申请日2015.04.17
公开(公告)日2015.08.05
IPC分类号C02F1/78; C02F9/08
摘要
一种臭氧预氧化水处理设备及其水处理方法，该设备包括臭氧预氧化反应部分(1)、混合部分(2)、凝聚部分(3)、沉淀部分(4)以及过滤部分(5)，带有可设定进气流量的内嵌式气体流量计(14)的臭氧扩散器(9)在流体通道(11)中氧化来自第一进水口(6)的待处理原水，电控单元(10)根据输入到第三进水口(21)的进水量控制所述凝聚部分(3)的第二、第三、和第四可调节搅拌机(22、23、24)的转速，经过凝聚部分(3)的水从第三出水口(39)经第四进水口(27)传送到沉淀部分(4)，经过沉淀作用后，水从第四出水口(28)输送到过滤部分(5)的过滤层(34)进行过滤后从第五出水口(33)输出。
权利要求书
1.一种臭氧预氧化水处理设备，其包括臭氧预氧化反应部分(1)、混合部分(2)、凝聚部分(3)、沉淀部分(4)以及过滤部分(5)，其中：
带有第一进水口(6)和第一出水口(7)的所述臭氧预氧化反应部分(1)包括臭氧发生器(8)、臭氧扩散器(9)和电控单元(10)，从所述第一进水口(6)输入的待处理原水通过设有臭氧扩散器(9)的流体通道(11)传送到所述第一出水口(7)，带有进气电磁阀(12)的导气管(13)将设在臭氧预氧化反应部分(1)底部的臭氧发生器(8)产生的臭氧传输到带有钛板微孔(39)的臭氧扩散器(9)，带有可设定进气流量的内嵌式气体流量计(14)的所述臭氧扩散器(9)在流体通道(11)中氧化来自第一进水口(6)的待处理原水;气体流量计(14)将气体流量数据发送至电控单元(10);设在所述第一出水口(7)的ORP传感器(15)检测经过第一出水口(7)的氧化后的水并将ORP数据发送电控单元(10);
带有第二进水口(16)和第二出水口(17)的混合部分(2)包括设在其上部的聚合氯化铝溶液输入口(18)、从所述混合部分(2)的顶部垂下的第一可调节搅拌机(19)和设在其下部的超声波振动阵列(20)，来自第一出水口(7)的氧化后的水经过第二进水口(16)输入混合部分(2)，所述第一可调节搅拌机(19)将氧化后水和聚合氯化铝溶液混合搅拌并同时通过所述超声波振动阵列(20)振动;
所述凝聚部分(3)包括位于其底部的第三进水口(21)、从其顶部垂下的第二、第三和第四可调节搅拌机(22、23、24)和从其上部输出水的第三出水口(39)，来自所述第二出水口(17)的所述水经过第三进水口 (21)输入凝聚部分(3)，所述第二、三可调节搅拌机(22、23)之间和所述第三、四可调节搅拌机(23、24)之间设有第一、第二隔板(25、26)，所述第一可调节搅拌机(19)的转速大于第二可调节搅拌机(22)的转速，所述第二可调节搅拌机(22)的转速大于第三可调节搅拌机(23)的转速，所述第三可调节搅拌机(23)的转速大于第四可调节搅拌机(24)的转速;
沉淀部分(4)包括位于其上部的一侧的第四进水口(27)和另一侧的第四出水口(28)，两块设在所述沉淀部分(4)底部的斜板(29)超中心位置倾斜且在相互间隔10毫米处向下延伸，所述斜板(29)的向下延伸部分通过可拆卸密封件(30)密封形成容纳槽(31);
所述过滤部分(5)包括设在上部的第五进水口(32)和设在底部的第五出水口(33)，在所述第五出水口(33)上方设有过滤层(34)，所述过滤层(34)从上到下依次为粒径为4-8毫米的厚度0.2米的粗砂层(35)、粒径在0.8-1.5毫米的厚度为0.4米的活性炭层(36)、粒径在0.9-1.4毫米厚度为0.7米的石英砂层(37)和微米级的反渗透膜层(38);
所述电控单元(10)可根据气体流量数据、ORP数据控制所述进气电磁阀(12)，所述电控单元(10)可调节所述第一、第二、第三和第四可调节搅拌机(19、22、23、24)的转速以及所述超声波振动阵列(20)的振动强度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，当气体流量数据低于气流量设定值时，电控单元(10)通过控制进气电磁阀(12)增加气流量;当气体流量数据大于气流量设定值时，电控单元(10)通过控制进气电磁阀(12)减小气流量。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反渗透膜层(38)为芳香族聚酰胺膜。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，ORP传感器(15)将检测到的ORP数值输送至电控单元(10)中;电控单元(10)将测得的ORP数值与设定范围进行比较，当测得的ORP数值小于设定范围的最小值时，电控单元(10)控制臭氧发生器(8)增加臭氧的供应量或控制第一进水口(6)的进水电磁阀降低第一进水口的进水量，以使ORP数值上升至设定范围内;当测得的ORP数值大于设定范围的最大值时，电控单元(10)控制臭氧发生器(8)减少臭氧的供应量或控制第一进水口(6)的进水电磁阀增加第一进水口(6)的进水量，以使ORP数值降至设定范围内。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述臭氧预氧化反应部分(1)为不锈钢制成的壁厚为3毫米、直径为0.13米和高度为2米的圆柱体。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述混合部分(2)为不锈钢制成的壁厚为3毫米、直径为0.11米和高度为0.4米的圆柱体。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述斜板(29)倾斜角度为45度到60度。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述钛板微孔(39)为多个1-2微米的通孔均匀分布在钛金属面板制成的曲面板上。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一可调节搅拌机(19)的转速为300转每分、第二可调节搅拌机(22)的转速为200转每分、第三可调节搅拌机(23)的转速为150转每分和第四可调节搅拌机(24)的转速为100转每分。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述聚合氯化铝溶液可替换成硫酸铝、聚合硫酸铝、氯化铝溶液中的一种或数种。
11.一种采用根据权利要求1-10中任一项所述设备的水处理方法，其包括以下步骤：
第一步骤中，所述电控单元(10)控制第一进水口(6)的进水量和所述臭氧扩散器(9)输出的臭氧量使得水中臭氧浓度处于0.8到0.9毫克每升的范围内，所述水和臭氧在流体通道(11)内氧化;
第二步骤中，所述电控单元(10)根据输入到第二进水口(16)的进水量控制第一可调节搅拌机(19)搅拌和所述超声波振动阵列(20)的振动强度对混合部分(2)容纳的混合液体进行搅拌和振动;
第三步骤中，所述电控单元(10)根据输入到第三进水口(21)的进水量控制所述凝聚部分(3)的第二、第三、和第四可调节搅拌机(22、23、24)的转速，经过凝聚部分(3)的水从第三出水口(39)经第四进水口(27)传送到沉淀部分(4)，经过沉淀作用后，水从第四出水口(28)输送到过滤部分(5)的过滤层(34)进行过滤后从第五出水口(33)输出。
12.根据权利要求11所述的水处理方法，其中，电控单元(10)为可编程的控制单元。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，电控单元(10)控制所述臭氧浓度的预定范围为0.85毫克每升。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述超声振动阵列(20)为压电型超声换能器或磁致伸缩型超声换能器。
说明书
一种臭氧预氧化水处理设备及其水处理方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及微污染饮用水水源净化的技术 领域，特别是涉及一种臭氧预氧化水处理设备及其水处理方法。
背景技术
近年来，由于大量生活污水、工业废水、农渔牧水的排入，使大部分水 体遭受不同程度的污染，对城市供水造成严重影响。由于工业污水的排放， 农业化肥使用量的增加特别是渔业饲料的广泛应用造成氮磷营养物的大量流 失。湖泊富营养化的程度日趋严重，已成为突出的环境污染问题。城市自来 水的取水口周围的湖面被大量的藻类包围，直接恶化了人们赖以生存的自来 水的水质。据调查，我国430个城市中有90%以上的饮用水源受到污染，导 致水体的富营养化，而富营养化最明显的特征就是藻类的过度繁殖，给供水 工程带来很大影响。
现有技术中的水处理有物理方法和化学方法两大类，其中诸如过滤、分 离等物理方法无法对水中的可溶性有机物等进行净化处理，化学方法如水源 通常采用氯进行消毒，但水源的污染使用氯消毒后会产生氯仿、溴二氯甲烷、 四氯化碳等有致癌性氯化有机物(THM)，即会带来二次污染。
另外，水中的物质除了溶解性的有机物之外，还有多种颗粒物，如藻类、 硅藻土、有机颗粒，等等，是构成微细胶体和浊度的主要结构体。砂滤是饮 用水处理过程中去除颗粒物的关键步骤，尤其是以地表水为水源的处理过程， 但是在净水处理厂经常会出现滤池堵塞的现象。很多研究发现藻是滤池堵塞 的罪魁祸首，甚至有一些大型藻会导致滤池运行周期的大大缩短，给水厂的 运行带来严峻的挑战。虽然其他大型的藻类也会影响过滤过程，但是硅藻是 造成滤池堵塞的主要藻种，例如，丝状硅藻导致滤池运行周期从30小时缩短 至8小时，针杆藻(Synedra)导致滤池运行周期从35小时缩短至3.5小 时。
现有技术中，杀菌灭藻并抑制藻类大量繁殖的技术主要有：1)滤网捞集、 2)超声技术、3)高压灭藻、4)生物治理、5)生态治理和6)氧化除藻等。其中， 首推化学氧化法，且用于杀菌除藻的化学氧化剂非常多，如液氯、臭氧、二 氧化氯、次氯酸钠等。液氯虽然能使藻细胞死亡，但并不能分解藻细胞的尸 体和藻毒素，产生消毒副产物三卤甲烷、卤代烃等对人体及环境有害的三致 物质，且有氯臭味和腥臭味，因此尽管价格便宜，也应当慎重使用。臭氧作 用速度快，不具有抑制藻类大量繁殖的效果，在灭藻一段时间之后，其中的 藻细胞又开始生长。二氧化氯难以解决大量的藻类死亡之后沉积在水底被微 生物分解消耗水中的溶解氧而导致水体变质的问题。次氯酸钠的杀菌除藻效 果低于二氧化氯，而且其杀生能力随PH值的升高而明显下降，因此，目前在 国内外都没有得到广泛的应用。诸如超声波除藻技术，臭氧与高锰酸钾联用 除藻技术，双场式除藻杀菌消毒器等等。物理法费时费力，效率很低;化学 法虽然见效快，如控制不好投加量，易引起二次污染;常规生物法工程投资 大、操作较困难、除藻效率低、不适用于大规模的水域治理。少量或微量的 含藻自来水达不到国家规定的生活用水和饮用水的标准。
因此，在本领域，需要一种不仅能够高效去除水中的颗粒、包括藻类的 有机物等杂质的水处理设备，使得水质达到饮用水标准，而且不会造成水处 理设备运行周期缩短、能够快速有效地进行水处理。
本发明提供的水处理设备及其方法与现有技术相比较，本发明具有以下 有益效果：
1)本发明采用臭氧预氧化反应部分、混合部分、凝聚部分、沉淀部分以 及过滤部分联合净化除藻，避免了现有技术中的化学方法产生的二次污染等 问题，避免了物理方法的处理时间长、净化效果不好等问题，也避免了单一 使用臭氧抑制时效短的缺点，有效抑制藻类再生，预防水华。
2)本发明通过电控单元对臭氧量进行调节，控制氧化效果，并且臭氧氧 化和凝聚作用、过滤作用产生倍增效应，超声波振动和搅拌机搅拌结合促进 了凝聚作用和破碎作用，多层不同材料的过滤层从多个维度进行过滤等技术 手段显著地提高了本发明的水处理的净化效果。
3)本发明工艺简单，成本低廉、净化效果显著且能够长周期运行。本发 明不需要各种成本高昂的化学药剂或生物药剂等，通过电控单元可精确配比 凝聚溶液，节约成本，本发明的各个部分的相互影响和作用，显著地提高了 净化效果，本发明能够对藻类有效去除，维护好水处理的长周期运行。使得 处理后的水达到了国家生活用水和饮用水的标准。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种臭氧预氧化水处理设备，其包括臭 氧预氧化反应部分、混合部分、凝聚部分、沉淀部分以及过滤部分。
带有第一进水口和第一出水口的所述臭氧预氧化反应部分包括臭氧发生 器、臭氧扩散器和电控单元，从所述第一进水口输入的待处理原水通过设有 臭氧扩散器的流体通道传送到所述第一出水口，带有进气电磁阀的导气管将 设在臭氧预氧化反应部分底部的臭氧发生器产生的臭氧传输到带有钛板微孔 的臭氧扩散器，带有可设定进气流量的内嵌式气体流量计的所述臭氧扩散器 在流体通道中氧化来自第一进水口的待处理原水;气体流量计将气体流量数 据发送至电控单元;设在所述第一出水口的ORP传感器检测经过第一出水口 的氧化后的水并将ORP数据发送电控单元。
带有第二进水口和第二出水口的混合部分包括设在其上部的聚合氯化铝 溶液输入口、从所述混合部分的顶部垂下的第一可调节搅拌机和设在其下部 的超声波振动阵列，来自第一出水口的氧化后的水经过第二进水口输入混合 部分，所述第一可调节搅拌机将氧化后水和聚合氯化铝溶液混合搅拌并通过 所述超声波振动阵列振动。
所述凝聚部分包括位于其底部的第三进水口、从其顶部垂下的第二、第 三和第四可调节搅拌机和从其上部输出水的第三出水口，来自所述第二出水 口的所述水经过第三进水口输入凝聚部分，所述第二、三可调节搅拌机之间 和所述第三、四可调节搅拌机之间设有第一、第二隔板，所述第一可调节搅 拌机的转速大于第二可调节搅拌机的转速，所述第二可调节搅拌机的转速大 于第三可调节搅拌机的转速，所述第三可调节搅拌机的转速大于第四可调节 搅拌机的转速。
沉淀部分包括位于其上部的一侧的第四进水口和另一侧的第四出水口， 两块设在所述沉淀部分底部的斜板超中心位置倾斜且在相互间隔10毫米处 向下延伸，所述斜板的向下延伸部分通过可拆卸密封件密封形成容纳槽。
所述过滤部分包括设在上部的第五进水口和设在底部的第五出水口，在 所述第五出水口上方设有过滤层，所述过滤层从上到下依次为粒径为4-8毫 米的厚度0.2米的粗砂层、粒径在0.8-1.5毫米的厚度为0.4米的活性炭层、 粒径在0.9-1.4毫米厚度为0.7米的石英砂层和微米级的反渗透膜层。
所述电控单元可根据气体流量数据、ORP数据控制所述进气电磁阀，所 述电控单元可调节所述第一、第二、第三和第四可调节搅拌机的转速以及所 述超声波振动阵列的振动强度。
本发明的臭氧预氧化水处理设备通过对水进行臭氧处理、搅拌及超声波 振动、凝聚沉淀和过滤等有机结合的处理流程能够大幅改进作为评价有机污 染物去除效果的表征指标DOC、CODMn、UV254等指标，提高对水的有机物、颗 粒等净化效果。其中，DOC是水体中溶解性有机碳总量，CODMn是各种在特 定条件下能被高锰酸钾氧化的有机物的总和，而UV254代表的是如腐殖酸 类具有不饱和键、在254nm处有特征吸收的有机物。这三个指标是最常 用的用以表征水体中有机污染物含量的指标。浊度和不同粒径的颗粒含量表 征水体中颗粒残留的指标。本发明能够显著地改进去除水体中颗粒残留的能 力。
在臭氧预氧化部分，第一，适当浓度的臭氧氧化UV254类有机物后过滤去 除;第二，对于CODMn类有机物，适当浓度的臭氧使其聚合成高聚物，提高了 在混合部分和凝聚部分的混凝效果，臭氧具有良好的助凝作用;第三，适当 浓度的臭氧氧化使水的pH值发生了变化，从而提高了混凝效率,改善了沉淀 效果;第四，适当的臭氧浓度能够使得过滤过程中形成生物膜，生物膜延长 砂滤运行周期并提高对颗粒物及浊度的去除率，另外，生物膜对有机物的分 解去除也可能发挥了一定的作用，从而提高过滤效果，本发明处理的水的浊 度远远低于现有技术处理的水的浊度，也就是说本发明的设备的运行负荷得 到了明显的提高;第五，对于硅藻等DOC有机物，由于硅藻在混沉阶段很难 去除，直接导致大量的硅藻进入过滤部分中。粒径较大的硅藻无法过滤至过 滤部分填料的孔隙中，只是被滤料堵塞在表层，很快堵塞了过滤部分的过滤。 本发明的臭氧预氧化部分将藻细胞破坏成小颗粒物，使得进入过滤工艺段后， 粒径较小的颗粒物可以通过过滤部分的孔隙慢慢地向下层转移，从而使得过 滤部分的有效过滤厚度增加，从而提高过滤部分的过滤效果。因此，臭氧氧 化对混合部分、凝聚部分、沉淀部分以及过滤部分存在多种机制的交叉作用 从而促进有机物的净化。
在混合部分，通过可控的快速搅拌和超声波振荡能将水中的有机物、颗 粒等进一步粉碎，而且有助于臭氧氧化后的水和凝聚溶液的充分混合，有助 于下一步的凝聚作用。超声波振荡和快速搅拌的有机结合能够显著地提高对 中中尺寸较大的有机物、颗粒的作用，进一步提高下一步的凝聚作用和沉淀 作用，
在凝聚部分，通过不同转速的搅拌机搅拌水和凝聚溶液，能够提高凝聚 作用，有利于提高净化效果。通过上述的作用，本发明对水处理的杂质绝大 部分沉淀在沉淀部分中，大大降低了浊度。
在过滤部分，结合臭氧氧化作用、搅拌作用以及超声波振荡，水中的有 机物、颗粒等杂质通过多层的沙石过滤、活性炭过滤和反渗透膜过滤后，原 水处理成合格的饮用水。
优选地，当气体流量数据低于气流量设定值时，电控单元通过控制电磁 阀增加气流量;当气体流量数据大于气流量设定值时，电控单元通过控制电 磁阀减小气流量。
优选地，所述反渗透膜层为芳香族聚酰胺膜。
优选地，ORP传感器将检测到的ORP数值输送至电控单元中;电控单元 将测得的ORP数值与设定范围进行比较，当测得的ORP数值小于设定范围的 最小值时，电控单元控制臭氧发生器增加臭氧的供应量或控制第一进水口的 进水电磁阀降低第一进水口的进水量，以使ORP数值上升至设定范围内;当 测得的ORP数值大于设定范围的最大值时，电控单元控制臭氧发生器减少臭 氧的供应量或控制第一进水口的进水电磁阀增加第一进水口的进水量，以使 ORP数值降至设定范围内。
优选地，所述臭氧预氧化反应部分为不锈钢制成的壁厚为3毫米、直径 为0.13米和高度为2米的圆柱体。
优选地，所述混合部分为不锈钢制成的壁厚为3毫米、直径为0.11米和 高度为0.4米的圆柱体。
优选地，所述斜板倾斜角度为45度到60度。
优选地，所述钛板微孔为多个微米级的通孔均匀分布在钛金属面板制成 的曲面板上。
优选地，所述第一搅拌机的转速为300转每分、第二搅拌机的转速为200 转每分、第三搅拌机的转速为150转每分和第四搅拌机的转速为100转每分。
优选地，所述聚合氯化铝溶液可替换成硫酸铝、聚合硫酸铝、氯化铝溶 液中的一种或数种。
根据本发明的第二方面，提供了一种前述设备的水处理方法，其包括以 下步骤：
第一步骤中，所述电控单元控制第一进水口的进水量和所述臭氧扩散器 输出的臭氧量使得水中臭氧浓度处于0.8到0.9毫克每升的范围内，所述水 和臭氧在流体通道内氧化。
第二步骤中，所述电控单元根据输入到第二进水口的进水量控制第一可 调节搅拌机搅拌和所述超声波振动阵列的振动强度对混合部分容纳的混合液 体进行搅拌和振动。
第三步骤中，所述电控单元根据输入到第三进水口的进水量控制所述凝 聚部分的第二、第三、和第四可调节搅拌机的转速，经过凝聚部分的水从第 三出水口经第四进水口传送到沉淀部分，经过沉淀作用后，水从第四出水口 输送到过滤部分的过滤层进行过滤后从第五出水口输出。
根据本发明的方法，能够大幅降低UV254、CODMn、DOC、浊度和不同粒径的 颗粒数目等指标，和现有技术相比，可显著提高净化效果。
优选地，电控单元为可编程的控制单元。
优选地，电控单元控制所述臭氧浓度的预定范围为0.85毫克每升。
优选地，所述超声振动阵列为压电型超声换能器或磁致伸缩型超声换能 器。
