CN112591965A - 一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置及其运行方法，涉及一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置及运行方法。是要解决现有水处理工艺中膜前预处理对小分子去除的同时，对藻类胞外聚合物引起的膜污染处理效果差的问题。该装置包括进水管、次氯酸钠投加罐、亚铁投加罐、光化学反应区、膜滤净水区、出水管和反冲洗管，进水管通过进水泵与光化学反应区的进水口连接，光化学反应区的出水口通过光化学反应区出水泵与膜滤净水区的进水口连接，膜滤净水区的出水口通过三通分别连接出水管和反冲洗管。本发明利用亚铁离子和紫外光对次氯酸钠的活化特性，实现污染物的高效去除与膜分离效率提升。本发明应用于膜法水处理技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及膜法水处理技术领域，尤其涉及一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置及运行方法。
背景技术
超滤膜分离技术由于其处理效果好，占地面积小，运行管理简单等优点成为了水处理领域的热点之一。但是超滤对于水中的残留农药、个人护理物、抗生素、毒性难降解小分子等微量污染物去除效果有限，且在长期运行中容易出现膜污染累积的问题，限制了超滤膜分离的进一步发展与工程推广。
发展新型膜工艺是解决上述问题的一个有效手段，通过膜滤出水后处理可以降低出水有机物含量，通过氧化、吸附、混凝等膜前预处理方法则可以在微量污染物的同时减轻膜污染，提升水质并且降低膜单元能耗。然而传统的预处理方法效果往往不佳，对于污染物的去除有限，膜污染缓解效能较低。
以紫外光强化为基础的高级氧化技术逐步走进了水处理行业，有研究表明紫外/过硫酸盐膜前预处理对阿特拉津等小分子有一定的去除效果，但是对藻类胞外聚合物引起的膜污染缓解效果不佳。因此，基于同时去除微污染和缓解膜污染的目的，有必要开发新型膜前预处理工艺，提升膜滤净水效能。
发明内容
本发明是要解决现有水处理工艺中膜前预处理对小分子去除的同时，对藻类胞外聚合物引起的膜污染处理效果差的问题，提供一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置及其运行方法。
本发明亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置包括进水管、次氯酸钠投加罐、亚铁投加罐、光化学反应区、膜滤净水区、出水管和反冲洗管，所述进水管通过进水泵与光化学反应区的进水口连接，所述光化学反应区的出水口通过光化学反应区出水泵与膜滤净水区的进水口连接，膜滤净水区的出水口通过三通分别连接出水管和反冲洗管；
进水管的进水口与进水泵之间设有进水阀门，进水泵与光化学反应区之间设有次氯酸钠投加罐和亚铁投加罐，膜滤净水区的进水口出设有膜滤净水区进水阀门，膜滤净水区的出水口处设有压力监测器，出水管上设有出水泵，出水泵与膜滤净水区的出水口之间设有膜滤净水区出水阀门，反冲洗管上设有反冲洗泵，反冲洗泵与膜滤净水区的出水口之间设有反冲洗阀门；
所述光化学反应区内设有两个紫外灯、石英反应器和光化学反应区搅拌器，所述光化学反应区搅拌器设置在石英反应器的内部，其中一个紫外灯设置在石英反应器的上方，另一个紫外灯置在石英反应器的下方；
所述膜滤净水区内底部设置溢流堰，溢流堰将膜滤净水区内部分隔为微絮凝反应区和浸没式膜池区，微絮凝反应区内设置有微絮凝搅拌器，微絮凝反应区的底部设有斜坡，微絮凝反应区的底部位于斜坡的最低处设有微絮凝反应区排泥阀，所述浸没式膜池区中设置有超滤膜组件，浸没式膜池区的底部设有浸没式膜池区排泥阀。
进一步的，所述光化学反应区封闭并遮光。
进一步的，所述石英反应器的深度为4～8cm。
进一步的，所述次氯酸钠投加罐投加的药剂为新鲜配制的次氯酸钠浓溶液，投加量为1～4mg/L。亚铁投加罐内的药剂为硫酸亚铁或氯化亚铁，投加量为7.5～30μmol/L。
进一步的，所述超滤膜组件采用中空纤维膜组件，为外压式，膜截留分子量为20kDa、50kDa、100kDa或150kDa。
上述装置的运行方法，按以下步骤进行：
一、启动进水泵，使原水通过进水管进入光化学反应区，同时打开次氯酸钠投加罐与亚铁离子投加罐，向原水中投加药剂，使药剂在光化学反应区前混合；
二、投加药剂的原水进入光化学反应区内的石英反应器，打开紫外灯，同时启动光化学反应区搅拌器；
三、光化学反应区的出水进入膜滤净水区的微絮凝反应区，在微絮凝搅拌器搅拌的作用下形成微絮凝的絮体，絮体在重力作用下沉降至微絮凝反应区底部，同时上清液通过溢流作用从溢流堰进入浸没式膜池区；
四、启动出水泵，浸没式膜池区中的颗粒物被超滤膜组件分离截留在浸没式膜池区中，净化的出水通过出水管排出；
五、对超滤膜组件进行反冲洗时，关闭出水泵，打开反冲洗泵，净化的水通过管路进入超滤膜组件并透过膜，对膜污染物进行水力清洗；反冲洗完成时关闭反冲洗泵，等浸没式膜池区中水位淹没过超滤膜组件后，开启出水泵，继续净水。
进一步的，所述步骤一中的次氯酸钠的投加量为1～4mg/L，亚铁离子的投加量为7.5～30μmol/L。
进一步的，所述步骤二中紫外灯为低压汞灯，紫外光的辐照剂量为720～1440mJ/cm2。
进一步的，所述步骤四中超滤膜组件的膜运行压力为40～80kPa。
进一步的，所述步骤五中反冲洗周期为60～600分钟。
本发明装置利用亚铁离子和紫外光对次氯酸钠的活化特性，实现污染物的高效去除与膜分离效率提升。将其应用在膜分离工艺的预处理中，提供一种集化学氧化、微絮凝与膜分离于一体的耦合超滤净水装置，其净水原理如下所示：
(1)在光化学反应区，亚铁离子和紫外光协同作用下，能够与水中投加的次氯酸钠迅速生成氯自由基、羟基自由基和三价铁，自由基与水中的有机物尤其是有机物中的不饱和键反应，将进水中的有机污染物氧化分解。
(2)在膜滤净水区的微絮凝反应区，加速生成的三价铁在搅拌过程中通过微絮凝作用与胶体、大分子有机物形成较大絮体，同时吸附水中的未被氧化去除的小分子微量有机物和氧化中间产物，最终通过沉降去除，降低了膜单元的有机物负荷，缓解了后续过滤中的膜污染现象。
(3)浸没式膜池区中对于未沉降的部分絮体和部分分子量较大的有机物通过拦截去除，对水中的细菌、微生物进行分离并从底部排出，从而稳定地提升出水水质。
本发明的有益效果：
(1)本发明构建了亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置，将光化学反应与膜分离相结合，强化了颗粒物、胶体和微量有机物的同步去除，缓解了有机物引起的膜污染。
(2)本发明同步利用亚铁药剂和紫外光实现次氯酸钠的活化，大大提升了氧化能力，显著改善净水效能。
(3)本发明将氧化与微絮凝的预处理融合在一个装置中，提出了膜前预处理工艺的复合方法，通过光化学反应区内的协同强化氧化反应，将水中的大分子有机物(分子量5000～25000Da)分解为分子量较小的有机物碎片(分子量1000～5000Da或<1000Da)，并将部分小分子量有机物矿化降解，并且在光化学反应后形成了具有絮凝性质的三价铁。在水中有机物分子量降低的情况下，三价铁在絮凝反应区内更容易形成絮体沉降，因此本发明的反应过程在光化学反应区内强化了氧化能力，同时也提升了絮凝反应区内的微絮凝效果。
此外，本发明是在光化学强化氧化反应的过程中原位生成了具有良好絮凝效果的三价铁。因此，本发明中光化学反应区的氧化作用与三价铁生成是同时一步完成的，充分利用了亚铁至三价铁过程中的电子转移，实现对有机物的氧化降解，不同于传统氧化剂与絮凝剂的分段/分别投加。且本反应在亚铁对次氯酸根的活化生成了大量的氯自由基与羟基自由基，比传统的药剂氧化能力更强。
(4)本发明对于以牛血清蛋白为主体的进水可以实现有机碳的去除，并降低跨膜压差。由于胞外聚合物引起膜污染的主要成分也是类蛋白物质，因此同样可以缓解膜污染。本发明很好的解决了藻类胞外聚合物引起的膜污染问题。
(5)本发明根据进水水质可以适当调整，选择单独紫外活化次氯酸钠或者亚铁活化次氯酸钠的预处理应对原水水质较好的情况，降低运行能耗。
(6)本发明所设装置一体化程度较高，整体分为两个单元，便于安装或运输，使用灵活，并可在实际应用中与其他装置组合使用。本发明中各单元分工明确，协同净水，运行简单且出水水质稳定。
附图说明
图1为本发明亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的结构示意图。
图2为石英反应器的结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置包括进水管24、次氯酸钠投加罐3、亚铁投加罐4、光化学反应区5、膜滤净水区30、出水管22和反冲洗管23，所述进水管24通过进水泵2与光化学反应区5的进水口连接，所述光化学反应区5的出水口通过光化学反应区出水泵10与膜滤净水区30的进水口连接，膜滤净水区30的出水口通过三通分别连接出水管22和反冲洗管23；
进水管24的进水口与进水泵2之间设有进水阀门1，进水泵2与光化学反应区5之间设有次氯酸钠投加罐3和亚铁投加罐4，膜滤净水区30的进水口出设有膜滤净水区进水阀门11，膜滤净水区30的出水口处设有压力监测器21，出水管22上设有出水泵18，出水泵18与膜滤净水区30的出水口之间设有膜滤净水区出水阀门17，反冲洗管23上设有反冲洗泵20，反冲洗泵20与膜滤净水区30的出水口之间设有反冲洗阀门19；
所述光化学反应区5内设有两个紫外灯6、石英反应器7和光化学反应区搅拌器8，所述石英反应器7通过石英反应器支撑架9固定在光化学反应区5的内部，所述光化学反应区搅拌器8设置在石英反应器7的内部，其中一个紫外灯6设置在石英反应器7的上方，另一个紫外灯6置在石英反应器7的下方；
由于紫外光在水溶液的传输过程中会出现能量损耗的现象，因此对于光化学反应区内的石英反应器厚度有一定的要求，不可过深。同时，如果单侧光照的情况，反应器厚度只能保持在4～5cm，限制了反应体积，本发明中通过上下同时布有紫外灯，扩大了反应器深度，增大了有效反应体积，减少了紫外光在水中的损耗，可以处理更大流量的进水。
所述膜滤净水区30内底部设置溢流堰15，溢流堰15将膜滤净水区30内部分隔为微絮凝反应区和浸没式膜池区，微絮凝反应区内设置有微絮凝搅拌器12，微絮凝反应区的底部设有斜坡13，微絮凝反应区的底部位于斜坡13的最低处设有微絮凝反应区排泥阀14，所述浸没式膜池区中设置有超滤膜组件16，浸没式膜池区的底部设有浸没式膜池区排泥阀25。
进一步的，在水泵2和与水泵2最接近的药剂投加罐之间设置止回阀。
进一步的，所述光化学反应区5封闭并遮光，光化学反应区遮光的目的是为了防止紫外光向反应器外部辐照，减少对反应器其他易氧化器件或对人体的伤害。所述石英反应器7的深度为4～8cm。紫外光在水溶液中穿透过程中，会造成能量与辐照强度的损失，当反应空间的深度超过10cm时，紫外光难以穿透至本光化学反应区的中心部位，造成紫外活化效能的不完全。因此选择4～8cm的石英反应器深度。
所述次氯酸钠投加罐3投加的药剂为新鲜配制的次氯酸钠浓溶液，投加量为1～4mg/L。亚铁投加罐4内的药剂为硫酸亚铁或氯化亚铁，投加量为7.5～30μmol/L。
所述光化学反应区搅拌器8设置在石英反应器7的中心。
所述超滤膜组件16采用中空纤维膜组件，为外压式，膜截留分子量为20kDa、50kDa、100kDa或150kDa。
上述净水装置的运行方法，按以下步骤进行：
一、启动进水泵2，使原水通过进水管24进入光化学反应区5，同时打开次氯酸钠投加罐3与亚铁离子投加罐4，投加次氯酸钠和硫酸亚铁，使药剂在光化学反应区前混合；
二、投加药剂的原水进入光化学反应区5内的石英反应器7，打开紫外灯6，同时启动光化学反应区搅拌器8，通过亚铁和紫外辐照的协同活化，与原水中的有机物进行氧化反应；光化学反应区搅拌器的搅拌速度为10～20r/min；
三、光化学反应区5的出水进入膜滤净水区30的微絮凝反应区，在微絮凝搅拌器12搅拌的作用下形成微絮凝的絮体，絮体在重力作用下沉降至微絮凝反应区底部，同时上清液通过溢流作用从溢流堰15进入浸没式膜池区；
四、启动出水泵18，浸没式膜池区中的颗粒物被超滤膜组件16分离截留在浸没式膜池区中，净化的出水通过出水管22排出；
对超滤膜组件16进行反冲洗时，关闭出水泵18，打开反冲洗泵20，净化的水通过管路进入超滤膜组件16并透过膜，对膜污染物进行水力清洗。反冲洗周期为60～600分钟。
反冲洗完成时关闭反冲洗泵20，等浸没式膜池区中水位淹没过超滤膜组件16后，开启出水泵18，继续净水。
进一步的，步骤一中次氯酸钠的投加量为1～4mg/L，亚铁离子的投加量为7.5～30μmol/L。
所述紫外灯6为低压汞灯，紫外光的辐照剂量为720～1440mJ/cm2。
所述超滤膜组件16的运行压力为40～80kPa。
所述微絮凝搅拌器12的搅拌速度为20～30r/min。
本发明的工作原理：
原水中投加药剂后，进入光化学反应区5，紫外灯6产生的紫外光垂直辐照在石英反应器7的上下两面，与石英反应器7中的药剂混合原水产生光化学作用，同时启动搅拌器8，缓慢搅拌不产生明显水力波动，同时使得药剂与原水中有机物的反应均匀，混合原水在协同光化学反应后通过光化学反应区出水泵10进入膜滤净水区30，
在微絮凝搅拌器12的缓慢搅动下，与水中新生的三价铁产生微絮凝反应，将水中有机物形成絮体并沉降到微絮凝反应区的底部斜坡13，运行3～4个周期后打开微絮凝反应区排泥阀14将部分沉泥排出，排泥时间为2～5分钟，微絮凝反应区的上清液通过溢流堰15溢流至浸没式膜池区。
浸没式膜池区中的上清液在出水泵17的抽吸下将水通过超滤膜组件16过滤，抽吸压力为30～80kPa，净化后的水通过出水管22排出，运行压力由压力监测器21记录监控，运行周期间通过反冲洗泵20将净化后的水反向压送至超滤膜组件16，每次反冲洗产生的反冲洗浓水通过浸没式膜池区排泥阀25排出。
具体实施方式二：
本实施方式采用上述亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置进行污水的处理，运行的具体参数是：次氯酸钠的投加量为2mg/L，亚铁的投加量为15μmol/L，紫外辐照强度为720mJ/cm2，超滤膜组件的膜截留分子量为100kDa。
原水水质：牛血清蛋白10mg/L，浊度3.2～4.7NTU，溶解性有机碳浓度4.3～4.9mg/L，微污染物阿特拉津浓度为100μg/L。
处理后的出水水质：浊度0.1NTU，溶解性有机碳浓度3.6～3.9mg/L，微污染物阿特拉津浓度为9μg/L。
膜组件跨膜压差：33.2～35.5kPa。
具体实施方式三：
本实施方式采用上述亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置进行污水的处理，运行的具体参数是：次氯酸钠的投加量为4mg/L，亚铁的投加量为30μmol/L，紫外辐照强度为720mJ/cm2，超滤膜组件的膜截留分子量为100kDa。
原水水质：腐植酸10mg/L，浊度2.5～3.5NTU，溶解性有机碳浓度4.4～4.8mg/L，微污染物阿特拉津浓度为100μg/L。
处理后的出水水质：浊度0.1NTU，溶解性有机碳浓度3.3～3.7mg/L，微污染物阿特拉津浓度为7μg/L。
膜组件跨膜压差：28.9～32.5kPa。
具体实施方式四：
本实施方式采用上述亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置进行藻源胞外聚合物污染水的处理，运行的具体参数是：次氯酸钠的投加量为4mg/L，亚铁的投加量为30μmol/L，紫外辐照强度为720mJ/cm2，超滤膜组件的膜截留分子量为100kDa。
原水水质：藻源胞外聚合物溶液10mg/L，浊度2.5～3.5NTU，溶解性有机碳浓度4.2～4.5mg/L，微污染物微囊藻毒素浓度为4.20μg/L。
处理后的出水水质：浊度0.1NTU，溶解性有机碳浓度3.1～3.5mg/L，微污染物微囊藻毒素浓度为0.86μg/L。
膜组件跨膜压差：29.2～33.2kPa。
Claims (12)
1.一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置，其特征在于该装置包括进水管、次氯酸钠投加罐、亚铁投加罐、光化学反应区、膜滤净水区、出水管和反冲洗管，所述进水管通过进水泵与光化学反应区的进水口连接，所述光化学反应区的出水口通过光化学反应区出水泵与膜滤净水区的进水口连接，膜滤净水区的出水口通过三通分别连接出水管和反冲洗管；
进水管的进水口与进水泵之间设有进水阀门，进水泵与光化学反应区之间设有次氯酸钠投加罐和亚铁投加罐，膜滤净水区的进水口出设有膜滤净水区进水阀门，膜滤净水区的出水口处设有压力监测器，出水管上设有出水泵，出水泵与膜滤净水区的出水口之间设有膜滤净水区出水阀门，反冲洗管上设有反冲洗泵，反冲洗泵与膜滤净水区的出水口之间设有反冲洗阀门；
所述光化学反应区内设有两个紫外灯、石英反应器和光化学反应区搅拌器，所述光化学反应区搅拌器设置在石英反应器的内部，其中一个紫外灯设置在石英反应器的上方，另一个紫外灯置在石英反应器的下方；
所述膜滤净水区内底部设置溢流堰，溢流堰将膜滤净水区内部分隔为微絮凝反应区和浸没式膜池区，微絮凝反应区内设置有微絮凝搅拌器，微絮凝反应区的底部设有斜坡，微絮凝反应区的底部位于斜坡的最低处设有微絮凝反应区排泥阀，所述浸没式膜池区中设置有超滤膜组件，浸没式膜池区的底部设有浸没式膜池区排泥阀。
2.根据权利要求1所述的一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置，其特征在于所述光化学反应区封闭并遮光。
3.根据权利要求1或2所述的一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置，其特征在于所述石英反应器的深度为4～8cm。
4.根据权利要求3所述的一种亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置，其特征在于所述超滤膜组件采用中空纤维膜组件，为外压式，膜截留分子量为20kDa、50kDa、100kDa或150kDa。
5.如权利要求1所述亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、启动进水泵，使原水通过进水管进入光化学反应区，同时打开次氯酸钠投加罐与亚铁离子投加罐，向原水中投加药剂，使药剂在光化学反应区前混合；
二、投加药剂的原水进入光化学反应区内的石英反应器，打开紫外灯，同时启动光化学反应区搅拌器；
三、光化学反应区的出水进入膜滤净水区的微絮凝反应区，在微絮凝搅拌器搅拌的作用下形成微絮凝的絮体，絮体在重力作用下沉降至微絮凝反应区底部，同时上清液通过溢流作用从溢流堰进入浸没式膜池区；
四、启动出水泵，浸没式膜池区中的颗粒物被超滤膜组件分离截留在浸没式膜池区中，净化的出水通过出水管排出；
五、对超滤膜组件进行反冲洗时，关闭出水泵，打开反冲洗泵，净化的水通过管路进入超滤膜组件并透过膜，对膜污染物进行水力清洗；反冲洗完成时关闭反冲洗泵，等浸没式膜池区中水位淹没过超滤膜组件后，开启出水泵，继续净水。
6.根据权利要求5所述的亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于所述步骤一中次氯酸钠的投加量为1～4mg/L。
7.根据权利要求5或6所述的亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于亚铁离子的投加量为7.5～30μmol/L。
8.根据权利要求7所述的亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于所述步骤二中紫外灯为低压汞灯，紫外光的辐照剂量为720～1440mJ/cm2。
9.根据权利要求7所述的亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于所述步骤四中超滤膜组件的膜运行压力为40～80kPa。
10.根据权利要求7所述的亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于所述步骤五中反冲洗周期为60～600分钟。
11.根据权利要求7所述的亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于步骤二中光化学反应区搅拌器的搅拌速度为10～20r/min。
12.根据权利要求7所述的亚铁/紫外协同活化次氯酸钠耦合超滤净水的装置的运行方法，其特征在于步骤三中微絮凝搅拌器的搅拌速度为20～30r/min。
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