申请日2018.04.23
公开(公告)日2018.07.27
IPC分类号C02F1/44; B01D61/00; B01D71/02; B01D65/02
摘要
本发明公开了一种石墨烯膜连续过滤污水装置及过滤方法，属于污水处理技术领域。它包括污水进水口、膜处理系统、集污罐以及集水罐。本发明技术方案通过对膜处理系统中管路及电磁阀门管路控制部件的设置，使污水连续不断地从污水进水口进入，通过膜处理系统进行过滤污水，当系统中的过滤膜达到一定吸附量需要反冲洗时，不必中断污水进水，而是通过调节电磁阀门控制滤后水在管路中的走向直接进行反冲洗，使污水的正过滤过程与反冲洗过程相互独立、互不干扰;本发明技术方案能够实现连续不间断过滤污水，且过滤膜通透性高、使用寿命长，污水处理效率高。
权利要求书
1.一种石墨烯膜连续过滤污水装置，其特征在于，包括污水进水口(1)、膜处理系统、集污罐(17)、集水罐(14)，所述膜处理系统包括第一膜过滤管道、第二膜过滤管道和电磁阀门管路控制部件，所述电磁阀门管路控制部件控制装置正过滤时所述两个膜过滤管道以并联方式连接污水进水口(1)和集水罐(14)，反冲洗时两个膜过滤管道以串联方式连接污水进水口(1)和集污罐(17)。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯膜连续过滤污水装置，其特征在于，所述集污罐(17)与所述污水进水口(1)连通。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯膜连续过滤污水装置，其特征在于，所述膜过滤管道中设置石墨烯膜(8)，通过外丝变径(9)固定于管道。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯膜连续过滤污水装置，其特征在于，所述石墨烯膜(8)由氧化石墨烯分散液通过真空抽滤法或表面涂布法在模板表面制作而成，所述模板为目数为500～1000目的不锈钢网、聚偏氟乙烯或聚丙烯。
5.根据权利要求3所述的一种石墨烯膜连续过滤污水装置，其特征在于，所述石墨烯膜(8)上下方各设置一层石英砂层(7)，所述石英砂层(7)上下通过筛网(6)固定于管道上。
6.根据权利要求3～5中任意一项所述的一种石墨烯膜连续过滤污水装置，其特征在于，所述污水进水口(1)连接三角形式管道的上端顶点，所述三角形管道的两个下端顶点连接一个H形管道，H形管道的两个下端点连接所述集水罐(14);所述石墨烯膜(8)设置于所述H形管道位于水平管道上方的两个上半段管道中部;所述三角形底边的管道与所述集污罐(17)通过管道相连通;所述电磁阀门管路控制部件包括：位于三角形管道与H形管道连接处的三通电磁阀门(4)和三通电磁阀门(5)，位于H形管道水平管道上的一个两通电磁阀门(10)，以及分别位于H形管道两个下端点与集污罐(17)连通处的两通电磁阀门(11)和两通电磁阀门(12)。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯膜连续过滤污水装置，其特征在于，所述的膜处理系统单元为两个以上，并联连接污水进水口(1)与集水罐(14)之间。
8.一种采用如权利要求1～7中任意一项所述的石墨烯膜连续过滤污水装置过滤污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)正过滤污水阶段：设置电磁阀门管路控制部件使两个膜过滤管道以并联方式连接污水进水口(1)和集水罐(14)，使污水由污水进水口(1)分别进入两个膜过滤管道进行正过滤，滤后水均流入集水罐(14);
2)反冲洗阶段：设置电磁阀门管路控制部件使两个膜处理管道以串联方式连接污水进水口(1)和集污罐(17)，使污水进入第一膜过滤管道进行正过滤，滤后水由第二膜过滤管道反向进入，冲洗第二过滤膜，反冲洗后的污水流入集污罐(17);设置电磁阀门管路控制部件使两个膜处理管道以串联方式连接污水进水口(1)和集污罐(17)，使污水进入第二膜过滤管道进行正过滤，滤后水由第一膜过滤管道反向进入，冲洗第一过滤膜，反冲洗后的污水流入集污罐(17);
3)经过设定时间后，重新进入步骤1)所述的正过滤阶段。
9.根据权利要求8所述的石墨烯膜连续过滤污水装置过滤污水的方法，其特征在于，将步骤2)所述反冲洗阶段集污罐(17)中污水在多次反冲洗后通过提升泵提升至污水进水口(1)集中处理。
10.根据权利要求9所述的石墨烯膜连续过滤污水装置过滤污水的方法，其特征在于，步骤1)所述的正过滤时间范围为2～5min，步骤2)所述的反冲洗第一过滤膜和第二过滤膜的时间范围分别为10～30s。
说明书
一种石墨烯膜连续过滤污水装置及过滤方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种石墨烯膜连续过滤污水装置及过滤方法。
背景技术
污水若未经处理直接排放环境，不但会造成水资源的浪费，还会对环境水体、土壤等造成严重影响，排入河流、湖泊或海湾，会污染水体，影响水生生物生长发育;用于农业灌溉，则会影响农作物生长，其对人体健康也会造成潜在的危害。
目前污水处理大多采用传统活性污泥法，活性污泥法在某种程度上确实改善了出水水质，但普遍存在水质达标率低、水质不稳定、污泥量多且难处理等缺点。若使用膜生物反应器 (MBR)工艺可以使得出水水质达到可以直接回用的程度，但由于膜造价成本较高，且膜抗污染能力较差、可恢复性能及抗冲击能力不佳。
由于石墨烯比表面积大、化学稳定性好、可修饰性强等特性，采用石墨烯膜可以有效截留污水中大分子悬浮污染物等，利用石墨烯衍生物氧化石墨烯的电负性及表面大量的羟基羧基等自由基，可以强烈吸附铵根离子;根据Donnan效应，氧化石墨烯膜将对电负性离子产生排斥性，阻碍电负性离子通过膜。石墨烯及其衍生物具有较大比表面积，水通量及污染物截留效果好，表面携带电负性，具有一定的离子选择性并对铵根有强烈的吸附性能等优点，适用于有一定大分子污染物及氮类污染物的污水处理，例如生活污水等。
现有的污水处理方法如一种用于含油污水处理的石墨烯膜过滤方法(公开号：CN201710569470.3)公开了一种含油污水石墨烯基过滤装置，其中所述的前端来水通过管线连接来水水箱，来水水箱连通石墨烯基网膜过滤装置的一端，所述的石墨烯基网膜过滤装置的另一端连接提升泵，提升泵连接产水集水箱，药洗泵连接石墨烯基网膜过滤装置的上部，石墨烯基网膜过滤装置的下部通过污水管线连通污水污泥池，石墨烯基网膜过滤装置的上部还设有与产水集水箱相通的管线，且该管线上有反洗泵;其优点为处理后的污水含油量满足第三级水质要求和油田注水水质要求。但该现有技术采用石墨烯膜进行过滤污水时，当石墨烯膜达到一定吸附量需要反冲洗时，需要中断污水进水，采用滤后水经反洗泵进行反冲洗。
现有的污水处理装置如一种石墨烯污水过滤器(中国专利授权公告号CN206562318U) 公开了一种石墨烯污水过滤器，涉及污水处理技术领域;它包含筒体、石墨烯吸附层、上托盘、下托盘、活塞杆、液压缸、过滤进水口、排污口、过滤出水口、反冲洗进水口;所述的筒体内设置有石墨烯吸附层，石墨烯吸附层的上、下表面分别设置有上托盘和下托盘，筒体的中心设置有活塞杆，活塞杆上端与液压缸连接;所述的筒体的底部设置有过滤进水口和排污口，筒体的顶部设置有过滤出水口和反冲洗进水口;所述的石墨烯吸附层由石墨烯和高分子聚合物构成，高分子聚合物内设有石墨烯。其优点为吸附容量大，针对吸附重金属离子汞，石墨烯可再生利用，使用成本低，结构简单、设置合理、制作成本低。但采用石墨烯膜进行过滤污水时，当石墨烯膜达到一定吸附量需要反冲洗时，也需要中断污水进水，从单独的反冲洗进水口进入滤后水，且未公开反冲洗后产生的污水的处置办法。
以上两篇现有技术结构简单，但均具有无法连续运行、设备投资较高、耗电量大等问题。
现有技术一种一体化自动化净化含油废水颗粒物与油的处理装置(申请号CN201610165335.8)公开了一种一体化自动化净化含油废水颗粒物与油的处理装置，包括承压罐、过滤装置、驱动装置和反冲装置，反冲装置包括反冲管道、转轴和吸盘，所述的转轴的上部置于上封板的上方，转轴的下部穿过所述上封板伸入到承压罐的内部，驱动装置和所述的转轴的上部连接;所述的反冲管道通过转轴延伸至上封板的上方;所述的吸盘在下封板的内表面上贴合滑动并可保持密封，所述的过滤口设置在所述的吸盘的滑动轨迹之上，本发明可有效过滤油田废水，利用过滤单体底部与大气压力差值进行反冲，可在过滤的时候实现反冲，解决了传统的方法处理废水效率不高，不能实现连续工作的问题，具有处理水量大、结构坚固等优点，但也存在体积质量较大，不易维修更换，装置复杂且转盘需要长期加润滑油维护、易生锈等问题。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有污水处理过程间断、效率低的问题，本发明提供一种石墨烯膜连续过滤污水装置及过滤方法，采用电磁阀门控制污水正过滤与膜的反冲洗，装置体积质量较小，容易维修更换，不用长期维护，且电磁阀门控制简单，可以通过调节程序来控制污水正过滤与反冲洗时间间隔保证污水连续不间断过滤。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种石墨烯膜连续过滤污水装置，包括污水进水口、膜处理系统、集污罐、集水罐，所述膜处理系统包括第一膜过滤管道、第二膜过滤管道和电磁阀门管路控制部件及相应的连通管路，所述电磁阀门管路控制部件控制装置正过滤时所述两个膜过滤管道以并联方式连接污水进水口和集水罐，反冲洗时两个膜过滤管道以串联方式连接污水进水口和集污罐。
优选地，所述集污罐设有提升泵，排水口，通过所述排水口与所述污水进水口连通，可将反冲洗污水二次过滤，消除废水排放。
优选地，所述膜过滤管道中设置石墨烯膜，通过外丝变径固定于管道;所述固定方式为两段管道夹层石墨烯膜，并在外部使用外丝变径固定，便于石墨烯膜更换。
优选地，所述石墨烯膜由氧化石墨烯分散液通过真空抽滤法或表面涂布法在模板表面制作而成，所述模板为目数为500～1000目的不锈钢网、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚丙烯(PP)。
优选地，所述氧化石墨烯浓度为0.5mg/L。
优选地，所述石墨烯膜厚度为1.5mm。
优选地，所述氧化石墨烯分散液浓度为0.5mg/L的铝硅酸钠改性氧化石墨烯溶液。
优选地，所述石墨烯膜上下方各设置一层石英砂层，用于阻碍较大粒径颗粒，延长石墨烯膜被污染堵塞的时间，所述每一层石英砂层上下通过筛网固定于两段管道之间，便于石英砂层拆卸。
优选地，所述石英砂的厚度为20～50mm，分别位于石墨烯膜上下20～50mm处。
优选地，所述石英砂按照颗粒粒径从大到小的顺序从上到下布置。
优选地，所述的污水进水口处还设有水压表、增压泵，所述水压表位于所述增压泵下方，所述增压泵控制单个膜过滤管道中的进水压力范围为5～15kpa，增压泵与管道相接处均使用密封圈密封，防止渗水。
优选地，所述污水进水口连接三角形式管道的上端顶点，所述三角形管道的两个下端顶点连接一个H形管道，H形管道的两个下端点连接所述集水罐;所述石墨烯膜设置于所述H 形管道位于水平管道上方的两个上半段管道中部;所述三角形底边的管道与所述集污罐通过管道相连通;所述电磁阀门管路控制部件包括：位于三角形管道与H形管道连接处的三通电磁阀门和三通电磁阀门，位于H形管道水平管道上的一个两通电磁阀门，以及分别位于H形管道两个下端点与集污罐连通处的两通电磁阀门和两通电磁阀门。
优选地，所述集污罐为“U”形集污罐，具有较强的抗冲击性能。
优选地，所述的集污罐的底部设置有紧急排水阀，当出现管道堵塞时，可以通过打开此阀紧急排水排污，方便检修。
优选地，所述集水罐的罐体上设置有排气阀，所述排气阀可以保证集水罐中的压力处于常压状态，利于过滤过程的作业。
优选地，所述集水罐为“U”形集水罐，所述的集水罐上设置有出水口，集水罐收集经过滤的滤后水，以便做进一步处理。
优选地，所述集水罐的底部设置有紧急排水阀，当出现管道堵塞时，可以通过打开此阀紧急排水，方便检修。
优选地，所述的集水罐的出水口设有流量计，用于实时监测出水稳定性及判断设备运转情况。
优选地，所述的集水罐的顶部设置有上封板，加强密封效果，防止集水罐渗水。
优选地，所述的电磁阀门均安装有密封圈，防止渗水漏水。
优选地，所述的膜处理系统单元为两个以上，并联连接于污水进水口与集水罐之间，以便增大处理容量。
本发明还提供一种采用如上所述的石墨烯膜连续过滤污水装置过滤污水的方法，包括以下步骤：
1)正过滤污水阶段：设置电磁阀门管路控制部件使两个膜过滤管道以并联方式连接污水进水口和集水罐，使污水由污水进水口分别进入两个膜过滤管道进行正过滤，滤后水均流入集水罐;
2)反冲洗阶段：设置电磁阀门管路控制部件使两个膜处理管道以串联方式连接污水进水口和集污罐，使污水进入第一膜过滤管道进行正过滤，滤后水由第二膜过滤管道反向进入，冲洗第二过滤膜，反冲洗后的污水流入集污罐，完成第二过滤膜的反冲洗;切换电磁阀门管路控制部件使两个膜处理管道以串联方式连接污水进水口和集污罐，使污水先进入第二膜过滤管道进行正过滤，滤后水由第一膜过滤管道反向进入，冲洗第一过滤膜，反冲洗后的污水流入集污罐，完成第一过滤膜的反冲洗;
3)经过设定时间后，连续进入的污水继续进入步骤1)所述的正过滤阶段。
优选地，步骤2)所述集污罐中污水可在每次反冲洗的同时通过提升泵提升至污水进水口处理。
优选地，步骤2)所述集污罐中污水可在多次反冲洗后通过提升泵提升至污水进水口集中处理。
优选地，步骤1)所述正过滤过程与步骤2)所述反冲洗过程进行5～10个循环后，再将所述集污罐中污水提升至污水进水口进行集中过滤。
优选地，步骤2)中采用增压泵加压使单个膜过滤管道中的压力为5～15kpa。
优选地，设置步骤1)所述的正过滤时间为2～5min。
优选地，设置步骤2)所述的反冲洗第一过滤膜和第二过滤膜的时间范围分别为10～30s。 3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过电磁阀门管路控制部件控制管道连通方式，正过滤时两个膜过滤管道以并联方式连接污水进水口和集水罐，反冲洗时两个膜过滤管道以串联方式连接污水进水口和集污罐，使污水连续不断地从污水进水口进入，通过过滤膜进行过滤污水，当过滤膜达到一定吸附量需要反冲洗时，不必中断污水进水，而是通过调节电磁阀门改变滤后水的输送方向使之直接进行反冲洗，过滤污水过程与反冲洗过程相互独立、互不干扰，能够实现连续进水，污水处理效率高;同时，与传统技术中一般采用抽取集水罐中的滤后水对过滤膜进行反冲洗的方法相比，本发明直接采用污水进水口进入的污水先经一个过滤膜正过滤再对另一过滤膜进行反冲洗，简化了反冲洗的步骤且减少了抽取滤后水时可能用到的增加泵;而且，电磁阀门的设置实现污水连续进入，代替现有技术中的电机转盘等装置，极大的减轻了装置重量和体积，方便维修更换，污水处理及反冲洗时间可控，操作简单，不易腐蚀，可靠性强;
(2)本发明通过将集污罐排水口连接到污水进水口，将反冲洗后的污水二次过滤，有效消除污水排放，减少水资源浪费并最大程度净化污水，提高污水处理效率;
(3)本发明利用石墨烯膜的优异性能及抗压耐污能力对污水进行净化，利用石墨烯衍生物氧化石墨烯的电负性及表面大量的羟基羧基等官能团，可以强烈吸附铵根离子;根据Donnan 效应，氧化石墨烯膜将对电负性离子产生排斥性，阻碍电负性离子通过膜;同时其具有较大比表面积，水通量及污染物截留效果好，具有一定的离子选择性并对铵根有强烈的吸附性能，适用于有一定大分子污染物及氮类污染物的污水处理。通过氧化石墨烯较低的层间距截留悬浮物及大分子污染物，依靠氧化石墨烯相关性质吸附截留含有羰基、苯环等不饱和官能团的有机物，起到降低水中悬浮物和COD浓度的作用。
(4)本发明中石墨烯膜采用铝硅酸钠惰性修饰物改性氧化石墨烯，在极稀浓度氧化石墨烯溶液中超声分散制得，使用极稀浓度氧化石墨烯溶液可以制作出厚度非常薄的石墨烯膜，可较完整保留石墨烯的单层结构，并且可以通过多次抽滤或者涂布制作合适厚度的膜;利用铝硅酸钠改性之后，铝硅酸钠改性石墨烯溶液可以起到减小层间距，增加孔隙率、致密性等作用，对亲水性、抗冲击能力及抗污染能力有一定的提升;
(5)本发明在石墨烯膜上下设置石英砂层，由石英砂层拦截较大颗粒，石墨烯膜截留小颗粒物质，使装置在保证通量的前提下，达到最佳的处理效果，石墨烯膜采用两段管道夹层石墨烯膜且通过外丝变径连接，石英砂层在两段管道中采用筛网固定，结构方便拆解，石墨烯膜及石英砂方便更换;
(6)本发明利用过滤管道内的压力及有次序地开闭电磁阀门，控制反冲洗时间，能及时排除污染物质，减小过滤阻力，提高过滤效率和过滤精度，同时将微颗粒悬浮物排出并有效收集，降低运行成本，可以达到节能减排的目标;通过对反冲洗方式、强度及持续时间参数的优化，在最大限度节省水资源的情况下使石墨烯膜保持高通透性，且石墨烯膜使用寿命长，污水处理效率高;
(7)本发明中多个膜处理单元的设置，各膜处理单元各自独立工作，不仅能够满足水量较大时同时处理污水的需求，还能够保证在其中一个或几个膜处理单元出现堵塞或其它故障时，其它膜处理单元能够继续工作处理污水;
(8)本发明实施例1中实验表明，在单个管路7.5kpa水压下，当使用500目石墨烯膜连续过滤2min，膜通量仅下降2.5%，对悬浮物及COD去除率分别为58.55%和66.94%，进行10min连续处理后，悬浮物及COD去除率最高可达到80%，这是由于连续过滤，污染物质会在膜片上形成一层污染层，该层在一定程度上会使膜通量下降，但是可以对后续污染物质起到一定的截留吸附效果，故而连续过滤会在一定程度上使污染物去除率增加，当去除率达到一定程度时，连续过滤将不会增加去除率，反而因为膜的堵塞和压力冲击使得去除率减小;污染后石墨烯膜在单个管道5kpa水压反冲洗10s即可达到污染前通量的97%以上(可根据污染情况增加反冲洗时间);实施例2中，在单个管路10kpa水压下，使用800目石墨烯膜连续过滤5min，膜通量下降7.5%，对悬浮物及COD去除率分别为59.72%和79.12%，进行30min连续处理后，悬浮物及COD去除率最高可达到85%。污染后石墨烯膜在5kpa 水压反冲洗20s即可达到污染前通量的97%以上(可根据污染情况增加反冲洗时间);实施例3中，在单个管路15kpa水压下，使用1000目石墨烯膜连续过滤3min，膜通量下降15.5%，对悬浮物及COD去除率分别为67.12%和85.34%，进行20min连续处理后，悬浮物及COD 去除率最高可达到90%。污染后石墨烯膜在10kpa水压反冲洗30s即可达到污染前通量的97 %以上(可根据污染情况增加反冲洗时间)。