本公开涉及水处理技术领域，更具体地，涉及一种水处理装置。
背景技术：
以“混凝→沉淀→过滤→消毒”为主体工艺单元的饮用水处理常规工艺可以去除原水中的绝大部分颗粒物、浊度和微生物及部分天然有机物(natural organic matter,NOM)等杂质。当原水含有较高浓度的NOM、微量有机物(trace organic compounds,TrOCs)或致嗅/味物质时，常规处理工艺不能满足处理要求，需要在常规处理工艺流程后增加深度处理工艺。
最常应用的深度处理工艺为“臭氧-生物活性炭(O3-BAC)”工艺。运行良好时，O3-BAC工艺可以去除约50％的NOM、大部分TrOCs以及绝大部分致嗅/味物质。但O3-BAC极易受水温波动的影响，当水温低于10℃左右时，其处理效果明显变差。此外，O3-BAC对部分难化学氧化和生物降解的TrOCs如阿特拉津(atrazine)、磷酸三氯乙酯(TCEP)、碘普胺(iopromide)、安乐神(meprobamate)等的去除率很低。纳滤(nanofiltration,NF)是另一种饮用水深度处理工艺。纳滤的主要截留机理包括空间位阻效应和道南效应。为了有效去除原水中的TrOCs和致嗅/味物质，通常需要使用截留分子量(molecular weight cut-off,MWCO)较小的纳滤膜(200～400道尔顿)。低截留分子量纳滤膜的操作压力较大造成能耗较高，同时得水率较低，造成水资源的浪费。此外，低截留分子量纳滤膜对水中无机离子的截留率过高，不但造成水的化学稳定性下降，还会导致水中必要健康元素如钙和镁的缺失。第三种饮用水深度处理工艺为高级氧化工艺(advanced oxidation processes,AOPs)。高级氧化工艺以产生极强氧化能力的羟基自由基(·OH)为特点，可以氧化几乎所有的有机物。但高级氧化工艺没有选择性，由于水中NOM的浓度(在mg/L量级)比TrOCs和致嗅/味物质的浓度(在μg/L量级或更低)至少高3个数量级，因此为了有效去除TrOCs和致嗅/味物质，需要很高的氧化剂投加量和能耗，从而降低工艺的经济有效性。因此，如何兼顾去除天然有机物、微量有机物和致嗅/味等物质的效果，同时减少资源浪费，是亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本公开提供了一种水处理装置。
本公开的一个方面提供了一种水处理装置，包括纳滤单元以及氧化单元。纳滤单元，包括大截留分子量纳滤膜，所述大截留分子量纳滤膜包括截留分子量不小于800道尔顿的大截留分子量纳滤膜。氧化单元，用于对通过所述大截留分子量纳滤膜的液体进行化学氧化。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜包括截留分子量不小于1000道尔顿的大截留分子量纳滤膜。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜包括截留分子量不大于2000道尔顿的大截留分子量纳滤膜。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜包括以下至少一种，以聚酰胺或聚哌嗪为过滤皮层的复合膜、以聚砜或改性聚砜为膜材质的非对称膜(PVA)、聚乙烯醇膜或者无机材质的大截留分子量纳滤膜。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜包括磺化聚砜膜。
根据本公开实施例，所述装置还包括保安过滤单元，包括微米级过滤单元，置于所述纳滤单元之前，用于保护所述纳滤单元。
根据本公开实施例，所述化学氧化包括以强化产生羟基自由基为特征的高级氧化。
根据本公开实施例，所述装置还包括预处理单元，用于对待处理的水进行预处理，所述预处理包括化学预氧化、生物预处理、混凝、沉淀、低压过滤中的一种或多种。
根据本公开实施例，所述低压过滤包括隔栅过滤、介质过滤、微滤、超滤中的一种或多种。
根据本公开实施例，所述装置还包括后处理单元，用于经过所述氧化单元处理后的液体进行后处理，所述后处理包括加入还原剂以去除多余的氧化性物质，和/或，加入消毒剂以进行消毒。
本公开实施例提供的装置首先使用大截留分子量纳滤膜高效去除水中的NOM等大分子有机物，随后使用化学氧化高效去除水中可的TrOCs和致嗅/味物质。由于大截留分子量纳滤膜对NOM的有效去除，后续氧化工艺受NOM的影响很小，对TrOCs和致嗅/味物质的去除效果大幅提高。“大截留分子量纳滤膜→化学氧化”联合工艺对NOM的去除率很高，因此处理后的水在后续氯消毒过程中所产生的消毒副产物(disinfection by-products,DBPs)浓度很低，进一步提高了水的安全性。另外，由于使用的是大截留分子量纳滤膜，运行能耗较低、得水率较高，且几乎不去除水中的无机盐，保持一定的水质硬度。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的水处理方法的流程图；
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的水处理方法的流程图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的水处理装置的框图；
图4示意性示出了根据本公开另一实施例的水处理装置的框图；
图5A～图5C示意性示出了根据本公开实施例的磺化聚砜膜在扫描电子显微镜下的图像；
图6A～图6C示意性示出了根据本公开实施例的水处理方法和装置处理后的无机离子的截留率的示意图；以及
图7A～图7D示意性示出了根据本公开多个实施例的水处理装置的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“A或B”应当被理解为包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。
本公开实施例提供的方法提出了“大截留分子量纳滤膜→化学氧化”的饮用水深度处理工艺，使用截留分子量大于800道尔顿的大截留分子量纳滤膜，也可称为致密型超滤膜，高效去除水中的NOM等大分子有机物，随后使用化学氧化高效去除水中的TrOCs和致嗅/味物质，可以有效去除NOM，而使后续氧化TrOCs和致嗅/味物质的效果大幅提高，同时使得在后续氯消毒过程中所产生的消毒副产物浓度很低，另外，由于使用的是大截留分子量纳滤膜，运行能耗较低、得水率较高，且几乎不去除水中的无机盐，保持了水中必要健康元素如钙和镁的含量，使水质硬度不至于过软。
图1示意性示出了根据本公开实施例的水处理方法的流程图。
如图1所示，该方法包括操作S110和S120。
在操作S110，使待处理的水通过大截留分子量纳滤膜，其中，所述大截留分子量纳滤膜包括截留分子量不小于800道尔顿的大截留分子量纳滤膜。根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜的截留分子量可以不大于5000道尔顿。根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜的截留分子量可以不小于1000道尔顿，所述大截留分子量纳滤膜的截留分子量可以不大于2000道尔顿。本公开实施例的操作S110可以用于去除水中的天然有机物(NOM)，而不去除水中的无机盐离子、微量有机物和致嗅/味物质。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜包括以下至少一种，以聚酰胺或聚哌嗪为过滤皮层的复合膜，以聚砜或改性聚砜为膜材质的非对称膜，聚乙烯醇膜或者无机材质的大截留分子量纳滤膜。其中，所述复合膜由支撑层和过滤皮层组成，支撑层例如可以是聚砜类物质，过滤皮层例如可以是聚哌嗪类物质，过滤皮层很薄，起主要作用；所述非对称膜例如可以是由聚砜或改性聚砜类物质的单一材质构成的非对称膜，其一面的孔较另一面的孔大，用于减少压力，增加效率；所述无机材质的大截留分子量纳滤膜例如可以是非对称的三氧化二铝，其表面涂有二氧化钛或二氧化锆等。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜可以是磺化聚砜膜。
在操作S120，通过化学氧化法处理通过所述大截留分子量纳滤膜的液体。根据本公开实施例，操作S120可以去除水中可能存在的微量有机物和致嗅/味物质。其中，所述微量有机物例如可以包括农药、药物及个人护理品(PPCPs)、内分泌干扰物(EDCs)等人工合成或天然产生的、不易被常规处理工艺去除的有机物。
根据本公开实施例，在化学氧化之前，可以对水体进行检测，判断污染物的种类和含量，从而选择适合的氧化方法，例如有些污染物仅需要臭氧就可以完全氧化，而不必选择高级氧化。
根据本公开实施例，所述化学氧化包括以强化产生羟基自由基为特征的高级氧化。所述高级氧化例如可以是双氧水/臭氧氧化、臭氧/紫外线氧化、双氧水/紫外线氧化或光催化氧化等，用以去除普通氧化难以去除的污染物。
该方法可以有效去除NOM，而使后续氧化TrOCs和致嗅/味物质的效果大幅提高，同时使得在后续氯消毒过程中所产生的消毒副产物浓度很低，另外，由于使用的是大截留分子量纳滤膜，运行能耗较低、得水率较高，且几乎不去除水中的无机盐，保持了水中必要健康元素如钙和镁的含量，使水质硬度不至于过软。
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的水处理方法的流程图。
如图2所示，该方法在前述实施例的基础上还包括S210和/或S220。
在操作S210，在使待处理的水通过大截留分子量纳滤膜之前进行预处理，所述预处理包括化学预氧化、生物预处理、混凝、沉淀、低压过滤中的一种或多种。其中，所述低压过滤可以包括隔栅过滤、介质过滤、微滤或超滤等。根据本公开实施例，格栅用于挡住大件垃圾；介质过滤为0.1mm级，通过粘附作用，可以去除比孔径更小的物质；微滤或超滤为微米级至纳米级，通过筛分作用实现过滤，可以置于纳滤之前，起到保护作用。
在操作S220，在通过化学氧化法处理上述通过大截留分子量纳滤膜的液体之后进行后处理，所述后处理包括加入还原剂以去除多余的氧化性物质，和/或，加入消毒剂以进行消毒。例如，可以先对水体进行检测，以确定氧化性物质的浓度，并根据该浓度选用适量的还原剂进行去除。根据本公开实施例，在饮用水出水厂进入管网后，还需要加入氯等长寿命消毒剂，以保证饮用水输送到用户一端仍能够保持消毒效果。
图3示意性示出了根据本公开实施例的水处理装置300的框图。
如图3所示，该水处理装置300包括纳滤单元310和氧化单元320。
纳滤单元310，包括大截留分子量纳滤膜，所述大截留分子量纳滤膜包括截留分子量不小于800道尔顿的大截留分子量纳滤膜，用于使待处理的水通过大截留分子量纳滤膜，以去除NOM。
氧化单元320，用于对通过所述大截留分子量纳滤膜的液体进行化学氧化，以去除TrOCs和致嗅/味物质等。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜包括以下至少一种，以聚酰胺或聚哌嗪为过滤皮层的复合膜，以聚砜或改性聚砜为膜材质的非对称膜，聚乙烯醇膜或者无机材质的大截留分子量纳滤膜。
根据本公开实施例，所述大截留分子量纳滤膜可以是磺化聚砜膜。
根据本公开实施例，所述装置还包括保安过滤单元，包括微米级过滤单元，置于所述纳滤单元之前，用于保护所述纳滤单元。
根据本公开实施例，所述化学氧化包括以强化产生羟基自由基为特征的高级氧化。所述高级氧化例如可以是双氧水/臭氧氧化、臭氧/紫外线氧化、双氧水/紫外线氧化或光催化氧化等。
图4示意性示出了根据本公开另一实施例的水处理装置400的框图。
如图4所示，该装置400在前述实施例的基础上还包括预处理单元410和/或后处理单元420。
预处理单元410，用于对待处理的水进行预处理，所述预处理包括化学预氧化、生物预处理、混凝、沉淀、低压过滤中的一种或多种。
根据本公开实施例，所述低压过滤包括隔栅过滤、介质过滤、微滤、超滤中的一种或多种。
后处理单元420，用于经过所述氧化单元处理后的液体进行后处理，所述后处理包括加入还原剂以去除多余的氧化性物质，和/或，加入消毒剂以进行消毒。
图5A～图5C示意性示出了根据本公开实施例的磺化聚砜膜在扫描电子显微镜下的图像。
其中，图5A示意性示出了根据本公开实施例的磺化聚砜膜的横截面在扫描电子显微镜下的图像，图5B示意性示出了根据本公开实施例的磺化聚砜膜的横截面的上部在扫描电子显微镜下的图像。该磺化聚砜膜可以通过空间位阻效应和道南效应，截留约1000道尔顿以上的分子，而使较小的分子可以通过该结构。图5C示意性示出了根据本公开实施例的磺化聚砜膜的上表面在扫描电子显微镜下的图像。
发明人的实验表明，在原水NOM浓度(实验采用腐殖酸，并以总有机碳TOC计)为6mg/L，大截留分子量纳滤膜(实验采用上述磺化聚砜膜)的过滤压力为7.1bar，其截留率在70％左右，因此，本公开实施例的水处理方法和装置在较小的压力下就能够实现较好的截留效果。同时，其对无机盐的截留率很低，下面结合图6A～图6C进行说明。
图6A～图6C示意性示出了根据本公开实施例的水处理方法和装置处理后的无机离子的截留率的示意图。
发明人的实验表明，在原水水质包含6mmol/L的NaCl及1mmol/L的MgSO4，且为中性pH值的情况下，采用大截留分子量纳滤膜(实验采用上述磺化聚砜膜)的处理该原水的结果如图6A～图6C所示，其中，三角形和方形标识表示两次平行实验的结果。可见，其在不同水通量下对钠离子和镁离子的截留率均在较低水平，约为10％左右。对于硫酸根离子的截留率，虽然在水通量较低时稍高，而当提高水通量时，对硫酸根离子的截留率也很快下降到较低水平。此外，在实验中发现该大截留分子量纳滤膜对氯离子的截留率几乎为0。
图7A～图7D示意性示出了根据本公开多个实施例的水处理装置的示意图。
如图7A所示，本公开实施例的水处理装置包括格栅→混合→絮凝→沉淀→介质过滤→保安过滤→大截留分子量纳滤→化学氧化(双氧水/臭氧)→还原→消毒等部分。其中，格栅→混合→絮凝→沉淀→介质过滤以及消毒等部分与常规处理工艺类似，此处不再赘述。图7A中的大截留分子量纳滤(含保安过滤)→化学氧化(双氧水/臭氧)的装置为如图3所示的本公开实施例的水处理装置300的一个实施方式。使用大截留分子量的纳滤膜，可以有效截留水中残留的天然有机物(NOM)，而几乎不去除水中的无机盐离子；不论纳滤是否去除水中可能存在的微量有机物(TrOCs)和致嗅/味物质，这些污染物质都被后续的双氧水/臭氧高级氧化有效去除。双氧水和臭氧的投加剂量由水中微量有机物和致嗅/味物质的浓度及反应活性决定。双氧水若有残余，可通过向水中投加还原剂(例如亚硫酸钠)去除。
如图7B所示，本公开实施例的水处理装置包括格栅→混合→微絮凝→介质过滤→保安过滤→大截留分子量纳滤→化学氧化(臭氧/紫外灯)→还原→消毒等部分。其中，格栅→混合→微絮凝→介质过滤以及消毒等部分与常规处理工艺类似，此处不再赘述。图7A中的大截留分子量纳滤(含保安过滤)→化学氧化(臭氧/紫外灯)的装置为如图3所示的本公开实施例的水处理装置300的一个实施方式。使用大截留分子量的纳滤膜，可以有效截留水中残留的天然有机物(NOM)，而几乎不去除水中的无机盐离子；不论纳滤是否去除水中可能存在的微量有机物(TrOCs)和致嗅/味物质，这些污染物质都被后续的臭氧/紫外高级氧化有效去除。臭氧的投加剂量以及紫外线(例如254nm)照射强度由水中微量有机物和致嗅/味物质的浓度及反应活性决定。
如图7C所示，本公开实施例的水处理装置包括格栅→微滤/超滤→保安过滤→大截留分子量纳滤→化学氧化(双氧水/紫外灯)→还原→消毒等部分。其中微滤/超滤的“低压膜过滤”为新型过滤工艺，主要去除水中的颗粒物质、微生物和引起浊度的物质。图7A中的大截留分子量纳滤(含保安过滤)→化学氧化(双氧水/紫外灯)的装置为如图3所示的本公开实施例的水处理装置300的一个实施方式。使用大截留分子量的纳滤膜，可以有效截留水中残留的天然有机物(NOM)，而几乎不去除水中的无机盐离子；不论纳滤是否去除水中可能存在的微量有机物(TrOCs)和致嗅/味物质，这些污染物质都被后续的双氧水/紫外高级氧化有效去除。双氧水的投加剂量以及紫外线(例如254nm)照射强度由水中微量有机物和致嗅/味物质的浓度及反应活性决定。双氧水若有残余，可通过向水中投加还原剂(例如亚硫酸钠)去除。
如图7D所示，本公开实施例的水处理装置包括格栅→混合→澄清→介质过滤→保安过滤→大截留分子量纳滤→化学氧化(臭氧)→消毒等部分。其中，格栅→混合→澄清→介质过滤以及消毒等部分与常规处理工艺类似，此处不再赘述。图7A中的大截留分子量纳滤(含保安过滤)→化学氧化(臭氧)的装置为如图3所示的本公开实施例的水处理装置300的一个实施方式。使用大截留分子量的纳滤膜，可以有效截留水中残留的天然有机物(NOM)，而几乎不去除水中的无机盐离子；不论纳滤是否去除水中可能存在的微量有机物(TrOCs)和致嗅/味物质，这些污染物质都被后续的臭氧氧化有效去除。臭氧的投加剂量由水中微量有机物和致嗅/味物质的浓度及反应活性决定。臭氧氧化还兼具有消毒作用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。