CN105585158B

CN105585158B - 一种水质净化多功能帷幕

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Publication number: CN105585158B
Application number: CN201510604961.8A
Authority: CN
Inventors: 陈宏�; 曾琦; 胡旭跃; 刘晓平; 杜春艳; 余关龙; 雷超; 危润初; 陈伟; 严晓江
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: CN105585158A

Abstract

本发明提供一种水质净化多功能帷幕，主要适用于水处理领域。其主要特征是所述多功能帷幕为层片式帷幕状净水材料；所述帷幕为单层或两层及以上组合层片结构，每组层片相对独立且各层能以不同速度相对移动；所述帷幕主要由滤布、高强度多孔海绵、活性炭纤维、离子交换纤维其中两种或多种及其复合制品材料，经过优化层片模块组合方式制作而成；所述优化制作的技术选择依据为待处理原水的类型、水量与水质污染特征；所述多功能帷幕具有原位净化多重复合污染原水水质的功能。其有益效果是适应范围广、水质净化效果好、占地面积小、应用形式灵活、易于更换再生和重复利用、环境友好。

Description

一种水质净化多功能帷幕

技术领域

本发明涉及一种水质净化多功能帷幕，属于水处理材料领域。

背景技术

我国水资源量短缺较严重，人均水资源拥有量仅为世界平均水平的四分之一，是全球人均水资源最贫乏的国家之一，有三分之二以上的城市面临缺水危机。而且，我国水污染情况仍然非常严重。近年来，随着工业发展、城镇化提速以及人口数量的膨胀，我国生活污水年均排放量为4400多亿吨，工业废水年均排放量超过200亿吨。中国是世界农药和化肥使用大国，农药的单位面积用量为世界平均用量水平的3倍，大量氮肥、磷肥、抗生素和农药进入地表水体后，造成“水体富营养化”或“藻灾”爆发、藻毒素释放等严重后果。全国主要流域的IV、V类、劣V类水质断面仍占很大比例，湖泊（水库）富营养化问题仍然突出。近年监测调查显示，我国主要河流、湖泊等水域中，均存在一定程度的有毒有害有机污染物污染，仅长江和松花江流域就检测出107种有毒有害有机污染物，包括抗生素、环境激素、持久性有机物（POPs）、全氟有机物、多环芳烃（PAHs）等有毒有害物质。此外，近几年中国重大环境污染以及事故频频发生，水污染事故占一半左右。综上，我国水质问题严重，而且呈现复杂多重污染的特征。

近年来水质问题得到了广泛关注，水环境质量下降已经引起了行政部门和社会公众的高度重视。我国已经或正在兴建数千座自来水厂和污水处理厂，水质净化技术也得到了迅速发展。饮用水处理方面，已由占主导地位的“混凝-沉淀-过滤-消毒”传统工艺，进而逐渐开发并应用的预处理方法有氯气预氧化、高锰酸钾预氧化、臭氧预处理、生物滤池、生物塔滤、生物接触氧化、粉末活性炭吸附等和深度处理技术如臭氧-活性碳技术、膜分离技术、生物活性碳技术、吹脱技术以及研发中的超声空化技术和光氧化技术等。针对特殊水源的处理技术工艺也得到了广泛应用，如采用气浮或者生物预处理+活性碳深度处理除藻，接触氧化过滤除铁除锰，活性氧化铝吸附法、混凝沉淀法或电渗析法除氟等。当前我国在城市污水处理方面主要采用机械截流、物理沉淀、化学沉淀、化学氧化、传统好氧活性污泥法、A²/O工艺、氧化沟工艺、SBR工艺、生物膜法、厌氧活性污泥法等等。在工业废水处理方面，主要有膜技术、化学氧化、化学沉淀、活性炭吸附、离子交换、电化学等技术。在水环境治理和生态修复方面，物理工程措施、投加化学药剂、人工湿地、生态浮岛、生物浮床、生物接触氧化等技术得到了广泛应用。

近年来，新材料不断被开发和应用到水质净化领域。活性炭纤维是继粉状粉末活性炭、颗粒活性炭之后的第三代高新吸附材料，是一种新颖、高效、性能稳定、用途多种的高科技产品，具有许多特异的性能，是吸附能力更强的吸附剂，具有广阔的发展前景。与目前常用的粉末及颗粒活性炭相比其含碳量高、比表面积大、微孔丰富，孔径小且分布窄，具有较大的吸附量和较快的吸附速度，再生脱附容易，工艺灵活(可制成纱、布、毡、纸等多种形态)。连续化活性碳纤维毡不受长度限制、选择性好、质量均匀、稳定、吸附容量大、强度高、不易粉化、不会造成二次污染，而且耐酸、耐碱、耐高温、无毒无味、吸脱附速度快、使用寿命长、形态多样、易深加工。活性炭纤维吸附容量较大，对水中的无机化合物、染料、苯酚等有机化合物及贵重金属离子都具有很好的吸附能力，对微生物及细菌也有良好的吸附能力，对低浓度吸附质的吸附能力特别优良。活性炭纤维的吸附容量是颗粒活性炭的数倍以上，用活性炭纤维制造的饮用水净化装置不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑占地面积小，设备投资少，效益高。

离子交换纤维是继离子交换树脂后的一种新型功能材料，具有独特的化学及物理吸附和分离功能，它具有比表面积大、传质速快、阻力小、使用的形态多样化和易循环再生等优异的特性。一般来说，水处理用离子交换树脂具有以下优点：1）吸附能力强，吸附量大，吸附速度快，比粒状树脂快数倍，对难处理难降解物质具有较好的吸附效果；2）性能稳定，不与待处理水样中的其他物质发生化学反应；3）容易脱附和再生，可以反复使用；4）分离效率高，适用范围广，可以有效避免柱层堵塞等现象；5）便于二次加工，制成线、无纺布及各种织物形式，应用灵活，有利于实现交换分离装置的小型化、连续化。

总之，针对我国水质污染问题严重，现有污染控制技术存在一定限制，与此同时新型高效净水材料正在被开发和应用到水处理领域，所以急需开发适用我国水质污染特征的新型高效净水材料和净水工艺。

发明内容

针对我国形势严峻的水污染问题且其往往呈现多重复合污染的特性，基于快速发展的新型高效净水材料，本发明开发一种层片式帷幕状的水质净化多功能帷幕；所述帷幕具有单层或两层及以上组合层片结构，每组层片相对独立且各层能以不同速度相对移动；所述帷幕主要由滤布、高强度多孔海绵、活性炭纤维、离子交换纤维其中两种或多种及其复合制品材料，经过优化层片模块组合方式制作而成；所述帷幕针对待处理原水的类型、水量与水质污染特征进行选择优化制作技术；所述多功能帷幕具有原位净化多重复合污染原水水质的功能。

所述的滤布主要为固液分离用织造滤布种类，其最大平均孔径<5毫米，孔径比>0.8，厚度<5毫米，常压透水速率>0.5立方米每平方米每秒，断裂强度(N/5×20cm)经向>500，化学性能稳定，具有耐磨抗拉伸性能。

所述高强度多孔海绵为开孔网状的聚氨酯种类，其有效孔隙率>60%，孔径大小为0.05~1毫米，孔径分布均匀，密度<45千克每立方米，具有抗挤压性能。

所述活性炭纤维为由活性炭纤维滤网、活性炭纤维绵、活性炭纤维丝、活性炭纤维布、活性炭纤维毡制成的层片状过滤材料，其比表面积>1000平方米每克，密度<250千克每立方米，微孔发达分布均匀。

所述离子交换纤维为经化学纤维强化后制成的离子交换纤维布、毡和海绵层片状或者用于填充滤袋而形成的层块状过滤材料，其纤维直径<50微米，比表面积>200平方米每克，交换容量>0.2毫摩尔每克，溶胀度<2.0。

所述多功能帷幕由外层滤布和内层滤布间隔或者贴合高强度多孔海绵、活性炭纤维、离子交换纤维层片排列形成多层组合层片结构。

所述多功能帷幕的运行布置与水流方向垂直，其主要运行参数为过流速度<0.1米每秒，表面负荷<0.1立方米每平方米每秒，水头损失<0.3米。

所述多功能帷幕中的各组层片可以独立分拆，分类成滤布、高强度多孔海绵、活性炭纤维和离子交换纤维分别进行再生。

有益效果

在与现有材料相比，本发明具有以下有益效果：

1）适应范围广，具有原位净化功能，可以广泛应用于富营养化湖泊水、城镇生活污水、工业废水、中水回用和微污染或多重复合污染水源水的常规处理以及集中式饮用水水源地突发环境事件的应急处理；

2）高度集成了物理截留、高效沉淀、吸附架桥和离子交换等原理，具备了高效协同去除水中低浓度复合污染物的能力，层片状易拆卸的结构形式可以有效避免滤层堵塞等问题，从而有利于获得长期稳定高效的水质净化性能；

3）使用高性能滤布、聚氨酯类海绵、活性炭纤维和离子交换树脂为原料，材料本身性质稳定，不易与待处理水样中的其他物质发生化学反应；

4）应用形式灵活，层片状模块化、易拆卸，有利于实现净水设备的小型化、连续化，减小了占地面积，降低了运行成本；

5）帷幕状构型有利于保持较好的可移动性能，便于更换，易于再生，可连续运行，与其它处理方法嵌套和兼容性好，而且可重复利用、多次使用；

6）生态环保，减少了污泥等固体废物的排放量，降低了二次污染物的产生。

附图说明

图1层片并列式水质净化多功能帷幕剖面示意图

图2层片袋装并列式水质净化多功能帷幕剖面示意图

图3水质净化多功能帷幕工作示意图

1——滤布

2——聚氨酯海绵

3——活性炭纤维

4——离子交换纤维

5——导杆

6——导杆环

7——工作水位

8——帷幕外侧

9——导轨

10——导轨滑轮。

具体实施方式

在下面结合具体的实施例和水源水质净化效果的检测对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

如图1所示的层片并列式水质净化多功能帷幕结构，构成单元为：涤纶长纤工业滤布240（60-10）采用复丝平纹织造，重量为240克/平米；密度为经线22/厘米、纬线18.8/厘米，强力N/5*20厘米径向2162.6、纬向1082.6，伸长率经向32.03、纬向24.87，透气率36.1升/平方米每秒，厚度0.42毫米，外围两侧均使用；普通市售工业聚氨酯过滤海绵，孔隙率96%，孔径30PPI，密度28kg/m³，并列2层，每层厚度20毫米；某公司生产TK-1500型活性炭纤维毡，比表面积1400 m²/g，苯吸附值50%，碘吸附值1400mg/g，亚甲基蓝吸附值220mg/g，灰份≤4，平均孔径18~21埃，含碳量70~95%，并列10层，每层厚度15毫米。

待处理原水为某化工有限公司的生产废水主要为苯胺、硝基苯类综合废水，进水水质为COD<1000mg/L、硝基苯<120mg/L、苯胺<30mg/L、SS<150mg/L，通过采用上述水质净化多功能帷幕制成处理装置，设置常压下表面负荷为50m³/m²/h，获得较好的处理效果，出水水质可以达到COD<300mg/L、硝基苯<5mg/L、苯胺<5mg/L的排放标准，一般为COD去除率>90%，SS去除率>99%，脱色率>99%。

实施例2

如图2所示的层片袋装并列式水质净化多功能帷幕结构，主要由滤布、活性炭纤维、离子交换纤维组成，包括涤纶长纤工业滤布240（60-10）采用复丝平纹织造，重量为240克/平米；密度为经线22/厘米、纬线18.8/厘米，强力N/5*20厘米径向2162.6、纬向1082.6，伸长率经向32.03、纬向24.87，透气率36.1升/平方米每秒，厚度0.42毫米；某公司生产TK-1500型活性炭纤维毡，比表面积1400 m²/g，苯吸附值50%，碘吸附值1400mg/g，亚甲基蓝吸附值220mg/g，灰份≤4，平均孔径18~21埃，含碳量70~95%，并列10层，每层厚度15毫米；某公司生产的工业品强酸阳离子交换纤维，浅黄色，SO₃H-功能基，单纤维直径30~60微米，静交换容量≥3.8mmol/g，含水量20~30%，双层滤袋并列，单层滤袋装载50毫米厚度，填充密度50kg/m³。

待处理原水为某公司生产排放的电镀废水，主要水质指标为pH=7.5、Cd²⁺ 50~250mg/L、Zn²⁺ 30 mg/L、CN^- 25 mg/L，通过采用上述水质净化多功能帷幕两级并联制成电镀废水处理装置，前设集水沉淀池，后续单元无须调整pH值，设置常压下水质净化多功能帷幕的表面负荷为20m³/m²/h，出水水质为Cd²⁺<0.1mg/L、Zn²⁺<0.5mg/L、CN^-<0.5mg/L，处理效果很好，出水水质达到或者部分超过行业排放标准。

实施例3

如图2所示的层片袋装并列式水质净化多功能帷幕结构，制作原料为：锦纶纤维滤布7239采用尼龙复丝斜纹织造，重量为470克/平米；密度为经线37.8/厘米、纬线18.9/厘米，厚度0.69毫米，强力N/5*20厘米径向5043.4纬向3326，伸长率经向53.6、纬向39.07，透气了62.85升/平方米每秒。沥青基活性炭纤维，比表面积2000 m²/g，孔容积1.1mL/g，组成基元13μm纤维，装袋厚度300毫米，填充密度40kg/m³；不使用高强度多孔海绵和离子交换纤维。

待处理原水为某城市污水处理厂生化处理单元后二沉池出水的深度处理，进水水质指标为COD 100 mg/L、BOD₅ 30 mg/L、SS 30 mg/L、NH₃-N 30 mg/L、TP 3 mg/L、色度40，通过采用上述水质净化多功能帷幕制成城镇污水深度处理系统，设置常压下水质净化多功能帷幕的表面负荷为100m³/m²/h，出水水质为COD ≤ 50 mg/L、BOD₅ ≤ 10 mg/L、SS ≤ 10mg/L、NH₃-N ≤ 5 mg/L、TP≤ 0.5 mg/L、色度≤ 30，出水水质完全可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准。

实施例4

室温下采用羟基硅油、有机锡催化剂、钛酸酯类固化剂和甲苯-乙醇溶剂，制取有机硅预聚物，再加入纳米二氧化硅甲苯分散液，混合后获得有机硅/二氧化硅共混物，以浸泡-提拉方式处理实施例1中所述涤纶长纤工业滤布240（60-10），从而制得超疏水亲油滤布S240（60-10）。采用如图1所示的层片并列式水质净化多功能帷幕结构，构成单元为：改性涤纶长纤滤布S240（60-10）；普通市售工业聚氨酯过滤海绵，孔隙率96%，孔径20PPI&50PPI，密度28kg/m³，并列2层，每层厚度20毫米；某公司生产TK-1000型活性炭纤维毡，比表面积1000m²/g，苯吸附值35%，碘吸附值900mg/g，亚甲基蓝吸附值180mg/g，灰份≤4，平均孔径18~21埃，含碳量70~95%，并列4层，每层厚度50毫米；某公司生产的工业品强酸阳离子交换纤维毡，黄色，SO₃H-功能基，单纤维直径30~60微米，静交换容量≥3.8mmol/g，含水量20~30%，双层并列，单层厚度20毫米。

待处理原水为某南方城市库区化内河航运河段饮用水水源地的多重复合污染水源水，主要污染指标为锌1.1mg/L、镉0.025mg/L、汞0.003mg/L、氨氮（以氮计）1.5mg/L、石油类0.2mg/L，通过采用上述水质净化多功能帷幕制成生活饮用水预处理系统，设置常压下水质净化多功能帷幕的表面负荷为200m³/m²/h，处理后主要水质指标为锌≤1.0mg/L、镉≤0.005mg/L、汞≤0.0001mg/L、氨氮（以氮计）≤1.0mg/L、石油类≤0.05mg/L，出水水质完全可以达到《地表水环境质量标准》GB3838-2002中的III类水域水质标准限值，可以有效降低了自来水处理工艺的负荷，保障了城市居民饮用水供水安全。

Claims

1.一种水质净化多功能帷幕，其特征在于，所述多功能帷幕为层片式帷幕状净水材料；所述帷幕为单层或两层及以上组合层片结构，每组层片相对独立且各层能以不同速度相对移动；所述帷幕主要由滤布、高强度多孔海绵、活性炭纤维或离子交换纤维其中两种或多种及其复合制品材料，经过优化层片模块组合方式制作而成；所述多功能帷幕由外层滤布和内层滤布间隔或者贴合高强度多孔海绵、活性炭纤维、离子交换纤维层片排列形成多层组合层片结构；所述多功能帷幕可以独立分拆，分类成滤布、高强度多孔海绵、活性炭纤维和离子交换纤维分别进行再生；其中，所述滤布主要为固液分离用织造滤布种类，其最大平均孔径<5毫米，孔径比>0.8，厚度<5毫米，常压透水速率>0.5立方米每平方米每秒，断裂强度(N/5×20cm)经向>500，优化制作的技术选择依据为待处理原水的类型、水量与水质污染特征；所述多功能帷幕具有原位净化多重复合污染原水水质的功能。

2.根据权利要求1所述的水质净化多功能帷幕，其特征在于所述高强度多孔海绵为开孔网状的聚氨酯种类，其有效孔隙率>60%，孔径大小为0.05~1毫米，孔径分布均匀，密度<45千克每立方米，具有抗挤压性能。

3.根据权利要求1所述的水质净化多功能帷幕，其特征在于所述活性炭纤维为由活性炭纤维滤网、活性炭纤维绵、活性炭纤维丝、活性炭纤维布或活性炭纤维毡制成的层片状过滤材料，其比表面积>1000平方米每克，密度<250千克每立方米，微孔发达分布均匀。

4.根据权利要求1所述的水质净化多功能帷幕，其特征在于所述离子交换纤维为经化学纤维强化后制成的离子交换纤维布、毡和海绵层片状或者用于填充滤袋而形成的层块状过滤材料，其纤维直径<50微米，比表面积>200平方米每克，交换容量>0.2毫摩尔每克，溶胀度<2.0。

5.根据权利要求1所述的水质净化多功能帷幕，其特征在于所述多功能帷幕的运行布置方位与水流方向垂直，其主要运行参数为过流速度<0.1米每秒，表面负荷<0.1立方米每平方米每秒，水头损失<0.3米。