一种含氟废水除氟处理和滤料再生装置及方法与流程

本发明涉及一种废水处理装置及方法，特别涉及一种含氟废水除氟处理和滤料再生装置及方法，属于水处理领域。

背景技术：

氟是人体维持正常生理活动所需的微量元素之一，但人体从外界摄入的氟过多会影响健康。长期饮用高氟水易患以氟斑牙和氟骨症为特征的全身性慢性疾病，甚至对人脑神经造成损害。过量的氟还会对植物造成毒害作用，抑制作物的新陈代谢、呼吸作用及光合作用。基于含氟废水的危害性，国家对于含氟废水的饮用和排放越来越严格。

近些年来，地下水氟污染对人体健康造成的危害越来越受到人们的重视，世界各国或组织对水中氟化物的含量都有严格的规定。世界卫生组织（who）规定饮用水中氟化物含量不得超过1.5mg/l。我国在《生活饮用水卫生标准》（gb5749-2006）规定，饮用水氟化物含量应小于1.0mg/l，在《污水综合排放标准》（gb8978-1996）中规定氟化物含量应小于10mg/l。因此，当氟化物含量超过标准时，就应设法进行处理。

低浓度含氟水除氟工艺包括吸附过滤法、膜处理法、离子交换法和混凝沉淀法等。除氟方法的选择应根据水质、规模、设备和材料来源等条件经技术经济比较后确定。目前常用的吸附过滤法有活性氧化铝吸附法、磷灰石吸附法和活性炭吸附法等。吸附过滤法中高效吸附剂的选择和吸附剂再生则是该法研究中的关键所在，此类研究报道相对较少。活性氧化铝除氟装置的缺点是处理速度慢，需要频繁更换氧化铝，再生操作繁琐，成本较高。此外，现有技术中大部分除氟装置的水流方式为从上到下，对于采用滤料除氟的装置来说，装置工作时间长了之后，滤料在水流及自身重力的作用下会被压实，影响到水与滤料接触面积，使得除氟效果变差，并会影响到水流的速度。cn201310711862公开了一种“农村小型饮用水除氟装置”，它的目的是面向分散式供水的农村提供一种体积小、投资少、运行成本低、操作管理简单和除氟效果好的农村小型饮用水除氟装置。其不足之处是处理水量小，除氟滤芯无法再生，只能购买更换，给后期维护更新带来不便。

羟基磷灰石作为除氟滤料正在逐渐被人们认识和接受。其传统再生方法主要是用氢氧化钠（naoh）溶液作为再生剂，再生后用酸液中和。该法再生效率低，对设备有腐蚀作用，限制了羟基磷灰石除氟剂的应用推广。cn201010264606公开了“一种饮用水除氟滤料的再生方法”，它的目的是提供了一种通过热再生和机械磨损相耦合的除氟滤料再生方法，较好地克服了酸碱再生法存在的问题，但该法中机械磨损方式仅局限于水流对滤料的磨损，磨损再生效果有限。

综上所述，开发一种处理效果好、运行稳定、便于吸附剂再生的含氟废水除氟处理和滤料在线再生装置及方法具有实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有占地面积小、成本低、运行费用省和操作管理简单等优点的含氟废水除氟处理和滤料再生装置，该装置将预处理、吸附过滤和保安处理三功能集于一体，使含氟废水出水达到饮用标准，解决以上背景技术中提出的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种利用上述装置进行含氟废水除氟处理和滤料再生的方法，通过加热再生和搅拌摩擦再生的交替结合，实现羟基磷灰石滤料高效在线再生，滤料无需更换，方法简单快捷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种含氟废水除氟处理和滤料再生装置，包括外壳、固定筒壳、旋转滤筒、平衡稳定机构、再生辅助机构和若干管道；所述的旋转滤筒同轴套设于固定筒壳内部，旋转滤筒中轴处设有与旋转滤筒固定连接的筒轴，筒轴两端连接外壳；所述的旋转滤筒内腔上部设有预处理滤料层和用于放置预处理滤料层的滤层承托板，旋转滤筒内腔下部设有吸附再生滤料层；所述的固定筒壳横向套设于外壳内部，固定筒壳顶部与外壳之间设有出水集水管，出水集水管上布设有出水集水孔，固定筒壳底部为开口结构；所述的外壳上设有进水口、清水出水口和冲洗废水出水口，进水口通过管道连通固定筒壳的内腔，清水出水口通过管道连通出水集水管，冲洗废水出水口通过管道连接固定筒壳侧壁并与固定筒壳内腔连通；所述的平衡稳定机构包括平衡轴承、轴承导槽、平衡支架、轴承连杆、筒轴外环和固定扰紊桨，筒轴外环套设于筒轴外部，平衡支架一端连接筒轴外环，平衡支架另一端连接轴承连杆中部，轴承连杆顶部固定连接滤层承托板，轴承连杆两端连接平衡轴承，平衡轴承设置在轴承导槽内并可沿轴承导槽移动，固定扰紊桨固定连接筒轴外环，固定扰紊桨的方向朝向吸附再生滤料层；所述的再生辅助机构包括电加热棒和微孔曝气管，电加热棒和微孔曝气管均匀布设于旋转滤筒下方。电加热棒连接外部电源，微孔曝气管连接外部气源。

作为优选，所述的固定筒壳端部固定连接外壳端部，固定筒壳底部开口侧部设有筒壳固定支撑板和保安滤层承托板，筒壳固定支撑板和保安滤层承托板分别与外壳内壁固定连接，筒壳固定支撑板设于保安滤层承托板上方，筒壳固定支撑板和保安滤层承托板之间设有保安过滤滤料层，固定筒壳底部开口两侧端部设有垂直向下的导流板。

作为优选，所述的旋转滤筒端部与固定筒壳端部之间设有密封条，旋转滤筒筒壁均匀设有若干等距的过流孔，所述过流孔的孔径为1.5~3.0mm，孔间距为5~10mm。旋转滤筒与固定筒壳之间存有水流空隙。

作为优选，所述的电加热棒和微孔曝气管沿旋转滤筒底部圆周等距离交替布设于旋转滤筒下方，电加热棒和微孔曝气管与旋转滤筒轴向方向平行，所述的微孔曝气管上设有若干曝气微孔，曝气微孔的孔径为1.0~2.0mm。

作为优选，所述的预处理滤料层包括由上自下依次设置的石英砂滤料层、活性炭滤料层和麦饭石滤料层，石英砂滤料层包括平均粒径为0.25~0.50mm的石英砂滤料，活性炭滤料层包括平均粒径为1.5~3.0mm的柱状活性炭，麦饭石滤料层包括平均粒径为3.0~4.0mm的麦饭石滤料。

作为优选，所述的吸附再生滤料层包括平均粒径为1.0~1.5mm的羟基磷灰石滤料。

作为优选，所述的保安过滤滤料层包括由上自下依次设置的改性活性氧化铝滤料层和陶瓷滤料层，改性活性氧化铝滤料层包括平均粒径为2.0~3.0mm的改性活性氧化铝滤料，陶瓷滤料层包括平均粒径为1.0~1.5mm的陶瓷滤料。

作为优选，所述的平衡支架对称设置于筒轴外环两侧，平衡支架与筒轴外环轴向垂直，平衡支架之间的夹角为110°~150°。

作为优选，所述的固定扰紊桨均匀设置于筒轴外环上，固定扰紊桨与筒轴外环轴向垂直，固定扰紊桨之间的夹角为45°~60°。

一种使用上述装置进行含氟废水除氟处理和滤料再生的方法，该方法包括以下步骤：

（1）除氟周期：将含氟废水由进水口泵入装置内部，含氟废水依次流经预处理滤料层、吸附再生滤料层和保安过滤滤料层后，达标水经清水出水口流出装置；

（2）加热再生周期：将电加热棒通电，使电加热棒周围的水体加热至50°~60°，打开冲洗废水出水口，热水在液位差作用下升流通过旋转滤筒上的过流孔进入吸附再生滤料层对羟基磷灰石滤料水浴加热，持续1.0~3.0小时，进行多次加热再生处理直至羟基磷灰石滤料的再生率低于30%；

（3）搅拌摩擦再生周期：加热再生周期的再生率低于30%后，开启微孔曝气管进行曝气紊流，开启旋转滤筒进行旋转，在旋转滤筒的转动作用和固定扰紊桨的搅动下，旋转滤筒内已被氟离子饱和的羟基磷灰石滤料被连续滚动摩擦露出新鲜表面，恢复羟基磷灰石滤料的除氟能力，并补充相应磨损量的羟基磷灰石滤料；

（4）重复步骤（2）和（3），进行3~5次加热再生周期后进行1次搅拌摩擦再生周期，实现羟基磷灰石滤料的重复利用。

与现有技术相比，本发明的一种含氟废水除氟处理和滤料再生装置及方法具有以下有益效果：

（1）本发明集预处理、除氟处理和保安处理于一体，可去除原水中的砂粒、有机物、悬浮颗粒物等污染物质，高效去除原水（原水氟含量1~10mg/l）中的氟含量，经多种滤料串联吸附处理和保安过滤后出水氟含量小于1.0mg/l，达到饮用水限值要求；

（2）本发明通过对被氟离子饱和的羟基磷灰石滤料的加热再生和搅拌摩擦再生的交替处理相结合，使羟基磷灰石的再生效率和再生次数得到提高和优化，单次再生效率大于60~85%；

（3）本发明集除氟处理与饱和滤料再生处理于一体，再生方法简单易行，无需将滤料取出，只需启动电机、通电加热和微孔曝气操作，即可实现滤料的在线再生，本发明的再生方法是运动加热再生，对堆积在内部的滤料进行加热活化和摩擦，解决静止再生方法无法对内部滤料再生和传统水流运动再生效率低的问题；

（4）本发明通过装置顶部空间的利用，为反冲洗再生提供了水源，并在一定程度上降低了反冲洗的能耗。同时通过水流变向和微孔曝气量的调整及时将粘附于保安过滤滤料层、预处理滤料层和吸附再生滤料层中滤料上的杂质冲洗掉，从而确保装置的稳定连续运行；

（5）本发明的装置采用密封设计，可整体吊装、搬运和就位，与内部接出管道可实现快速活动连接，便于设备的移动和安装。

附图说明

图1是本发明的立体结构剖视图；

图2是本发明的主视结构示意图；

图3是图2中2-2剖面示意图；

图4是图2中3-3剖面示意图。

图中：进水口10，进水管11；进水布水短管12；固定筒壳13；旋转滤筒14；石英砂滤料层15；活性炭滤料层16；麦饭石滤料层17；滤层承托板18；过流孔19；导流板110；密封条111；旋转驱动电机21；平衡轴承22；轴承导槽23；筒轴24；平衡支架25；轴承连杆26；筒轴外环27；固定扰紊桨31；羟基磷灰石滤料32；电加热棒33；微孔曝气管34；冲洗废水集水短管35；冲洗废水集水横管36；冲洗废水排放竖管37；冲洗废水出水口38；保安滤层承托板41；陶瓷滤料层42；改性活性氧化铝滤料层43；筒壳固定支撑板44；出水集水孔51；出水集水管52；清水出水管53；清水出水口54；出气口55；放空口56；检修孔57；外壳58；电控温控箱59；预处理区a；吸附再生区b；水流变向区c；保安过滤区d；清水区e；平衡支架之间夹角α；固定扰紊桨之间夹角β。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

实施例：

如图1~4所示的一种含氟废水除氟处理和滤料再生装置，包括外壳58、固定筒壳13、旋转滤筒14、平衡稳定机构、再生辅助机构和若干管道。

外壳58上设有进水口10、清水出水口54、冲洗废水出水口38、放空口56、排气口55和检修孔57。进水口通过进水管11和进水布水短管12连通固定筒壳的内腔。固定筒壳顶部与外壳之间设有出水集水管52，出水集水管上布设有出水集水孔51，清水出水口通过出水管53连通出水集水管。冲洗废水出水口通过冲洗废水排放竖管37、冲洗废水排放横管36和冲洗废水集水短管35连接固定筒壳的两侧侧壁并与固定筒壳内腔连通。

固定筒壳横向套设于外壳内部，固定筒壳底部为开口结构。固定筒壳端部与外壳端部焊接连接，固定筒壳底部开口侧部设有筒壳固定支撑板44和保安滤层承托板41，筒壳固定支撑板和保安滤层承托板分别与外壳内壁固定连接，使固定筒壳的截面呈“ω”形。筒壳固定支撑板设于保安滤层承托板上方，筒壳固定支撑板和保安滤层承托板之间设有保安过滤滤料层。固定筒壳和筒壳固定支撑板将装置内部空间分隔为上中下三部分，上部为清水区e，中部为预处理区a和吸附再生区b，下部为水流变向区c和保安过滤区d。固定筒壳在“ω”截面的左上右三个切点处分别对应与冲洗废水集水短管35、进水布水短管12和冲洗废水集水短管35相连通。固定筒壳底部开口两侧端部设有垂直向下的导流板110。

旋转滤筒同轴套设于固定筒壳内部，旋转滤筒中轴处设有与旋转滤筒固定连接的筒轴24，筒轴两端连接外壳，筒轴一端连接设于外壳端部外的旋转驱动电机21，筒轴另一端架设在外壳另一端设置的轴承上。在旋转驱动电机的带动下，筒轴可使旋转滤筒沿筒轴进行旋转运动。旋转滤筒端部与固定筒壳端部之间设有密封条111，旋转滤筒筒壁均匀设有若干等距的过流孔19，过流孔的孔径为2.0mm，孔间距为8.0mm。旋转滤筒与固定筒壳之间存有水流空隙。旋转滤筒内腔上部设有预处理滤料层和用于放置预处理滤料层的滤层承托板18，旋转滤筒内腔下部设有吸附再生滤料层。旋转滤筒内腔被滤层承托板18分为上下两部分，上部为预处理区a，下部为吸附再生区b。

平衡稳定机构位于滤层承托板下方，平衡稳定机构包括平衡轴承22、轴承导槽23、平衡支架25、轴承连杆26、筒轴外环27和固定扰紊桨31。筒轴外环套设于筒轴外部，平衡支架一端连接筒轴外环，平衡支架另一端连接轴承连杆中部，平衡支架对称设置于筒轴外环两侧，平衡支架与筒轴外环轴向垂直，平衡支架之间的夹角α为130°。轴承连杆顶部固定连接滤层承托板，轴承连杆承托起预处理滤料层。轴承连杆两端连接平衡轴承，平衡轴承设置在轴承导槽内并可沿轴承导槽移动，固定扰紊桨固定连接筒轴外环，固定扰紊桨的方向朝向吸附再生滤料层。固定扰紊桨均匀设置于筒轴外环上，固定扰紊桨与筒轴外环轴向垂直，其中一个固定扰紊桨垂直向下设置，另外两个固定扰紊桨对称设置于前述固定扰紊桨两侧，固定扰紊桨之间的夹角β为55°。

再生辅助机构包括电加热棒33和微孔曝气管34，电加热棒和微孔曝气管均匀布设于旋转滤筒下方。电加热棒连接外部电源，微孔曝气管连接外部气源。电加热棒和微孔曝气管沿旋转滤筒底部圆周等距离交替布设于旋转滤筒下方，电加热棒和微孔曝气管与旋转滤筒轴向方向平行，微孔曝气管上设有若干曝气微孔，曝气微孔的孔径为1.0mm。

位于预处理区a的预处理滤料层包括由上自下依次设置的石英砂滤料层15、活性炭滤料层16和麦饭石滤料层17，石英砂滤料层包括平均粒径为0.3mm的石英砂滤料，活性炭滤料层包括平均粒径为2.0mm的柱状活性炭，麦饭石滤料层包括平均粒径为4.0mm的麦饭石滤料，上述三个滤料层的厚度均为50mm。

位于吸附再生区b的吸附再生滤料层包括平均粒径为1.5mm的羟基磷灰石滤料32，吸附再生滤料层的上界面至筒轴距离为100mm。

位于保安过滤区d的保安过滤滤料层包括由上自下依次设置的改性活性氧化铝滤料层43和陶瓷滤料层42，改性活性氧化铝滤料层包括平均粒径为3.0mm的改性活性氧化铝滤料，陶瓷滤料层包括平均粒径为1.5mm的陶瓷滤料，上述二个滤料层厚度均为50mm。

一种使用上述装置进行含氟废水除氟处理和滤料再生的方法，该方法步骤如下：

（1）除氟周期：将含氟废水由进水口泵入装置内部，含氟废水依次流经预处理滤料层、吸附再生滤料层和保安过滤滤料层后，达标水经清水出水口流出装置；

（2）加热再生周期：将电加热棒通电，使电加热棒周围的水体加热至50°~60°，打开冲洗废水出水口，热水在液位差作用下升流通过旋转滤筒上的过流孔进入吸附再生滤料层对羟基磷灰石滤料水浴加热，持续1.0~3.0小时，进行多次加热再生处理直至羟基磷灰石滤料的再生率低于30%；

（3）搅拌摩擦再生周期：加热再生周期的再生率低于30%后，开启微孔曝气管进行曝气紊流，开启旋转滤筒进行旋转，在旋转滤筒的转动作用和固定扰紊桨的搅动下，旋转滤筒内已被氟离子饱和的羟基磷灰石滤料被连续滚动摩擦露出新鲜表面，恢复羟基磷灰石滤料的除氟能力，并补充相应磨损量的羟基磷灰石滤料；

（4）重复步骤（2）和（3），进行3~5次加热再生周期后进行1次搅拌摩擦再生周期，实现羟基磷灰石滤料的重复利用。

除氟周期中，含氟废水由进水口10在压力为0.3mpa下泵入装置内部，经过进水管11和进水布水短管12流入固定筒壳13和旋转滤筒14之间的空隙并呈圆周布水。含氟废水通过旋转滤筒上的过流孔19流入预处理区a上部。

含氟废水自上而下通过石英砂滤料层15、活性炭滤料层16和麦饭石滤料层17，并被除去原水中的悬浮物、有机物等杂质。上述三个滤料层铺设在滤层承托板18上，滤层承托板架设在平行设置的轴承连杆26上，除氟处理时，上述滤料层能在平衡稳定机构的作用下保持水平。

经预处理后的含氟废水流入吸附再生区b上部，经羟基磷灰石滤料32的除氟处理后，通过旋转滤筒上的过流孔后进入水流变向区c。水流在导流板（110）的作用下，方向由向下降流转变为升流。

含氟废水升流通过保安过滤区d，在陶瓷滤料层42和改性活性氧化铝滤料层43过滤和吸附作用下，升流进入清水区e。清水区的水中氟含量达到饮用水标准。达标水经所述清水区上部的出水集水孔51后流入出水集水管52，再经出水管53流出装置。

搅拌摩擦再生周期中，旋转驱动电机21带动筒轴24使旋转滤筒14转动，此时平衡轴承22在轴承导槽23内随着导槽旋转作自转，同时平衡稳定机构上的固定扰紊桨31保持固定不转。

装置运行时，在除氟处理时为带压运行，运行压力为0.4mpa；在对羟基磷灰石滤料冲洗再生时为常压运行。

本实施例通过对被氟离子饱和的羟基磷灰石滤料的加热再生处理和搅拌摩擦再生的交替处理相结合，无需将滤料取出，只需启动电机、通电加热和微孔曝气操作，即可实现滤料的在线再生，使羟基磷灰石的再生效率和再生次数得到提高和优化，单次再生效率大于83%。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。