CN113800611A - 一种给排水深度消毒系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种给排水深度消毒系统及方法，包括通过管路依次连接的臭氧发生装置(1)、气液混合装置(2)、毫米气泡分离罐(3)、微米气泡分离罐(4)和消毒池(6)，其中毫米气泡分离罐(3)和微米气泡分离罐(4)顶部通过气体回流管路(5)返回连接至气液混合装置(2)的进气口，所述的消毒池(6)的回流水与气液混合装置(2)的进水口连接。与现有技术相比，本发明采用臭氧纳米气泡胶体溶液消毒，提高臭氧利用率及消毒彻底性、长效性和经济性。

Description

一种给排水深度消毒系统及方法
技术领域
本发明涉及一种给排水的消毒方法，更具体的涉及一种给排水深度消毒系统。
背景技术
给排水包含市政给排水和建筑给排水。给水方面，自来水厂将处理过后符合生产、生活用水标准的自来水输送到用水企业、单位与居民生产生活各个场所。排水 方面，由自来水厂输送到各个生产生活场所的自来水经过使用后，通过排水系统将 各类别污水输送至污水处理厂，经科学化集中处理后，再由污水处理厂将处理后符 合标准的水源排放到江河湖泊中去。随着新冠病毒的肆虐，医院排水、市政排水也 成为病毒污染的重要携带媒介。有报道称，在巴黎的非饮用水(如用于清洁街道的 供水)中发现了微量的新冠肺炎病毒。因此，给排水必须经过消毒工艺，彻底杀灭 其中的致病微生物，保证符合国家标准。
常规臭氧消毒技术以臭氧为消毒剂，臭氧具有极强的氧化性，氧化还原电位为2.07eV，不仅能有效杀灭病菌，还能杀灭病毒和芽孢。有研究表明，臭氧含量为 17.82mg/L作用4min和4.86mg/L作用10min，均可使SARS病毒的灭活率达100％。 但是，常规臭氧消毒也存在致命的缺点：1)臭氧在水中的溶解度低，导致臭氧利 用率低并失去长效性；2)臭氧分子不稳定，易于自分解成氧分子，加剧臭氧利用 率低并失去长效性；3)气液接触面积小，存在臭氧传质效率低的问题。因此，如 何提高臭氧利用率及长效性是目前臭氧消毒工艺的瓶颈。
实用新型专利(201821782148.5)公开了一种大型污水处理消毒灭菌系统，其 包括制氧机，臭氧机，自吸气气、液混合离心泵，气、水混合器，微纳米气泡喷头， 制氧机以空气为原料，制备的氧气供给臭氧机制备臭氧气体，臭氧气体压入自吸气 气、液混合离心泵，大气压把来自于污水已被处理过的水域的水压入自吸气气、液 混合离心泵，自吸气气、液混合离心泵搅拌形成的初级臭氧气、水混合液从泵出口 输送到气、水混合器，经过搅拌混合，产生的中级臭氧气、水混合液输送到多个微 纳米气泡喷头。该过程伴随着大量臭氧微米气泡的生成，占总气泡比例的95％以 上，由于微米气泡只能在水体中存在2～3min，所以整个系统具有臭氧利用率低、 能量利用率低、消毒长效性差等缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种给排水深度 消毒系统及方法，将臭氧与纳米气泡技术相结合，充分发挥臭氧强氧化性与纳米气 泡效应优势，提高臭氧利用率及消毒彻底性、长效性和经济性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种给排水深度消毒系统，其特 征在于，包括通过管路依次连接的臭氧发生装置、气液混合装置、毫米气泡分离罐、 微米气泡分离罐和消毒池，其中毫米气泡分离罐和微米气泡分离罐顶部通过气体回 流管路返回连接至气液混合装置的进气口，所述的消毒池的回流水与气液混合装置 的进水口连接。所述消毒池回流水的进水端设有过滤装置，滤除进水内的杂质，避 免进水内含有杂质影响臭氧水消毒效果。优选地，过滤装置为膜过滤器。
进一步地，所述的臭氧发生装置与气液混合装置的进气口连接，并在管路上设 有气体流量计a和臭氧浓度检测仪。
进一步地，所述的气液混合装置是气液混合泵、文丘里管、加压填料罐、高速 旋流器、多孔装置的一种或几种的组合形成均匀溶气水的装置。优选地，气液混合 装置为涡流泵。
进一步地，所述的气液混合装置的出水通过恒压液体输送装置与毫米气泡分离罐连通；毫米气泡分离罐内部设置压力传感器a和液位感应装置，顶部设置定压排 气阀a，定压排气阀a与气体回流管路连通；所述毫米气泡分离罐内部压力为 0.2～1.0MPa，停留时间为1～2min，有效排出未均匀溶解的毫米气泡，提高消毒效 率。
进一步地，毫米气泡分离罐底部或侧壁设有进水口和出水口，出水口设有液体 流量计b。微米气泡分离罐底部或侧壁设有进水口和出水口，出水口设有液体流量 计c。
进一步地，所述的毫米气泡分离罐通过单级或多级节流孔板与微米气泡分离罐连通，节流孔板的孔径为5～15mm，级数为1～10级；通过逐级降压使气体充分释 放出来，降低微米气泡的产生量，提高纳米气泡的生成效率。优选地，毫米气泡分 离罐与微米气泡分离罐之间的减压时间控制为10～30min。
进一步地，所述的微米气泡分离罐内部设有压力传感器b和液位感应装置，顶 部设置定压排气阀b，该定压排气阀b与气体回流管路连通。
进一步地，所述的微米气泡分离罐的内部压力为0.12～0.15MPa，停留时间为 3～5min，有效释放臭氧利用率低、能量利用率低的微米气泡，制备高浓度臭氧水 进行高效持久消毒。微压臭氧水直接连通至消毒池，节约输水动力装置所需能耗。 由于毫米气泡和微米气泡具有上浮性，传统曝气方式为底部曝气，利用纳米气泡的 显著布朗运动及不上浮性，优选地，微压臭氧水垂直向下输送至消毒池，通过自动 升降装置控制臭氧水出口位于消毒池水深1/4～3/4处。
采用上述系统对给排水深度消毒的方法，臭氧发生装置产生的臭氧输入气液混合装置得到臭氧水溶液，臭氧水溶液依次经过毫米气泡分离罐和微米气泡分离罐将 其中的毫米和微米气泡分离出来，含纳米气泡的臭氧胶体溶液进入消毒池进行消 毒。
进一步地，所述的臭氧发生装置包括电解发生模块和放电式发生装置，制备高 纯度高浓度臭氧。臭氧曝气量为每吨水10～500g/h，臭氧水溶液的温度0.1～60℃， 更优选的，所述臭氧水溶液的温度为20～35℃。温度过高时，臭氧溶解度低，产成 纳米气泡数量较低；温度过低时，还有可能由于温差产生大气泡致使消毒效果降低。
进一步地，控制系统与液位感应装置、液体流量计、定压排气阀信号连接；毫 米气泡分离罐与微米气泡分离罐的压力传感器实时监测罐内的压力；液体流量计实 时监测出水流量；控制系统通过调节定压排气阀的开度来调节罐内压力，进而调节 出水流量；最终消毒池内臭氧浓度为1～50mg/L，消毒池水力停留时间5～15min后 出水微生物指标符合国家给排水标准。
进一步地，为提高臭氧利用率及经济性，毫米气泡分离罐与微米气泡分离罐顶 端的定压排气阀与气体回流管路连通，管路上先后连接气体干燥装置、气体流量计 b、臭氧浓度检测仪，气体回流至臭氧发生装置出口，重新制备成臭氧纳米气泡， 可使臭氧利用率高达100％。优选地，所述气体干燥装置内部填料为臭氧专用硅胶 干燥剂。
进一步地，当气液混合装置出水通过恒压液体输送装置进入毫米气泡分离罐， 高压完成气液溶解平衡，水中多余毫米气泡被释放出来。释放出来的气体在毫米气 泡分离罐的上方累积，致使液面不断降低，系统的有效容积随之减小。当液位降至 某一高度时，系统内置的液位感应器反馈信号至控制系统启动定压排气阀放气。放 气后液位上升至某一高度时，液位感应装置给出信号至控制系统关闭定压排气阀。 完成毫米气泡分离的溶气水从出水口进入后续系统。同样的，微米气泡分离罐具有 相同的控制系统。优选地，液位感应装置为磁感应式液位传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明将毫米气泡分离罐、微米气泡分离罐顶部定压排气阀释放的臭氧 气体通过气体回流系统重新进行利用，再次参与臭氧纳米气泡胶体溶液的制备，由 于纳米气泡相比于传统大气泡和微米气泡具有停留时间长、不上浮性，因此消毒池 内臭氧不会逸散到大气中造成浪费，臭氧利用率可提高至100％。除此之外，胶体 溶液由于纳米气泡布朗运动而具有动力学稳定性，相比于常规臭氧消毒系统、臭氧 微纳米气泡消毒系统，臭氧纳米气泡深度消毒系统中不易产生浮渣，减少刮渣机等 后续处理设施或单元，可有效节约成本，降低能耗。
(2)本发明充分释放纳米气泡效应强化臭氧消毒过程。①臭氧含量高：该方 法产生的臭氧纳米气泡粒径为10～100nm，浓度高达107～109个/mL，纳米气泡内臭 氧呈超高密度的气相态，纳米气泡周围呈高浓度臭氧溶解态，单位水中含量可以提 高2～3个数量级，显著弥补常规臭氧杀毒技术的臭氧溶解度低的缺陷。②臭氧分子 的抑制作用：从自分解反应平衡方程看，
Figure BDA0002541470120000041
高压抑制臭氧分解。纳米气泡 的内部压强可能高达几十个乃至上百个大气压，热力学上可以显著抑制臭氧分子的 分解，从而克服了常规臭氧消毒过程中臭氧易于分解和利用率低的缺陷。③杀毒作 用的长效性：纳米气泡受布朗运动影响显著，在水中不上浮，寿命非常长，可以稳 定存在几天甚至几个月，因此，处理水离开消毒池后仍能保持长时间的杀毒效果。 ④杀毒作用的彻底性：纳米气泡不受废水浊度的影响，且具有很强的渗透性，甚至 可以扩散进入悬浮颗粒内部，杀灭其中的病毒。⑤纳米气泡比表面积更大，传质效 率更高；同时，纳米气泡破裂产生大量的羟基自由基，可强化臭氧消毒效果，大大 降低运行成本和能耗。相比于常规臭氧消毒系统、臭氧微纳米气泡消毒系统，臭氧 纳米气泡深度消毒系统短时间内消毒效果提高至100％，经济性提高至90％以上， 整个过程不会对污水处理厂工人和周围居民造成危害，环境效益显著。
(3)结构简单，运行可靠，已经过试验验证达到了良好的效果。
附图说明
图1是给排水深度消毒系统的结构示意图。
图中，1.臭氧发生装置，2.气液混合装置，3.毫米气泡分离罐，4.微米气泡分 离罐，5.气体回流管路，6.消毒池，7.消毒池出水回流管路，8.气体流量计a，9.臭 氧浓度检测仪，10.过滤装置，11.液体流量计a，12.压力传感器a，13.定压排气阀 a，14.液体流量计b，15.节流孔板，16.压力传感器b，17.定压排气阀b，18.液体流 量计c，19.气体干燥装置，20.气体流量计b。
具体实施方式
以下部分是具体实施方式对本发明做进一步说明，但以下实施方式仅仅是对本发明的进一步解释，不代表本发明保护范围仅限于此，凡是以本发明的思路所做的 等效替换，均在本发明的保护范围。
如图1所示，一种给排水深度消毒系统，包括通过管路依次连接的臭氧发生 装置(1)、气液混合装置(2)、毫米气泡分离罐(3)、微米气泡分离罐(4)和消 毒池(6)，其中毫米气泡分离罐(3)和微米气泡分离罐(4)顶部通过气体回流管 路(5)返回连接至气液混合装置(2)的进气口。臭氧发生装置(1)与气液混合 装置(2)进气口相连，管路上设置气体流量计a(8)、臭氧浓度检测仪(9)，消 毒池(6)回流水通过消毒池出水回流管路与气液混合装置(2)进水口相连，并在 消毒池出水回流管路(7)上设有过滤装置(10)和液体流量计a(11)，臭氧发生 装置产生的臭氧与消毒池的回流水在气液混合装置(2)中混合，气液混合装置(2) 可以使臭氧主要以溶解态和纳米气泡的形式分散在水中，通过控制臭氧输入量与回流水的比例，控制水中臭氧浓度，得到臭氧水溶液；气液混合装置(2)出水通过 恒压液体输送装置与毫米气泡分离罐(3)连通，毫米气泡分离罐(3)内部设置压 力传感器a(12)和液位感应装置，顶部设置定压排气阀a(13)；定压排气阀a(13) 与气体回流管路(5)连通；毫米气泡分离罐(3)底部或侧壁设有进水口和出水口， 出水口设有液体流量计b(14)；控制毫米气泡分离罐(3)内部压力为0.2～1.0MPa， 臭氧水溶液在其中的停留时间为1～2min，使臭氧水溶液中未均匀溶解的毫米气泡 有效排出，毫米气泡分离罐(3)通过单级或多级节流孔板(15)与微米气泡分离 罐(4)连通，节流孔板(15)的孔径为5～15mm，级数为1～10级。通过逐级降压 使气体充分释放出来，降低微米气泡的产生量，提高纳米气泡的生成效率；微米气泡分离罐(4)内部同样设置压力传感器b(16)和液位感应装置，顶部设置定压 排气阀b(17)；定压排气阀b(17)与气体回流管路(5)连通，控制微米气泡分 离罐(4)内部压力为0.12～0.15MPa，停留时间为3～5min，从而有效排出微米气泡， 使臭氧水溶液中含高浓度臭氧纳米气泡；微米气泡分离罐(4)底部或侧壁设有进 水口和出水口，出水口设有液体流量计c(18)，出水口通过管道直接连通至消毒 池(6)。控制系统与液位感应装置、液体流量计、定压排气阀信号连接；其中，毫 米气泡分离罐(3)与微米气泡分离罐(4)的压力传感器实时监测罐内的压力；液 体流量计实时监测出水流量；控制系统通过调节定压排气阀的开度来调节罐内压 力，进而调节出水流量；最终消毒池内臭氧浓度为1～50mg/L，消毒池水力停留时 间5～15min后出水微生物指标符合国家给排水标准。
实施例1
参见图1，所述消毒池(6)回流水的进水端设有过滤装置(10)(本实施例中 采用膜过滤器)。所述臭氧发生装置(1)包括电解发生模块和放电式发生装置，制 备高纯度高浓度臭氧。所述气液混合装置(2)为涡流泵，所述毫米气泡分离罐(3) 内部压力为0.6MPa，停留时间为2min，有效排出未均匀溶解的毫米气泡，提高消 毒效率。所述节流孔板(15)的孔径为10mm，级数为8级。通过逐级降压使气体 充分释放出来，降低微米气泡的产生量，提高纳米气泡的生成效率。所述毫米气泡 分离罐(3)到微米气泡分离罐(4)之间的减压时间控制为15min。所述微米气泡 分离罐(3)内部压力为0.12MPa，停留时间为5min，有效释放臭氧利用率低、能 量利用率低的微米气泡，制备高浓度臭氧水进行高效持久消毒。微压臭氧水垂直向 下输送至消毒池(6)，通过自动升降装置控制臭氧水出口位于消毒池(6)水深1/2 处。所述臭氧水溶液的温度为30℃。毫米气泡分离罐(3)与微米气泡分离罐顶端 (4)的定压排气阀与气体回流管路(5)连通，气体回流管路(5)上先后连接气 体干燥装置(19)、气体流量计b(20)、臭氧浓度检测仪，气体回流至臭氧发生装 置(1)出口，重新制备成臭氧纳米气泡，臭氧利用率高达100％。其中，所述气 体干燥装置(19)内部填料为臭氧专用硅胶干燥剂。
具体工作时，如图1所示，当气液混合装置(2)出水通过恒压液体输送装置 进入毫米气泡分离罐(3)，高压完成气液溶解平衡，水中多余毫米气泡被释放出来。 释放出来的气体在毫米气泡分离罐的上方累积，致使液面不断降低，系统的有效容 积随之减小。当液位降至某一高度时，系统内置的液位感应器反馈信号至控制系统 启动定压排气阀放气。放气后液位上升至某一高度时，液位感应装置给出信号至控 制系统关闭定压排气阀。完成毫米气泡分离的溶气水从出水口进入后续系统。同样 的，微米气泡分离罐具有相同的控制系统。其中，液位感应装置为磁感应式液位传 感器。
处理水样为疫情期间某定点医院二沉池出水，粪大肠菌群数为1200MPN/L， 进入臭氧消毒池，曝气量为每吨水80g/h，消毒过程中无微米气泡生成，臭氧纳米 气泡粒径为10～100nm，浓度为2.8x107个/mL，消毒池内臭氧浓度为20mg/L，水 力停留时间15min，最终消毒池出水中粪大肠菌群数为0MPN/L，消毒效率为100％。
实施例2
所述的气液混合装置是文丘里管，所述毫米气泡分离罐内部压力为0.4MPa， 停留时间为2min，节流孔板的孔径为5mm，级数为2级；毫米气泡分离罐与微米 气泡分离罐之间的减压时间控制为10min。所述的微米气泡分离罐的内部压力为 0.12MPa，停留时间为3min，微压臭氧水垂直向下输送至消毒池，通过自动升降装 置控制臭氧水出口位于消毒池水深1/4处。所述的臭氧发生装置的臭氧曝气量为每 吨水50g/h，臭氧水溶液的温度10℃，产生的臭氧纳米气泡粒径为10～100nm，浓 度为1.9x107个/mL，消毒池内臭氧浓度为15mg/L，水力停留时间10min。其余同 实施例1，消毒效率仍达到100％。
实施例3
所述的气液混合装置是加压填料罐，所述毫米气泡分离罐内部压力为0.8MPa， 停留时间为1min，节流孔板的孔径为15mm，级数为10级；毫米气泡分离罐与微 米气泡分离罐之间的减压时间控制为30min。所述的微米气泡分离罐的内部压力为 0.15MPa，停留时间为5min，微压臭氧水垂直向下输送至消毒池，通过自动升降装 置控制臭氧水出口位于消毒池水深3/4处。所述的臭氧发生装置的臭氧曝气量为每 吨水500g/h，臭氧水溶液的温度50℃，产生的臭氧纳米气泡粒径为10～100nm，浓 度为1.0x108个/mL，消毒池内臭氧浓度为50mg/L，水力停留时间5min。其余同实 施例1，消毒效率仍达到100％。
对比实施例
以实施例中废水为处理对象，粪大肠菌群数为1200MPN/L，进入臭氧消毒池。 与实施例相同，通过臭氧发生装置制备高纯度高浓度臭氧，曝气量为每吨水80g/h， 后经孔径1μm、孔隙率10％的臭氧曝气头向水中曝气消毒，消毒过程中不产生臭 氧纳米气泡，只产生微米气泡，臭氧浓度为6mg/L，水力停留时间为15min，最终 消毒池出水中粪大肠菌群数为400MPN/L，消毒效率为66.66％。

Claims (10)

1.一种给排水深度消毒系统，其特征在于，包括通过管路依次连接的臭氧发生装置(1)、气液混合装置(2)、毫米气泡分离罐(3)、微米气泡分离罐(4)和消毒池(6)，其中毫米气泡分离罐(3)和微米气泡分离罐(4)顶部通过气体回流管路(5)返回连接至气液混合装置(2)的进气口，所述的消毒池(6)的回流水与气液混合装置(2)的进水口连接。
2.根据权利要求1所述的一种给排水深度消毒系统，其特征在于，所述的臭氧发生装置(1)与气液混合装置(2)的进气口连接，并在管路上设有气体流量计a(8)和臭氧浓度检测仪(9)。
3.根据权利要求1所述的一种给排水深度消毒系统，其特征在于，所述的气液混合装置(2)是气液混合泵、文丘里管、加压填料罐、高速旋流器、多孔装置的一种或几种的组合形成均匀溶气水的装置。
4.根据权利要求1所述的一种给排水深度消毒系统，其特征在于，所述的气液混合装置(2)的出水通过恒压液体输送装置与毫米气泡分离罐(3)连通；毫米气泡分离罐(3)内部设置压力传感器a(12)和液位感应装置，顶部设置定压排气阀a(13)，定压排气阀a(13)与气体回流管路(5)连通。
5.根据权利要求1所述的一种给排水深度消毒系统，其特征在于，所述毫米气泡分离罐(3)内部压力为0.2～1.0MPa，停留时间为1～2min。
6.根据权利要求1所述的一种给排水深度消毒系统，其特征在于，所述的毫米气泡分离罐(3)通过单级或多级节流孔板(15)与微米气泡分离罐(4)连通，节流孔板(15)的孔径为5～15mm，级数为1～10级；毫米气泡分离罐(3)与微米气泡分离罐(4)之间的减压时间控制为10～30min。
7.根据权利要求1所述的一种给排水深度消毒系统，其特征在于，所述的微米气泡分离罐(4)内部设有压力传感器b(16)和液位感应装置，顶部设置定压排气阀b(17)，该定压排气阀b(17)与气体回流管路(5)连通。
8.根据权利要求1所述的一种给排水深度消毒系统，其特征在于，所述的微米气泡分离罐(4)的内部压力为0.12～0.15MPa，停留时间为3～5min。
9.一种给排水深度消毒方法，其特征在于，臭氧发生装置(1)产生的臭氧输入气液混合装置(2)得到臭氧水溶液，臭氧水溶液依次经过毫米气泡分离罐(3)和微米气泡分离罐(4)将其中的毫米和微米气泡分离出来，只含纳米气泡的臭氧胶体溶液进入消毒池(6)进行消毒。
10.根据权利要求9所述的一种给排水深度消毒方法，其特征在于，所述的臭氧发生装置(1)的臭氧曝气量为每吨水10～500g/h，臭氧水溶液的温度0.1～60℃，进入消毒池(6)的臭氧胶体溶液中臭氧纳米气泡粒径为10～100nm，个数高达107～109个/mL，臭氧浓度为1～50mg/L，消毒池水力停留时间5～15min。
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