CN105731607B - 农村屋顶储水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农村屋顶储水装置，属于生活饮用水水质深度处理技术领域。该储水装置包括至少一对阴阳电极、为阴阳电极供电的电解电源和盛水容器，盛水容器的顶部开设有窗口，阳电极设于窗口处，阴电极设于所述盛水容器内的底部处，盛水容器由隔档分割成与进水管连通的上腔室和与出水管连通的下腔室，隔档包括依次上下设置的细沙层、沸石层和鹅卵石层，细沙层、沸石层和鹅卵石层由隔膜分隔设置且依次彼此首尾相连通，阳电极的底面浸入盛水容器内的水中。该农村屋顶储水装置同时采用物理和化学方法对农村建筑顶层安装的高位水箱中的储水进行净化。

Description

农村屋顶储水装置

技术领域

本发明涉及一种农村屋顶储水装置，属于生活饮用水水质深度处理技术领域。

背景技术

水污染主要是由人类活动产生的污染物造成，它包括工业污染源，农业污染源和生活污染源三大部分。日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据世界权威机构调查，每年因饮用不卫生水至少造成全球2000万人死亡，因此，水污染被称作"世界头号杀手"。当前，水环境加剧恶化，已经严重危及生命延续，特别当突发天灾人祸时尤甚。在世界上一些极端贫穷落后地区，饮到干净放心水对于普通民众而言甚至几近奢侈。倘若能以简单、廉价、高效的手段，使民众皆可饮到干净放心水，当为何等无量之功德！

国内外大多数自来水厂至今仍采用沉淀、过滤、加氯消毒的陈旧工艺方法，将江河水或地下水简单加工成可饮用水。然而，面对工业污水、农业污水和生活污水猖獗泛滥涌入生活水源，自来水厂已经不堪重负无能为力。再加上自来水从水厂经输水管网及高层储水箱到达饮用水终端所带来的附加污染，市政自来水已不敢说是卫生的了。尤其是，自来水加氯虽然可有效杀除病菌，但同时也会产生较多的卤代烃化合物，这些含氯有机物的含量成倍增加，是引起人类患各种疾病的重大根源。即使是把自来水煮沸了，上述残留物仍驱之不去，还会使亚硝酸盐与三氯甲烷等致癌物增加。亦即，即便饮用开水的安全系数也是不高的。

既然直接饮用自来水难保安全，净水器应运而生，成为民众硬性需求。然而，现有的以市供自来水为源水的水质净化产品或涉水产品，基本为介质吸附或采用各种孔径过滤膜将水中污染物加以拦截滤除的物理处理工艺。由于活性炭类吸附材料很容易饱和失效，而各种过滤膜又很容易被细菌污染或有机物阻塞或破损，因此实际情况是并不能如理论设计所期望那样作到对水中污染物的充分净化。面对日益严重的源水污染，现有以介质吸附或采用各种孔径过滤膜将水中污染物加以拦截滤除的物理方式水处理工艺已经远远不能保证水质达标。另外，传统的RO膜反渗透过滤方法对水资源的浪费非常严重，往往净化1升纯净水就需要排出3升浓缩废水。但是，物理方式水处理工艺也有可取之处：通常不生成毒副产物。

相比而言，化学水处理工艺虽具有廉价简单高效等诸多优点，却并不适宜于民用终端生活饮用水领域。究其原因，一是化学水处理工艺需要足够的反应时间，而在日常生活用水场合，净水器从开机进水到出水仅仅数秒钟乃至更短，污染物在净水器中停留时间太短，根本来不及完成相关化学反应处理；其二是，化学水处理工艺通常伴随一定的毒副作用。例如，尽管化学氧化反应可强效灭活细菌，深度降解有机物，去除水中的各种有害物质，但化学氧化法所生成的各类强氧化因子基本是无选择性、不可控的，若处理不当极可能生成源水中没有的新物质甚至强致癌物，反而危及饮水安全。而还原反应控制不当也会带来类似问题，例如硝酸盐可能转化为强致癌物亚硝酸盐；正因为如此，迄今未见在生活饮用水净化处理领域尤其是家庭饮水终端推广应用。

庆幸的是，日常生活中，饮用水需求往往具有分时段、间歇之特点。例如，家庭三顿饭用水及洗浴高峰主要集中在早中晚时间；洗衣用水则按周/次计算。日常生活中饮用水存储装置，通指带有储水箱（罐、容器）的饮用水终端，例如：1）管线净水系统终端壁挂机、台式或立式饮水机；2）RO纯水机出水储存压力桶（箱），以及饮水杯、壶；3）城市供水管网高层建筑顶层安装的高位水箱，甚至农村居民抽取地下水至屋顶的储水罐。目前该类系统存在的共性问题是储水箱内水中细菌微生物超标，严重影响水质甚至异味发臭。迄今尚无好的解决方法。

因此，急需开发出一种能够满足农村建筑顶层安装的高位水箱中的储水深度净化要求的、以储水容器为反应池，对源水进行处理、家家户户都用得起的简易装置。

发明内容

本发明解决的第一个技术问题是，针对现有技术不足，提出一种同时采用物理和化学方法对农村建筑顶层安装的高位水箱中的储水进行净化的农村屋顶储水装置。

本发明解决的第二个技术问题是，在解决上述第一个技术问题基础上，针对现有技术不足，提出一种持续对农村建筑顶层安装的高位水箱中的储水进行净化的农村屋顶储水装置。

申请人经过反复试验和多年探索，发现了电化学作为一种高级氧化水处理工艺，所附加毒副效应远较常规化学水处理工艺为小，而且电化学水处理工艺可以通过电参数的调整来强化处理强度减少反应时间。这样，电化学水处理技术具有克服物理水处理工艺软肋、可用于生活饮用水净化处理的一定潜力。

电化学水处理技术是使污染物质在电极上发生直接电化学反应或是利用电极表面产生强氧化性活性物质发生氧化反应而被转化．电化学技术及其辅以其他高级氧化技术的组合工艺，称为电化学体系，包括电极电催化、电-Fenton、电-O₃、声-电、光-电等。

电化学水处理离不开电极作用，具体分为电极直接反应和电极间接反应。电极直接反应是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从水中去除。直接电解可分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或易生物降解的物质，甚至发生有机物无机化，从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除。

电极间接反应则是利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性更小的物质。阳极间接反应，在水中所产生的氧化还原物质，通常包括以下几类：（1）具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐等；负电性，可以被阳极除去；（2）H₂O₂、O₃（标准电极电势2.07，半衰期30-60min）等强氧化因子；（3）电化学反应产生的强氧化性且寿命极短的中间体， 包括e(溶剂化电子)、·OH、HO₂·、·O₂等自由基，以·OH为主，可以降解有机物。

但是，电化学本质上仍属化学处理工艺，哪怕毒副作用再小，仍有使水的生物指标降低之风险。在水环境前所未有严重污染、在传统物理净水器已力不从心的今天，重新审视研究化学水处理——尤其是电化学水处理技术在生活饮用水净化处理应用的可能性，创新开发一种既能高效除去水中污染物、又无毒副产物的电化学处理工艺、乃至电化学水处理工艺与物理吸附过滤工艺协同联用的全新水质净化方法与装置，具有十分重要的现实意义。

为了解决上述第一个技术问题，本发明的发明人在上述认识的基础上提出如下技术方案：一种农村屋顶储水装置，包括至少一对阴阳电极、为所述阴阳电极供电的电解电源和盛水容器，所述盛水容器的顶部开设有窗口，所述阳电极设于窗口处，所述阴电极设于所述盛水容器内的底部处，所述盛水容器由隔档分割成与进水管连通的上腔室和与出水管连通的下腔室，所述隔档包括依次上下设置的细沙层、沸石层和鹅卵石层，所述细沙层、沸石层和鹅卵石层由隔膜分隔设置且依次彼此首尾相连通，所述阳电极的底面浸入所述盛水容器内的水中。

需要说明的是，本发明装置处理的对像是农村家庭终端饮水，正如背景技术中所述，现在水污染日益严重，农村家庭终端饮水已经成为一种微污染水（或者说是特殊污染水），其污染源包括环境污染（如农药残留等）、氯消毒产生的污染以及管道二次污染等。

本发明装置结构特征是，参见图1，阴电极设于盛水容器内的底部处，阳电极设于盛水容器的顶部窗口处，阳电极的底面浸入盛水容器内的水中。

上述本发明的城市屋顶储水装置技术方案的有益效果是：1）农村自来水源水进入盛水容器的上腔室中，经过隔档物理过滤后，从盛水容器的下腔室流出，水中污染物被拦截在盛水容器的上腔室中，将物理过滤与电化学有机结合，净化效果更好；2）在电解过程中，在阴阳极间生成氢气和氧气向上逸出，产生一定的气浮絮凝作用，加速盛水容器内水中析出离子等悬浮物聚集成团而沉淀，累积沉积在盛水容器的上腔室的底部；由于氢气具有比氧气更快的上升速度，外电极为阳电极，容器内电极为阴电极。由此带来的另一好处是，处理后水的生物指标较好；3）盛水容器内的源水中残留余氯和各种有害阴离子向阳电极迁移，进入阳电极区域内的水体并排出。

本发明为解决上述第二个技术问题，对上述技术方案的改进是：所述窗口处设有向所述上腔室底部延伸的导向轨，所述阳电极由密封绝缘框架封装成一可沿导向轨上下浮动的整体单元。

上述本发明的城市屋顶储水装置技术方案的有益效果是：通过在窗口处设有向上腔室底部延伸的导向轨，阳电极和透水性隔膜由绝缘边框封装成一可沿导向轨上下浮动的整体单元，这样，阳电极可随着盛水容器内的水位高度浮动，可以始终持续对盛水容器内的水进行高效降解。

概括上述本发明的农村屋顶储水装置技术方案的有益效果是：针对农村市供自来水这种特殊微污染水水质特点，通过结构上巧妙设计，具体实用效果是：1）充分利用电化学水处理技术，以达到现有物理水处理工艺无法达到、对源水中污染物的深度降解、高效去除的效果，将阳极直接氧化反应引出到装置外部进行，抑制臭氧生成，以降低在容器内水中生成毒副产物的风险；2）盛水容器内水中的微生物，受透水性隔膜与容器内的阴电极之间的电场作用而灭活。

本发明在上述技术方案基础上的进一步改进是：所述隔膜是非导电性材料制成的透水性隔膜。

这是因为导电性较好的透水性隔膜在放电反应时容易与相近的电极形成复合电极而影响水中放电反应的效果和生成物的种类，不可控因素较多，因此优选非导电性的透水性隔膜。

本发明在上述技术方案基础上的更进一步改进是：所述透水性隔膜是亲水性的透水性隔膜。

本发明的透水性隔膜是亲水性的透水性隔膜，亲水性膜表面能与水形成氢键有序结构，可以改善膜孔充水浸润状态，有利于膜中等离子放电过程持续进行。

本发明在上述技术方案基础上的完善一是：所述阳电极是铝电极和钛电极两个电极上下设置组成。

可以通过铝电极电解的离子的絮凝，进一步净化水质。在电解过程中，在阴阳极间生成氢气和氧气向上逸出，产生一定的气浮絮凝作用，加速盛水容器内水中析出离子等悬浮物聚集成团而沉淀，累积沉积在盛水容器的底部。

本发明在上述技术方案基础上的完善二是：所述透水性隔膜的透水孔径均小于等于2毫米且大于等于1纳米且所述透水性隔膜中所有微孔的透水孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

本发明在上述技术方案基础上的完善三是：所述透水性隔膜是通过按照以下步骤制成的隔膜：

1）将纳米二氧化钛溶液在温度为40℃-60℃的紫外箱内辐照10-30分钟；

2）由以下质量比的原料组成膜液：

PVDF：20%-30%

致孔剂：2-5%

步骤1）辐照后的纳米二氧化钛：2%-4%

表面活性剂：3%-5%

溶剂：70%-80%；

3）将配置好的膜液通过超声波振荡20-40分钟；

4）用刮膜机刮成液膜，将液膜在空气中静置10-30秒，然后浸入凝固液中凝固成隔膜；

5）所述隔膜在浓度为10%酒精水溶液中浸泡10-40分钟，然后放入去离子水中漂洗；

6）将所述隔膜置于施加有10kv直流脉冲高压的纯水箱内处理1小时。

具体实用效果是：透水性隔膜采用二氧化钛改性技术，通过采用辐照技术在超滤膜表面增加纳米二氧化钛亲水单体，提高超滤膜亲水性，增强膜的抗污能力、延长膜使用寿命。同时与水中冷等离子放电相互促进，可有效提高水中有机物降解率。

附图说明

下面结合附图对本发明的农村屋顶储水装置作进一步说明。

图1是本发明实施例的农村屋顶储水装置的内部局部结构示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例的农村屋顶储水装置，参见图1，包括至少一对阴电极22和阳电极23、为阴阳电极供电的电解电源3和盛水容器1，盛水容器1的顶部开设有窗口，阳电极23设于窗口处，阴电极22设于盛水容器1内的底部处。

盛水容器1由隔档17分割成与进水管连通的上腔室13和与出水管连通的下腔室14。隔档17包括依次上下设置的细沙层171、沸石层172和鹅卵石层173，细沙层171、沸石层172和鹅卵石层173由隔膜21分隔设置且依次彼此首尾相连通，阳电极23的底面浸入盛水容器1内的水中。

本实施例的窗口处设有向上腔室13底部延伸的导向轨26，阳电极23由顶密封绝缘框架25封装成一可沿导向轨26上下浮动的整体单元。本实施例的透水性隔膜21是非导电性材料制成的透水性隔膜,透水性隔膜21具有均匀孔径的透水微孔。均匀孔径的透水微孔是孔径大小和孔的形状大致均匀，比如，一张膜中都是同一形状的孔，比如都是椭圆形的孔、三角形的孔，等等。一张膜中的孔径大小都是同一尺寸的孔，等等。

本实施例的隔膜21为单层微滤-纳滤等非导电材质过滤膜。为了透水性隔膜21获得均匀孔径的微孔，可以通过对透水性隔膜21进行改性制取获得，透水性隔膜21具有均匀孔径的微孔是通过按照以下步骤制成的隔膜：

1）将纳米二氧化钛溶液在温度为40℃-60℃的紫外箱内辐照10-30分钟；

2）由以下质量比的原料组成膜液：

PVDF：20%-30%

致孔剂：2-5%

步骤1）辐照后的纳米二氧化钛：2%-4%

表面活性剂：3%-5%

溶剂：70%-80%；

3）将配置好的膜液通过超声波振荡20-40分钟；

4）用刮膜机刮成液膜，将液膜在空气中静置10-30秒，然后浸入凝固液中凝固成隔膜；

5）隔膜在浓度为10%酒精水溶液中浸泡10-40分钟，然后放入去离子水中漂洗；

6）将隔膜置于施加有10kv直流脉冲高压的纯水箱内处理1小时。

本实施例的阳电极23是铝电极和钛电极两个电极上下设置组成。本实施例的透水性隔膜21选用亲水性的透水性隔膜。本实施例的透水性隔膜21的透水孔径小于等于2毫米且大于等于1纳米且透水性隔膜21中所有微孔的透水孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。优选超滤膜。

在盛水容器1中注满自来水，以中国大连地区的农村用水为例，电解电源3采用平均电压为40V的高电平窄脉宽的直流电源，提供恒定电流800mA，透水性隔膜21采用纳滤膜，阴电极22设于盛水容器1内的底部处且阳电极23设于盛水容器1外的顶部处。

源水中残留余氯和各种有害阴离子向阳极迁移，穿出隔膜进入阳极与膜之间水体并排出掉。经过试验检测，水中菌落总数＜2CFU/ml；挥发性酚类＜0.001 mg/L；阴离子合成洗涤剂＜0.001mg/L；四氯化碳＜0.001 mg/L；三氯甲烷＜0.013mg/L，相对市供自来水，很好的提高了水质。

为了防止水中污染物在盛水容器1的上腔室13沉积，可以将农村自来水源水从下腔室14进入，从盛水容器1的顶部的窗口处冲出，反向进水进行排污。

本发明的农村屋顶储水装置不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如：1）电解电源3是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或正向电压电平大于反向电压电平的交变脉冲电源；2）阳电极23上开有若干通孔；3）阳电极23是由活性炭或活性炭与钛材涂覆铂族氧化物复合而成；4）本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种农村屋顶储水装置，包括至少一对阴阳电极、为所述阴阳电极供电的电解电源和盛水容器，其特征在于：所述盛水容器的顶部开设有窗口，所述阳电极设于窗口处，所述阴电极设于所述盛水容器内的底部处，所述盛水容器由隔档分割成与进水管连通的上腔室和与出水管连通的下腔室，所述隔档包括依次上下设置的细沙层、沸石层和鹅卵石层，所述细沙层、沸石层和鹅卵石层由隔膜分隔设置且依次彼此首尾相连通，所述阳电极的底面浸入所述盛水容器内的水中；所述隔膜是非导电性材料制成的透水性隔膜，所述透水性隔膜是亲水性的透水性隔膜；所述透水性隔膜是通过按照以下步骤制成的隔膜：

1）将纳米二氧化钛溶液在温度为40℃-60℃的紫外箱内辐照10-30分钟；

2）由以下质量比的原料组成膜液：

PVDF：20%-30%

致孔剂：2-5%

步骤1）辐照后的纳米二氧化钛：2%-4%

表面活性剂：3%-5%

溶剂：70%-80%；

3）将配置好的膜液通过超声波振荡20-40分钟；

4）用刮膜机刮成液膜，将液膜在空气中静置10-30秒，然后浸入凝固液中凝固成隔膜；

5）所述隔膜在浓度为10%酒精水溶液中浸泡10-40分钟，然后放入去离子水中漂洗；

6）将所述隔膜置于施加有10kv直流脉冲高压的纯水箱内处理1小时。

2.根据权利要求1所述农村屋顶储水装置，其特征在于：所述窗口处设有向所述上腔室底部延伸的导向轨，所述阳电极由密封绝缘框架封装成一可沿导向轨上下浮动的整体单元。

3.根据权利要求1或2所述农村屋顶储水装置，其特征在于：所述阳电极是铝电极和钛电极两个电极上下设置组成。

4.根据权利要求1或2所述农村屋顶储水装置，其特征在于：所述透水性隔膜的透水孔径均小于等于2毫米且大于等于1纳米且所述透水性隔膜中所有微孔的透水孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。