陶粒填料具有较高的磷吸附能力，可以从根本上解决水体富营养化的问题。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
图2为本发明设备示意图。
图3为袋式过滤器结构示意图。
图4为臭氧反应器结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例来进一步解释本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1
某公园景观湖面积约为8000 m2，平均水深1.2m，总存水量约为10000 m3。日常补水采用经深度处理的市政尾水，由于湖体生态系统不完善，且湖水交换量小、停留时间长，存在中度富营养化的现象。采用本发明多级快滤-强力氧化-深度吸附集成化工艺及成套设备进行治理，设备处理规模2000 m3/d，配备于景观湖岸边，对湖水进行异位处理。工艺流程如图1所示，设备如图2所示，主要参数如下：
（1）湖水由一级提升泵12提升，先经过过滤筛网11拦截漂浮的树枝、树叶、垃圾等杂物，再加压进入后续处理单元。过滤筛网11安装于一级提升泵12吸入口前端，材质为合成纤维网面，孔径约5目。
（2）湖水提升至多级快滤工序，过滤水体中各种悬浮颗粒物、胶体及藻细胞。多级快滤工序为依次串联的袋式过滤器13，袋式过滤器13共分成四级，本实施例中的四级袋式过滤器13孔径分别为120μm、50μm、10μm和1μm。四级袋式过滤器依次连接，这四级袋式过滤器由四个相同的圆柱形不锈钢滤筒依次串联而成，单个滤筒尺寸φ420*1600mm。单个滤筒如图3所示，滤筒的一侧上部设置入流管31，对应另一侧下部设置出流管32。滤筒与滤筒间由管道连接。第二和第三级滤筒之间设置二级加压泵16。滤筒内部安装固定法兰33，滤袋34通过密封圈35与法兰33密封连接。
在实际应用过程中，袋式过滤器可以使用四级，也可以使用少于四级或者多于四级，根据实际需要设置，袋式过滤器在过滤孔径范围在0.5~150μm，按照进水的先后次序滤孔由大到小设置，最后一级的滤孔的孔径应不大于1μm。
四级袋式过滤器13的孔径可以依次为120μm、50μm、10μm和1μm。滤袋材质为针刺无纺布。单个滤袋有效过滤面积0.8m2，滤速范围36~90 m/h，过滤器工作压力控制在0.005~0.03 MPa。
（3）湖水经多级快滤工序处理后，去除了绝大部分的固体颗粒物，再进入强力氧化工序，进一步消杀水中残存的藻细胞，同时对有机物和藻细胞破裂释放的藻毒素起到氧化去除的效果。该工序采用臭氧氧化工艺，全过程在臭氧反应器14中完成。臭氧反应器14为密闭式可承压箱体，采用3mm不锈钢冲压板焊接而成，外形尺寸2000*1000*2000 mm如图4所示。反应器内部通过导流墙41分为两格串联的反应室，单格反应室尺寸1000*1000*2000mm。每格反应室设置导流槽，水流自上而下流动并与臭氧气体逆流接触充分混合。水流从左下格的上部输入口43，在左下格的反应室1401内跟钛金板曝气盘42释放的臭氧进行反应，然后从与右下格的导流墙41下侧的第一串口45进入到右下格的反应室1402中，同样在右二格的反应室1402中与其中的钛金板曝气盘42释放的臭氧进行充分反应以后，通过上部与右上格的导流墙41上的第三串口46进入到右上格的反应室1403，同样，在右上格的反应室1403内跟钛金板曝气盘42释放的臭氧进行反应后，从与左上格的导流墙41上部的第四串口47进入到左上格，在左上格的反应器1404中，跟钛金板曝气盘42释放的臭氧进行反应后从左上格下部的出水口44输出。
本实施例中，臭氧反应器14还配备有臭氧发生器17、射流泵18和尾气破坏催化器19。臭氧气源由臭氧发生器7制备，臭氧产量500 g/h，利用射流泵8经两组不锈钢进气管分别通入两格反应室，再通过箱体底部布设的钛金板曝气盘42释放。每组进气管前安装分压阀和压力表，以控制进入各反应室的臭氧气量。箱体顶部设置尾气破坏催化器19，催化分解剩余的臭氧气体，以免危害环境和人体健康。整个臭氧反应器14有效接触时间2.5 min。两格反应室臭氧投加分配量分别为400 g/h和100 g/h。
（4）湖水经前两道工序处理后，去除了SS、有机营养盐和藻细胞，基本控制了水华现象的发生。深度吸附工序将进一步对水中的TP深度去除，从根本上解决水体富营养化的问题。深度吸附工序采用固定床吸附塔15如图2所示，塔体尺寸φ1600*2600mm。吸附塔15采取底部进水，顶部出水，中间设置填料区。吸附塔空塔滤速为42 m/h，有效停留时间5 min。填料区有效高度2000mm，填装高效除磷陶粒填料，该填料为粉煤灰、自来水厂污泥、粘土、牡蛎壳粉按一定比例混合在特定条件下烧制而成的球形烧结陶粒，参数指标：
陶粒粒径： ~25 mm，表观密度：1.68 g/cm3，堆积密度：0.72 g/cm3，比表面积：＞5.0×104 cm2/g，筒压强度：4.8MPa，盐酸可溶率：< 2%，磷吸附容量：＞3.91 mg/g。
处理效果：设备进出水水质情况见表1。该公园景观湖湖水主要指标大多属于劣Ⅵ类水质，处于中度富营养化状态。经过多级快滤-强力氧化-深度吸附集成化工艺及成套设备处理1周后，水体透明度逐渐恢复，主要物理化学指标均达到地表水 III ～ IV 类的标准，富营养化状态基本现象消失。该工艺设备对于水中SS、NH3-N、TP的处理效果尤其显著，此外对CODCr 、BOD5、叶绿素也具有良好的处理效果。
表1 进出水水质情况

Claims (4)

1.一种用于富营养化水体治理的集成化工艺，该工艺包括串联运行的多级快滤工序、强力氧化工序和深度吸附工序，其特征在于：
所述的多级快滤工序采用串联的袋式过滤器；袋式过滤器过滤孔径范围在0.5～140μm，并遵循后一级过滤孔径小于前一级的原则设置，最后一级过滤孔径范围在0.5～1μm；该工序中，滤速参数为90～120m/h，过滤器工作压力控制在0.02～0.4MPa；包括四级快滤：第一级快滤时采用孔径为100μm的滤袋，第二级快滤时采用孔径为50μm的滤袋，第三级快滤时采用孔径为10μm的滤袋，第四级快滤时采用孔径为0.5μm的滤袋；
所述的强力氧化工序采用臭氧接触氧化，进一步对多级快滤出水残存的藻细胞进行消杀，同时氧化去除藻毒素和有机物；
所述的深度吸附工序采用陶粒填料，对水体中的TP进行深度吸附去除；所述陶粒填料为粉煤灰、自来水厂污泥、粘土、牡蛎壳粉按一定比例混合烧制而成的球形烧结陶粒；主要参数为，粒径：≦25mm，表观密度：1.68g/cm3，堆积密度：0.72g/cm3，比表面积：＞5.0×104cm2/g，筒压强度：4.8MPa，盐酸可溶率：<2％，磷吸附容量：＞3.91mg/g。
2.根据权利要求1所述的用于富营养化水体治理的集成化工艺，其特征在于：经过多级快滤后的水的依次流过4格串联的反应室完成氧化，其中，4格反应室中臭氧投加量按水流经过的顺序分别为臭氧投加量总量的60％、25％、10％、5％。
3.一种用于富营养化水体治理的集成化设备，包括依次通过管道连接的过滤器(13)、臭氧反应器(14)、吸附填料塔(15)；其特征在于：
所述的过滤器(13)包括四级滤网，第一级滤网时采用孔径为100μm的滤袋，第二级滤网采用孔径为50μm的滤袋，第三级滤网采用孔径为10μm的滤袋，第四级滤网采用孔径为0.5μm的滤袋；
所述的臭氧反应器(14)包括臭氧发生器(17)，所述的臭氧发生器(17)产生的臭氧注入从所述的过滤器(13)流过的水中；
所述的吸附填料塔(15)采用底部进水，顶部出水，中间设置对水体中的TP进行深度吸附的陶粒填料的填料区；所述陶粒填料为粉煤灰、自来水厂污泥、粘土、牡蛎壳粉按一定比例混合烧制而成的球形烧结陶粒；主要参数为，粒径：≦25mm，表观密度：1.68g/cm3，堆积密度：0.72g/cm3，比表面积：＞5.0×104cm2/g，筒压强度：4.8MPa，盐酸可溶率：<2％，磷吸附容量：＞3.91mg/g。
4.根据权利要求3所述的用于富营养化水体治理的集成化设备，其特征在于：
所述的臭氧反应器(14)还包括密闭式反应室、射流泵(18)和尾气破坏催化器(19)；
所述的密闭式反应室包括设置在密闭式不锈钢箱体内部通过导流墙(41)分隔的四格反应室，水依次流经这四格反应室，在所述的反应室内设置有曝气盘(42)，沿水流方向的四个反应室内曝气管越来越少；
所述的射流泵(18)设置在连接过滤器(13)与所述的臭氧反应器(14)的密闭式反应室之间的管道上；
所述的臭氧发生器(17)产生的臭氧输出口与曝气管的输入口相连；
所述的尾气破坏催化器(19)设置在密闭式不锈钢箱体上的排气口处。
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