CN114772804A

CN114772804A - 一种水厂深度处理饮用水的装置及方法

Info

Publication number: CN114772804A
Application number: CN202210248655.5A
Authority: CN
Inventors: 夏伊静; 朱弋华; 冯华军; 阮薇薇
Original assignee: Yuyao Zhedong Water Supply And Drainage Equipment Co ltd; Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Yuyao Zhedong Water Supply And Drainage Equipment Co ltd; Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2022-07-22

Abstract

本申请公开一种水厂深度处理饮用水的装置及方法，在砂滤池下游设置电催化氧化耦合膜过滤反应池，该反应池内分隔为若干个相互独立的子池体，每个子池体内设置电催化氧化耦合膜过滤单元，电催化氧化耦合膜过滤单元包括电催化膜组件、分别位于电催化膜组件两侧的阴极电极以及填充于电催化膜组件和阴极电极之间的粒子电极；电催化膜组件包括膜框、分别封装于膜框相对两侧的多孔膜电极以及分别贴合于两多孔膜电极外侧面的陶瓷膜。本申请可用于受污染水源的饮用水深度净化，也可应用于城市污水厂深度处理和再生水深度净化。

Description

一种水厂深度处理饮用水的装置及方法

技术领域

本申请涉及饮用水处理技术领域，具体涉及一种水厂深度处理饮用水的装置及方法。

背景技术

目前，大部分水厂采用混凝-沉淀-过滤-消毒的常规处理工艺以去除浊度、色度、细菌和病毒，但很难达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。尤其对微量有机污染物包括消毒副产物前体物、小分子有机物起不到很好的去除作用。一方面，消毒副产物前体物在消毒工艺中与消毒剂作用产生的消毒副产物严重影响着出水水质安全；另一方面，小分子有机物可生化性强，是引起水中微生物增长的重要因素，水中小分子有机物得不到有效去除，将使得水质生物稳定性下降，严重威胁着人们的饮水安全与身体健康。

目前许多水厂升级改造，使用混凝-沉淀-砂滤-臭氧/活性炭-超滤-氯消毒工艺进行饮用水深度处理。但是，此升级改造工艺一方面需要新建构筑物，高昂的工程投资使得许多水厂难以承受；另一方面，在加氯过程中，未被去除的有机物很能会与氯反应生成具有“三致”作用的消毒副产物(DBPs)，其中三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)占较大比重。而该升级改造工艺对THMs与 HAAs几乎无法去除，DBPs的生成量远大于该改造工艺对它们的去除量。

发明内容

本申请提供一种水厂深度处理饮用水的装置及方法，将超滤膜技术与电催化氧化处理工艺结合，不仅实现了饮用水深度净化并避免卤代消毒副产物的产生，而且充分利用现有构筑物，在最大程度上避免新建构筑物，降低了工程投资。本申请可用于受污染水源的饮用水深度净化，也可应用于城市污水厂深度处理和再生水深度净化。

一种水厂深度处理饮用水的装置，包括沿水流方向依次设置的混凝反应池、沉淀池和砂滤池，还包括依次设置于所述砂滤池下游的电催化氧化耦合膜过滤反应池和消毒池，所述电催化氧化耦合膜过滤反应池包括：

池体，所述池体内分隔为若干个相互独立的子池体，每个所述子池体内的底部设置曝气头；

以及电催化氧化耦合膜过滤单元，对应设置于所述子池体内，所述电催化氧化耦合膜过滤单元与对应曝气头之间由透水隔板分隔；

所述电催化氧化耦合膜过滤单元包括电催化膜组件、分别位于电催化膜组件两侧的阴极电极以及填充于电催化膜组件和阴极电极之间的粒子电极；所述电催化膜组件包括膜框、分别封装于膜框相对两侧的多孔膜电极以及分别贴合于两多孔膜电极外侧面的陶瓷膜，所述多孔膜电极作为阳极电极。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述膜催化组件的出水口接入下一级子池体或接入所述消毒池。

可选的，所述多孔膜电极为TiO₂/SnO₂膜电极。

可选的，所述阴极电极为钛网或不锈钢网。

可选的，所述粒子电极为颗粒活性炭或/和负载四氧化三铁的颗粒活性炭。

可选的，所述陶瓷膜包括膜层和渗透层，所述渗透层与多孔膜电极贴合。

可选的，所述陶瓷膜的厚度为2mm～6mm。

可选的，所述陶瓷膜与多孔膜电极之间粘结连接或由夹片固定连接。

可选的，所述阴极电极与电催化膜组件之间的间距为2～12cm。

可选的，所述阴极电极和阳极电极均为片状。

可选的，单个阴极电极和单个阳极电极的有效面积均为2000～3000cm²。

可选的，所述粒子电极的填充密度为40％～70％。

可选的，还包括电解次氯酸钠发生器和次氯酸钠储罐，所述次氯酸钠储罐通过管路接入所述消毒池。

本申请还提供一种利用所述装置进行水厂深度处理饮用水的方法，包括：

水体依次流经混凝反应池、沉淀池和砂滤池，依次经混凝、沉淀和过滤处理后进入其中一个或几个子池体内，在子池体内同时进行电催化氧化和膜过滤处理，每个子池体处理完成后其电催化膜组件的出水进入下一级子池体或进入消毒池，经消毒处理后送入清水池。

可选的，所述子池体内施加的电流密度为5～30mA/cm²。

可选的，单一子池体内水力停留时间为10～30min。

与现有技术相比，本申请至少具有如下有益效果之一：

(1)本申请设置电催化耦合陶瓷膜过滤反应池代替臭氧反应池、颗粒活性炭滤池和超滤池三个反应池，电催化耦合陶瓷膜过滤反应池可以同时起到膜过滤、污染物深度降解的作用。

(2)本申请中前一个子反应池的水体经电催化膜组件在提升泵作用下出水，然后进入下一个子反应池；由于每个反应池的出水均经提升泵抽吸后进入下一个反应池，因此出水进入后续哪个反应池以及流经几个反应池可以根据进水水质进行调节，过程可控性强；同时，此反应器可以避免因某个子反应池关闭清洗而导致整体无法运行的情况。

附图说明

图1为饮用水常规改造工艺流程图；

图2为本申请的饮用水深度处理工艺流程图；

图3为图2中电催化膜组件一种实施方式的结构示意图；

图4为图2中电催化膜组件另一种实施方式的结构示意图。

图中所示附图标记如下：

1-静态混合器 2-混凝反应器 3-沉淀池

4-砂滤膜池 5-臭氧接触池 6-颗粒活性炭滤池

7-超滤膜池 8-真空表 9-膜反冲洗泵

10-排泥管 11-抽吸泵 12-空气压缩机

13-超滤膜组件 14-空气阀 15-空气管道

16-曝气头 17-消毒池 18-清水池

19-穿孔板 20-电源 21-电催化膜组件

22-阴极电极 23-粒子电极 24-次氯酸钠储罐

25-电解次氯酸钠发生器 26-透水隔板

211-膜框 212-TiO₂/SnO₂膜电极 213-陶瓷膜

214-夹片

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好地描述和说明本申请的实施例，可参考一幅或多幅附图，但用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对本申请的发明创造、目前所描述的实施例或优选方式中任何一者的范围的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

一般情况下，饮用水常规升级改造处理工艺采用的是混凝-沉淀-砂滤-臭氧/ 活性炭-超滤-氯消毒工艺，如图1所示，主要包括顺水流方向依次设置的静态混合器1、混凝反应池2、沉淀池3、砂滤池4、臭氧接触池5、颗粒活性炭滤池6、超滤膜池7、消毒池17和清水池18；颗粒活性炭滤池6内填充活性炭或生物活性炭；超滤膜池7内设置超滤膜组件13，超滤膜组件的下方设置曝气头16，曝气头16通过空气管道15外接空气压缩机12，空气管路15上设置真空表8和空气阀14。混凝剂投加到待处理水中，经混合器与水充分混合之后进入混凝反应池2中发生胶体脱稳、凝聚、絮凝等反应生成颗粒较大的絮体；之后进入沉淀池3进行絮体沉降，绝大多数絮体在重力沉降作用下得以去除，少量未能沉降去除的细小颗粒进入砂滤池，在滤池的截留过滤作用下得以去除；进入臭氧接触池5后可利用臭氧将分子量较大的、微生物难以利用的有机物转化为分子量较小、易被微生物利用的小分子有机物；在颗粒活性炭滤池6中，利用活性炭的吸附作用和活性炭表面生长的微生物的降解作用去除有机物，并改善口感；进入消毒池17之后，投加一定量的次氯酸钠或液氯进行消毒；最后进入清水池 18。

但是，此升级改造工艺一方面需要新建构筑物，高昂的工程投资使得许多水厂难以承受；另一方面，在加氯过程中，未被去除的有机物可能会与氯反应生成具有“三致”作用的消毒副产物(DBPs)，其中三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)占较大比重。而常规升级改造工艺对THMs与HAAs几乎无法去除，DBPs的生成量远大于该常规改造工艺对它们的去除量。

因此，在水厂已有的常规处理构筑物基础上，开发将饮用水常规工艺改造为深度处理工艺的新方法，尽可能减少新建构筑物，避免大幅增加厂区占地面积并有效降低工程投资，并且减少消毒副产物，这对于我国许多城市水厂升级改造工程具有重要意义。

基于此，本申请开发一种新的升级改造工艺，如图2和图3所示，一种水厂深度处理饮用水的装置，包括原有工艺中沿水流方向依次设置的静态混合器 1、混凝反应池2、沉淀池3和砂滤池4，在砂滤池4的下游，依次设置电催化氧化耦合膜过滤反应池、消毒池17和清水池18，本申请对现有工艺的混凝反应池、沉淀池、砂滤池、清水池不做改动；设置电催化耦合陶瓷膜过滤反应池代替臭氧反应池、颗粒活性炭滤池和超滤池三个反应池，电催化耦合陶瓷膜过滤反应池可以同时起到膜过滤、污染物深度降解的作用。

本申请改造后的电催化氧化耦合膜过滤反应池包括池体和位于池体内的若干个电催化氧化耦合膜过滤单元，池体内分隔为若干个相互独立的子池体，每个子池体内的底均部设置曝气头16；每个子池体内各自设置一个电催化氧化耦合膜过滤单元，电催化氧化耦合膜过滤单元与对应曝气头之间由透水隔板分隔 27。每个电催化氧化耦合膜过滤单元包括一个电催化膜组件21、分别位于电催化膜组件两侧的阴极电极22以及填充于电催化膜组件21和阴极电极22之间的粒子电极23；阴极电极22连接电源20的负极，电催化膜组件21作为阳极电极连接电源20的正极，粒子电极23填充于阳极电极与阴极电极之间。

电催化膜组件21的一种实施方式如图3所示，包括一个膜框211、两片多孔膜电极212和两片陶瓷膜213，膜框可设置为矩形框，该矩形框具有一定的厚度，矩形框具有一个贯穿的通孔，通孔的两侧分别由一个多孔膜电极212封闭，在多孔膜电极212外侧贴合连接陶瓷膜213，膜框和对称设置的多孔膜电极及陶瓷膜共同组成电催化膜组件21，膜框上设置连通至电催化膜组件内部的出水管接头。多孔膜电极作为阳极电极，电催化膜组件21通过其多孔膜电极212与电源20的正极相连。每一个独立的子池体内形成一个独立的电催化氧化耦合膜过滤系统，电催化膜组件通过其出水管接头连接出水管；粒子电极23在透水隔板 27的上方，且其粒径大于透水隔板的孔径。曝气头16在每个子反应池内透水隔板的下方，曝气头16通过空气管道15外接空气压缩机12，空气管路15上设置空气阀14和真空表8。

水体经混凝沉淀后，绝大多数絮体在重力沉降作用下进入沉淀池3得以去除，沉淀池3的进水区与沉淀区之间设置穿孔板19，沉淀区的底部连接排泥管 10，少量未能沉降去除的细小颗粒进入砂滤池4，在滤床的截留过滤作用下得以去除；然后水体进入电催化耦合陶瓷膜过滤反应池过滤，深度处理后的出水进入消毒池消毒，最后进入清水池。

电催化氧化耦合膜过滤系统内反应机理为：在通电及曝气的条件下，阴极电极产生H₂O₂，阳极电极产生羟基自由基(·OH)，而粒子电极在电场作用下会同时产生阴、阳极，即会同时产生H₂O₂和·OH。因此，水体进入反应池后先由粒子电极产生的H₂O₂和·OH等强氧化性物质进行初步降解，然后经抽水泵作用下透过陶瓷膜过滤并以flow-through模式流经阳极多孔膜电极深度降解后出水。

砂滤池的出水由提升泵11送入子池体内，在每个子反应池内，膜催化组件21的出水管接头通过出水管接入下一级子池体或直接接入消毒池17。前一个子反应池的水体经电催化膜组件在提升泵作用下出水，然后进入下一个子反应池；由于每个反应池的出水均经提升泵抽吸后进入下一个反应池，因此出水进入后续哪个反应池以及流经几个反应池可以根据进水水质进行调节，过程可控性强；同时，此反应器可以避免因某个子反应池关闭清洗而导致整体无法运行的情况。

作为电极的一种选择方案，阴极电极22采用常规的钛网电极或不锈钢网电极。电催化膜组件21中的多孔膜电极212选择TiO₂/SnO₂膜电极。多孔TiO₂/SnO₂膜电极包括Ti基体、TiO₂NTs中间层和SnO₂外层，Ti基体为孔径为30～300um 的多孔评平板钛基体；TiO₂NTs中间层为在Ti基体上得到的一层直立有序的 TiO₂纳米管；SnO₂外层为具有纳米结构的SnO₂氧化物涂层。该电极可通过本领域已知的方法制备。

一种实施方式中，具体制备过程如下：

(1)多孔Ti基体预处理：根据尺寸需要裁取钛基体，依次经120、600和 1200目的砂纸机械打磨抛光；碱洗将打磨处理过的Ti基体完全浸没在质量百分数5％～8％的Na₂CO₃溶液中，将溶液加热至沸腾，持续30min；酸洗刻蚀将Ti 基体浸没在质量百分数10％的草酸溶液中，将溶液加热至沸腾，并在此状态下刻蚀处理l～3h(优选2h)，直至Ti基体表面呈现灰色麻面，洗净备用；

(2)依次利用阳极氧化法、马弗炉退火制备Ti/TiO₂-NTs：以步骤(1)中的Ti基体为阳极，不锈钢网为阴极，电压为20～40V(优选30V)，电解液以为 0.05～1.0wt％NaF(优选0.5wt％)，1.4～2.0wt％支持电解质(优选1.8wt％)为溶质，加入10～50wt％醇类添加剂(优选30wt％乙醇)，溶剂为超纯水；以2℃/min 的升温速率在马弗炉450℃条件下下退火2小时。

(3)热分解法制备SnO₂外层：将锡氧化物溶胶溶液均匀涂覆于步骤(2) 处理后的Ti/TiO₂-NTs表面上，烘干后在500～550℃(优选515℃)下热分解处理12～20分钟(优选16分钟)，如此重复10～13次(优选11次)，最后一次热分解的时间为60～80分钟(优选66分钟)，然后自然冷却到室温。锡氧化物溶胶溶液按如下组成配制：85～105g SnCl₄·5H₂O，230～250mL乙二醇溶液， 170～200g柠檬酸(优选95g SnCl₄·5H₂O，240mL乙二醇溶液，180g柠檬酸)。

进一步地，多孔Ti基体的孔径为50～300目。作为粒子电极的一种选择方案，粒子电极为颗粒活性炭或/和负载四氧化三铁的颗粒活性炭；粒子电极的粒径为 1～4mm。

作为陶瓷膜的一种实施方案，采用单层膜，即陶瓷膜仅包括一层膜层和一层渗透层，也可以理解为陶瓷膜的一面为膜面、另一面为渗透面，并通过其渗透面与多孔膜电极贴合连接。陶瓷膜的厚度可选择2mm～6mm。

本申请的单层陶瓷膜(两侧分别为膜面和渗透面)在系统中起到的作用至少包括：(1)对水体中少量内能被砂滤池去除的微小颗粒进行去除，并且避免粒子电极进入到电催化膜组件内部；(2)对阳极多孔TiO₂/SnO₂膜电极起到保护的作用；(3)陶瓷膜可以隔开粒子电极和阳极，避免线路短路，同时由于饮用水的电导率较低，陶瓷膜较小的厚度显著减少电催化系统的溶液的电阻。

作为电催化膜组件21的一种组装方式，如图3所示，陶瓷膜与多孔膜电极之间以及多孔膜电极与膜框之间均直接采用胶粘粘结；另一种组装方式如图4 所示，陶瓷膜与多孔膜电极之间以及多孔膜电极与膜框之间通过夹片214和与之适配的紧固件固定。

作为单个电催化氧化耦合膜过滤单元的一种设置方式，阴极电极与电催化膜组件之间的间距为2～12cm；粒子电极的填充密度为40％～70％，也可以理解为粒子电极填充容积占阴极电极与电催化膜组件之间区域容积的40％～70％。

本申请还配置电解次氯酸钠发生器25和次氯酸钠储罐24，次氯酸钠储罐 24通过管路接入消毒池17。加入电解次氯酸钠发生器可以原位产生次氯酸钠。

一种利用上述装置进行水厂深度处理饮用水的工艺流程中，包括如下步骤：

待处理水源依次流经混凝反应池1、沉淀池2和砂滤池3，依次经混凝、沉淀和过滤处理后进入电催化氧化耦合膜过滤反应池的其中一个或几个子池体内，在子池体内同时进行电催化氧化和膜过滤处理，每个子池体处理完成后其电催化膜组件的出水进入下一级子池体或直接进入消毒池17，经消毒处理后送入清水池18。

混凝反应池1、沉淀池2和砂滤池3内均为现有工艺，电催化氧化耦合膜过滤反应池内，每个子池体内的阴极电极独立地外接电源负极、电催化膜组件中的阳极电极独立地外接电源正极，每个子池体内独立地进行电催化氧化并耦合膜过滤反应，各子池体之间可串联或并联连接，串联连接时可选择所有子池体依次串联、也可选择部分子池体串联，依据水质情况进行灵活选择。每个子池体内施加的电流密度为5～30mA/cm²。

在每个子池体内，阴极电极产生H₂O₂，阳极电极产生羟基自由基(·OH)，而粒子电极在电场作用下会同时产生阴、阳极，即会同时产生H₂O₂和·OH。因此，水体进入反应池后先由粒子电极产生的H₂O₂和·OH等强氧化性物质进行初步降解，然后经抽水泵作用下透过陶瓷膜过滤并以flow-through模式流经阳极多孔膜电极深度降解后出水。

在电催化氧化耦合膜过滤反应池内，通过电催化氧化与膜过滤相耦合，水体中的有机物去除彻底，避免后续消毒池加氯过程中消毒副产物(DBPs)的产生。

本申请的改造工艺，一方面减少了设备组成，节省改造成本；一方面解决了消毒副产物问题。在减少设备组成的同时解决了消毒副产物问题。

应用例1

取自来水厂经常规处理工艺(混凝反应+沉淀+砂滤)处理后的水为原水进入在电催化氧化耦合膜过滤反应池进行深度处理，进水水质指标TOC为8.21 mg/L，氨氮为3.52mg/L。在电流密度为10mA/cm²、阴、阳电极有效面积均为 2500cm²、阴极电极与电催化膜组件之间的间距为10cm、粒子电极的填充密度为60％、单一子池体水力停留时间为20min的条件下，水体经过电催化氧化耦合膜过滤反应池内第一个子池体后，出水TOC为5.42mg/L，氨氮为1.05mg/L；在相同条件下经反应池内第二个子池体后出水TOC为2.57mg/L，氨氮未检出。此外，可以通过增加子池体个数、增大电流密度或延长水力停留时间等方式进一步提高TOC去除率，实现水体中的有机物去除彻底，避免后续消毒池加氯过程中消毒副产物(DBPs)的产生。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种水厂深度处理饮用水的装置，包括沿水流方向依次设置的静态混合器、混凝反应池、沉淀池和砂滤池，其特征在于，还包括依次设置于所述砂滤池下游的电催化氧化耦合膜过滤反应池和消毒池，所述电催化氧化耦合膜过滤反应池包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜催化组件的出水口接入下一级子池体或接入所述消毒池。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多孔膜电极为TiO₂/SnO₂膜电极；所述阴极电极为钛网或不锈钢网；所述粒子电极为颗粒活性炭或/和负载四氧化三铁的颗粒活性炭。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述陶瓷膜的两侧分别为膜层和渗透层，所述渗透层与多孔膜电极贴合。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述陶瓷膜的厚度为2mm～6mm。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述陶瓷膜与多孔膜电极之间粘结连接或由夹片固定连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极电极与电催化膜组件之间的间距为2～12cm；单个阴极电极和单个阳极电极的有效面积均为2000～3000cm²；所述粒子电极的填充密度为40％～70％。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括电解次氯酸钠发生器和次氯酸钠储罐，所述次氯酸钠储罐通过管路接入所述消毒池。

9.一种利用如权利要求1所述装置进行水厂深度处理饮用水的方法，其特征在于，包括：

水体依次流经静态混合器、混凝反应池、沉淀池和砂滤池，依次经静态混合、混凝、沉淀和过滤处理后进入其中一个或几个子池体内，在子池体内同时进行电催化氧化和膜过滤处理，每个子池体处理完成后其电催化膜组件的出水进入下一级子池体或进入消毒池，经消毒处理后送入清水池。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述子池体内施加的电流密度为5～30mA/cm²。