重力式超滤膜过滤与粉末活性炭吸附联用的净水装置的制作方法

本发明涉及净水技术领域，尤其是涉及一种重力式超滤膜过滤与粉末活性炭吸附联用的净水装置。

背景技术：

超滤是一种能将溶液进行净化和分离的膜分离技术，超滤膜系统是以超滤膜丝为过滤介质，膜两侧的压力差为驱动力的溶液分离装置。超滤膜工艺可以有效地去除原水中的大分子、胶体、蛋白质等，已被广泛应用于水处理领域。超滤膜工艺可以大量减少消毒副产物的生成量，从而提高饮用水的安全性，同时具有操作压力低、产水量大等特点。重力式超滤膜系统，即指利用膜两侧的液位差作为促使膜产水的跨膜压差，代替传统膜系统的抽吸泵出水，降低了能耗，同时也可减轻污泥颗粒在膜表面的沉积，节省了运行费用。粉末活性炭吸附工艺在水处理中的应用已有悠久的历史，其可以有效地去除原水中溶解性的有机物、臭味等。

超滤膜技术和粉末活性炭吸附技术在国内已有广泛应用，将两者联合使用的相关研究也有一些，有的是将超滤膜过滤和活性炭吸附分为前后两个净水过程，这样的净水系统体积大，过程长；使用普通超滤膜技术，要考虑到超滤膜容易受到污染，需要反冲洗过程，并且活性炭在使用中需要及时更换，操作较为复杂。所以目前没有既能将超滤膜技术与活性炭吸附技术的优点结合，又能更为方便操作的净水装置。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种重力式超滤膜过滤与粉末活性炭吸附联用的净水装置，具有系统操作简单、制作成本低、占地面积小等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种重力式超滤膜过滤与粉末活性炭吸附联用的净水装置，包括：用于过滤原水的超滤装置，连接超滤装置下部的进水装置，通过两路管道分别连接超滤装置上部和下部的粉末活性炭回流装置。其中，超滤装置包括膜池、超滤膜组件、出水管、溢流管和曝气头，超滤膜组件设在膜池内部，溢流管设在膜池上部外侧并高于超滤膜组件，出水管的一端设在超滤膜组件上且另一端伸出膜池外，曝气头设在膜池底部；

所述超滤装置投放有粉末活性炭，进水装置将原水输送到超滤装置中，超滤装置对原水过滤后输出，在过滤过程中，粉末活性炭回流装置按间隔时间更换超滤装置内的粉末活性炭。

所述超滤装置内粉末活性炭的浓度为50-150mg/L，所述间隔时间设定为8-16小时。

所述粉末活性炭回流装置包括回流管、粉末活性炭混合池、粉末活性炭提升泵和粉末活性炭进水管，所述粉末活性炭混合池通过粉末活性炭进水管连接膜池上部，粉末活性炭混合池通过回流管连接膜池下部，所述粉末活性炭提升泵设在粉末活性炭进水管上。

所述粉末活性炭进水管连接膜池的位置与溢流管连接膜池的位置平齐。

所述粉末活性炭混合池中装有粉末活性炭混合液，所述粉末活性炭混合液的浓度与膜池内粉末活性炭的初始浓度相等，粉末活性炭回流装置按间隔时间更换膜池内的粉末活性炭时，先从膜池中排除一半体积的水量，再通过粉末活性炭提升泵往膜池内补充相同体积的粉末活性炭混合液。

所述出水管位置可调节。

所述超滤膜组件形状为长方体，超滤膜组件的宽度与膜池内壁的宽度相等，所述膜池侧面内壁上设有多个等间距的凹槽，超滤膜组件竖向插入膜池的凹槽中。

所述进水装置包括原水水箱、进水管、进水泵和止回阀，所述原水水箱通过进水管连接膜池，所述进水泵和止回阀依次设在原水水箱和膜池之间的进水管上。

所述溢流管连接原水水箱，当膜池中的原水液面超过溢流管高度时，原水通过溢流管流到原水水箱中。

所述膜池的材料为有机玻璃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明结合了粉末活性炭对有机物的高去除率和超滤膜截留颗粒物的优点，采用重力式超滤膜系统代替传统膜系统的抽吸泵出水，降低了能耗，节省了运行费用。重力出水方式较传统的间歇抽吸出水方式省去了出水抽吸泵，主要依靠重力水头液位差为驱动力，实现了连续出水，降低了部分能耗。但重力水头驱动力较抽吸泵动能要小，所以随之带来的就是出水膜通量的降低。粉末活性炭技术的加入可以提高出水膜出水水质，并且通过粉末活性炭回流来提高其利用率。粉末活性炭和重力式超滤膜联用水处理系统操作管理方便、能耗低，可以用于农村分散式供水和中水回用领域。

2.本发明装置采用一体式的工艺，即将超滤膜组件放置在有粉末活性炭的膜池内以减小系统的占地面积，超滤膜组件通过插入膜池的凹槽中固定，设备制作简单，占地面积小，适用于分散的农村给水处理。超滤膜技术和粉末活性炭吸附技术在国内已有广泛应用，而将重力式超滤膜过滤和粉末活性炭吸附联用缺不常见，联用系统结合了两个系统各自的优点，同时适量的粉末活性炭投加量可以减轻膜污染的程度。

3.本发明将利用粉末活性炭有效吸附有机物的能力，减轻有机物在膜表面滤饼层的形成，而活性炭存在于膜表面时形成的膜污染程度要轻于有机物对膜污染的程度，保证了净水质量，有助于膜的清洗。

4.本发明使用的重力式超滤膜技术在运行过程中不需要反冲洗，可实现全自动化运行，由于粉末活性炭的大颗粒不容易堵塞膜孔，且粉末活性炭能通过粉末活性炭回流装置实现自动更新，系统运行一段时间后可以达到恒定流量出水的状态，系统只需要在每运行1个月后进行一次化学清洗即可，方便使用。

5.实验结果表明，适当的粉末活性炭投加量(约100mg/L)可以减轻膜污染的程度，这是因为粉末活性炭有效地吸附有机物，减轻有机物在膜表面滤饼层的形成，而活性炭存在于膜表面时形成的膜污染程度要轻于有机物对膜污染的程度。

6.本发明超滤装置的出水管的位置可移动，可以通过改变其高度实现不同的跨膜压差以得到不同的出水流量，可以根据实际需求进行调节。

7.本发明在膜池的上部设有溢流管连接原水水箱，当膜池中的原水液面超过溢流管高度时，原水通过溢流管流回原水水箱中以保持膜池的液面平衡，避免了原水溢出。

8.本发明的膜池的材料为有机玻璃，可以方便观察装置的运行状态，可根据实际情况及时调整装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中超滤装置的主视图；

图3为本发明中超滤装置的左视图；

图4为本发明中超滤装置的俯视图。

图中标号：1为原水水箱，2为进水管，3为进水泵，4为止回阀，5为曝气头，6为回流管，7为粉末活性炭混合池，8为粉末活性炭提升泵，9为粉末活性炭进水管，10为膜池，11为超滤膜组件，12为出水管，13为溢流管，H为膜池液面与膜出水管的液位差。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-4所示，一种重力式超滤膜过滤与粉末活性炭吸附联用的净水装置，其特点在于结合了粉末活性炭对有机物的高去除率和超滤膜截留颗粒物的优点。该装置包括：用于过滤原水的超滤装置，连接超滤装置下部的进水装置，通过两路管道分别连接超滤装置上部和下部的粉末活性炭回流装置。其中，超滤装置包括膜池10、超滤膜组件11、出水管12、溢流管13和曝气头5，超滤膜组件11设在膜池10内部，溢流管13设在膜池10上部外侧并高于超滤膜组件11，出水管12的一端设在超滤膜组件11上且另一端伸出膜池10外，曝气头5设在膜池10底部。重力式超滤膜系统是采用膜两侧的液位差作为跨膜压差来驱动超滤膜组件的持续产水，本实施例中，液位差H即为膜池10内溢流液面与超滤膜组件11对应出水管12出水液面之间的高差，液位差H一般为1米左右，出水管12的位置可移动，可以通过改变其高度实现不同的跨膜压差已得到不同的出水流量。

粉末活性炭回流装置用来更新膜池10内的粉末活性炭，充分利用粉末活性炭的吸附能力。粉末活性炭回流装置包括回流管6、粉末活性炭混合池7、粉末活性炭提升泵8和粉末活性炭进水管9，粉末活性炭混合池7通过粉末活性炭进水管9连接膜池10上部，粉末活性炭混合池7通过回流管6连接膜池10下部，粉末活性炭提升泵8设在粉末活性炭进水管9上，通过粉末活性炭进水管9和粉末活性炭提升泵8将粉末活性炭混合池7内的粉末活性炭打入膜池10的顶部，使得粉末活性炭可以更好地与原水、超滤膜组件11接触。其中，粉末活性炭进水管9连接膜池10的位置与溢流管13连接膜池10的位置平齐。

进水装置包括原水水箱1、进水管2、进水泵3和止回阀4，原水水箱1通过进水管2连接膜池10，进水泵3和止回阀4依次设在原水水箱1和膜池10之间的进水管2上，原水水箱1内的水通过进水泵3打入膜池10内，设置的止回阀4以防止膜池10内的水倒流。溢流管13连接原水水箱1，当膜池10中的原水液面超过溢流管13高度时，原水通过溢流管13流回原水水箱1中以保持膜池10的液面平衡，已获得稳定的出水流量。

如图2-4所示，超滤膜组件11形状为薄的长方体，厚度为1cm，两面贴有超滤膜，超滤膜组件11的宽度与膜池10内壁的宽度相等，膜池10侧面内壁上设有多个等间距的凹槽，多个超滤膜组件11竖向插入膜池10的凹槽中。这种一体式设计使得设备制作简单，占地面积小。本实施例中超滤膜组件11的底部与膜池10底部之间留有0.1m的间距，用来布置管口和曝气头5，一个膜池10可以平行放置4个超滤膜组件11，每个超滤膜组件11厚度1cm，间距1cm，放置位置如图2-4所示。

膜池10的材料为有机玻璃，实现全自动化运行，可以方便观察装置的运行状态，可根据实际情况及时调整装置。

膜池10内的粉末活性炭的浓度以50-100mg/L为宜，过低的粉末活性炭浓度会降低系统对原水水质的处理效果，过高的粉末活性炭浓度则会容易堵塞膜池10，影响运行。粉末活性炭回流装置按间隔时间更换超滤装置内的粉末活性炭，间隔时间设定为8-16小时，实现以恒定的过滤速度进行循环过滤。

工作原理：

1、进水泵3将原水水箱1内的水打入膜池10内，其流量大于超滤膜组件11的出水流量。膜池10中多余的水通过溢流管13回流到原水水箱1内以保持膜池10的液位平衡。

2、运行时，超滤膜组件11通过膜池10液面与出水管12之间存在的液位差作为驱动力来持续出水。可以通过固定出水口的高度来实现不同的跨膜压差以得到不同的出水流量。

3、粉末活性炭回流系统用来更新膜池10内的粉末活性炭，提高吸附能力。膜池10内的活性炭初始浓度为100mg/L，粉末活性炭混合池7内的浓度也设置为100mg/L。每运行12小时后，从膜池10中排出一半体积的水量，与此同时通过粉末活性炭提升泵8往膜池10内补充相同量的活性炭混合液。

4、超滤膜组件11在运行过程中不需要进行反冲洗，为保证出水水质，每一个月对超滤膜组件进行一次化学清洗。

本发明较传统的间歇抽吸出水方式省去了出水抽吸泵，主要依靠膜进水液面和出水液面之间存在重力水头液位差为驱动力，实现了连续出水，降低了部分能耗。粉末活性炭回流系统可以充分利用粉末活性炭的吸附能力。结合了粉末活性炭超滤膜联用技术，使得系统具有产水水质优、制水耗能低、占地面积小、设备投资等优点，适用于分散的农村给水处理。

本实施例中，膜池10的规格为13cm*9cm*35cm，体积约为4L，易于安置。进水泵3持续给膜池10供给原水，通过溢流管13控制膜池10内的液位恒定。超滤膜组件11采用浸没式运行，膜池10内共放置4个超滤膜组件11，每个超滤膜膜组件11的进水面积为336cm²，总面积为1344cm²。系统的进水液位与出水液位之间的高差为1m，即跨膜压差为0.1bar，通过调节不同的液位差可以得到不同的出水流量。重力式超滤膜工艺不需要对膜组件进行反冲洗。膜反应器内粉末活性炭的投加量为100mg/L，每隔12h更换一半的活性碳量。膜低曝气量为0.25m³/h。

运行初期，膜通量(透过速率)一直处于下降趋势。运行20h之后，膜通量最终稳定在50L/(m2·h·bar)。水质处理效果方面，重力式超滤膜过滤和粉末活性炭吸附联用工艺对DOC(溶解有机碳)的去除率为70％左右，比单独使用超滤膜过滤去除率得到明显提高。超滤膜出水的浊度一般小于0.1NTU(散射浊度单位)，达到饮用水卫生标准。实验证明这种小型的重力式超滤膜过滤和粉末活性炭吸附联用工艺系统，能耗低，处理效果好，适用于分散式的农村供水。