CN108178280B - 一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置及方法 - Google Patents

一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置及方法，包括主体罐和自动控制器；主体罐中，顶板和布水器之间为布水室，布水器和布水布气器之间为过滤室，布水布气器和底板之间为集水室；布水室与进水管相连通，过滤室内铺设有柱体滤床，集水室与排水管、反冲洗水管和反冲洗气管相连通；自动控制器的采集监控数据，控制阀门工作。本发明的装置集成了传质充氧、自然充氧、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。它结构简单、设计合理、操作简单、效率高、耐低温、运行成本低。本发明的方法能够同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰，同时效率高。

Description

一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置及方法
技术领域
本发明属于水处理领域，涉及水处理设备，具体涉及一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置及方法。
背景技术
饮用水源水中过量的氨氮铁锰对人类身体健康及生产生活具有极大的威胁。根据中国水资源质量年报，从2005到2010年，水利部对全国城市1817个集中式地下水供水水源地进行了调查，氨氮指标超标率高达10.63％，处于所有考察指标的第三位。另外，我国地表水氨氮污染率也非常高，如七大流域中的黄河流域、珠江流域、海河流域、辽河流域，氨氮也是主要污染物。水源水中高浓度氨氮污染问题越来越突出。同时，水源水中铁锰污染的问题也普遍存在，在我国东北地区的某些流域铁锰存在严重超标的问题，如黑龙江省部分地区的地下水中铁的浓度最高超过60mg/L，锰达到5.0mg/L。
如何高效且低成本去除饮用水中高浓度铁锰氨氮一直是困扰众多自来水厂的难题，已有的去除水中氨氮的方法(吸附法、生物脱氮法、折点加氯法)存在对高负荷氨氮污染地下水处理能力差、氨氮去除效果不稳定、加入药剂易造成二次污染的问题。现有的自来水厂水处理设备在工作过程中对于铁锰氨氮复合污染物同步去除的效果也较差，无法有效的使处理后的复合污染水源水达标国家饮用水水质标准，特别在北方冬季低温季节，污染物去除效率更是大大降低，显然现有的水处理过滤设备无法有效地满足自来水厂的处理需求。
因此，亟需一种高效、耐低温、抗冲击负荷强以及运行成本低廉的水处理过滤设备用于解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置及方法，解决现有技术中存在的效率低下且难以同步去除的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置，包括主体罐和自动控制器；
所述的主体罐包括顶板、侧板和底板组成的罐体，主体罐内靠近顶板的位置安装有布水器，主体罐内靠近底板的位置安装有布水布气器，布水器和布水布气器将主体罐从顶部到底部依次分割为布水室、过滤室和集水室，顶板和布水器之间为布水室，布水器和布水布气器之间为过滤室，布水布气器和底板之间为集水室；
所述的布水室与进水管相连通，所述的进水管上依次安装有原水池、进水泵、进水阀、电磁流量计和射流器，射流器靠近布水室；
所述的过滤室内铺设有柱体滤床，所述的过滤室的上部侧壁安装有上压力计，所述的过滤室的下部侧壁安装有下压力计，所述的过滤室的中部侧壁安装有溶解氧在线检测仪；
所述的过滤室的上部侧壁安装有溢流管，溢流管上安装有泄水阀。
所述的过滤室的下部内安装有逆流充氧器，逆流充氧器与逆流充氧进气阀和逆流充氧空气压缩机相连通；
所述的集水室与排水管相连通，排水管上安装有排水阀；所述的集水室与反冲洗水管相连通，反冲洗水管上依次安装有反冲洗水池、反冲洗水泵和反冲洗进水阀，反冲洗进水阀靠近集水室；所述的集水室与反冲洗气管相连通，反冲洗气管上依次安装有反冲洗空气压缩机和反冲洗进气阀，反冲洗进气阀靠近集水室；
所述的过滤室的上部通过过滤室浊度仪进水阀与在线浊度仪相连，所述的集水室通过集水室浊度仪进水阀与在线浊度仪相连，在线浊度仪通过浊度仪出水泄水阀与溢流管相连通，在线浊度仪通过浊度仪出水排水阀与排水管相连通；
所述的自动控制器的输入端与电磁流量计、上压力计、下压力计、溶解氧在线检测仪和在线浊度仪相连，所述的自动控制器的输出端与进水阀、泄水阀、排水阀、逆流充氧进气阀、反冲洗水泵、反冲洗进水阀、反冲洗进气阀、过滤室浊度仪进水阀、集水室浊度仪进水阀、浊度仪出水泄水阀和浊度仪出水排水阀相连。
本发明还具有如下区别技术特征：
所述的布水室的顶部安装有自动排气阀。
所述的柱体滤床分上下两层，下层为承托层，承托层填充高度为20cm～30cm的鹅卵石，鹅卵石的直径为1～2cm；上层为滤料层，滤料层填充高度为80cm～160cm的滤料，滤料的直径为1～2mm。
所述的滤料层填充高度为125cm～140cm的滤料。
所述的滤料为普通石英砂滤料或催化氧化活性滤料。
所述的逆流充氧器设置在距离柱体滤床的表层滤料2/3柱体滤床高度的位置处。
所述的逆流充氧器中采用微孔曝气管出气。
本发明还保护一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，该方法采用如上所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置。
该方法具体包括如下工艺：
第一，原水中污染物浓度分别为：氨氮：5.1～6mg/L，铁：2.5～3mg/L，锰：2.0～3.0mg/L；
第二，原水的水温范围为6～30℃；
第三，主体罐的过滤速率为8～12m/h；
第四，射流器对进水管中的原水充氧后，使原水中溶解氧的浓度达到7mg/L。
第五，逆流充氧器的曝气量为50～70mL/min。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明的装置集成了传质充氧、自然充氧、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。它结构简单、设计合理、操作简单、效率高、耐低温、运行成本低。
本发明由于滤料去除污染物过程中的催化以及自催化作用，设备运行过程中无需加药，运行成本低，环境友好且不会带来二次污染。滤料寿命长，运行期间无需更换滤料，只需定期对滤膜进行一定的维护即可。
本发明的方法能够同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰，同时效率高。滤料层1.25m时污染物去除能力：氨氮：5.1mg/L铁：2.5mg/L锰：2.0mg/L。滤料层1.4m时污染物去除能力：氨氮：6mg/L铁：3mg/L锰：3.0mg/L。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是主体罐的结构示意图。
图3是催化氧化活性滤料的扫描电镜照片。
图4是普通石英砂滤料的颗粒实物图。
图5是催化氧化活性滤料的颗粒实物图。
图中各个标号的含义为：1-主体罐，101-顶板，102-侧板，103-底板，2-自动控制器，3-布水器，4-布水布气器，5-布水室，6-过滤室，7-集水室，8-进水管，9-原水池，10-进水泵，11-进水阀，12-电磁流量计，13-射流器，14-柱体滤床，15-上压力计，16-下压力计，17-溶解氧在线检测仪，18-溢流管，19-泄水阀，20-逆流充氧器，21-逆流充氧进气阀，22-逆流充氧空气压缩机，23-排水管，24-排水阀，25-反冲洗水管，26-反冲洗水池，27-反冲洗水泵，28-反冲洗进水阀，29-反冲洗气管，30-反冲洗空气压缩机，31-反冲洗进气阀，32-过滤室浊度仪进水阀，33-在线浊度仪，34-集水室浊度仪进水阀，35-浊度仪出水泄水阀，36-浊度仪出水排水阀，37-自动排气阀。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置，如图1和图2所示包括主体罐1和自动控制器2；
所述的主体罐1包括顶板101、侧板102和底板103组成的罐体，主体罐1内靠近顶板101的位置安装有布水器3，主体罐1内靠近底板103的位置安装有布水布气器4，布水器3和布水布气器4将主体罐1从顶部到底部依次分割为布水室5、过滤室6和集水室7，顶板101和布水器3之间为布水室5，布水器3和布水布气器4之间为过滤室6，布水布气器4和底板103之间为集水室7；
所述的布水室5与进水管8相连通，所述的进水管8上依次安装有原水池9、进水泵10、进水阀11、电磁流量计12和射流器13，射流器13靠近布水室5；
所述的过滤室6内铺设有柱体滤床14，所述的过滤室6的上部侧壁安装有上压力计15，所述的过滤室6的下部侧壁安装有下压力计16，所述的过滤室6的中部侧壁安装有溶解氧在线检测仪17；
所述的过滤室6的上部侧壁安装有溢流管18，溢流管18上安装有泄水阀19。
所述的过滤室6的下部内安装有逆流充氧器20，逆流充氧器20与逆流充氧进气阀21和逆流充氧空气压缩机22相连通；
所述的集水室7与排水管23相连通，排水管23上安装有排水阀24；所述的集水室7与反冲洗水管25相连通，反冲洗水管25上依次安装有反冲洗水池26、反冲洗水泵27和反冲洗进水阀28，反冲洗进水阀28靠近集水室7；所述的集水室7与反冲洗气管29相连通，反冲洗气管29上依次安装有反冲洗空气压缩机30和反冲洗进气阀31，反冲洗进气阀31靠近集水室7；
所述的过滤室6的上部通过过滤室浊度仪进水阀32与在线浊度仪33相连，所述的集水室7通过集水室浊度仪进水阀34与在线浊度仪33相连，在线浊度仪33通过浊度仪出水泄水阀35与溢流管18相连通，在线浊度仪33通过浊度仪出水排水阀36与排水管23相连通；
所述的自动控制器2的输入端与电磁流量计12、上压力计15、下压力计16、溶解氧在线检测仪17和在线浊度仪33相连，所述的自动控制器2的输出端与进水阀11、泄水阀19、逆流充氧进气阀21、排水阀24、反冲洗水泵27、反冲洗进水阀28、反冲洗进气阀31、过滤室浊度仪进水阀32、集水室浊度仪进水阀34、浊度仪出水泄水阀35和浊度仪出水排水阀36相连。
作为本实施例的一种优选方案，布水室5的顶部安装有自动排气阀37。
作为本实施例的一种优选方案，柱体滤床14分上下两层，下层为承托层，承托层填充高度为20cm～30cm的鹅卵石，鹅卵石的直径为1～2cm；上层为滤料层，滤料层填充高度为80cm～160cm的滤料，滤料的直径为1～2mm。
作为本实施例的一种优选方案，滤料层填充高度为125cm～140cm的滤料。
滤料为普通石英砂滤料或催化氧化活性滤料。作为本实施例的一种优选方案，滤料采用催化氧化活性滤料。催化氧化活性滤料为将普通石英砂滤料通过化学方法挂膜制备而成的滤料，如图3至图5所示。所述的催化氧化活性滤料具体采用公布号为CN 105000722A的中国发明专利“一种用于催化氧化去除水中氨氮的活性滤料制备系统”中公开的催化氧化活性滤料。该活性滤料对氨氮的去除速率快，且受低温影响不明显。
作为本实施例的一种优选方案，逆流充氧器20设置在距离柱体滤床14的表层滤料2/3柱体滤床14高度的位置处。曝气启动后，一部分氧气随水流进入下部滤层，另一部分氧气由于低密度而进入中部滤层，保证滤层中下部均富含充足的溶解氧。另外，逆流充氧器20下部的1/3的滤层可以充分避免由于水流扰动可能带来的浊度超标问题。
作为本实施例的一种优选方案，逆流充氧器20中采用微孔曝气管出气。具有水流扰动较小且充氧效率高等优点。可以快速有效的解决由于氨氮去除速度快带来的中下部溶解氧不足的问题，使滤柱全层发挥催化氧化的能力，提高的滤柱去除污染物的能力。
以下对本发明装置的工作过程及原理作进一步说明：
原水由进水泵10提升经过电磁流量计12后，水量被自动控制器2识别，自动控制器2计算并控制进水阀11的开启度，实现过滤滤速的控制。然后原水经射流器13补充溶解氧，高溶解氧原水进入布水室5内的布水器3中形成均匀分布的下向流，依次经过柱体滤床14和集水室7经由排水管23排出。
正常净化阶段，进水阀11、泄水阀19、排水阀24开启，反冲洗进水阀28、反冲洗进气阀31、过滤室浊度仪进水阀32、集水室浊度仪进水阀34、浊度仪出水泄水阀35，浊度仪出水排水阀36关闭。
净化过程中，溶解氧在线检测仪17收集溶解氧数据，当溶解氧低于设定限值时，自动控制器2计算并控制开启逆流充氧进气阀21开启度，通过逆流充氧器20对柱体滤床14进行补氧。一部分氧气随水流进入下部滤层，另一部分氧气由于低密度而进入中部滤层，进而使滤层中下部也富含充足的溶解氧，从而保障整个滤层都能充分发挥催化氧化同步去除水中高浓度的氨氮的能力，曝气器供氧量取决于进水氨氮的浓度。
随着净化的进行，柱体滤床14截留越来越多的悬浮颗粒，孔隙率逐渐减小，过滤水头损失逐渐增加，通过连续采集上压力计15和下压力计16的数据，设置最大允许滤层的水头损失，控制过滤室浊度仪进水阀16的开启，出水流经在线浊度仪33，浊度达标即开启浊度仪出水排水阀36，继续运行，反之若浊度超标，则立即关闭进水阀门11，反冲洗开始。
反冲洗过程中，先开启反冲洗进气阀31，然后再启动反冲洗进水阀28，反冲洗水经集水室7、布水布气器4形成均匀分布的上向流，经柱体滤床14，实现对滤料的清洗，初期清洗后的反冲洗水由上端溢流管18经泄水阀19直接排出，末期开启集水室浊度仪进水阀34，经在线浊度仪33收集浊度数据，若浊度超标则控制开启浊度仪出水泄水阀36，反之浊度达标即开启浊度仪出水排水阀36，将反冲洗水排出。
实施例2：
本实施例给出一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，该方法采用如实施例所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置。该方法具体包括如下工艺：
第一，原水中污染物浓度分别为：氨氮：5.1～6mg/L，铁：2.5～3mg/L，锰：2.0～3.0mg/L；
第二，原水的水温范围为6～30℃；
第三，主体罐的过滤速率为8～12m/h；
第四，射流器对进水管中的原水充氧后，使原水中溶解氧的浓度达到7mg/L。
第五，逆流充氧器的曝气量为50～70mL/min。
具体的工艺参数和实验结果如下实施例所述。
实施例3：
本实施例应用上述发明装置(滤层厚度为125cm)开展了试验研究，运行滤速为12m/h，控制装置进水氨氮、铁、锰浓度分别为5.1、2.5、2.0mg/L，逆流充氧曝气量为70mL/min，水温为13-15℃，经装置处理后出水氨氮、铁、锰浓度分别为0.47、0.23、0.04mg/L，完全满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的氨氮浓度<0.5mg/L、铁浓度<0.3mg/L、锰浓度<0.1mg/L的要求，表明该装置能够有效实现水中高浓度氨氮、铁、锰同步去除。
实施例4：
本实施例应用上述发明装置(滤层厚度为140cm)开展了试验研究，运行滤速为12m/h，控制装置系统进水氨氮、铁、锰浓度分别为6、3、3mg/L，逆流充氧曝气量为70mL/min，水温为15-17℃，试验结果表明，经装置处理后出水氨氮、铁、锰浓度均低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的限值。
实施例5：
控制实施例3和4中其它运行参数保持不变，仅仅降低水温至6℃，连续运行1周，出水氨氮、锰、铁浓度均可以满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。
对比例1：
控制实施例3和4中其它运行参数保持不变，仅提高运行滤速为14m/h，试验结果表明，装置出水氨氮浓度大于0.5mg/L、铁浓度大于0.3mg/L、锰浓度大于0.1mg/L，不能满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的限值。
对比例2：
控制实施例3和4中其它运行参数保持不变，仅降低充氧曝气量为30mL/min，试验结果表明，出水铁、锰浓度均可达标，但是出水氨氮不能满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定的限值。
对比例3：
控制与实施例3其它运行条件相一致，仅提高进水氨氮、铁、锰浓度分别为6、3、4mg/L，试验结果表明，装置出水氨氮、铁、锰浓度分别为0.93、0.52、0.73mg/L，出水氨氮、铁、锰浓度不能满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的限值。

Claims (7)

1.一种高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，其特征在于，该方法采用高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置，所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的装置，包括主体罐(1)和自动控制器(2)；
所述的主体罐(1)包括顶板(101)、侧板(102)和底板(103)组成的罐体，主体罐(1)内靠近顶板(101)的位置安装有布水器(3)，主体罐(1)内靠近底板(103)的位置安装有布水布气器(4)，布水器(3)和布水布气器(4)将主体罐(1)从顶部到底部依次分割为布水室(5)、过滤室(6)和集水室(7)，顶板(101)和布水器(3)之间为布水室(5)，布水器(3)和布水布气器(4)之间为过滤室(6)，布水布气器(4)和底板(103)之间为集水室(7)；
所述的布水室(5)与进水管(8)相连通，所述的进水管(8)上依次安装有原水池(9)、进水泵(10)、进水阀(11)、电磁流量计(12)和射流器(13)，射流器(13)靠近布水室(5)；
所述的过滤室(6)内铺设有柱体滤床(14)，所述的过滤室(6)的上部侧壁安装有上压力计(15)，所述的过滤室(6)的下部侧壁安装有下压力计(16)，所述的过滤室(6)的中部侧壁安装有溶解氧在线检测仪(17)；
所述的过滤室(6)的上部侧壁安装有溢流管(18)，溢流管(18)上安装有泄水阀(19)；
所述的过滤室(6)的下部内安装有逆流充氧器(20)，逆流充氧器(20)与逆流充氧进气阀(21)和逆流充氧空气压缩机(22)相连通；
所述的集水室(7)与排水管(23)相连通，排水管(23)上安装有排水阀(24)；所述的集水室(7)与反冲洗水管(25)相连通，反冲洗水管(25)上依次安装有反冲洗水池(26)、反冲洗水泵(27)和反冲洗进水阀(28)，反冲洗进水阀(28)靠近集水室(7)；所述的集水室(7)与反冲洗气管(29)相连通，反冲洗气管(29)上依次安装有反冲洗空气压缩机(30)和反冲洗进气阀(31)，反冲洗进气阀(31)靠近集水室(7)；
所述的过滤室(6)的上部通过过滤室浊度仪进水阀(32)与在线浊度仪(33)相连，所述的集水室(7)通过集水室浊度仪进水阀(34)与在线浊度仪(33)相连，在线浊度仪(33)通过浊度仪出水泄水阀(35)与溢流管(18)相连通，在线浊度仪(33)通过浊度仪出水排水阀(36)与排水管(23)相连通；
所述的自动控制器(2)的输入端与电磁流量计(12)、上压力计(15)、下压力计(16)、溶解氧在线检测仪(17)和在线浊度仪(33)相连，所述的自动控制器(2)的输出端与进水阀(11)、泄水阀(19)、逆流充氧进气阀(21)、排水阀(24)、反冲洗水泵(27)、反冲洗进水阀(28)、反冲洗进气阀(31)、过滤室浊度仪进水阀(32)、集水室浊度仪进水阀(34)、浊度仪出水泄水阀(35)和浊度仪出水排水阀(36)相连；
该方法具体包括如下工艺：
第一，原水中污染物浓度分别为：氨氮：5.1～6mg/L，铁：2.5～3mg/L，锰：2.0～3.0mg/L；
第二，原水的水温范围为6～30℃；
第三，主体罐的过滤速率为8～12m/h；
第四，射流器对进水管中的原水充氧后，使原水中溶解氧的浓度达到7mg/L；
第五，逆流充氧器的曝气量为50～70mL/min。
2.如权利要求1所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，其特征在于，所述的布水室(5)的顶部安装有自动排气阀(37)。
3.如权利要求1所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，其特征在于，所述的柱体滤床(14)分上下两层，下层为承托层，承托层填充高度为20cm～30cm的鹅卵石，鹅卵石的直径为1～2cm；上层为滤料层，滤料层填充高度为80cm～160cm的滤料，滤料的直径为1～2mm。
4.如权利要求3所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，其特征在于，所述的滤料层填充高度为125cm～140cm的滤料。
5.如权利要求3所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，其特征在于，所述的滤料为催化氧化活性滤料。
6.如权利要求1所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，其特征在于，所述的逆流充氧器(20)设置在距离柱体滤床(14)的表层滤料2/3柱体滤床(14)高度的位置处。
7.如权利要求1所述的高效同步去除水中高浓度氨氮、铁、锰的方法，其特征在于，所述的逆流充氧器(20)中采用微孔曝气管出气。
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