申请日2018.01.19
公开(公告)日2018.05.04
IPC分类号C02F9/08
摘要
本发明涉及一种光声电耦合能场多级氧化‑膜分离协同水处理系统及工艺，包括光声电耦合能场多级氧化单元、双膜分离单元、消毒灭菌单元三部分;光声电耦合能场多级氧化单元包括设有光声臭氧联合氧化反应区和电化学氧化吸附反应区的光声电耦合能场多级氧化反应器;双膜分离单元由第一级纳米复合超滤膜和第二级纳米复合纳滤膜组成;消毒灭菌单元采用紫外灭菌器。本发明利用臭氧氧化、紫外光氧化、超声波氧化、活性炭吸附、电化学氧化、膜分离等技术之间存在的耦合协同作用，将其高效集成，构成一个整体密不可分各部分之间联合协同作用的反应体系，能够对水体中有机污染物进行多级氧化降解后分离去除，并对无机盐类尤其是高价盐离子的有效去除。
权利要求书
1.一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统，其特征在于：包括光声电耦合能场多级氧化单元、双膜分离单元、消毒灭菌单元;
所述光声电耦合能场多级氧化单元，包括光声电耦合能场多级氧化反应器(1)，其内通过隔板分隔成依次排列的光声臭氧联合氧化反应区(5)、配水区(6)、电化学氧化吸附反应区(7)和出水区(8);光声臭氧联合氧化反应区(5)作为Ⅰ级反应区与配水区(6)顶部相通;电化学氧化吸附反应区(7)作为Ⅱ级反应区与配水区(6)底部相通、与出水区(8)顶部相通;光声臭氧联合氧化反应区(5)内设有紫外灯(11)、臭氧曝气器(10)和Ⅰ区超声波换能器(15);电化学氧化吸附反应区(7)内的底部设有Ⅱ区超声波换能器(18)、下部设有Ⅱ区多孔配水板(16)、上部设有Ⅱ区多孔出水板(19)，两板之间夹有吸附填料(17);
所述双膜分离单元，包括第一级纳米复合超滤膜(2)和第二级纳米复合纳滤膜(3);第一级纳米复合超滤膜(2)进水端与自吸式进水泵(20)连接，其产水出水端与第二级纳米复合纳滤膜(3)进水端连接;
所述消毒灭菌单元，包括紫外灭菌器(4)，紫外灭菌器(4)的顶部开有进水口，底部开有出水口;紫外灭菌器(4)顶部进水口与第二级纳米复合纳滤膜(3)淡水出水端连接，其底部出水口用于将净化后的水排出。
2.根据权利要求1所述的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统，其特征在于：吸附填料(17)为颗粒活性炭，其表面负载有零价铁，以吸附填料为阴极，负载的零价铁为阳极构成原电池形成微电场。
3.根据权利要求1所述的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统，其特征在于：臭氧曝气器(10)通过光声电耦合能场多级氧化反应器(1)外设有的臭氧发生器(9)提供臭氧，臭氧发生器(9)与电源连接。
4.根据权利要求1所述的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统，其特征在于：还包括用于控制Ⅰ区超声波换能器(15)和Ⅱ区超声波换能器(18)的超声波控制器(14)，该超声波控制器(14)与超声波发生器(13)连接，超声波控制器(14)、超声波发生器(13)分别与电源连接。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤(1)、Ⅰ级反应：待处理水进入光声臭氧联合氧化反应区(5)内，在Ⅰ区超声波换能器(15)发射的间歇式多频超声波、通过臭氧曝气器(10)进入反应体系的臭氧、及紫外灯(11)产生的紫外光三者的联合协同作用下反应体系中产生了羟基自由基，将水体中的有机污染物进行氧化降解;
步骤(2)、Ⅱ级反应：经Ⅰ区氧化降解后的出水经配水区(6)均匀配水进入电化学氧化吸附反应区(7)内，在Ⅰ区超声波换能器(15)发射的间歇式多频超声波与吸附填料(17)的耦合协同作用下，反应体系中不断生成羟基自由基，继续将水体中的有机污染物氧化降解，降解后的小分子有机物被吸附填料物理吸附;步骤(1)中未完全参与反应的臭氧进入Ⅱ级反应区后与吸附填料联合作用下，使反应体系中产生新的胶粒，其中心胶核是由Fe(OH)3聚合而成的不溶性粒子，该不溶性粒子将小分子有机污染物吸附;
步骤(3)、膜分离：经电化学氧化吸附反应区(7)处理后的水进入出水区(8)内对吸附了小分子有机污染物的胶粒进行沉淀并排出，沉淀后的出水经自吸式进水泵(20)输出至双膜分离单元的第一级纳米复合超滤膜(2)中去除大分子有机污染物，产水接着进入第二级纳米复合纳滤膜(3)进一步去除小分子有机污染物和无机盐;
步骤(4)、消毒灭菌：第二级纳米复合纳滤膜(3)的淡水接着进入消毒灭菌单元，由紫外灭菌器(4)杀菌消毒后出水。
6.根据权利要求5所述的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理工艺，其特征在于：步骤(1)中，Ⅰ区超声波换能器(15)发射间歇式多频超声波，通过间歇式超声作用使整个工艺反应体系内的反应温度保持在20-35摄氏度。
7.根据权利要求5所述的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理工艺，其特征在于：步骤(2)中，Ⅱ区超声波换能器(18)定期发射超声波使吸附填料(17)脱附再生。
8.根据权利要求5所述的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理工艺，其特征在于：适用于处理微污染苦咸水。
说明书
一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统及工艺
技术领域
本发明属于给水处理技术领域，主要涉及饮用水处理，具体涉及一种通过光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统及工艺，尤其适用于处理微污染苦咸水。
背景技术
目前，我国面临水质型缺水与水量型缺水双重困局。饮用水源微污染问题日益严重，微污染水源水中的溶解性有机污染物在常规处理工艺条件下很难去除，探寻一种安全高效的微污染水处理技术是有望解决水质型缺水的有效途径;同时，淡水资源短缺也是亟待解决的问题之一，因此，利用苦咸水淡化等非常规水资源开发利用技术，解决淡水资源短缺，提供安全、可靠、卫生的生产、生活用水，是缓解水量型缺水的有效办法。苦咸水一般为地下水，但在西北干旱、半干旱地区内陆河流下游及黄河流域等区域，苦咸水多为地表水，并且由于地理环境、气候条件、地质构造、积盐作用及污染物排放等综合因素，使这些区域地表水体中部分水质指标超过《地表水环境质量标准》Ⅲ类水体标准，表现为有机物综合指标值较高、氨氮浓度较高，水体成分复杂含有悬浮颗粒物、胶体物质、藻类、有机物和细菌等微生物的特点。所以这些区域内苦咸水多为受面源污染导致氟离子、CODMn、氨氮及浊度等水质指标超标的苦咸水，也就是微污染苦咸水。
目前，国内外微污染水的处理工艺主要有四大类，分别是强化常规处理、预处理、深度处理和联用技术。强化常规处理工艺主要包括强化混凝、沉淀和强化过滤三种技术，虽然能提高水中天然有机污染物的去除效果，但是需要多投加混凝剂等药剂，导致增加药剂费用和污泥处理费用，在运行管理过程中也存在许多技术难点。预处理工艺主要包括生物预处理和化学氧化预处理等。虽然能去除传统工艺难以去除的有机物，减少水处理中耗氯量，提高出水水质，但也有其负面影响，如化学预氧化可能使得最终出水的致突变性增加。深度处理工艺包括吸附处理、光催化氧化、膜技术等。吸附处理技术中，活性炭作为最常用的吸附剂，可有效去除水中溶解性有机碳等污染物，在国内外净水处理工艺中得到广泛应用。光催化氧化技术具有极强的氧化能力，可使有机物完全矿化，对水中的酚类、氯化有机物等都有良好的去除效果，但是光催化剂不便回收，导致使用受限。膜分离技术包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等，它具有分离系数大、适用范围广、装置简单、占地面积小、自动化程度高等特点，能有效去除水中的臭味、色度、消毒副产物的前体物、微生物、病毒等污染物。臭氧活性炭工艺将臭氧的强氧化性和活性炭的吸附性相结合，是微污染水处理典型的联用技术。水中大分子有机物可被臭氧氧化成小分子有机物，提高了有机物的可生化性，并且更易于被后续活性炭单元吸附去除。
目前，国内外采用的苦咸水淡化途径和方法主要是以电渗析、反渗透、纳滤为核心的脱盐工艺。电渗析过程工艺简单,除盐率高,操作方便,但是水回收率低,而且对不带电荷的物质如有机物、胶体、细菌、悬浮物等无脱除能力,这使其在苦咸水淡化工程中的应用受到局限。反渗透咸水淡化技术适用范围广、出水水质安全，但存在预处理要求苛刻、预处理要求严格,系统庞杂,产生的浓水的较难处理，在去除盐分的同时，也去除了对人体有益的元素。纳滤膜截留性能位于超滤膜与反渗透膜之间，基于纳滤膜的孔径及荷电性，其在分离过程具有特殊的离子选择性，能够截留超滤膜所不能截留的小分子有机物，又能够部分透过对人体有益的离子。由于纳滤膜孔径较小，膜上很容易产生沉积，过度沉积产生膜污染，影响膜的使用寿命和处理效果，如果对纳滤过程的污染问题能有很好的解决技术,纳滤膜过程的应用前景将会更加广阔。
高级氧化技术与常规的水处理技术相比，具有适用范围广、反应速率快、氧化速率快等优点，在水处理领域具有很好的应用前景。反应涉及羟基自由基的氧化过程，就属于高级氧化过程，也称为高级氧化技术。高级氧化过程产生大量非常活泼的羟基自由基，羟基自由基是反应的中间产物，可诱发后面的链反应，羟基自由基无选择地直接与水中的污染物反应将其降解为二氧化碳、水等小分子无机物,不会产生二次污染。因其具有的特殊优势，各种不同的高级氧化技术在饮用水处理领域逐渐兴起。特别是臭氧氧化、光催化氧化、电催化氧化、超声催化氧化等技术，因其具有设备简单、易于控制、处理效率高效果好等优点而引起了人们的广泛关注。臭氧应用于水处理工艺是基于臭氧氧化性强，反应快速等优点，可以去除水中多种有机物污染物，但单独臭氧也存在着发生成本较高，利用率偏低等问题。单独光催化氧化存在光催化剂投加量大、在水中易团聚、中毒失活，清洗和回收困难等问题，影响光催化效率。单独电化学处理能力强，但是处理效率低。单独超声处理单一有机物都有其特定的最佳降解频率和声强，而实际水体存在不同种类的有机物，因此需要进一步研究开发具有频率和声强协同效应的超声反应器或者超声降解与其他技术的联合工艺。
虽然高级氧化技术、膜法等技术在饮用水处理领域的应用逐年增加,相关研究成果也越来越多，但大部分成果偏重于单一技术或典型联合工艺的研究，这些技术所去除的污染物具有针对性，很难适应复杂水质的处理以及满足人们越来越高的水处理需求，要想达到理想的处理效果应该是多种技术的协同处理。因此现阶段对于集成化、系统化技术缺乏研究，现有研究不能满足兼备工艺、设备、技术等工程研发可行性的要求，这是该领域目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有工艺难以去除微污染苦咸水中一些难降解有机污染物和高价无机盐的问题，提供了一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理系统，包括光声电耦合能场多级氧化单元、双膜分离单元、消毒灭菌单元;
所述光声电耦合能场多级氧化单元，包括光声电耦合能场多级氧化反应器，其内通过隔板分隔成依次排列的光声臭氧联合氧化反应区、配水区、电化学氧化吸附反应区和出水区;光声臭氧联合氧化反应区作为Ⅰ级反应区与配水区顶部相通;电化学氧化吸附反应区作为Ⅱ级反应区与配水区底部相通、与出水区顶部相通;光声臭氧联合氧化反应区内设有紫外灯、臭氧曝气器和Ⅰ区超声波换能器;电化学氧化吸附反应区内的底部设有Ⅱ区超声波换能器、下部设有Ⅱ区多孔配水板、上部设有Ⅱ区多孔出水板，两板之间夹有吸附填料;
所述双膜分离单元，包括第一级纳米复合超滤膜和第二级纳米复合纳滤膜;第一级纳米复合超滤膜进水端与自吸式进水泵连接，其产水出水端与第二级纳米复合纳滤膜进水端连接;
所述消毒灭菌单元，包括紫外灭菌器，紫外灭菌器的顶部开有进水口，底部开有出水口;紫外灭菌器顶部进水口与第二级纳米复合纳滤膜淡水出水端连接，其底部出水口用于将净化后的水排出。
优选的，吸附填料为颗粒活性炭，其表面负载有零价铁，以吸附填料为阴极，负载的零价铁为阳极构成原电池形成微电场。
进一步的，臭氧曝气器通过光声电耦合能场多级氧化反应器外设有的臭氧发生器提供臭氧，臭氧发生器与电源连接。
进一步的，还包括用于控制Ⅰ区超声波换能器和Ⅱ区超声波换能器的超声波控制器，该超声波控制器与超声波发生器连接，超声波控制器、超声波发生器分别与电源连接。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述系统进行光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同处理微污染苦咸水中一些难降解有机污染物和高价无机盐的工艺，具体包括以下步骤：
步骤(1)、Ⅰ级反应：待处理水进入光声臭氧联合氧化反应区内，在Ⅰ区超声波换能器发射的间歇式多频超声波、通过臭氧曝气器进入反应体系的臭氧、及紫外灯产生的紫外光三者的联合协同作用下反应体系中产生了羟基自由基，将水体中的有机污染物进行氧化降解;
步骤(2)、Ⅱ级反应：经Ⅰ区氧化降解后的出水经配水区均匀配水进入电化学氧化吸附反应区内，在Ⅰ区超声波换能器发射的间歇式多频超声波与吸附填料的耦合协同作用下，反应体系中不断生成羟基自由基，继续将水体中的有机污染物氧化降解，降解后的小分子有机物被吸附填料物理吸附;步骤(1)中未完全参与反应的臭氧进入Ⅱ级反应区后与吸附填料联合作用下，使反应体系中产生新的胶粒，其中心胶核是由Fe(OH)3聚合而成的不溶性粒子，该不溶性粒子将小分子有机污染物吸附;
步骤(3)、膜分离：经电化学氧化吸附反应区处理后的水进入出水区内对吸附了小分子有机污染物的胶粒进行沉淀并排出，沉淀后的出水经自吸式进水泵输出至双膜分离单元的第一级纳米复合超滤膜中去除大分子有机污染物，产水接着进入第二级纳米复合纳滤膜进一步去除小分子有机污染物和无机盐;
步骤(4)、消毒灭菌：第二级纳米复合纳滤膜的淡水接着进入消毒灭菌单元，由紫外灭菌器杀菌消毒后出水。
本发明步骤(1)中，Ⅰ区超声波换能器发射间歇式多频超声波，通过间歇式超声作用使整个工艺反应体系内的反应温度保持在20-35摄氏度。
本发明步骤(2)中，Ⅱ区超声波换能器定期发射超声波使吸附填料脱附再生。
本发明的一种光声电耦合能场多级氧化-膜分离协同水处理工艺适用于处理微污染苦咸水。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明通过利用臭氧氧化、紫外光氧化、超声波氧化、活性炭吸附、电化学氧化、膜分离等技术之间存在的耦合协同作用，将各种技术高效集成，构成一个整体密不可分，各部分之间联合协同作用的反应体系，强化了反应体系对水体中有机污染物的去除效果。反应体系内的水处理具体通过三个处理单元，能够对水体中的有机污染物进行多级氧化降解后分离去除，同时对水体中无机盐类尤其是高价盐离子的有效去除，实现了多种工艺协同作用，互补互促，同时高级氧化和活性炭吸附的高效结合增强了水体的预处理效果，强化了膜分离单元的分离效果，使进入膜分离单元的水质显著提高，降低了膜污染，延长了膜清洗周期，进而增加了膜使用寿命。
2.本发明的Ⅰ级反应：Ⅰ区超声波换能器发射间歇式多频超声波，通过间歇式超声作用保证了整个工艺反应体系内适宜的反应温度，进而强化了工艺对冬季低温水的处理效果。在间歇式多频超声波的强化作用下，超声波、臭氧和紫外光均使反应体系中产生高浓度羟基自由基对有机污染物氧化降解;且间歇式多频超声波、臭氧与紫外光产生联合作用将有机污染物多级氧化降解。其中，紫外光在超声波的强化作用下与水体充分混合，提高了紫外光与水体中有机污染物的接触氧化效率，加快了反应体系中的氧化还原反应速率;同时，紫外光与臭氧联合作用下，反应体系中生成了更多的羟基自由基，将有机污染物氧化降解。
3.本发明的Ⅱ级反应：吸附填料为颗粒活性炭，其表面负载有零价铁，以吸附填料为阴极，负载零价铁为阳极构成原电池进而形成微电场，在Ⅰ区超声波换能器发射超声波与吸附填料颗粒耦合协同作用下，反应体系中发生类芬顿反应不断有羟基自由基生成，继续将有机污染物氧化，且Ⅰ区超声波换能器发射的超声波形成超声场与微电场的耦合协同作用下超声场加强了微电场传质，提高了反应系统中羟基自由基的浓度，强化了反应体系对有机污染物的处理效果，使有机污染物可通过参予直接或间接的氧化还原反应进行降解。Ⅰ级反应区内未完全参与反应的臭氧进入Ⅱ级反应区后，不仅继续氧化降解有机污染物，且臭氧与吸附填料内吸附填料颗粒形成联合作用生成中心胶粒，该胶粒是由许多Fe(OH)3聚合而成的具有巨大比表面积的不溶性粒子，该粒子将氧化降解后的小分子有机污染物吸附从体系中沉淀去除，这样不仅进一步提高了有机污染物的去除效果和臭氧的利用效率，而且将Ⅰ级反应区内未完全参与反应的臭氧有效处理，从而避免了残余臭氧氧化后续的纳米复合超滤膜与纳米复合纳滤膜，降低膜分离效果，减少膜使用寿命。本发明在Ⅰ区间歇式多频超声波、臭氧、微电场与活性炭的联合作用下将有机污染物多级氧化降解后吸附去除。
本发明的膜分离：在Ⅱ级反应区处理后的水，进入出水区将产生的胶粒进行沉淀，沉淀物经排空阀排出;沉淀后的出水经自吸式进水泵进入双膜分离单元，先进入第一级纳米复合超滤膜去除经Ⅰ、Ⅱ级反应区多级氧化后的分子量相对较大的有机污染物，产水接着进入第二级纳米复合纳滤膜进一步去除小分子有机污染物和无机盐类;第一级纳米复合超滤膜浓水经排水阀排出，第二级纳米复合纳滤膜浓水经排水阀排出。进而完成了在光声电耦合能场多级氧化与膜分离的协同作用下，对水体中有机污染物的多级氧化降解去除，以及对无机盐类尤其是高价盐离子的有效去除，强化了反应体系对水体中有机污染物和无机盐类的去除效果。