申请日2016.11.30
公开(公告)日2017.05.17
IPC分类号B01J8/04; C02F1/58
摘要
本发明涉及一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备及其使用方法，包括设有进水阀和出水阀的圆柱形筒体，所述进水阀设在圆柱形筒体的下部，出水阀设在圆柱形筒体的上部，其特征在于，还包括在圆柱形筒体内设有单体或串联式单体种植/除植两用床，所述单体种植/除植两用床包括圆盘形的上、下筛网种植/除植片，圆盘形的上、下筛网种植/除植片分别设置在圆柱形筒体的上、下部位，使得该圆柱形筒体的中间部位被隔为种植/除植滤料仓，上、下筛网种植/除植片的表面均设有种植型羟基磷灰石滤粒的包覆层。本发明的除氟水处理的高速反应釜设备具有除氟效率高，用于种植法除氟水处理新工艺的操作简便可靠，能够满足种植法除氟水处理新工艺的需要。
摘要附图
权利要求书
1.一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，包括设有进水阀1和出水阀2的圆柱形筒体3，所述进水阀1设置在所述圆柱形筒体3的下部，所述出水阀2设置在所述圆柱形筒体3的上部，其特征在于，还包括在圆柱形筒体3内设有单体种植/除植两用床或串联式单体种植/除植两用床，所述单体种植/除植两用床包括圆盘形的上筛网种植/除植片4-1和下筛网种植/除植片4-3，所述上筛网种植/除植片4-1设置在所述圆柱形筒体3的上部，所述下筛网种植/除植片4-3设置在所述圆柱形筒体3的下部，使得该圆柱形筒体3的中间部位被隔为种植/除植滤料仓5，所述上筛网种植/除植片4-1和下筛网种植/除植片4-3的表面均设有种植型羟基磷灰石滤粒的包覆层6，所述种植/除植滤料仓5的上部设有集水器8，所述集水器8与出水阀2连接，所述种植/除植滤料仓5的下部设有布水器7，所述布水器7与进水阀1连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述圆盘形的上筛网种植/除植片4-1和下筛网种植/除植片4-3的外径均与圆柱形筒体3的内径相等并为紧配合装配，所述上、下筛网种植/除植片4的厚度为5-10mm，所述上筛网种植/除植片4-1和下筛网种植/除植片4-3的网孔为40-60目，所述网孔的形状为圆形、方形、多边形中的一种和几种的组合。
3.根据权利要求2所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述种植型羟基磷灰石滤粒为其结构中自滤粒的内核至外表面，以羟基含量的递增而依次分为含羟基迁移料体的内核种植层、含羟基交换料体的过渡种植层和含乳石种植料体的外表种植层，且相邻两层之间为化学键合;所述种植型羟基磷灰石滤粒的结构中的羟基迁移料体的内核种植层的羟基含量为1.19-1.7%、羟基交换料体的过渡种植层的羟基含量为1.7-2.21%、乳石种植料体的外表种植层的羟基含量为2.21-2.72%。
4.根据权利要求3所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述种植型羟基磷灰石滤粒的包覆层6的厚度为1-10mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述圆柱形筒体3的高度为所述圆柱形筒体3的外径的1.5-3倍。
6.根据权利要求5所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述圆柱形筒体3的底部设有排空阀18。
7.根据权利要求6所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述种植/除植滤料仓5的中部设置有漏斗形的补料仓16，并通过手动阀门17与种植/除植滤料仓5固连。
8.根据权利要求7所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述种植/除植滤料仓5内设有一级旋流器9，所述一级旋流器9包括一级固定轴11、一级旋流片12和紊流孔13，所述一级旋流片12为3组，所述一级旋流片12的螺旋升角为30-45°，所述紊流孔13的直径为5-20cm，所述紊流孔13围绕所述一级固定轴11环形分布，呈圆环状，并沿着所述一级固定轴11的轴线方向3层均布。
9.根据权利要求7所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述串联式单体种植/除植两用床包括圆盘形的上筛网种植/除植片4-1、中筛网种植/除植片4-2和下筛网种植/除植片4-3，所述圆盘形的上筛网种植/除植片4-1、中筛网种植/除植片4-2和下筛网种植/除植片4-3分别设置在所述圆柱形筒体3的上部、中部和下部位，使得该圆柱形筒体3的中间部位被隔为含上部种植/除植滤料仓5-1和下部种植/除植滤料仓5-2的种植/除植滤料仓5，所述圆盘形的上筛网种植/除植片4-1、中筛网种植/除植片4-2和下筛网种植/除植片4-3的表面均设有种植型羟基磷灰石滤粒的包覆层6。
10.根据权利要求9所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，其特征在于，所述下部种植/除植滤料仓5-2内设置有一级旋流器9，所述上部种植/除植滤料仓5-1内设置有二级旋流器10，所述一级旋流器9包括一级固定轴11、一级旋流片12和紊流孔13，所述一级旋流片12为3组，所述一级旋流片12的螺旋升角为30-45°，所述紊流孔13的直径为5-20cm，所述紊流孔13围绕所述一级固定轴11环形分布，呈圆环状，并沿着所述一级固定轴11的轴线方向3层均布;所述二级旋流器10包括二级固定轴14、二级旋流片15和紊流孔13，所述二级旋流片15为3组，所述二级旋流片15的螺旋升角为45-60°，所述紊流孔13的直径为5-20cm，所述紊流孔13围绕所述二级固定轴14环形分布，呈圆环状，并沿着所述二级固定轴14的轴线方向3层均布。
11.根据权利要求1-10任一项所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备的使用方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1，高速反应釜设备进入准备状态：在种植/除植滤料仓5内投加种植型羟基磷灰石滤粒并形成滤粒层;控制所述滤粒层的高度为种植/除植滤料仓5高度的1/2-2/3;按照含氟原水中氟离子的摩尔份数的3-10倍配置钙盐水处理剂，所述钙盐水处理剂为氧化钙、氢氧化钙或氯化钙;按照含氟原水中氟离子的摩尔份数的2-5倍配置磷酸盐水处理剂，所述磷酸盐水处理剂为磷酸二氢钠或磷酸氢二钠;
步骤2，高速反应釜设备进入工作状态：在完成步骤1的准备状态的基础上，打开进水阀门1向高速反应釜设备的布水器7注入含氟原水、钙盐水处理剂和磷酸盐水处理剂的混合溶液，该混合溶液通过圆柱形筒体3底部的圆盘形的下筛网种植/除植片4-3进入种植/除植滤料仓5，在控制混合溶液的液流速度的条件下，使所述滤粒层的种植型羟基磷灰石滤粒在种植/除植滤料仓5内悬浮并进行悬浮式种植反应，在种植型羟基磷灰石滤粒上形成氟磷灰石晶核以及由氟磷灰石晶核继续生长而形成氟磷灰石晶体乳石，经悬浮式种植反应后的种植混合液通过圆柱形筒体3上部的圆盘形的上筛网种植/除植片4-1进入集水器8并从出水阀2流出圆柱形筒体3，从而得到净水;
步骤3，高速反应釜设备进入补料状态：当测得步骤2的净水的氟离子含量超过1mg/L时需要补充投加种植型羟基磷灰石滤粒，此时关闭进水阀门1，打开排空阀18，将水排净，关闭排空阀18，将种植型羟基磷灰石滤粒注入补料仓16，打开手动阀门17，种植型羟基磷灰石滤粒通过手动阀门17进入种植/除植滤料仓5，控制滤粒层的高度为种植/除植滤料仓5高度的1/2～2/3，关闭手动阀门17，补料完成;
步骤4，高速反应釜设备再次进入工作状态：将步骤3所述完成补料状态的高速反应釜设备重新恢复进入步骤2的工作状态，周而复始，循环操作。
12.根据权利要求11所述的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备的使用方法，其特征在于，所述混合溶液的液流速度为≧10m/h。
说明书
一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备及其使用方法
技术领域
本发明属于水处理设备技术领域，特别是涉及一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备及其使用方法。
背景技术
氟是人体必须的微量元素之一，但长期饮用高氟水则可导致氟中毒,会严重影响人体健康，因此世界卫生组织公布了饮用水氟含量不得超过1.5mg/L的规定。当今除氟水处理方法研究受到各国的高度重视，前期研究公布的除氟水处理方法主要有混凝沉降法、化学沉淀法、电渗析法、电凝聚法、反渗透法、纳滤法、离子交换法、吸附法等，其中：化学沉淀法和混凝沉降法会遗留大量钙铝等离子，主要用于工业废水处理;由于高氟水主要分布在环境恶劣、地形复杂或缺水少电的地区，所以应用电渗析法、电凝聚法、反渗透法、纳滤法等除氟的效果为优，但因装置复杂、设备昂贵和使用成本高等不足而难以推广应用。离子交换树脂法因抗干扰能力低也难以广泛应用。吸附法是目前最常用的饮用水除氟处理方法，但滤料需要再生，也存在使用成本和除氟效能等问题，使其实际应用受到限制。为克服现有技术的不足，本申请人曾提出了一种聚合氯化铝/羟基磷灰石共聚材料的制备方法，参见中国专利申请201410743901.X，该方法包括聚合氯化铝半成品的制备、羟基磷灰石半成品的制备和共聚材料的制备，通过共聚方法合成聚合氯化铝/羟基磷灰石共聚网络结构材料，与现有除氟材料相比，除氟容量比单一的羟基磷灰石除氟滤料提高3倍，比活性氧化铝除氟滤料提高5倍;材料的网络结构有利于网捕水体中铝离子和羟基磷灰石粉体的作用，解决了水体中铝离子超标和水体澄清度的问题;同时共聚材料中的聚合氯化铝活性组分可以促使羟基磷灰石不断再生，提高材料的使用寿命。但该方法还存在以下明显不足：一是铝基水处理材料中的铝离子含量在标准范围内，但仍然高于非铝基水处理材料，存在铝离子超标的风险;二是应用铝基水处理材料的工艺及设备较为复杂，要经过过滤、混凝、沉淀等过程，设备占地面积大，运行成本较高;三是聚合氯化铝/羟基磷灰石共聚材料存在低温时的除氟效果降低的问题。
中国专利CN204502498U公开了一种螺旋式过滤装置，该装置包括壳体、螺旋压板、转动轴和过滤芯，转动轴转动安装在壳体上，壳体上设置有用于过滤的过滤空间以及连通至过滤空间的进水口和出水口，所述螺旋压板设置在所述过滤空间内，螺旋压板固定在转动轴上从而构成螺杆结构，螺旋压板在过滤空间内形成螺旋状的挤压槽，所述过滤芯设置在挤压槽内，所述过滤芯呈颗粒状且堆积在挤压槽内。该方案要解决的问题是：提高清洗效率和过滤效果。螺旋状的挤压槽起到的作用是延长过滤通道的距离的作用。然而基于过滤原理进行水处理只能过滤掉原水中的颗粒状固体，最多能够去除一些胶体，无法去除离子类的物质，如氟离子和钙离子是无法通过过滤来去除的。
中国专利申请CN102309875A公开了螺旋式水过滤组件，该方案包括滤料和具有进水口、出水口的滤芯外壳，其特征在于：滤芯外壳内具有螺旋式内芯，螺旋式内芯的外缘与滤芯外壳的内壁紧密贴合，滤料放置在螺旋式内芯中。该方案将螺旋式内芯与滤芯外壳组成一体，螺旋式内芯插入滤芯外壳，原水由滤芯外壳的进水口进入，经过螺旋内芯的导引作用，沿着螺旋途径经过滤料，大大增加了过滤路径，可以充分发挥滤料的过滤作用，最后过滤后的水由滤芯外壳出水口流出。虽然通过延长过滤通道可以增加过滤效果，其本质上是过滤而不能去除原水中的氟离子和钙离子等。
如何克服现有除氟水处理方法及所对应的除氟设备所存在的不足已成为当今水处理材料技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备及其使用方法，本发明的除氟水处理的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备具有除氟效率高，用于种植法除氟水处理新工艺的操作简便可靠，能够满足种植法除氟水处理新工艺的需要。
根据本发明提出的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，包括设有进水阀和出水阀的圆柱形筒体，所述进水阀设置在所述圆柱形筒体的下部，所述出水阀设置在所述圆柱形筒体的上部，其特征在于，还包括在圆柱形筒体内设有单体种植/除植两用床或串联式单体种植/除植两用床，所述单体种植/除植两用床包括圆盘形的上筛网种植/除植片和下筛网种植/除植片，所述圆盘形的上筛网种植/除植片设置在所述圆柱形筒体的上部，所述下筛网种植/除植片设置在所述圆柱形筒体的下部，使得该圆柱形筒体的中间部位被隔为种植/除植滤料仓，所述上筛网种植/除植片和下筛网种植/除植片的表面均设有种植型羟基磷灰石滤粒的包覆层，所述种植/除植滤料仓的上部设有集水器，所述集水器与出水阀连接，所述种植/除植滤料仓的下部设有布水器，所述布水器与进水阀连接。
本发明的实现原理是：本发明提出的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备是用于种植法除氟水处理新工艺而设计的，本发明开拓了除氟水处理设备的新结构和新品种。本发明所述种植法除氟水处理的过程：一是通过在含氟原水中添加氧化钙、氢氧化钙或氯化钙和磷酸二氢钠或磷酸氢二钠，使其形成含可溶性钙盐、磷酸盐、氟离子的含氟原水混合液;二是利用种植型羟基磷灰石滤粒表层富有羟基而具有化学活性的特点，易使可溶性钙盐、磷酸盐、氟离子与种植型羟基磷灰石滤粒键合而迅速生长成为氟磷灰石晶核;三是氟磷灰石晶核继续与含氟原水中的可溶性钙盐、磷酸盐、氟离子进一步反应而生长成为氟磷灰石晶体乳石;四是因氟磷灰石晶体乳石在种植型羟基磷灰石滤粒上的键合力较弱，定时用水冲洗种植型羟基磷灰石滤粒，促使种植型羟基磷灰石滤粒相互之间发生摩擦，即可去除种植型羟基磷灰石滤粒上生长的氟磷灰石晶体乳石，极为方便地恢复种植型羟基磷灰石滤粒的种植能力。本发明提出的一种基于种植法除氟水处理的高速反应釜设备，是在圆柱形筒体内设置单体种植/除植两用床，所述单体种植/除植两用床包括圆盘形的上筛网种植/除植片和下筛网种植/除植片以及种植/除植滤料仓;所述圆盘形的上筛网种植/除植片和下筛网种植/除植片的表面均设有种植型羟基磷灰石滤粒的包覆层;所述种植/除植滤料仓内设有种植型羟基磷灰石滤粒的滤粒层。本发明的优选方案还包括在单体种植/除植两用床内附加的一级旋流器，进一步的优选方案还包括在所述串联式单体种植/除植两用床内附加一级旋流器和二级旋流器协同来提升含氟原水混合液的液流速度，以利于提高高浓度含氟原水处理的效率及缩短处理时间。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：
一是本发明根据种植法除氟水处理的原理首创了适用于种植法除氟水处理新工艺的高速反应釜设备，且能够满足种植型羟基磷灰石滤粒的种植/除植过程连续化生产的需要。
二是本发明的高速反应釜设备采用了种植/除植两用床的结构设计，分为无旋流器的直接式种植反应釜、附加设置一级旋流器的一级种植反应釜或附加二级旋流器的二级种植反应釜等三种方案，既保证了原水混合液在控制液流速度的条件下，能够与种植型羟基磷灰石滤粒进行多级种植反应，在种植型羟基磷灰石滤粒上形成氟磷灰石晶核以及由氟磷灰石晶核继续与含氟原水中的可溶性钙盐、磷酸盐、氟离子进一步反应而生长形成的氟磷灰石晶体乳石，又保证了可方便地去除种植型羟基磷灰石滤粒上生长的氟磷灰石晶体乳石，极为方便地恢复种植型羟基磷灰石滤粒的种植能力。
三是本发明的高速反应釜设备集种植/除植功能于一体，种植/除植过程均在高速反应釜中同步进行，循环往复，大大延长了种植型羟基磷灰石滤粒的使用寿命，且无需另外设置种植型羟基磷灰石滤粒的再生设备，安全性好。
四是本发明的高速反应釜设备所采用的种植型羟基磷灰石滤粒为非铝基水处理材料，其应用于种植法除氟水处理工艺，操作简便可靠，设备简洁和维护方便，运行成本很低。
五是本发明并不是采用吸附原理来进行除氟、除硬度的，因此不存在饱和容量，免除了化学再生过程，仅需要物理除植。避免化学再生带来了众多的优势，例如：制造成本和使用成本大大降低;滤料寿命得到延长;不用更换滤料，避免了氟化物的二次污染。
六是本发明利用旋流器提升含氟原水混合液的液流速度，达到机械搅拌的同等目的，但避免了机械搅拌磨损滤料的问题，而且两段式旋流器的设计起到了在不同液流速度下的搅拌效果，加上紊流孔的设计形成紊流，加快了反应速度，反应速度快带来的优势就是设备占地面积小;并且不用电机节省能源。