CN110395789A - 一种中水回用处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了中水回用技术领域的一种中水回用处理方法及装置，旨在解决现有技术中传统的中水回用处理方法占地面积大、使用成本高、易二次污染，现有的PVDF膜分离方法处理效率低、使用寿命短、光催化效果差的技术问题。所述方法包括如下步骤：利用PVDF复合膜对中水进行净化处理；所述PVDF复合膜由含有TiO2和g‑C3N4的复合改性PVDF制备而成。所述装置包括相互连通的生态石笼坝、生化池和膜反应器，所述膜反应器位于生态石笼坝和生化池的下游位置。

Description

一种中水回用处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种中水回用处理方法及装置，属于中水回用技术领域。
背景技术
在全球水资源日益短缺的背景下，中水已逐渐被人们视为可重复利用的第二水源，中水回用也成为世界各国的研究重点。目前很多发达国家基本都制定完善了中水回用的相关政策和法规，以更好地促进水资源合理利用。通过长期研究与探索，发达国家在中水回用方面已积累了丰富经验，并取得了可观的经济和环境效益。目前，美国已有362个城市对污水进行了再生利用，污水回用项目多达547个，净化后的再生水被广泛应用于工业冷却、景观灌溉、消防以及地下水回灌等技术领域，其污水回用总量约为3.8531Mm3.d-1，其中回用于公共事业用水量为0.1257Mm3.d-1，回用于商业用水量为0.0719Mm3.d-1，回用于工业用水量为0.4164Mm3.d-1，回用于热能电力用水量为0.3785Mm3.d-1，回用于采矿用水量为0.0530Mm3.d-1，回用于灌溉用水量为2.7176Mm3.d-1。地处干旱缺水地区的以色列，在中水回用方面也做出了大量研究和实践，再生水已成为该国重要水资源之一，其所有城市的生活污水经管网收集后全部进行二级以上处理，全国污水处理总量46%的出水直接回用于灌溉，34%回灌地下水，剩余20%排入河道，污水再生利用率高达72%，堪称世界第一。
相比国外，我国中水回用研究起步较晚，公众对于中水的接受程度比较低，对废水进行再生与利用受到管理、资金保障等诸多因素制约。近年来，国家开始大力发展市政污水的再生利用系统，利用再生水来缓解城市日益增长的供水压力，政府出台了一系列促进废水再生与回用的政策，对一些废水再生利用项目和工程提供了积极的财政支持，极大促进了我国在中水回用研究与应用领域的迅速发展，废水的再生利用已经成为我国水系元管理的一项重要策略。
膜分离技术是近20年迅速发展起来的一种新兴的高效分离、提纯、净化技术，是采用高分子膜作介质，以附加能量作推动力。在水处理过程中，它是通过膜表面的微孔截留作用来达到分离浓缩水中污染物的目的，膜分离过程中一般无相变和二次污染，可在常温下连续操作，具有能耗低、设备体积小、操作方便、容易放大等优势。膜分离技术是废水深度处理的一种高效手段，反渗透（RO）、超滤（UF）、微滤（MF）、纳滤（NF）均能有效去除水中臭味、色度、消毒副产物前体及其他有机微生物。但在实际应用过程中，容易产生浓差极化和膜污染等问题，从而增加了膜分离运行的成本和能耗。作为最为典型的膜材料之一，聚偏氟乙烯（PVDF）由于具有优良的耐化学性、耐高温、耐酸碱等优点而倍受青睐，但是PVDF表面能低，在水处理过程中易受到憎水物质的污染，造成分离效率降低和使用寿命缩短。
为减缓PVDF膜的膜污染问题，提高其抗污染性，在铸膜液中添加亲水性粒子对其进行改性以提高其表面亲水性能，无疑是一种行之有效的方法。近年来随着纳米粒子填充聚合物膜的研究不断深入，在PVDF铸膜液中填充的纳米粒子则包括氧化硅、氧化铝、氧化钛、沸石、碳黑、MCM41、MCM48、氧化石墨烯、氮化碳等，其中纳米粒子TiO2不仅具有亲水性，而且光催化活性高、稳定性强，低廉易得等优点，其优异的光催化性能尤其受到青睐。众所周知，光催化技术是分解有机污染物的有效途径，可以将有机污染物转化为H2O、CO2、 PO4 3-等无机小分子，达到完全矿化的目的。然而，随着研究不断深入，科研人员发现如果将TiO2直接添加至铸膜液会引起粒子分布不均匀、光催化效果差等缺陷，如果将TiO2光催化粒子用金属元素、g-C3N4等进行修饰后再与膜分离技术以光催化分离膜的方式进行耦合制得的复合膜光催化性和抗污染性更优。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中水回用处理方法及装置，以解决现有技术中传统的中水回用处理方法占地面积大、使用成本高、易二次污染，现有的PVDF膜分离方法处理效率低、使用寿命短、光催化效果差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种中水回用处理方法，包括如下步骤：
利用PVDF复合膜对中水进行膜分离；
所述PVDF复合膜由含有TiO2和g-C3N4的复合改性PVDF制备而成。
优选地，所述复合改性PVDF的制备，包括如下步骤：
将TiO2与g-C3N4混合，研磨后制得混合粉末；
将PEG加入DMF中，搅拌均匀后，制得混合液；
在混合液中加入PVDF和硅烷偶联剂，搅拌后制得基液；
将混合粉末添入基液中，搅拌均匀，制得复合改性PVDF。
优选地，TiO2与g-C3N4的质量比为3:1至4:1。
优选地，所述膜分离包括反渗透、超滤、微滤、纳滤中的任一项。
优选地，还包括：利用生态混凝土对中水进行物理净化处理。
优选地，还包括：利用生物质炭对中水进行生物净化处理。
优选地，还包括：对中水进行预处理，所述预处理包括过滤。
一种中水回用处理装置，包括相互连通的生态石笼坝、生化池和膜反应器，所述膜反应器位于生态石笼坝和生化池的下游位置。
优选地，还包括与生态石笼坝或生化池连通的废水收集机构，所述废水收集机构位于生态石笼坝和生化池的上游位置。
优选地，还包括与膜反应器连通且位于其下游的水质预警系统。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：（1）由复合改性PVDF制备而成的PVDF复合膜具备优秀的分离性能和抗污染性，能够高效去除胶体等有机小分子污染物，且可提高自身使用寿命；（2）由废弃石头搭建的生态石笼坝和由废弃秸秆制成的生物质炭，不仅能够有效去除SS、NH3-N、TN、COD，还达到了废物再利用的目的；（3）充分发挥了物理净化—生物净化—膜分离技术的协同效应，克服了传统中水回用处理方法中将物理净化—化学净化—生物净化进行简单组合，进而导致占地面积大、使用成本高、易二次污染等缺陷。
附图说明
图1是本发明具体实施方法提供的一种中水回用处理方法的工作原理图；
图2是本发明具体实施方法提供的一种中水回用处理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
包含洗漱废水在内的中水，其水质存在以下特点：（1）含有大量生活杂质；（2）悬浮物及泡沫较多，COD值较高，浊度较高；（3）阴离子表面活性剂与氮磷、氨氮较多。由于中水主要由洗涤剂清洗产生，洗涤剂含有的大量ABS和LAS，都需要磷酸盐作为增净剂，而磷酸盐的排入是造成水体富营养化的一个重要原因；此外，洗涤剂能使进入水体的石油产品、多氯联苯等疏水有机污染物乳化而分散，洗涤剂污水存在的大量泡沫，这些给中水处理带来了一定困难。根据中水的主要特征，处理工艺主要有化学混凝法、生物接触氧化法、物化与生化工艺相结合等方法。通过进行中水回用处理，能够减少污水排放，改善生态环境，产生生态与经济效益，缓减城市供水的压力。
如图1所示，是本发明具体实施方法提供的一种中水回用处理方法的工作原理图，所述方法包括如下步骤：
步骤一，对中水进行收集和过滤，用以滤除中水中的毛发、塑料袋、固体垃圾等大径漂浮物和大径颗粒物，以利于对中水进行后续处理，避免在中水处理过程中造成固体物沉积和堵塞。
步骤二，利用生态混凝土对中水进行物理净化处理，用以滤除悬浮固体（SS）和降低氨氮含量指标（NH3-N）。
步骤三，利用生物质炭对中水进行生物净化处理，用以去除亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机盐氮、溶解态氮等含氮化合物从而降低总氮（TN），以及降低化学需氧量（COD）。
本实施例中，生物质炭的制备方法如下：选用香蒲和芦苇两种大型水生植物为原料，先用自来水冲洗4至5次，再用去离子水洗净并风干，剪碎后放入高速多功能粉碎机中粉碎，然后采用缺氧热解法，将一定质量的粉碎原料放入马弗炉中在500°C条件下恒温缺氧热解1小时，产物1mol·L-1HCl浸泡1小时，再用去离子水冲洗至中性，接着在80°C条件下烘干，研磨过0.15mm孔径筛备用。取部分备用炭用1mol·L-1FeCl3浸泡1小时进行生物炭表面改性，再用去离子水通过玻璃砂芯过滤器多次洗涤至滤液pH值为中性，于80°C条件下烘干后装入密封袋中置于干燥器保存备用。
步骤四，利用PVDF复合膜对中水进行膜分离处理，用以高效去除胶体等有机小分子污染物。所述膜分离包括反渗透（RO）、超滤（UF）、微滤（MF）、纳滤（NF）中的至少任一项，本实施例中，采用微滤（MF）对中水进行处理，有利于节约能耗。
所述PVDF复合膜由含有TiO2和g-C3N4的复合改性PVDF制备而成。本实施例中，复合改性PVDF的制备方法如下：将聚偏氟乙烯（PVDF）和要添加的的TiO2和g-C3N4粒子提前放入烘箱内烘烤，使其处于干燥状态，防止在实验室受潮。取0.6g聚乙二醇-20000（PEG-20000）加入到21mL的DMF中，并将其放入恒温加热磁力搅拌器中搅拌10分钟左右，温度设为50℃，待PEG-20000完全溶解后，加入3g PVDF，同时加入2至3滴硅烷偶联剂；大约经过30分钟左右，PVDF完全溶解，再加入改性粒子TiO2（0.75g）和g-C3N4（0.25g），并搅拌3至4小时，制成铸膜液。
利用复合改性PVDF制备PVDF复合膜时，将铸膜液倒在玻璃板上（玻璃板两边分别贴有5层厚的透明胶带，以保证推出来的膜厚度均匀），用玻璃棒或刮膜刀将其推平，放入到去离子水中，然后晾干，放到自封袋贴好标签以备用。推得的膜片再经过后处理，制得衬板式组件，以方便使用。
如图2所示，是本发明具体实施方法提供的一种中水回用处理装置的结构示意图，所述装置包括由上至下顺序连通的废水收集机构、生态石笼坝、生化池、膜反应器、水质预警系统，其中，
所述废水收集机构：用于对中水进行收集和过滤；
所述生态石笼坝：用于利用生态混凝土对中水进行物理净化处理，生态石笼坝主要由生态混凝土组成，采用特定粒径的粗骨料作为骨架，加入水泥浆体或者少量细骨料浆体作为骨架之间的粘结剂，经养护一段时间后形成的稳定结构；
所述生化池：用于利用生物质炭对中水进行生物净化处理，生化池内收容有本发明方法实施例中制备的生物质炭；
所述膜反应器：用于利用PVDF复合膜对中水进行膜分离处理，膜反应器内收容有本发明方法实施例中制备的PVDF复合膜；
所述水质预警系统：用于检测经所述装置处理后的水质是否达标，并在水质不达标时发出水质指标超标报警信号，同时阻止未处理合格的中水进入回用管道。
经实际检验，本实施例装置中的生态石笼坝、生化池和膜反应器，如果分别作为处理中水的独立单元，其处理后的水质指标如表1所示。
表1：
参数 石笼坝 生物质炭 膜
PH 6.5 6.7 6.7
色度 10 5 5
浊度 582.5 421 0
悬浮物（mg/L） 100 50 30
溶解性固体（mg/L） 2551 1732 500
总氮（mg/L） 8.9 4.5 3
总磷（mg/L） 0.3 0.25 0.15
氨氮（mg/L） 2.5 2.5 0.25
COD（mg/L） 438 280 300
阴离子表面活性剂（mg/L） 7.2 6.5 1.2
经实际检验，本实施例装置中的生态石笼坝、生化池和膜反应器，如果作为处理中水的协同单元，其处理后的水质指标如表2所示。
表2：
参数 石笼坝＋膜 生物质炭＋膜 石笼坝＋生物质炭＋膜
PH 6 6 6.7
色度 10 5 5
浊度 582.5 421 0
悬浮物（mg/L） 28 25 24
溶解性固体（mg/L） 100 90 75
总氮（mg/L） 3.3 3.0 2.8
总磷（mg/L） 0.20 0.19 0.14
氨氮（mg/L） 0.33 0.23 0.23
COD（mg/L） 285 236 180
阴离子表面活性剂（mg/L） 0.22 0.19 0.1
可以看出，本实施例装置有机耦合了生态混凝土、生物质炭和PVDF复合膜的作用机理，充分发挥了物理净化—生物净化—膜分离技术的协同效应，倍增了中水回用处理的实际效果，经本实施例装置处理后的水质完全符合国家城市杂用水水质标准，可以作为城市生活用水，用于绿化浇灌、生活洗涤、盥洗冲厕等用途。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中水回用处理方法，其特征是，包括如下步骤：
利用PVDF复合膜对中水进行膜分离；
所述PVDF复合膜由含有TiO2和g-C3N4的复合改性PVDF制备而成。
2.根据权利要求1所述的中水回用处理方法，其特征是，所述复合改性PVDF的制备，包括如下步骤：
将TiO2与g-C3N4混合，研磨后制得混合粉末；
将PEG加入DMF中，搅拌均匀后，制得混合液；
在混合液中加入PVDF和硅烷偶联剂，搅拌后制得基液；
将混合粉末添入基液中，搅拌均匀，制得复合改性PVDF。
3.根据权利要求2所述的中水回用处理方法，其特征是，TiO2与g-C3N4的质量比为3:1至4:1。
4.根据权利要求1所述的中水回用处理方法，其特征是，所述膜分离包括反渗透、超滤、微滤、纳滤中的任一项。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的中水回用处理方法，其特征是，还包括：利用生态混凝土对中水进行物理净化处理。
6.根据权利要求5所述的中水回用处理方法，其特征是，还包括：利用生物质炭对中水进行生物净化处理。
7.根据权利要求6所述的中水回用处理方法，其特征是，还包括：对中水进行预处理，所述预处理包括过滤。
8.一种中水回用处理装置，其特征是，包括相互连通的生态石笼坝、生化池和膜反应器，所述膜反应器位于生态石笼坝和生化池的下游位置。
9.根据权利要求8所述的中水回用处理装置，其特征是，还包括与生态石笼坝或生化池连通的废水收集机构，所述废水收集机构位于生态石笼坝和生化池的上游位置。
10.根据权利要求8或9所述的中水回用处理装置，其特征是，还包括与膜反应器连通且位于其下游的水质预警系统。
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