CN111977747A - 一种水处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理水的膜分离系统和方法，其中所述的膜分离处理水的系统搭载了微纳米气泡发生器，使得水体中带有以微纳米气泡形式存在气体介质，使得水体处理的下游的膜或多孔膜表面污染物能够因为这些气泡的存在而分解或移除，尤其是氧化性气体存在时。延长了膜或多孔膜的使用寿命，甚至增大膜通量，避免了膜在水体处理中受到的污染。本发明还涉及利用所属系统进行工业废水、生活污水的处理的方法，对现代工业生产排污处理能力和生活环境质量的提高起到了积极的作用。

Description

一种水处理系统和方法
技术领域
本发明涉及一种水处理系统和方法，尤其涉及一种利用膜或多孔膜的水处理方法，属于水处理技术领域。
背景技术
已知的水体中，特别是含有有机物的废水中，有机物种类高达四千万种，同时随着环保要求的提高，水处理更是面临着提排放标准、降低COD等主要排放指标的难题。然而，臭氧由于在水中具有较高的氧化还原点位(2.07V)，在废水处理中正逐渐被用于脱色、除臭、除味、杀菌等。然而臭氧在水体中，利用率并不高。关于如何高效利用臭氧，已有的技术提出了利用臭氧与其他水处理技术结合形成更高效的臭氧高级氧化技术。近年来，利用微纳气泡或其组合正逐渐广泛利用在水处理领域，臭氧与微纳气泡的结合可利用在水处理的一个或多个阶段。
作为选择性屏障的材料，膜或多孔膜(如微孔，纳米多孔、超滤膜、陶瓷膜)能保持对某些粒子，不同孔径分布对于特定分子或物质具有不渗透性。在某种推动力下，例如浓度差、压力差、电位差等，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别实现分离。因此一些物质能选择性的穿过膜，而其他的则不能通过，并积聚在滞留物流中。膜分离系统用于移除或减少液体中特定物质浓度。例如，膜分离系统已被应用于净化工业及家庭的废液。膜分离系统例如具有反渗透膜的系统，也被用于从含盐水供料中通过去除盐和其他杂质来生产淡水。
然而，正是由于膜的选择性通过物质的特点，一些不渗透的物质会覆盖在膜的表面，有些时候甚至会永久性的淤塞。淤塞不仅仅影响膜的使用寿命，还会影响膜的通量，影响使用效率。已知的方法包括：CN102781558B描述了一种在膜或多孔膜表面增加压电性能的方法，其目的是避免膜及多孔膜表面的污染物的淤塞。
反渗透装置通常在现有处理水的系统中起到净化末段水的作用，反渗透装置主要采用反渗透膜对末段水进行超净化。反渗透膜运行成本较高，另外也会产生二次废水；此外，长期使用的反渗透膜的寿命也有限，水中的有机物会吸附在反渗透膜表面对反渗透膜产生不良影响，影响反渗透膜的使用效率。
同时目前的工业和生活污水处理中，并没有使得在线监测和实时反馈处理效果的设备和方法得到满意的推广。其主要的障碍在于，现有技术的水处理设备和实时监测设备成本投入高，包括设备运输、组装、维护成本高，并且处理结果也仅仅局限于专业技术和维护人员在分析处理以及存档。一些急需要知道处理结果的相关方(如企业负责人、管理层人员、监管机构、非政府环境保护组织、认证机构等)和有权了解水处理情况的、生活在工厂周围的居民却不能及时地知晓情况，从而导致一些企业偷排偷放的情况仍然发生。
有鉴于此，有必要提供一种构造简单、成本低、易操作的水处理系统，一方面能够清洁膜或多孔膜，使得膜分离系统维持在良好的性能水平和更长的使用寿命，另一方面又能够及时让需要知道实时处理结果的个人或周边居民，随时随地获知结果，起到了对生产生活用水处理排放的情况给与监督和更好地倒逼改进生产的效果。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明设计了一种处理水的系统，由于在系统中引入了微纳米气泡发生装置，能够对膜分离装置的膜或多孔膜进行实时的清洁处理，并且在流路中段设置一个可连接采样装置的阀门，通过并通过采样导入激光粒度分析仪可以对气泡的直径进行实时检测，从而控制水处理的效果。膜或多孔膜装置处理后的水体进过第二采集装置采集处理后的水体导入色谱仪或光谱仪中，对各类有害物质，尤其是有机物分子或金属离子进行检测，并将结果上传至服务器，作为分析存储数据的载体。并且安装移动终端应用程序，使得急需要知道处理结果的个体和有权了解水处理情况的、生活在工厂周围的居民通过具有显示装备的终端(如智能手机、平板、VR显示设备)上安装APP进入实时查看水处理效果，调整生产和管理策略，并利用所述终端应用程序中设置的论坛进行评论和监督。
为实现上述目的，本发明的膜分离系统的构造包括：从上游到下游依次使用水路管道相互连接的具有出水阀门的待处理水的水槽，第一阀门，以及膜分离装置；在所述的待处理水的水槽和所述的阀门之间连接有微纳米气泡发生器，其与一储气装置或气体发生器装置通过管路连接，所述的膜分离装置具有一出水端。其中所述储气装置或气体发生器装置提供的气体源可使用空气、氧气、氮气、臭氧、氩气、二氧化碳、乙烯、氢气、氦气、氯气等一种或多种，所述膜分离装置可选择具有管型结构，板框式结构，螺旋卷式结构、中空纤维膜结构等一种或多种。
所述膜分离系统中的膜为微孔膜、纳米多孔膜、超滤膜、陶瓷膜、反渗透膜的一种或多种。
可选地，所述第一阀门连接有第一采样装置，采样装置通过采样，将样品引入激光粒度分析仪中分析气泡的直径；所述的微纳米气泡发生器产生的气泡直径为5～500纳米，或 20～100纳米，或30～600纳米。
所述激光粒度分析仪可采用马尔文MalvernInsitec Wet工业级激光粒径分析仪，参见： https://www.malvernpanalytical.com/en/products/product-range/insitec-range/insitec-wet/inde x.html，访问日期：2019年4月23日。或者日本岛津公司生产的SALD-7101Nanoparticle Size Analyzer，参见：https://www.shimadzu.com/an/powder/sald/data/appli/app5.html，访问日期： 2019年4月23日。
微纳米气泡还同时受到布朗运动的影响，较大的微纳米气泡受到布朗运动的影响小，因此振动小。激光散射方法测定的等效半径可根据Stokes-Einstein方程计算得到。
所述用激光散射法测定的气泡粒径为一范围。采用马尔文MalvernInsitec Wet工业级激光粒径分析仪，气泡粒径的分布的可以用三种形式表示，分别是按气体体积归一化的气体粒径分布(图4)、按气泡面积归一化的气体粒径分布(图5)以及按气泡数量归一化的气体粒径分布(图6)。
可选地，所述的出水端连接有出水水路管道，在所述出水水路管道上安装有第二阀门。所述第二阀门用于安装第二采样装置。当处理后的水样经所述第二采样装置采样，使用色谱仪光谱方法进行检测，所述的第二采样装置连接服务器，所述的服务器用于将检测数据存储，以及对所述检测数据进行处理和分析，服务器中安装有色谱或光谱检测数据的操作软件。
可选地，所述服务器(中还安装有应用程序，用于将处理和分析结果上传到所述的应用程序中，让安装有终端应用程序的通讯终端获得该检测结果，并在所述终端应用程序中设置有用于网上交流的平台。
优选地，所述服务器应用程序被设置为不可卸载。
图7说明了为所述服务器(301)服务一部分安装有终端应用程序的通讯终端的说明图，通讯终端包括了(302)笔记本电脑，(303)手机或PDA，(304)移动终端，(305)平板电脑。
本发明另一个目的在于使用上述的水处理系统对工业和生活污水进行处理的方法，其包括如下步骤：
第一步：依次打开待处理水的水槽的出水阀门，开启一储气装置或气体发生器装置，以及微纳米气泡发生器；
第二步，每隔5min通过第一采样装置采集样本，导入激光粒度分析仪分析气泡直径，连续测3-5次，直至气泡直径达到预设直径；其中所述的预设直径为0.2～2000纳米，或2～500 纳米，或20～100纳米，或30～600纳米。
第三步，打开第二阀门，通过第二采样装置采集处理后的样品，导入液相色谱仪或光谱仪中检测，并将检测数据上传至服务器；
第四步，所述服务器处理、分析所述检测数据，并将检测结果上传至服务器应用型程序中，并与安装有APP的终端进行数据分享。
进一步的，在进行第一步之前还包括对所述膜分离装置中的所述膜进行清洗的步骤，其中包括：选择空气、氧气或臭氧作为气体源，打开连接所述第一阀门，通入水，开启一储气装置或气体发生器装置，以及微纳米气泡发生器，每隔5min通过第一采样装置采集样本，导入激光粒度分析仪分析气泡直径，连续至少测4次，直至按气泡数量归一化的平均气泡直径达到10-300nm范围时，完成清洗。
所述液相色谱仪可选择法国诺华赛(Novasep)公司生产的
Figure BDA0002067920460000031
连续型色谱仪，详细参见：
https://www.novasep.com/technologies/varicol-continuous-chromatography-for-indu strial-separations.html，访问日期(2019年5月12日)。
所述方法中的“导入”一词是指包括但不限于通过离子交换柱或比色皿装载样本，通过管路直接引入离子交换柱或比色皿中。
其中所述气体源在一定的条件下为气体，所述气体的温度为0～60摄氏度，或20～30摄氏度；
所述膜分离装置的使用环境为0.1～5个大气压，或1～1.5个大气压，或1.2～3.5个大气压。
形成纳米气泡清洁膜或多孔膜的表面机理并不完全被理解。一个可能的解释是水中能够形成液-气相界面，并且由于尺度小，其比表面积巨大。其中一个有益效果是通过其气泡的界面带走膜或多孔膜上的淤塞物，并有可能防止污染物的再次淤塞。纳米气泡形成及其具有清洁膜或多孔膜的作用作用机理不能完全被现有理论解释。Zhu,J.等人(2016).Cleaning with Bulk Nanobubbles.Langmuir,32(43),11203–11211.提出一个可能的机理示意图8所示，纳米气泡通过其表面的亲水/疏水界面吸附基底膜上的污染物并将其移除。
另一个可能的解释是，由于纳米气泡尺度之小，虽然在水体中不易发生上浮，但由于其存在热力学不稳定，气相界面容易发生破裂。含有氧化性气体容易在水中形成大量自由基，从而降解了一部分有机分子，这部分小分子因而不能在膜上沉积，从而延长了使用寿命。
在所述系统中，还可以在水体中加入表面活性剂，用以进一步稳定所述纳米气泡。所述表面活性剂可加入阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性离子表面活性剂、非离子表面活性剂等一种或多种。例如可选：N酰基氨基酸表面活性剂，非离子烷基酚乙氧化物表面活性剂，烷基胺氧化物，两性离子表面活性剂为基础的甜菜碱，两性甘氨酸酯表面活性剂，烷基硫酸盐阴离子表面活性剂，烷基胺氧化物阳离子表面活性剂，烷基醚硫酸盐阴离子表面活性剂，月桂基硫酸钠，胺氧化物表面活性剂等一种或多种。
所述表面活性剂的添加量为待处理水的0.05～100PPM，或0～200PPM，或50～400PPM。
通过上述的系统，能够使得气体形成气泡溶入水体中，输运至所述含有膜的装置上，对膜或多孔膜表面集聚的物质进行清洗，保持膜或多孔膜产期洁净，从而延长使用寿命。通过将处理后的水的数据上传服务器，实现处理结果的共享，实现相关人员对检测结果进行查看，管理和监督。促使生产企业改进生产方法，进一步减少污染物排放。
附图说明
图1为本发明的水处理系统的一个实施例方式的构造图；
图2为本发明的水处理装置的另一个实施方式的构造图；
图3为本发明的水处理装置的另一个实施方式的构造图；
图4为按气体体积归一化的气体粒径分布图；
图5为按气泡面积归一化的气体粒径分布图；
图6为按气泡数量归一化的气泡粒径分布图；
图7为安装有数据采集、存储、分析的服务器与终端的网络拓扑图；
图8为气泡清洁膜表面污染物的一种机理图；
图1～3中：(100)待处理水的水槽，(101)储气装置或气体发生器装置，(102)微纳米气泡发生器，(103)第一阀门；(104)膜分离装置，(105)第一出水端，(106)第一第二阀门，(107)第二出水端，(108)第二第二阀门，(109)第二采样装置，(110)第一采样装置， (200)服务器。
具体实施方式
以下结合具体的实施例来说明本发明的水处理系统的构建和水处理方法。
实施例一：
如图1，在25℃，0.99个大气压的使用条件下，依次用水路管道相互连接具有出水阀门的待处理水的水槽(100)，第一阀门(103)，以及膜分离装置(104)，此处所述膜分离装置采用陶瓷膜，为陶瓷超滤膜，膜的孔径范围2～50纳米；在所述的待处理水的水槽(100)和所述的阀门之间再连接微纳米气泡发生器(102)，其与一储气装置(101)通过管路连接，所述的膜分离装置(104)具有一出水端(105)。所述储气装置贮存有氧气、氮气混合气体(氧气体积百分比为21％)，所述膜分离装置(104)具有管型结构。
依次打开连接第一阀门，通入循环水(利用所述的出水端出水并循环)，开启一储气装置或气体发生器装置，以及微纳米气泡发生器每隔5min通过第一采样装置(110)采集样本，导入激光粒度分析仪分析气泡直径，连续测至少4次，直至按气泡数量归一化的平均气泡直径达到200nm或以下时，开启第一阀门(103)对膜分离装置(104)进行清洗。
实施例二：
如图2，在28℃，1个标准大气压的使用条件下，依次用水路管道相互连接具有出水阀门的待处理水的水槽(100)，第一阀门(103)，以及膜分离装置(104)，其中此处所述膜分离装置使用的膜为反渗透膜；在待处理水的水槽(100)和阀门之间再连接微纳米气泡发生器(102)，其与气体发生器装置(101)通过管路连接，膜分离装置(104)具有第一出水端(105)与第二出水端(107)。气体发生器装置具有气体源，使用氧气、氢气混合气体 (氧气体积百分比为90％)，所述膜分离装置(104)具有管型结构。所述的第一出水端(105) 连接有反渗透废水出水水路管道(图中未示出)，在所述出水水路管道上安装有第一第二阀门(106)。所述第二出水端(107)连接有出水水路管道。
依次打开连接第一阀门，通入循环水(利用所述的出水端出水并循环)，开启一储气装置或气体发生器装置，以及微纳米气泡发生器每隔5min通过第一采样装置(110)采集样本，导入激光粒度分析仪分析气泡直径，连续测至少4次，直至按气泡数量归一化的平均气泡直径达到500nm或以下时，开启第一阀门(103)对膜分离装置(104)进行清洗。
检测时，依次打开待处理水的水槽的出水阀门，开启一储气装置或气体发生器装置(101)，以及微纳米气泡发生器(102)。第一阀门(103)连接第一流量仪作为第一采样装置，所述流量仪通过第一采样装置(110)，将样品引入激光粒度分析仪中分析气泡的直径，每隔5min 检测一次，检测3次或以上。发现按气泡数量归一化后的平均气泡直径小于等于500nm时，打开第二第二阀门(108)，通过采样(图中未示出)，使用光谱仪分析水中的染色剂含量，具体是采样3毫升与比色皿中，使用比色法分析发光。将检测数据发送到服务器，在服务器中通过光谱仪中的操作软件按照标准曲线法计算出染色剂含量，形成处理报告，写入服务器应用程序中。此时，如果用户通过手机打开安装的终端应用程序(APP)，即查询到所述的处理报告，并分析水处理效果，在APP中的论坛发表意见和建议，与其他用户一起交流。
实施例三：
如图3，在20℃,1个标准大气压使用条件下，依次用水路管道相互连接具有出水阀门的待处理水的水槽(100)，第一阀门(103)，以及膜分离装置(104)，其中所述(104)膜分离装置使用的膜或多孔膜为反渗透膜；在待处理水的水槽(100)和阀门之间再连接微纳米气泡发生器(102)，其与一储气装置或气体发生器装置(101)通过管路连接，膜分离装置(104)具有第一出水端(105)。气体发生器装置具有气体源臭氧，所述膜分离装置(104) 使用的膜为反渗透膜，其膜分离装置具有套管型结构。所述的第一出水端(105)连接有出水水路管道，在出水水路管道上安装有第一第二阀门(106)。
依次打开连接第一阀门，通入循环水(利用所述的出水端出水并循环)，开启一储气装置或气体发生器装置，以及微纳米气泡发生器每隔5min通过第一采样装置(110)采集样本，导入激光粒度分析仪分析气泡直径，连续测至少4次，直至按气泡数量归一化的平均气泡直径达到150nm或以下时，开启第一阀门(103)对膜分离装置(104)进行清洗。
检测时，依次打开待处理水的水槽的出水阀门，开启一储气装置或气体发生器装置(101)，以及微纳米气泡发生器(102)。第一阀门(103)连接第一流量仪作为第一采样装置(110)，所述流量仪通过采样。将样品引入激光粒度分析仪中分析气泡的直径，每隔5min检测一次，每个检测5次或以上。发现按气泡数量归一化后的气泡平均直径小于等于150nm时，打开第二第二阀门(108)，通过第二采样装置(109)采样，使用色谱方法分析水中的重金属含量，具体是采样通入离子交换柱中进行离子交换，并进行检测。将检测数据发送到服务器(200)，在服务器(200)中通过光谱仪中的操作软件按照标准曲线法计算出重金属含量，形成处理报告，写入服务器应用程序中。此时，如果用户通过手机打开安装的终端应用程序(APP)，即查询到所述的处理报告，并分析水处理效果，在APP中的论坛发表意见和建议，与其他用户一起交流。
通过上述实施例我们搭建了水处理系统，并对水体中的染色剂和重金属进行检测。都可以实现手机终端的处理报告的共享，让企业负责人或管理层人员，以及工厂周边的居民获得，在论坛上进行交流，促进生产改善和排放达标。

Claims (13)

1.一种水处理系统，包括水源槽，第一阀门，膜分离装置，依次使用水路管道相互连接，所述水源槽具有一个出水阀门，用于储备待处理液体，所述膜分离装置中含有膜或多孔膜，并具有至少一个出水端，其特征在于，在所述的水源槽和所述的第一阀门之间连接有微纳米气泡发生器，所述的微纳米气泡发生器与一储气装置或气体发生器装置通过管路连接。
2.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述第一阀门连接有第一采样装置，采样装置通过采样，将样品导入激光粒度分析仪中分析气泡的直径。
3.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生器，其特征在于，所述的微纳米气泡发生器产生的气泡直径为5～1500nm。
4.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述储气装置或气体发生器装置的气体源为空气、氧气、氮气、臭氧、氩气、二氧化碳、乙烯、氢气、氦气、氯气中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述的膜分离装置为管型结构，板式结构，多孔式结构、螺旋卷式结构、中空纤维膜结构中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述膜分离系统中的膜为微孔膜，纳米多孔膜、超滤膜、陶瓷膜、反渗透膜的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述膜分离装置的使用环境为0.1～5个大气压，或1～1.5个大气压，或1.2～3.5个大气压。
8.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述膜分离装置的出水端连接有至少一个出水水路管道，在所述出水水路管道上安装有第二阀门，所述第二阀门用于连接第二采样装置；打开所述第二阀门，使处理后的水样经所述第二采样装置采样，将所述水样导入第二采样装置进行检测，所述的第二采样装置采用液相色谱或光谱检测水质；检测数据连接服务器，所述的服务器用于将检测数据存储，以及对所述检测数据进行处理和分析，所述的服务器中安装有色谱或光谱检测数据的操作软件。
9.根据权利要求8所述的水处理系统，其特征在于，所述服务器中还安装有应用程序，用于将处理和分析结果上传到所述的应用程序中，让安装有终端应用程序的具有显示装置的通讯终端获得所述的处理和分析结果，并在所述的终端应用程序中设置有用于在线交流的平台。
10.根据权利要求9所述的水处理系统，其特征在于，所述服务器应用程序被设置为不可卸载。
11.一种使用如权利要求1-10中任一项所述的水处理系统对水进行的水处理方法，其特征在于：
第一步：依次打开水源槽的出水阀门，开启一储气装置或气体发生器装置，以及微纳米气泡发生器；所述储气装置或气体发生器装置提供的气体源为空气、氧气、氮气、臭氧、氩气、二氧化碳、乙烯、氢气、氦气、氯气等中的一种或多种；
第二步，每隔5min通过第一采样装置采集样本，导入激光粒度分析仪分析气泡直径，连续测至少3次，直至按气泡数量归一化的平均气泡直径小于等于预设直径；
第三步，打开第二阀门，通过第二采样装置采集处理后的样品，导入色谱仪或光谱仪中检测，并将检测数据上传至服务器；
第四步，所述服务器处理、分析所述检测数据，并将检测结果上传至服务器应用型程序中。
12.根据权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，所述预设直径为10～1500nm，或50～1500nm。
13.根据权利要求12所述的水处理方法，其特征在于，在进行第一步之前还包括对所述膜分离装置中的所述膜进行清洗的步骤，其包括：选择空气、氧气或臭氧作为气体源，打开连接所述第一阀门，通入水，开启一储气装置或气体发生器装置，以及微纳米气泡发生器，每隔5min通过第一采样装置采集样本，导入激光粒度分析仪分析气泡直径，连续至少测4次，直至按气泡数量归一化的平均气泡直径达到10-300nm范围时，完成清洗。
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