CN109775892A - 一种低能耗重力流催化膜一体化净水装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种低能耗重力流催化膜一体化净水装置及其运行方法，该装置包括恒液位原水箱和膜催化反应池；恒液位原水箱通过进水管与膜催化反应池相连接，进水管与液体氧化剂投加装置连接，膜催化反应池内设有膜组件，膜催化反应池的上部与底部之间连接有溢流管，膜组件的上端连接有出水管，膜催化反应池的底部设置有气体氧化剂投加装置。上述装置的运行过程是：（1）在膜催化反应池内原水与氧化剂充分混合；（2）混合液进行催化氧化反应，然后进入膜组件经膜过滤出水；（3）通过溢流管进行水体的内循环。本发明将催化氧化与吸附、膜过滤相结合，协同强化污染物的去除效果，有效地缓解了不同种类污染物引起的膜污染，降低了净水能耗和水处理成本。

Description

一种低能耗重力流催化膜一体化净水装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种通过低能耗重力流催化膜进行净水的装置及其净水方法。属于膜法水处理技术领域.

背景技术

近年来，膜分离技术逐渐成为水处理领域的热点，是水处理的重要发展方向。相比于纳滤和反渗透等高压膜处理系统，以微滤、超滤为代表的低压膜处理技术能耗更低、操作更为简便，同时能有效去除水中的颗粒物、胶体、大分子有机物和微生物等，在大型水厂中得到了规模化应用。值得注意的是，为了维持较高的产水量，通常水厂仍会采用相对较高的压力(50-100kPa)，在高压、高通量环境下长期运行会加剧膜污染，需要采用频繁的物理、化学清洗来控制膜污染，从而增加了运行和操作成本、降低了膜使用寿命。

另一方面，随着工业的发展、社会的进步，水体中检测到的新兴污染物日益增多，如抗生素、药物和个人护理品、内分泌干扰物、溴代阻燃剂等，而低压膜处理技术对这些微量污染物截留效果较差，这也是制约其进一步推广应用的瓶颈。

有鉴于此，亟需开发低能耗、低维护的膜净水装置，能够高效去除水中的多种有毒有害污染物，同时，最大限度地缓解膜污染，延长膜使用周期。

发明内容

本发明针对现有膜分离技术存在的膜运行中能耗较高、膜污染及微量污染物截留效果较差等问题，提供一种低能耗重力流催化膜一体化净水装置及其运行方法，在较低能耗下同步实现膜污染缓解和微量污染物去除。

本发明的低能耗重力流催化膜一体化净水装置,采用以下技术方案:

该装置，包括原水箱和膜催化反应池；原水箱通过进水管与膜催化反应池相连接，进水管还与液体氧化剂投加装置连接；膜催化反应池内设有膜组件和催化剂填料；膜催化反应池的上部与底部之间连接有溢流管，溢流管的上端位于膜组件的上方，膜组件的上端连接有出水管，膜催化反应池的底部设置有气体氧化剂投加装置。

所述原水箱为恒液位原水箱。

所述进水管上设置有止回阀和进水阀。

所述液体氧化剂投加装置包括液体氧化剂存储池，液体氧化剂存储池通过液体氧化剂输送管与所述进水管连接，液体氧化剂输送管上连接氧化剂投加泵和液体氧化剂投加阀。

所述溢流管中设置回流阀和回流泵。

所述出水管上设有压力表和出水阀。

所述膜组件采用耐氧化聚偏氟乙烯膜或无机陶瓷膜。所述膜组件是截留分子量为15、50、100或150kDa的超滤膜，或者是采用膜孔径大小为0.1、0.2或0.45μm的微滤膜。所述膜组件可采用平板式或中空纤维式。

所述催化剂填料为活性炭基金属氧化物(包括氧化铜、氧化锰、氧化钴、氧化铁、氧化钛中的一种或几种的混合)或者是活性炭纤维基金属氧化物(包括氧化铜、氧化锰、氧化钴、氧化铁、氧化钛中的一种或几种的混合)。

所述气体氧化剂投加装置包括曝气装置和气体氧化剂泵，曝气装置通过气体氧化剂管道与气体氧化剂泵相连接，气体氧化剂管道上设置有气体氧化剂阀。气体氧化剂通过气体氧化剂泵抽吸进气体氧化剂管道，进而进入曝气装置。

上述净水装置的运行方法，包括以下步骤：

(1)原水箱中的原水通过进水管进入膜催化反应池，同时通过液体氧化剂投加装置或气体氧化剂投加装置向原水中投加液体氧化剂或气体氧化剂，使氧化剂与原水充分混合；

(2)原水与氧化剂混合液流经催化剂填料进行催化氧化反应，然后进入膜组件，膜过滤的出水通过出水管排出；

(3)膜催化反应池上部的溢流出水通过溢流管回流至膜催化反应池下部，进行水体的内循环，内循环能够强化氧化剂与水体混合效果，延长接触氧化反应时间。

所述步骤(1)中的液体氧化剂为氧化剂溶液，氧化剂为过氧化氢、过一硫酸钾、过一硫酸钠、过一硫酸铵、过二硫酸钾、过二硫酸钠和过二硫酸铵中的一种或其中几种任意比例的混合物。

所述步骤(1)中投加的气体氧化剂为臭氧。

所述步骤(1)中氧化剂投加量为0.5-3.0mg/mg DOC。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明构建了低能耗重力流催化膜一体化净水装置，将催化氧化与吸附、膜过滤相结合，协同强化污染物的去除效果，有效地缓解了不同种类污染物引起的膜污染。

(2)本发明以重力流驱动膜过滤，充分利用水体的重力作用，工作压力低(<20kPa)，降低了净水能耗和水处理成本。

(3)由于工作压力低，本发明装置产水流速较慢，从而延长了催化氧化反应时间，强化了污染物降解效果，更加有效地缓解膜污染。

(4)本发明将催化剂与膜组件有机耦合在同一净水装置中，二者协同作用，一方面膜表面的催化氧化反应能有效缓解膜污染，另一方面膜组件能够截留催化剂填料，减缓催化剂的流失。

(5)本发明装置简便、易操作、低维护，可充分利用原水水处理装置进行改造，适用于小规模或分散式供水。

附图说明

图1为本发明中低能耗重力流催化膜一体化净水装置示意图。

其中：1.恒液位原水箱，2.止回阀，3.进水阀，4.液体氧化剂存储池，5.液体氧化剂投加泵，6.液体氧化剂投加阀，7.气体氧化剂泵，8.气体氧化剂阀，9.曝气装置，10.膜组件，11.催化剂填料，12.膜催化反应池，13.回流阀，14.回流泵，15.压力表，16.出水阀，17.进水管,18.液体氧化剂输送管，19.溢流管，20.出水管，21.气体氧化剂管。

具体实施方式

如图1所示，本发明的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，包括原水箱1和膜催化反应池12。原水箱1为恒液位水箱(现有技术，通过液位控制器实现恒液位)。恒液位原水箱1和膜催化反应池12通过进水管17相连接，进水管17上连接有止回阀2和进水阀3，以保证恒液位原水箱1内的原水靠重力进入膜催化反应池12，而不会返流。原水箱1处于膜催化反应池12的上方，其内原水依靠重力进入膜催化反应池12。

进水管17还与液体氧化剂投加装置连接。参见图1液体氧化剂投加装置包括液体氧化剂存储池4、液体氧化剂投加泵5和液体氧化剂投加阀6，液体氧化剂存储池4通过液体氧化剂输送管18与进水管17连接，液体氧化剂输送管18上连接氧化剂投加泵5和液体氧化剂投加阀6。液体氧化剂存储池4中存储液体氧化剂，即氧化剂溶液，氧化剂可以是过氧化氢、过一硫酸钾、过一硫酸钠、过一硫酸铵、过二硫酸钾、过二硫酸钠和过二硫酸铵中的一种或其中几种任意比例的混合物。打开液体氧化剂投加阀6，启动液体氧化剂投加泵5，可以将液体氧化剂存储池4中的液体氧化剂输送至进水管17，与原水一起进入膜催化反应池12。

膜催化反应池12内设置有膜组件10和催化剂填料11。膜催化反应池12的上部和下部之间连接有溢流管19，溢流管19的上端位于膜组件10的上方。溢流管19上设置回流阀13和回流泵14。打开回流阀13，启动回流泵14，可通过溢流管19在膜催化反应池12内进行水体的内循环，溢流出水回流至膜催化反应池12的底部，内循环能够强化氧化剂与水体混合效果，延长接触氧化反应时间。膜组件10采用耐氧化聚偏氟乙烯膜或无机陶瓷膜，可以是截留分子量为15、50、100或150kDa的超滤膜，或者是采用膜孔径大小为0.1、0.2或0.45μm的微滤膜。膜组件10可采用平板式或中空纤维式。膜组件10的上端设置有出水管20，出水管20上设有压力表15和出水阀16。打开出水阀16，经过膜组件10膜过滤的出水进入出水管20排出，压力表15监测出水压力。

为了可以向膜催化反应池12内输送气体氧化剂，在膜催化反应池12的底部设置有气体氧化剂投加装置。该气体氧化剂投加装置包括曝气装置9和气体氧化剂泵7，曝气装置9设置在膜催化反应池12的内底部，并通过气体氧化剂管21与气体氧化剂泵7相连接，气体氧化剂管21上设置有气体氧化剂阀8。打开气体氧化剂阀8，启动气体氧化剂泵7，通过曝气装置9向膜催化反应池12内输送气体氧化剂。气体氧化剂为臭氧。

可以通过液体氧化剂投加装置或气体氧化剂投加装置向膜催化反应池12内输送液体氧化剂或气体氧化剂。氧化剂投加量为0.5-3.0mg/mg DOC。

催化剂填料11可以是活性炭基金属氧化物，如氧化铜、氧化锰、氧化钴、氧化铁、氧化钛中的一种或几种任意比例的混合物。催化剂也可以是为活性炭纤维基金属氧化物，如氧化铜、氧化锰、氧化钴、氧化铁、氧化钛中的一种或几种任意比例的混合物。

上述净水装置的运行方法，按以下步骤进行：

(1)将待处理的原水输送进入恒液位原水箱1，打开进水管11上的进水阀3，在重力作用下经止回阀2和进水阀3进入膜催化反应池12。同时，向膜催化反应池12内投加氧化剂，使氧化剂与原水充分混合，维持一定的氧化剂浓度，根据原水DOC浓度，氧化剂投加量为0.5-3.0mg/mg DOC。

向膜催化反应池12内投加氧化剂可按以下两种方式进行：

一是通过液体氧化剂投加装置。打开液体氧化剂投加阀6，启动液体氧化剂投加泵5，将液体氧化剂存储池4中的液体氧化剂输送至进水管17，与原水一起进入膜催化反应池12。

二是通过气体氧化剂投加装置。打开气体氧化剂阀8，启动气体氧化剂泵7，通过曝气装置9向膜催化反应池12内输送气体氧化剂(臭氧)。

(2)原水与氧化剂混合液在膜催化反应池12内流经催化剂填料11，在催化剂的作用下进行催化氧化反应，强化水中污染物的降解效果。然后水体在重力作用下进入膜组件10，膜组件10一方面能够进一步截留水中的胶体、颗粒物及大分子有机物等，另一方面能够截留催化剂填料11，减少催化剂的流失。打开出水阀16，膜过滤的出水通过出水管20排出。

(3)启动回流泵14，膜催化反应池12上部的溢流出水经过溢流管19回流至膜催化反应池12的下部，进行水体的内循环，内循环能够强化氧化剂与水体混合效果，延长接触氧化反应时间。

实施例：

试验工艺参数：膜组件采用耐氧化聚偏氟乙烯平板超滤膜，膜截留分子量为150kDa，原水箱与产水液位差为65cm，即采用的工作压力为6.5kPa，催化剂填料为活性炭负载氧化锰，采用过一硫酸钾(PMS)液体氧化剂，氧化剂投加量为1.0mg PMS/mg DOC。

原水水质：浊度为1.2-3.5NTU，溶解性有机碳(DOC)为3.14-5.63mg/L，高锰酸盐指数(COD_Mn)为3.42-5.81mg/L，紫外吸光度(UV₂₅₄)为0.051-0.074cm^-1，pH为7.2-7.6。

出水水质：浊度为0.04-0.07NTU，DOC为0.85-1.67mg/L，COD_Mn为1.06-1.89mg/L，UV₂₅₄为0.004-0.007cm^-1，pH为7.2-7.6。出水水质主要指标满足《生活饮用水卫生质量标准》(GB5749-2006)要求。

Claims (10)

1.一种低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：包括原水箱和膜催化反应池；原水箱通过进水管与膜催化反应池相连接，进水管与液体氧化剂投加装置连接；膜催化反应池内设有膜组件和催化剂填料；膜催化反应池的上部与底部之间连接有溢流管，溢流管的上端位于膜组件的上方，膜组件的上端连接有出水管，膜催化反应池的底部设置有气体氧化剂投加装置。

2.根据权利要求1所述的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：所述进水管上设置有止回阀和进水阀。

3.根据权利要求1所述的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：所述液体氧化剂投加装置包括液体氧化剂存储池，液体氧化剂存储池通过液体氧化剂输送管与所述进水管连接，液体氧化剂输送管上连接氧化剂投加泵和液体氧化剂投加阀。

4.根据权利要求1所述的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：所述溢流管中设置回流阀和回流泵。

5.根据权利要求1所述的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：所述出水管上设有压力表和出水阀。

6.根据权利要求1所述的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：所述膜组件是截留分子量为15、50、100或150kDa的超滤膜，或者是采用膜孔径大小为0.1、0.2或0.45μm的微滤膜。

7.根据权利要求1所述的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：所述催化剂填料为活性炭基金属氧化物或活性炭纤维基金属氧化物。

8.根据权利要求1所述的低能耗重力流催化膜一体化净水装置，其特征是：所述气体氧化剂投加装置包括曝气装置和气体氧化剂泵，曝气装置通过气体氧化剂管与气体氧化剂泵相连接，气体氧化剂管上设置有气体氧化剂阀。

9.一种权利要求1所述低能耗重力流催化膜一体化净水装置的运行方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)原水箱内的原水通过进水管进入膜催化反应池，同时通过液体氧化剂投加装置或气体氧化剂投加装置向原水中投加液体氧化剂或气体氧化剂，使氧化剂与原水充分混合；

(2)原水与氧化剂混合液流经催化剂填料进行催化氧化反应，然后进入膜组件，膜过滤的出水通过出水管排出；

(3)膜催化反应池上部的溢流出水通过溢流管回流至膜催化反应池下部，进行水体的内循环，内循环能够强化氧化剂与水体混合效果，延长接触氧化反应时间。

10.根据权利要求9所述低能耗重力流催化膜一体化净水装置的运行方法，其特征是：所述步骤(1)中氧化剂投加量为0.5-3.0mg/mg DOC。