CN115353259A - 一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境保护与水处理技术领域，具体公开了一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置及运行方法，该重力驱动雨水净化装置中的膜组件由滤饼及滤膜共同构成，所述滤饼由混凝原位构筑后负载于滤膜表面；所述滤饼包括由间歇混凝预处理所得的絮体原位累积形成的具有孔隙结构的滤饼；所述滤饼还包括处理过程中逐渐形成的生物膜。本发明提供了一种应用该膜组件的重力过滤系统及运行方法。本发明的有益效果为：在滤膜表面构筑了一层含有疏松孔隙结构和微生物的滤饼，利用其孔隙结构增强对雨水中污染物的截留能力，形成有利于生物膜生长的内部环境，有效去除雨水中的多种污染物，形成间歇投药工艺模式，具有应用绿色能源、节省运行成本、占地面积小、设备构造简单、易于维护等优势，适用于农村地区雨水的分散式处理与资源化回用。

Description

一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置及运行 方法

技术领域

本发明涉及一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置及运行方法，属于环境保护与水处理技术领域。

背景技术

目前我国西部农村地区面临着极为严重的水资源短缺问题。虽然雨水降落过程中会冲刷房屋、地面等下垫面，夹杂重金属、溶解性有机物、细菌等物质造成水质变差，但其仍是一种数量大、分布广泛的水资源。若能将其资源化利用，则可极大程度缓解农村可利用水资源短缺这一问题。

膜分离技术能够实现资源回收利用，有效减少环境污染问题，适用范围广泛，俨然已成为水处理领域最具发展潜力的技术之一。因此膜滤技术在雨水处理方面具有很好的应用前景。直接膜过滤工艺主要截留颗粒、细菌、大分子有机物等大于膜孔的污染物质，对于小于膜孔的物质截留效果较弱。在直接膜过滤工艺中，雨水中含有的上述污染物质会导致膜通量迅速衰减，同时雨水中含有的总磷、小分子有机物等小于膜孔的物质也极难截留。因此，目前膜过滤工艺前端通常增加混凝等预处理单元，以便提高污染物去除效果并减缓膜通量衰减速率。但是，混凝预处理不仅需要连续投药，还需要动力装置提供跨膜压差。对于分散式雨水处理，药剂运输、装置建造、电力消耗、管网铺设等方面均会导致实际工程中较高的建造及运行成本，增加了分散式雨水处理与资源化利用的难度。

发明专利CN112875999A采用直接过滤技术对污水进行净化处理，但此工艺需要通过两次膜过滤来增强过滤效果，致使运行费用显著增加；发明专利CN106673252A采用混凝超滤联用工艺生产饮用水，在其运行过程中需要持续投加混凝剂；发明专利CN101402492B发明公开了一种废水处理系统，采用混凝-沉淀-超滤工艺有效提高了出水水质，但存在工艺单元流程长，占地面积大等一系列问题。

因此，本发明提供了一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置，可以很好地解决以上问题。与直接超滤工艺相比，本发明通过混凝原位构筑的滤饼可以显著提高雨水中溶解性有机物、SS、总磷、氨氮、COD的去除效果，实现滤饼的资源化再利用；同时，滤饼截留去除的有机物、总磷等物质又能促进滤饼内部生物膜的生长，进一步去除雨水中的氨氮、总氮和总磷等物质。本发明在运行过程中采用间歇投药的方式运行，有效节省了混凝剂药量，很大程度上降低了药剂购买和运输成本。此外，本发明较好地利用了重力势能和太阳能等新能源，无需额外能耗，节能环保，绿色低碳，且由于反应池一体化还具有占地面积小，安装方便，结构简单的优点，非常适用于农村地区分散式雨水处理与资源化利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置及运行方法，以解决上述背景技术中存在的问题。

为了对屋顶、道路及其他不同下垫面雨水中存在的溶解性有机物有着高效的去除效果的同时，最大程度节省耗能、降低投药成本，本发明提供如下技术方案：

一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置，其特征在于，包括雨水收集装置、重力膜过滤装置；所述雨水收集装置、重力膜过滤装置、消毒装置依次通过雨水管道连接；所述装置适应于雨水非连续性的特征，可处理雨水水质特征为：COD≤300mg/L、SS≤400mg/L、TP≤5mg/L的屋顶、路面、道路等下垫面的经弃流处理后的径流雨水。

作为本发明进一步的方案，所述雨水收集装置，其特征在于，包括雨水篦子和调蓄池；所述雨水篦子安装于径流雨水入口处并对初期雨水做弃流处理；所述调蓄池用于储存流入重力膜池的径流雨水，设置雨量过大时溢流至污水管网的溢流口。

作为本发明再进一步的方案：所述的重力膜过滤装置，其特征在于，包括混凝反应装置、重力膜池、出水池、反洗水箱；所述混凝剂药池通过截止阀与膜池连接；所述重力膜池前端连接调蓄池，底部安装重力膜组件，处理后的出水通过管道流入出水池和反洗水箱；所述出水池位于重力膜池下方收集出水；所述反洗水箱位于重力膜池侧方，通过重力势能进行水力反洗。

作为本发明再进一步的方案：所述混凝反应装置，其特征在于，包括混凝剂药池和框式搅拌机；所述混凝剂药池投药方式为间歇式投药，向重力膜池一次性投加铝盐混凝剂，慢速搅拌15min后形成多尺度絮体进行过滤处理；所述框式搅拌机通过太阳能板发电进行搅拌，用于投加的混凝剂快速混匀。

作为本发明再进一步的方案：所述重力膜池，其特征在于，跨膜压差由重力提供；雨量较大时，溢流口至膜表面高度为2m，跨膜压差为20KPa；雨量较小时，跨膜压差由液面水位决定，该运行模式具有绿色节能的优点。

作为本发明再进一步的方案：所述重力膜池，其特征在于，采用滤饼动态膜协同滤膜的重力膜组件；所述重力膜组件包括原位滤饼和滤膜；所述原位滤饼是由混凝单元形成的絮体累积在膜表面形成，具有疏松多孔的结构，在长周期运行过程中，原位滤饼上形成生物膜，将大部分有机质和悬浮物截留在原位滤饼中上段，氨氮、COD、总磷等被生物膜去除；所述滤膜可采用超滤膜或者微滤膜，膜类型可以是平板型或者中空纤维型。

作为本发明再进一步的方案：所述反洗水箱和空气压缩机，其特征在于，包括反洗水箱和空气压缩机，反洗水箱通过出水管与重力膜池相连；所述空气压缩机通过气路管道与重力膜池底部相连接。在膜通量低于1L·(m^-2·h)^-1时，鼓气装置向上鼓气，同时开启反洗主干管上的截止阀，洗去膜表面的滤饼恢复膜通量。

本发明所述的一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置及运行方法，其运行步骤为：

(1)径流雨水通过雨水篦子初筛后，初期雨水被弃流，后续径流雨水流入调蓄池，调蓄池储存过量的径流雨水并使其流入重力膜池；

(2)混凝剂药池向重力膜池一次性投加一定剂量混凝剂，框式搅拌机搅拌15min形成絮体；

(3)在由重力膜池内液面高度提供跨膜压差的前提下，混凝后的雨水通过滤膜，絮体累积于膜表面构成原位滤饼，后续雨水经滤饼后通过滤膜，出水一部分流入出水池，另一部分流入反洗水箱储存；

(4)当滤膜通量低至1L·(m^-2·h)^-1时，开启反洗主干管上的截止阀，利用反洗水箱中的存水将膜表面的滤饼洗去，反洗水经管道排入污水管网，膜通量得到恢复。

(5)此时可再重复步骤(2)—(5)，实现间歇投药工艺模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.与直接超滤工艺相比，本发明通过混凝原位构筑的滤饼可以显著提高雨水中溶解性有机物、SS、总磷、氨氮、COD的去除率，实现了滤饼的资源化再利用。

2.滤饼截留去除的有机物、总磷等污染物又能促进滤饼内部生物层的生长，进一步去除氨氮、总氮等污染物。

3.本发明在运行过程中采用间歇投药的方式运行，有效节省了混凝剂药量，很大程度上降低了药剂购买和运输成本。

4.本发明较好地利用了重力势能和太阳能等新能源，无需额外能耗，节能环保，绿色低碳。

5.本发明中反应池为一体化结构，因此具有占地面积小，安装方便，结构简单的优点。

本发明克服了常规直接过滤工艺、混凝沉淀过滤工艺中出水水质差、药剂投量大、运行费用高、占地面积大等缺陷，非常适用于农村地区雨水分散式处理与资源化利用，保障村民用水卫生安全。

附图说明

图1为滤饼的截面上元素分布示意图

图2为滤饼截留溶解性有机物后的截面上元素分布示意图

图3为重力驱动净化装置整体结构示意图

附图标记

1、调蓄池；2、压力传感器和温度传感器；3、溢流口；4、太阳能板；5、取药计量泵；6、混凝剂药池；7、加药阀；8、进水阀；9、框式搅拌机；10、板式膜组件；11、出水阀门；12、出水质量检测器；13、出水管道；14、出水池；15、气路管道；16、空气压缩机；17、反洗进水阀；18、反洗水箱；19、反洗水箱排水阀；20、出水主干管；21、出水支管；22、反洗支水管；23反洗主干管；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施案例对本发明作进一步的描述。

本发明中，雨水中主要的污染物包含氨氮、COD、总磷、SS、微塑料等，其中溶解性污染物可以被重力膜组件中的生物层和滤饼降解，SS、微塑料等非溶解性污染物可以被滤饼和滤膜截留。

本发明的工作原理：针对雨水非连续性特征，在降雨后，雨水冲刷空气和地面，夹带杂物、有机物、氨氮、磷等污染物进入雨水收集装置，首先雨水中较大的杂质经过雨水篦子被过滤去除，之后将初期雨水弃流，后续雨水流入重力膜池，在重力池内进行混凝操作形成絮体后停止投药，絮体依靠重力沉降在膜表面，由于运行周期长，膜表面生长菌落形成生物膜，连同絮体共同构成具有疏松孔隙结构的滤饼，后期雨水均依靠该膜组件过滤，雨水中的大部分溶解性有机物、所有悬浮物被截留于滤饼中，未达到膜表面；COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^—N和TN等污染物质在生物层作用下，被微生物降解，此装置能够在提升出水水质的情况下，减少膜污染。

实施例1基于混凝原位构筑滤饼的技术建立

请参阅图1和图2，本实施例通过小试试验实现，其中滤膜采用聚偏氟乙烯(PVDF)平板超滤膜，混凝剂采用AlCl₃·6H₂O，进水水质为TOC＝4.934±0.168mg/L、UV₂₅₄＝0.119±0.009、SS＝70.65±0.863NTU、pH＝7.6±0.1，具体过程为混凝-滤饼构筑-过滤，通过混凝反应在超滤装置中形成滤饼，之后经持续过滤后对膜表面滤饼进行检测，大部分溶解性有机物(以C元素表示)被截留在滤饼的中上端，即滤饼对溶解性有机物存在截留作用，印证了混凝原位构筑滤饼的截留作用。

实施例2基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置的搭建

请参阅图3，本发明实施例中，一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置，包括雨水收集装置、重力膜过滤装置、消毒装置，其特征在于，雨水收集装置、重力膜过滤装置、消毒装置依次通过水管相连接。

所述雨水收集装置包括调蓄池1、压力传感器和温度传感器2、溢流口3，其特征在于，溢流口3设置于调蓄池1的左上端，压力传感器和温度传感器2设置于调蓄池的底端。

所述重力膜过滤装置包括混凝反应装置、重力膜池、反洗水箱。其中，混凝反应装置包括太阳能板4、取药计量泵5、混凝剂药池6、加药阀7、进水阀8、框式搅拌机9；其特征在于，太阳能板4通过电线与取样计量泵5相连，此时太阳能转化为电能为取样计量泵5提供能耗，取样计量泵5置于混凝剂药池6的上方，加药阀7置于混凝剂药池6的下方水管处，进水阀8设置于重力膜池入口处，框式搅拌机9安装于重力膜池顶部，由太阳能板提供能耗。重力膜池包括板式膜组件10、出水阀门11、出水质量检测器12、出水管道13、出水池14、出水主干管20、出水支管21，其特征在于，板式膜组件10设置于重力膜池的底部，板式膜组件10的下方设计有出水主干管20、出水支管21，后面出水阀门11、出水质量检测器12、出水管道13、出水池14按顺序依次由水管连接。

反洗水箱包括气路管道15、空气压缩机16、反洗进水阀17、反洗水箱18、反洗水箱排水阀19、反洗支水管22、反洗主干管23，其特征在于，出水管道13的上端与反洗进水阀17、反洗水箱18依次相连，反洗水箱18与反洗水排水阀19相连，反洗水排水阀19中的反洗水通过反洗支水管22、反洗主干管23喷洒在膜表层，出水管道13的下端与气路管道15、空气压缩机16相连。反洗装置工作时，先由空气压缩机16鼓气，气体通过管道到达膜表面，然后打开反洗水排水阀19，将脱离膜表面的污染层冲洗干净。

实施例3基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置的组合应用

本实施例通过运行装置实现，其中滤膜采用聚丙烯腈(PAN)平板超滤膜，混凝剂采用自制PACl，具体过程为混凝-过滤(形成饼层)-再过滤，在滤饼协同超滤膜的共同作用下，实现COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、SS的同步去除。该工艺通过以下步骤实现：采用雨水水质为COD＝50～300mg/L、TP＝2～5mg/L、浊度＝50～200NTU、pH＝6～8；控制PACl单次投加量为40mg/L；混凝搅拌强度为30～90rpm；过滤压力为4～10Kpa；总运行天数为10～100d，出水中COD、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、SS的去除率分别为：70～90％、50～65％、70～80％、60～70％、98～100％，相较于滤饼截留，前四种污染物的去除率分别提升了60～70％、30～40％、30～40％、50～60％，印证了混凝原位构筑滤饼中生物膜的降解作用，因此带有微生物的原位滤饼协同PAN滤膜对降雨中的COD、NH₃-N、TN、TP、SS进行了有效去除，达到了雨水资源化的目的。

以上所述具体实施例仅是本发明的优选实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本发明原理的前提下，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。

Claims (8)

1.一种基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置，其特征在于，包括雨水收集装置、重力膜过滤装置；所述雨水收集装置、重力膜过滤装置、消毒装置依次通过雨水管道连接；所述装置适应于雨水非连续性的特征，可处理雨水水质特征为：COD≤300mg/L、SS≤400mg/L、TP≤5mg/L的屋顶、路面、道路等下垫面的经弃流处理后的径流雨水。

2.权利要求1所述的雨水收集装置，其特征在于，包括雨水篦子和调蓄池；所述雨水篦子安装于径流雨水入口处并对初期雨水做弃流处理；所述调蓄池用于储存流入重力膜池的径流雨水，设置雨量过大时溢流至污水管网的溢流口。

3.权利要求1所述的重力膜过滤装置，其特征在于，包括混凝反应装置、重力膜池、出水池、反洗水箱；所述混凝剂药池通过截止阀与膜池连接；所述重力膜池前端连接调蓄池，底部安装重力膜组件，处理后的出水通过管道流入出水池和反洗水箱；所述出水池位于重力膜池下方收集出水；所述反洗水箱位于重力膜池侧方，通过重力势能进行水力反洗。

4.权利要求3所述混凝反应装置，其特征在于，包括混凝剂药池和框式搅拌机；所述混凝剂药池投药方式为间歇式投药，向重力膜池一次性投加铝盐混凝剂，慢速搅拌15min后形成多尺度絮体进行过滤处理；所述框式搅拌机通过太阳能板发电进行搅拌，用于投加的混凝剂快速混匀。

5.权利要求3所述重力膜池，其特征在于，跨膜压差由重力提供；雨量较大时，溢流口至膜表面高度为2m，跨膜压差为20KPa；雨量较小时，跨膜压差由液面水位决定，该运行模式具有绿色节能的优点。

6.权利要求3所述重力膜池，其特征在于，采用滤饼动态膜协同滤膜的重力膜组件；所述重力膜组件包括原位滤饼和滤膜；所述原位滤饼是由混凝单元形成的絮体累积在膜表面形成，具有疏松多孔的结构，在长周期运行过程中，原位滤饼上形成生物膜，将大部分有机质和悬浮物截留在原位滤饼中上段，氨氮、COD、总磷等被生物膜去除；所述滤膜可采用超滤膜或者微滤膜，膜类型可以是平板型或者中空纤维型。

7.权利要求3所述反洗水箱，其特征在于，包括反洗水箱和空气压缩机，反洗水箱通过出水管与重力膜池相连；所述空气压缩机通过气路管道与重力膜池底部相连接。在膜通量低于1L·(m^-2·h)^-1时，鼓气装置向上鼓气，同时开启反洗主干管上的截止阀，洗去膜表面的滤饼恢复膜通量。

8.一种利用权利要求1-7所述基于混凝原位构筑滤饼的重力驱动雨水净化装置，其特征在于，包括以下运行步骤：

(1)径流雨水通过雨水篦子初筛后，初期雨水被弃流，后续径流雨水流入调蓄池，调蓄池储存过量的径流雨水并使其流入重力膜池；

(2)混凝剂药池向重力膜池一次性投加一定剂量混凝剂，框式搅拌机搅拌15min形成絮体；

(3)在由重力膜池内液面高度提供跨膜压差的前提下，混凝后的雨水通过滤膜，絮体累积于膜表面构成原位滤饼，后续雨水经滤饼后通过滤膜，出水一部分流入出水池，另一部分流入反洗水箱储存；

(4)当滤膜通量低至1L·(m^-2·h)^-1时，开启反洗主干管上的截止阀，利用反洗水箱中的存水将膜表面的滤饼洗去，反洗水经管道排入污水管网，膜通量得到恢复。

(5)此时可再重复步骤(2)—(5)，实现间歇投药工艺模式。

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