CN111533303B - 一种地表水水质净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地表水水质净化装置，包括外筒、内筒、混合单元、絮凝单元，还包括过滤单元、曝气单元和膜滤单元；外筒为顶部开放的筒体，外筒顶部设置有防护伞，外筒底面上设置有放空管；内筒设置在外筒内部，外筒和内筒之间形成过滤腔，内筒顶部开放且底部设置有沉淀单元，本发明装置本发明装置采用浸没式膜滤单元进行过滤，出水水质稳定，除浊效果好，无需另外设置浸没式曝气装置，而且装置的反冲洗过程的进水管与设备的出水管为同一管道无需设置单独的反冲洗管，从而降低了生产成本，提高了工作效率。

Description

一种地表水水质净化装置
技术领域
本发明属于地下水给水技术领域，具体涉及一种地表水水质净化装置。
背景技术
水垢问题一般出现在地下水供水系统中，但在地表水供水系统中也比较常见，如广州西江水源、安徽阜阳茨淮新河、陕西铜川桃曲坡水库等。部分地表水的处理采用纳滤工艺可有效降低水垢，但地表水源中钙镁离子含量即总硬度一般不超标。用户普遍安装反渗透或纳滤的家用净水器，或购置桶装水、小区反渗透水设备出水作为饮用水，其会全部或部分地截留钙镁离子。针对处理高硬度水、去除水垢的技术，有酸碱平衡曝气法，即向水中投加少量酸，将水中产生水垢的碳酸氢根转化为二氧化碳，通过曝气吹脱二氧化碳恢复pH。此工艺不仅能有效去除水垢，还能保证水中的钙、镁离子不流失，且制水成本低。
针对部分地表水中存在的高浊度和高硬度(水垢)问题，基于酸碱平衡曝气法理论的一体化净水设备形式还是较为单一，现有的设备采用了微絮凝-直接过滤(砂滤)工艺，即原水经过混凝后，直接进入砂滤单元进行过滤。虽然水垢问题得到了一定的改善，也解决了目前现有的除浊结构设施+除垢结构设施占地面积大、高程布置困难等问题，但是经过水厂中试试验后发现，水中的浊度问题仍不能得到较好地解决，出水水质不易达标，处理效果并不稳定。另外，研究发现，现有的净水设备在反冲洗时，容易引起滤料泄漏，造成对水的二次污染。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种地表水水质净化装置，超滤工艺具备高精度的分离能力，其产水浊度可控制在0.1NTU以内，该装置集混合、絮凝、沉淀、超滤及曝气多种功能于一身，利用超滤膜对浊度高效稳定的去除能力，通过结构巧妙布置，从而解决现有的设备过滤效果不稳定、出水浊度不达标以及反冲洗装置不合理的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种地表水水质净化装置，包括外筒、内筒、混合单元、絮凝单元，其特征在于，还包括过滤单元、曝气单元和膜滤单元；
所述外筒为顶部开放的筒体，所述外筒顶部设置有防护伞，外筒底面上设置有放空管；
所述内筒设置在外筒内部，所述外筒和所述内筒之间形成过滤腔，所述内筒顶部开放且底部设置有沉淀单元；所述沉淀单元包括泥斗，所述泥斗底端设置有排泥管，所述排泥管从外筒底板穿出；
所述混合单元设置在外筒侧壁上，混合单元一端与进水管连接，另一端与絮凝单元的絮凝管道连接；所述进水管上设置有第一加药管，所述絮凝管道缠绕在外筒内壁上，并延伸到内筒顶部与沉淀单元相连；
所述曝气单元设置在过滤腔底部且曝气单元高于外筒的底面；包括进气管、通气干管和通气支管，所述通气支管沿所述内筒外壁呈环向设置，且与通气干管连通并接入进气管；
所述膜滤单元设置在曝气单元的上方，包括膜丝束支架和中空纤维膜丝束；所述膜丝束支架包括套装在内筒外侧且相对设置的中空上环、中空下环以及两端分别与中空上环和中空下环连通的汇水管，所述中空上环中设置有上集水仓，所述中空下环中设置有下集水仓；中空纤维膜丝束沿中空上环的周向排布，中空纤维膜丝束的上端部封接在上集水仓中，中空纤维膜丝束的下端部封接在下集水仓中，上集水仓的内腔和下集水仓的内腔均与中空纤维膜丝束连通；所述汇水管的顶端连接出水管，所述出水管上还连接有排气管和第二加药管，所述第二加药管与吸水泵相连，所述吸水泵上设置阀门，所述阀门用于在对水质净化装置进行反冲洗时转换水流方向。
进一步的，沿外筒的内壁周向设置有一圈排渣槽，所述排渣槽与排渣管相连。
进一步的，所述中空上环下表面和中空下环上表面的相对位置上开设有若干用于固定中空纤维膜丝束的插接孔。
进一步的，所述混合单元包括管式混合器，所述管式混合器设置在进水管上。
进一步的，所述水质净化装置上还设置有沉淀单元进水管，所述沉淀单元进水管一端与絮凝管道连接，另一端穿过开设在外筒上的第一安装孔和开设在内筒上的第二安装孔进入内筒，所述沉淀单元进水管的末端与布水器相连。
进一步的，所述曝气单元底部与外筒底面之间的距离为50-60mm。
进一步的，所述曝气单元与膜丝束支架之间的距离为180-200mm。
进一步的，所述通气支管为三根等距离排列的微孔曝气管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明装置在过滤腔中设置曝气管可以实现在对CO2气体进行曝气吹脱的同时，令水中的悬浮物附着气泡上升到水面，并对中空纤维膜丝束有效清洁，无需另外设置浸没式曝气装置，从而降低了生产成本，提高了工作效率。
本发明装置中的
(2)本发明装置采用浸没式膜滤单元进行过滤，与现有设备的砂滤工艺相比，本发明装置出水水质稳定，除浊效果好，产水浊度可控制在0.1NTU以内，除浊率高达99％，与现有设备相比，除浊率提高了6％～10％；采用酸碱平衡曝气法达到除垢效果后，水中的钙镁离子经中空纤维膜丝束过滤也能有效被保留，从而提升了饮用水品质，且膜丝束支架和中空纤维膜丝束的设置与装置外筒形状匹配，可合理利用筒内空间，有效节省曝气量。
(3)本发明装置中CO2气体经曝气吹脱后可直接逸出，顶部设置的防护伞可有效防止处理水受到二次污染，与封闭式筒体相比，装置的安装更为方便，操作更简易。
(4)本发明装置中反冲洗过程的进水管与设备的出水管为同一管道无需设置单独的反冲洗管，通过吸水泵处的阀门来改变水流方向，由设备的出水管进水，通过第二加药管投加清洗药剂，反冲洗水由膜丝内部流向外部，接着由外筒底部的放空管排出，从而达到对膜的反冲洗作用。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，其中，(a)为正常运行时的工况图，(b)为反冲洗时的工况图，实线箭头表示水流方向，虚线箭头表示气流方向。
图2(a)是本发明的膜滤单元的结构示意图。
图2(b)是本发明的膜滤单元的俯视图。
图3是曝气单元的俯视图，其中虚线箭头表示气流方向。
图4是排渣槽和排渣管的俯视图，其中实线箭头表示杂质流向。
图中各标号表示为：1-外筒，2-内筒，3-过滤腔，8-膜丝束支架，9-中空纤维膜丝束，11-防护伞，12-进水管，13-第一加药管，14-出水管，15-排气管，16-第二加药管，17-吸水泵，18-放空管，19-第一安装孔，20-第二安装孔；
(4-1)-管式混合器；(5-1)-絮凝管道；
(6-1)-沉淀单元进水管，(6-2)-布水器，(6-3)-泥斗，(6-4)-排泥管；
(7-1)-进气管，(7-2)-通气干管，(7-3)-通气支管；
(8-1)-中空上环，(8-2)-中空下环，(8-3)-汇水管，(8-4)-上集水仓，(8-5)-下集水仓；
(10-1)-排渣槽，(10-2)-排渣管。
以下结合附图和具体实施方式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。
本发明中所用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等序数词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图1至图4所示，本发明公开了一种地表水水质净化装置，包括外筒1、内筒2、混合单元、絮凝单元，其特征在于，还包括过滤单元、曝气单元和膜滤单元；
外筒1为顶部开放的筒体，外筒1顶部设置有防护伞11，外筒1底面上设置有放空管18；防护伞11可防止原水受到二次污染，防护伞11与外筒1之间留有空隙，水质净化装置内的水所含的二氧化碳气体也可以通过空隙排出，放空管18用于排空过滤腔3中的水。
内筒2设置在外筒1内部，外筒1和内筒2之间形成过滤腔3，内筒2顶部开放且底部设置有沉淀单元；沉淀单元包括泥斗6-3，泥斗6-3底端设置有排泥管6-4，排泥管6-4从外筒1底板穿出；沉淀单元用于对地表水中的附着物做沉降处理，比重较大的絮体在沉淀单元中沉淀，经过沉降处理的水通过开放的内筒2的顶部流入过滤腔3中；
混合单元设置在外筒1侧壁上，混合单元一端与进水管12连接，另一端与絮凝单元的絮凝管道5-1连接；进水管12上设置有第一加药管13，絮凝管道5-1缠绕在外筒1内壁上，并延伸到内筒2顶部与沉淀单元相连；混合单元用于快速混合加入水中的混凝剂和少量酸，实现水中颗粒物的快速凝聚，形成稳定的微小絮体；第一加药管13用于向水中添加混凝剂和酸；絮凝管道5-1用于絮凝；
曝气单元设置在过滤腔3底部且曝气单元高于外筒1的底面，包括进气管7-1、通气干管7-2和通气支管7-3，通气支管7-3沿内筒2外壁呈环向设置，且与通气干管7-2连通并接入进气管7-1，空气由进气管7-1通入水质净化装置，通过通气干管7-2将空气输送到各个通气支管7-3中，从而实现对过滤腔3的均匀曝气；曝气单元进行曝气吹脱CO2气体，达到出水的pH值，实现除垢，同时为上方膜滤单元的运行提供曝气清洗作用，无需再设置单独的曝气管道。
膜滤单元设置在曝气单元的上方，包括膜丝束支架8和中空纤维膜丝束9；膜丝束支架8包括套装在内筒2外侧且相对设置的中空上环8-1、中空下环8-2以及两端分别与中空上环8-1和中空下环8-2连通的汇水管8-3，中空上环8-1中设置有上集水仓8-4，中空下环8-2中设置有下集水仓8-5；中空纤维膜丝束9沿中空上环8-1的周向排布，中空纤维膜丝束9的上端部封接在上集水仓8-4中，中空纤维膜丝束9的下端部封接在下集水仓8-5中，上集水仓8-4的内腔和下集水仓8-5的内腔均与中空纤维膜丝束9连通；汇水管8-3的顶端连接出水管14，出水管14上还连接有排气管15和第二加药管16，第二加药管16与吸水泵17相连，吸水泵17上设置阀门，所述阀门用于在对水质净化装置进行反冲洗时转换水流方向。
膜丝束支架8用于固定中空纤维膜丝束9，中空上环8-1的下表面和中空下环8-2上表面的相对位置上开设有若干用于固定中空纤维膜丝束9的插接孔，中空纤维膜丝束9沿外筒1周向插接固定到上下对应的插接孔中，中空纤维膜丝束9之间留有一定间距，排布成帘状，中空纤维膜丝束9由多根具有中空内腔的膜丝组成，中空纤维膜丝的孔径为0.1μm，中空纤维膜丝可以将水中绝大部分悬浮物、胶体以及由混凝剂转变为颗粒状态的溶解性小分子污染物质截留在中空纤维膜丝的外面，从而达到净化的目的。通过吸水泵17进行负压抽吸，可将过滤腔3中的水汇集到出水管14中。
沿外筒1的内壁周向设置有一圈排渣槽10-1，排渣槽10-1与排渣管10-2相连，比重较小的絮体进入排渣槽10-1后经排渣管10-2排出装置。
本发明装置在使用过程中，水中所含的比重较小的絮体会附着气泡上升至水面，从而可以提高除浊效果，加入水中的酸与水中的HCO3-反应生成CO2气体，再利用曝气单元进行曝气吹脱CO2气体，恢复出水的pH值，达到除垢效果；水随后进入膜滤单元，经过中空纤维膜丝束9过滤后汇入膜丝束支架8上部的出水口，在吸水泵17的作用下进入出水管14。
混合单元还包括管式混合器4-1，管式混合器4-1设置在进水管12上，管式混合器4-1用于对加入水中的混凝剂和少量酸快速混合，实现水中颗粒物的快速凝聚。
水质净化装置上还设置有进水管12，进水管12穿过开设在外筒1上的第一安装孔19和开设在内筒2上的第二安装孔20进入内筒2，进水管12与布水器6-2相连。
曝气单元底部与外筒1底面之间的距离为50-60mm，在外筒1底面的沉泥量增多时，可避免曝气单元因被沉泥堵塞而无法正常运行。
曝气单元与膜丝束支架8之间的距离为180-200mm，以便减轻对中空纤维膜丝的直接剧烈冲击，避免断丝。
通气支管7-3为三根等距离排列的微孔曝气管。也可以根据要求设置多根通气支管7-3。
在本实施例中，为便于安装，更具体的，还在内筒2的底部设置了支座，使得内筒2支撑在外筒1底面上，与外筒1底部保持一定距离。
本发明装置的水处理工作原理如下：
原水在混合单元与适量的酸和混凝剂碱式氯化铝(PAC)充分接触，一方面在酸性条件下，水中HCO3-和H+发生如下反应HCO3-+H+＝H2O+CO2↑，使HCO3-无法在受热过程中转化成CO32-，进而无法与水中钙镁离子结合形成难溶的碳酸盐，达到抑制水垢的目的，并保留了水中原有的钙镁离子，在曝气单元内对水中生成的CO2气体进行曝气吹脱，保证出水pH满足《生活饮用水卫生标准》，接近原水pH；另一方面，在混凝剂的作用下，水中的胶体和细微悬浮物凝聚成絮凝体，在沉淀单元利用重力作用进行固液分离，降低原水浊度，在曝气单元水中的小悬浮颗粒附着气泡上升到水面形成浮渣，进一步降低浊度，然后在膜滤单元进行过滤，通过吸水泵在中空纤维膜丝内产生负压，在中空纤维膜丝的两侧形成压力差，水中未被分离的悬浮物、胶体以及由混凝剂转变为颗粒状态的溶解性小分子污染物质被截留在中空纤维膜丝的表面，滤后水随出水管流出，完成水质的净化。研究表明，现有的采用微絮凝-直接过滤(砂滤)的设备出水浊度并不稳定，经检测后多次数据均大于1NTU，不能满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求，本装置的出水浊度可控制在0.1NTU左右，除浊率可达到99％，与现有设备相比提高了6～10％，且更为稳定。
本发明装置的反冲洗工作原理如下：
反冲洗过程中改变吸水泵17的叶轮方向，使得装置的出水管14作为反冲洗过程的进水管，经第二加药管16加药后的反冲洗水由吸水泵17向中空纤维膜丝内正压注入，并充分接触，进行化学清洗，同时，在膜滤单元的底部由曝气单元进行物理曝气清洗，采用这种物理-化学相结合的清洗方法，可以更好地延长中空纤维膜的使用寿命，增强中空纤维膜丝的通量，减缓中空纤维膜丝的污染，提高过滤效率。
本发明装置的水处理过程如下：
原水由进水管12进入，通过第一加药管13向原水中投加适量的酸和混凝剂碱式氯化铝(PAC)，然后，几种物质在管式混合器4-1中快速混合，混合后的水进入缠绕在外筒1内壁上的絮凝管道5-1进行絮凝，经过絮凝之后的水由沉淀单元进水管6-1经第一安装孔19、第二安装孔20进入内筒2；沉淀单元进水管6-1末端连有布水器6-2，用于对内筒2进行均匀布水，通过设置在内筒2底部的沉淀单元对水进行沉降处理，比重大的絮体被沉积在泥斗6-3中，并由穿过外筒1底板的排泥管6-4排出设备外，从而降低了原水的浊度，经过沉降处理的水通过开放的内筒2顶部流入过滤腔3中；在酸性条件下，水中HCO3 -和H+发生如下反应：HCO3 -+H+＝H2O+CO2↑，从而实现除垢，再利用设置在过滤腔3中的曝气单元吹脱CO2气体，无需额外加碱，就可令出水达到要求的pH值，从而确保出水的pH值符合国家饮用水相关标准；在曝气的过程中，比重小的絮体可附着气泡上升至水面，再次降低浊度，过滤腔3中的水通过吸水泵17负压抽吸，进入中空纤维膜丝束9，水中绝大部分悬浮物、胶体以及由混凝剂转变为颗粒状态的溶解性小分子污染物质被中空纤维膜丝的外表面截留，过滤后的水通过膜丝束支架8汇集到出水管14中出水，完成水质净化过程，在中空膜丝束9正常运行时，曝气单元同时对中空纤维膜丝进行曝气清洗，减轻中空纤维膜丝的表面负荷，提高过滤效率。
本发明装置的反冲洗过程如下：
在达到过滤周期后，可以对中空纤维膜丝进行反冲洗，通过控制吸水泵17上的阀门来变换水流方向，转换水流方向后，可将出水管14用作反冲洗过程的进水管，由出水管14进水，通过设置在出水管14上的第二加药管16投加清洗药剂，反冲洗水由出水管14进入膜丝束支架8，进而流入中空纤维膜丝束9，与中空纤维膜丝充分接触，经中空纤维膜丝流入过滤腔3中，同时通过曝气单元进行曝气，实现气水混合反冲洗，完成对中空纤维膜丝的反冲洗过程，过滤腔3中的水由设置在外筒1底部的放空管18排出，在反冲洗与正常运行交替过程中产生的气体由设置在出水管14上的排气管15排出。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种地表水水质净化装置，包括外筒(1)、内筒(2)、混合单元、絮凝单元，其特征在于，还包括过滤单元、曝气单元和膜滤单元；
所述外筒(1)为顶部开放的筒体，所述外筒(1)顶部设置有防护伞(11)，外筒(1)底面上设置有放空管(18)；所述内筒(2)设置在外筒(1) 内部，所述外筒(1)和所述内筒(2)之间形成过滤腔(3)，所述内筒(2)顶部开放且底部设置有沉淀单元；所述沉淀单元包括泥斗(6-3)，所述泥斗(6-3)底端设置有排泥管(6-4)，所述排泥管(6-4)从外筒(1)底板穿出；
所述混合单元设置在外筒(1)侧壁上，混合单元一端与进水管(12)连接，另一端与絮凝单元的絮凝管道(5-1)连接；所述进水管(12)上设置有第一加药管(13)，所述絮凝管道(5-1)缠绕在外筒(1)内壁上，并延伸到内筒(2)顶部与沉淀单元相连；
所述曝气单元设置在过滤腔(3)底部且曝气单元高于外筒(1)底板，包括进气管(7-1)、通气干管(7-2)和通气支管(7-3)，所述通气支管(7-3)沿所述内筒(2)外壁呈环向设置，且与通气干管(7-2)连通并接入进气管(7-1)；
所述膜滤单元设置在曝气单元的上方，包括膜丝束支架(8)和中空纤维膜丝束(9)；所述膜丝束支架(8)包括套装在内筒(2)外侧且相对设置的中空上环(8-1)、中空下环(8-2)以及两端分别与中空上环(8-1)和中空下环(8-2)连通的汇水管(8-3)，所述中空上环(8-1)中设置有上集水仓(8-4)，所述中空下环中(8-2)设置有下集水仓(8-5)；中空纤维膜丝束(9)沿中空上环(8-1)的周向排布，中空纤维膜丝束(9)的上端部封接在上集水仓(8-4)中，中空纤维膜丝束(9)的下端部封接在下集水仓(8-5)中，上集水仓(8-4)的内腔和下集水仓(8-5)的内腔均与中空纤维膜丝束连通；所述汇水管(8-3)的顶端连接出水管(14)，所述出水管(14)上还连接有排气管(15)和第二加药管(16)，所述第二加药管(16)与吸水泵(17)相连，所述吸水泵(17)上设置阀门，所述阀门用于在对水质净化装置进行反冲洗时转换水流方向；
沿所述外筒(1)的内壁周向设置有排渣槽(10-1)，所述排渣槽(10-1)设置在膜滤单元上方，所述排渣槽(10-1)与排渣管(10-2)相连；
所述中空上环(8-1)下表面和中空下环(8-2)上表面的相对位置上开设有若干用于固定中空纤维膜丝束的插接孔。
2.如权利要求1所述地表水水质净化装置，其特征在于，所述混合单元包括管式混合器(4-1)，所述管式混合器(4-1)设置在进水管(12)上。
3.如权利要求1所述地表水水质净化装置，其特征在于，所述水质净化装置上还设置有沉淀单元进水管(6-1)，所述沉淀单元进水管(6-1)一端与絮凝管道(5-1)连接，另一端穿过开设在外筒(1)上的第一安装孔(19)和开设在内筒(2)上的第二安装孔(20)进入内筒(2)，所述沉淀单元进水管(6-1)的末端与布水器(6-1)相连。
4.如权利要求1所述地表水水质净化装置，其特征在于，所述曝气单元底部与外筒(1)底面之间的距离为50-60mm。
5.如权利要求1所述地表水水质净化装置，其特征在于，所述曝气单元与膜丝束支架(8)之间的距离为180-200mm。
6.如权利要求1所述地表水水质净化装置，其特征在于，所述通气支管(7-3)为三根等距离排列的微孔曝气管。
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