CN103011509A

CN103011509A - 浮滤一体化污染水深度处理装置及方法

Info

Publication number: CN103011509A
Application number: CN2012105427911A
Authority: CN
Inventors: 周振民; 孔庆东; 王学超
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2012-12-15
Filing date: 2012-12-15
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及一种浮滤一体化污染水深度处理装置及方法。该装置包括浮虑池、溶气罐，浮虑池包括上、下设置的气浮单元和过滤单元，气浮单元中设有接触反应室，其底部经由管道依次连通原水水源、溶气罐，该接触反应室上方为气浮单元的分离区；过滤单元与气浮单元的分离区等截面，过滤单元由上至下依次包括活性炭滤层、石英砂滤层、砾石承托层；过滤单元的底部分别连通水反冲洗管道和气反冲洗管道。本发明集气浮过滤一体化，高度集成了多种除污染机理，可实现藻和有机物同时去除；预氧化强化的浮滤池工艺拓展了源水适应性，提高了污染物消减能力，藻、藻毒素和嗅味物质的去除率超过90%，高锰酸盐指数去除率超过50%，水质全面改善。

Description

浮滤一体化污染水深度处理装置及方法

技术领域

本发明涉及水净化技术领域，具体涉及一种浮滤一体化污染水深度处理装置及方法。

背景技术

目前，国内绝大部分水厂普遍采用常规处理工艺，即混凝—沉淀—过滤—消毒工艺。这种工艺只能有效去除水中的悬浮物、胶体物质、细菌和大肠杆菌等，而对藻类和有机污染物特别是溶解性有机污染物的去除能力较差。为达到水厂出水水质的要求，当水源水质呈恶化趋势时，水厂通常采取在净水工艺前增加预处理，或增加强化处理、深度处理等工序，投加更多的化学药剂，水处理工艺变得十分复杂，制水成本也相应增加。值得一提的是，随着越来越多的消毒剂和净水剂被广泛采用，水中次生污染物的种类和浓度，尤其是出水氯化后的致突变活性不断增加，水质安全性大大下降，给人体健康造成危害。在水源受污染的情况下，常规处理工艺己显得力不从心。

因此，在水源受污染情况下，由于常规净化工艺的局限性，处理后的生活饮用水水质的安全性难以得到保证。因此，常规的水处理工艺已不能与现有的水源和水质标准相适应，必须开发新的水处理技术及相应系统设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种净水效果好、可显著降低基建投资的浮滤一体化污染水深度处理装置，并公开了以该处理装置进行污染水深度处理的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

设计一种浮滤一体化污染水深度处理装置，包括浮虑池、溶气罐，所述浮虑池包括组合在一个构筑物中的由上至下依次设置的气浮单元和过滤单元，在所述气浮单元中设置有开口向上的接触反应室，其底部经由相应的管道依次连通原水水源、溶气罐，该接触反应室上方为气浮单元的分离区；所述过滤单元与气浮单元的分离区等截面，该过滤单元由上至下依次包括活性炭滤层、石英砂滤层、砾石承托层；所述过滤单元的底部分别连通对应的水反冲洗管道和气反冲洗管道。

在所述分离区的上方设置有溢渣区。

所述活性炭滤层厚600～800mm，其由Filtrasorb300D高活性碳填充而成。

活性炭同时发挥三个主要作用：过滤、吸附和生物作用。运行初期，活性炭主要起到过滤、吸附作用，经过长时间连续运行，活性炭上逐渐生长出生物膜，此时活性炭起到吸附与生物降解作用；同时，原水经过气浮单元后，水中过饱和的溶解氧为活性炭生物降解提供了良好的条件。

所述石英砂滤层20O～400mm。

过滤部分设计成碳砂双层过滤，由于气浮单元增加了水中溶解氧的含量，同时由于活性炭具有比表面积大的特点，在长期运行中活性炭表面易生长生物膜，对有机物有较好的去除效果；而下层的石英砂则可有效去除脱落的生物膜，为滤后水的水质提供了保障。

所述气浮单元高度为 1.5～2.0m。

一种浮滤一体化污染水深度处理方法，包括如下步骤：

（1）按1～3mg/L的投加量向待处理原水中投加聚合氯化铝铁后，上述浮滤一体化污染水深度处理装置中进行深度净化处理，投加聚合氯化铝铁后的原水在浮滤池中滤速为8～10m/h，在接触反应室中水力停留时间为1～3min，浮滤池溶气水回流比10～30%，溶气罐压力为0.20～0.5MPa；

加药的原水在接触反应室内反应，水中胶体及悬浮颗粒脱稳后形成微絮凝体(接触反应室具有微絮凝池的功能)，微絮凝体与高压溶气水充分接触后进入气浮区。

（2）浮滤一体化污染水深度处理装置周期运行24h后，对浮虑池进行气、水反冲洗，先充气，冲洗强度为12～16L/s·m²，冲洗l～2min；后水冲，冲洗强度为12～16L/s·m²，冲洗时间8～10min。

在所述步骤（1）中，可在投加聚合氯化铝铁之前，按1～3mg/L的投加量先向原水中投加臭氧进行预氧化处理。

在所述步骤（1）中，可在投加聚合氯化铝铁之前，按0.5～1.5mg/L的投加量先向原水中投加二氧化氯进行预氧化处理。

在所述步骤（1）中，可在投加聚合氯化铝铁之前，按2～3mg/L的投加量先向原水中投加次氯酸盐进行预氧化处理。

臭氧、二氧化氯、次氯酸盐三种氧化剂的预氧化效果都很好，实验证明，效果最佳的是臭氧，其次是二氧化氯和次氯酸盐。预氧化剂除了强化浮滤池的去除效果之外，还有的一个客观效果就是，稳定了气浮单元和过滤单元的去除效果，稳定了出水的水质。

本发明具有积极有益的效果：

1.活性炭床浮滤池高度集成了多种除污染机理，可实现藻和有机物同时去除。

2.集气浮过滤一体化，不设絮凝池，省去砂滤池，占地面积较省，显著降低基建投资，有利于老水厂的改造；且运行方式灵活，原水藻类浓度低时可停止气浮，运行微絮凝—活性炭过滤工艺，能够有效降低运行费用。

3.预氧化强化的浮滤池工艺拓展了源水适应性，提高了污染物消减能力，藻、藻毒素和嗅味物质的去除率超过90%，高锰酸盐指数去除率超过50%，水质全面改善；在水厂工艺改造中可以考虑将此工艺作为深度处理工艺的优先选择。

4.占地面积较省，在显著提高最终出水水质的同时，气浮单元之后直接是活性炭过滤，省掉了砂滤池，从而有可能节约初期投资和运行费用；因此，本工艺是常规处理和深度处理一体化。

5.通过高藻期对浮滤池工艺运行特性研究，浮滤池工艺对高藻水有较好的去除效果，在预氧化条件下，藻类总数平均去除率为95%以上，更多的情况下接近100%，叶绿素a平均去除率为也保持近100%。

6.通过高藻期和低温低浊条件下对浮滤池工艺运行特性研究，表明在预氧化剂的作用下，气浮效果得到了加强；原水经过氧化剂预处理后，浮滤池对各指标的去除效果得到了很大程度的加强，出水水质更好。各项指标的去除率(耗氧量除外)都接近和超过90%，甚至接近100%。

附图说明

图1为一种浮滤一体化污染水深度处理装置的结构示意图；

图2为不同 PAFC投加量下浊度的变化趋势图；

图3为不同PAFC投加量下耗氧量的变化趋势图；

图4 为单独气浮对各指标的去除率曲线图；

图5为浮滤池对各指标的去除率曲线图；

图6为浮滤池出水中pH的变化状况图；

图7为臭氧预处理－气浮单元去除率曲线图；

图8为臭氧预处理－浮滤池去除率曲线图；

图9为臭氧预处理－pH变化曲线图；

图10为二氧化氯预处理－气浮单元去除率曲线图；

图11为二氧化氯预处理－浮滤池去除率曲线图；

图12为二氧化氯预处理－pH变化曲线图；

图13为1.0mg/L二氧化氯、2mg/L Al⁺³浮滤池对多指标去除率曲线图；

图14为次氯酸根预处理－气浮单元去除率曲线图；

图15为次氯酸根预处理－浮滤池去除率曲线图；

图16为次氯酸根预处理－pH变化曲线图；

图17为3.0mg/L次氯酸根、2mg/L Al³⁺浮滤池对较更多指标去除率曲线图。

图中，1为原水，2为原水泵，3为加药泵，4为气浮室，5为分离区，6为溢渣区，7为活性炭滤层，8为石英砂滤层，9为砾石承托层，10为回流水池，11为回流水泵，12为压力表，13为溶气罐，14为溶气回流管，15为总出水管，16为溢流浮渣管，17为进气孔。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。下述实施例中所涉及的系统结构如无特别说明，则为常规的系统结构；所涉及的具体方法步骤如无特别说明，则均为常规方法步骤。

实施例1 一种浮滤一体化污染水深度处理装置，参见图1，包括浮虑池、溶气罐，所述浮虑池包括组合在一个构筑物中的由上至下依次设置的气浮单元和过滤单元，在所述气浮单元中设置有开口向上的接触反应室，其底部经由相应的管道依次连通原水水源、溶气罐13，该接触反应室上方为气浮单元的分离区5；所述过滤单元与气浮单元的分离区等截面，该过滤单元由上至下依次包括活性炭滤层7、石英砂滤层8、砾石承托层9；过滤单元的底部分别连通对应的水反冲洗管道和气反冲洗管道。在分离区5的上方设置有溢渣区6。活性炭滤层7厚700mm，其由Filtrasorb300D高活性炭（美国卡尔冈碳素公司开发生产的，碘值为900mg/g）填充而成；石英砂滤层8厚300mm。气浮单元高度为 1.8m。

一种浮滤一体化污染水深度处理方法，包括如下步骤：

（1）按2mg/L的投加量向待处理原水中投加聚合氯化铝铁后，引至上述的浮滤一体化污染水深度处理装置中进行深度净化处理，投加聚合氯化铝铁后的原水在浮滤池中滤速为9m/h，在接触反应室中水力停留时间为2min，浮滤池溶气水回流比10～30%，溶气罐压力为0.3MPa；

（2）浮滤一体化污染水深度处理装置周期运行24h后，对浮虑池进行气、水反冲洗，先充气，冲洗强度为15L/s·m²，冲洗2min；后水冲，冲洗强度为15L/s·m²，冲洗时间9min。

实施例2 浮滤一体化污染水深度处理工艺试验

（1）混凝剂(聚合氯化铝铁)最佳投量

试验原水水量为lm³/h，浊度0.8～1.5NTU，水温8～10℃，采用实施例1中所述的浮滤一体化污染水深度处理装置，浮滤池溶气水回流比20%～30%，溶气罐压力为0.30MPa，采用混凝剂为聚合氯化铝铁PAFC(聚合氯化铝铁溶液，密度为1.2kg/L，AL₂O₃含量为10.5%)；聚合氯化铝铁PAFC投加量分别为0mg/L、1mg/L、2mg/L和4mg/L时，浮滤池处理工艺对浊度和耗氧量的去除情况见图2、图3。

由图2、图3中的数据变化可知：①投加PAFC后，各指标尤其是浊度的去除率有较明显的提高，尤以2mg/L的PAFC投加量处理效果最佳；继续加大PAFC的投加量，去除率则趋于稳定，由此得出，浮滤池工艺处理低温低浊的原水PAFC最佳投量为2mg/L；②从浊度变化图可以看出，气浮出水浊度较进水浊度有一定幅度的升高，这与实验过程中气浮效果的不稳定有关；实验过程中，微气泡的释放速率和浓度的不稳定是造成上述浊度出现反常的主要原因。

最佳混凝剂投加量条件下浮滤池运行效果:试验原水水量为lm³/h，浮滤池溶气水回流比20%～30%，溶气罐压力为0.30MPa，混凝剂聚合氯化铝铁PAFC投加量2mg/L；实验结果表明，气浮出水浊度为0.40～O.85NTU，平均去除率为46.86%; 滤后水浊度为0.07～0.23NTU，总平均去除率为86.49%。试验结果显示，本发明工艺对于低温低浊水的浊度去除效果显著，气浮单元出水浊度已经低于《城市供水水质标准》，经过过滤以后，滤后水浊度远低于目前饮用水标准。

原水耗氧量为3.15～4.40mg/L，气浮单元出水为2.57～3.30mg/L；去除率为13.47%～40.00%，平均去除率为22.06%；滤后水为1.77～2.70mg/L，浮滤池工艺对耗氧量的总去除率为30.75～54.77%，平均为43.46%。

原水色度为10度，经气浮单元后色度降为5度，去除率为50%，经过滤单元后色度降为2.5度，总去除率升至75%。

低温低浊条件下，由于原水中颗粒物较少，且水的粘度较大，极大的影响了混凝效果。由于气浮本身的优势，气浮单元对浊度去除效果较好。但是，由于混凝效果的下降，加之温度低，絮体颗粒周围的水化膜较厚，颗粒的亲水性强，很大程度上影响了絮体对水中有机物的吸附，因此气浮单元对有机物的去除效果较常温条件下差。气浮出水经过滤单元后，耗氧量去除率增加，耗氧量的去除率提高到43.46%。

（2）高藻高有机物条件下浮滤池运行试验

试验中固定浮滤池自身的运行参数(溶气水回流比20%～30%，溶气罐压力为0.30MPa)，变化混凝剂PAFC的投加量: lmg/L、2mg/L、3mg/L、4mg/L，分析每个混凝剂投加量下浮滤池的去除效果。

单独气浮对各指标的去除效果如图4所示；浮滤池对各指标的去除效果如图5；浮滤池出水中pH的变化状况见图6。分析上述曲线图可以看出:气浮效果随着铝离子投加量的增加，对各指标的去除率也逐渐的提高，在铝离子投加量为1～3mg/L时，浮滤池对浊度、色度和叶绿素a的去除率随着混凝剂投加量的增加而提高，在3mg/L之后，去除率上升幅度变缓，稳定在90%左右；耗氧量的去除率在2mg/L时的去除率最高，达到60%以上。气浮出水的pH值随着铝离子投加量的增加呈递减趋势，最终的活性炭出水的pH值在8.0左右。

（3）预氧化剂（臭氧预处理）—微絮凝浮滤池工艺运行试验

在Al³⁺投加量为2mg/L的情况下，研究不同臭氧投加量下的各指标的去除效果。臭氧预处理后单独气浮的去除效果见图7；臭氧预处理+微絮凝浮滤池工艺的去除效果及出水pH的变化情况分别见图8和图9。

与常规浮滤池单独气浮的去除效果相比，经臭氧预处理之后，气浮对各指标的去除率均较稳定且有明显的提高:色度提高了30%左右，耗氧量也提高了近10%，叶绿素a去除率提高得更是明显，近60个百分点;可见臭氧预氧化对浮滤池气浮效果的影响作用是很明显的。

由图8可以看出，随着臭氧投加量的增加，浮滤池对的各指标的去除率相当稳定且保持较高的水平，虽耗氧量的去除率不高，但也达到了近60%；与常规浮滤池工艺处理效果相比，浊度、色度、叶绿素a等的去除率都达到了90%以上，比常规浮滤池工艺有15～25%的提高幅度；当臭氧投加量从lmg/L变化到1.5mg/L时，各指标的去除率有些提高，但继续增大到2mg/L时，去除率没有明显的变化。所以，就实验水质而言，最佳的预臭氧化投加量为l.5mg/L。

可以看出，经臭氧预处理之后，气浮出水的pH值较常规浮滤池工艺下降0.1，而最终的活性碳过滤出水的pH值较稳定的维持在8.0以下。

综上所述，臭氧预氧化的强化混凝效果非常好，随着臭氧投加量的增加，各指标的去除较之常规混凝条件下的处理效果有了较大提高。且在混凝剂投加量较低的情况下，亦能达到良好的效果，有效节约了运行成本。

为了解臭氧预氧化+微絮凝浮滤池工艺对更多指标的去除状况，在以上实验与分析的基础上，选择Al³⁺投加量2mg/L，臭氧投加量1.5mg/L，进行实验，结果如表1。

表1：1.5mg/L臭氧预处理、2mg/L Al³⁺投量条件下多指标变化状况

可以看出，臭氧预氧化处理之后，TOC和氨氮的去除率没有太大的变化，气浮和过滤对藻类的去除率均提高了10%，最终出水去除率达到了近100%，气浮出水的亚硝酸盐氮去除率提高了约5%，滤后出水的去除率则提高了20%。

（3）预氧化剂（二氧化氯预处理）—微絮凝浮滤池工艺运行试验

在Al³⁺投加量为2mg/L的情况下，进行单独气浮的去除效果见图10；二氧化氯预处理+微絮凝浮滤池工艺的去除效果及出水pH的变化情况分别见图11和图12。

由图10可以看出:在2mg/L的混凝剂投加量下，二氧化氯投加量由0.5mg/L变化到lmg/L时，气浮对各指标的去除率有较明显的提高:色度提高了近40%，叶绿素a提高了60%以上。最佳的二氧化氯投加量为lmg/L。

由图11可见，在2mg/L的混凝剂投加量下，浊度、色度、叶绿素a等的去除率都达到了90%以上，较常规浮滤池工艺分别提高10%、15%、20%。最佳的二氧化氯投加量为lmg/L。

经二氧化氯预处理之后，气浮出水的pH值较常规浮滤池工艺下降0.1左右。

选择Al³⁺投加量2mg/L，二氧化氯投加量1.0mg/L,进行较全面检测，各指标数据如表2，去除率变化如图13。

表2：1.Omg/L二氧化氯预处理、 2mg/L Al³⁺投量条件下更多指标变化状况

注:F31－原水，F32－气浮出水，F33－活性碳过滤出水

可以看出，二氧化氯预氧化处理之后，气浮对各常规指标的去除率没有太大变化，最终滤后出水则有不同程度的提高:藻类去除率提高了约10%，TOC没有明显变化，亚硝酸盐氮效果最明显，提高了50个百分点，氨氮提高了10%左右。另外，投加二氧化氯，在气浮出水中有ClO₂，活性炭对它们的去除率分别是96%左右。气浮和活性炭对胞外藻毒素的去除效果也较好，达到了饮用水标准。

（4）预氧化剂（次氯酸根预处理）—微絮凝浮滤池工艺运行试验

在A1³⁺投加量为2mg/L的情况下，研究不同次氯酸根投加量下的各指标的去除情况。投加次氯酸根预氧化处理后进行单独气浮的去除效果见图14；次氯酸根预氧化+微絮凝浮滤池工艺的去除效果及出水pH的变化情况分别见图15和图16。

可以看出:在2mg/L的混凝剂投加量下，随着次氯酸根投加量的增加，气浮对各指标的处理效果有不同程度的波动，色度去除率的现象最明显，与常规浮滤池工艺处理效果相比，除叶绿素a有30%左右的去除率提高值之外，其余指标的去除率没有太大明显的变化，耗氧量的去除率甚至还有些下降；可见，次氯酸根预氧化对气浮效果的影响作用不明显。

可以看出，在2mg/L的混凝剂投加量下，随着次氯酸根投加量的增加，浮滤池对各指标也保持着较稳定且较高的去除率，浊度、色度和叶绿素a的去除率维持在90%以上，较常规浮滤池工艺均提高15～20%。对耗氧量的去除率没有提高，反而降低了近20个百分点。结合前面气浮效果出现的同样的规律，分析其原因应该是次氯酸根的氧化还原两重性所致，投加次氯酸根的同时，客观地提高了水中的还原性物质的绝对值含量，从而影响了最终的耗氧量去除率。

可以看出，经次氯酸根预处理之后，气浮出水和过滤出水的pH值呈现出与臭氧和二氧化氯预氧化相反的规律，即随着氧化剂投加量的增加而升高，最终出水的pH值维持在8.1以上。这应该是次氯酸根在水中氧化还原作用以及水解作用共同作用的结果。

在以上实验与分析的基础上，选择A1³⁺投加量2mg/L，次氯酸根投加量3.0mg/L,

实验取样，进行较全面检测，数据如下表3，去除效果见图17。

表3：3.0mg/L 次氯酸根预处理、2mg/L A1³⁺投量条件下更多指标变化状况

注:F41－原水，F42－气浮出水，F43－活性碳过滤出水

可以看出，次氯酸根预氧化处理之后，藻类的去除率明显下降。TOC的去除率也有所下降。亚硝酸盐氮的去除率有了较大的提高，气浮和滤后分别提高了30%和50%。氨氮的去除率气浮处理后有所下降，但滤后有所提高，达到了85%左右，提高了约15个百分点。

根据以上不同氧化剂预氧化下的试验数据与分析，可以看出:针对高藻高有机物的原水，浮滤池工艺的除藻、除有机物的效果明显。在加氧化剂预氧化的条件下，除藻、除有机物的效果与常规浮滤池工艺项比较更是优越，普遍对浊度、色度和叶绿素a有着较高的去除率，尤其是臭氧预氧化。由此可见以臭氧为预氧化剂可以大幅降低混凝剂的用药量，并得到更优质的出水。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种浮滤一体化污染水深度处理装置，包括浮虑池、溶气罐，所述浮虑池包括组合在一个构筑物中的由上至下依次设置的气浮单元和过滤单元，其特征在于，在所述气浮单元中设置有开口向上的接触反应室，其底部经由相应的管道依次连通原水水源、溶气罐，该接触反应室上方为气浮单元的分离区；所述过滤单元与气浮单元的分离区等截面，该过滤单元由上至下依次包括活性炭滤层、石英砂滤层、砾石承托层；所述过滤单元的底部分别连通对应的水反冲洗管道和气反冲洗管道。

2.根据权利要求1所述的浮滤一体化污染水深度处理装置，其特征在于，在所述分离区的上方设置有溢渣区。

3.根据权利要求1所述的浮滤一体化污染水深度处理装置，其特征在于，所述活性炭滤层厚600～800mm，其由Filtrasorb300D高活性碳填充而成。

4.根据权利要求1所述的浮滤一体化污染水深度处理装置，其特征在于，所述石英砂滤层200～400mm。

5.根据权利要求1所述的浮滤一体化污染水深度处理装置，其特征在于，所述气浮单元高度为 1.5～2.0m。

6.一种浮滤一体化污染水深度处理方法，包括如下步骤：

（1）按1～3mg/L的投加量向待处理原水中投加聚合氯化铝铁后，引至权利要求1所述的浮滤一体化污染水深度处理装置中进行深度净化处理，投加聚合氯化铝铁后的原水在浮滤池中滤速为8～10m/h，在接触反应室中水力停留时间为1～3min，浮滤池溶气水回流比10～30%，溶气罐压力为0.20～0.5MPa；

（2）浮滤一体化污染水深度处理装置周期运行24h后，对浮虑池进行气、水反冲洗，先充气，冲洗强度为12～16L/s·m²，冲洗l～2min；再水冲，冲洗强度为12～16L/s·m²，冲洗时间8～10min。

7.根据权利要求6所述的浮滤一体化污染水深度处理方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，在投加聚合氯化铝铁之前，按1～3mg/L的投加量先向原水中投加臭氧进行预氧化处理。

8.根据权利要求6所述的浮滤一体化污染水深度处理方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，在投加聚合氯化铝铁之前，按0.5～1.5mg/L的投加量先向原水中投加二氧化氯进行预氧化处理。

9.根据权利要求6所述的浮滤一体化污染水深度处理方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，在投加聚合氯化铝铁之前，按2～3mg/L的投加量先向原水中投加次氯酸盐进行预氧化处理。