专利名称：一种利用多相条件强化混凝的水处理方法
技术领域：
本发明涉及一种对饮用水水源水、工业给水水源水、工业废水、生活污水进行处理的水处理方法，也适合于城市污水的深度处理。
背景技术：
混凝是指通过某种手段(通常是加入混凝剂，水解产生高电荷低聚合度的产物压缩双电层，降低胶体表面电荷)以及适当的混合、搅拌令水中的胶体颗粒克服相互间的排斥力而凝聚到一起，以利于通过气浮或沉淀、过滤等方式被去除的过程。混凝分为混合和絮凝两个步骤，混合是令混凝剂与原水充分接触，以期有效地利用混凝剂完成电中和作用，并且混合也是新相形成的一个十分重要的步骤。絮凝是混合阶段形成的微絮体长大的阶段，以便于后续的分离。混合方式主要包括水力混合和机械混合的方式。水力混合的水头损失大，对水质、水量的变化的适应性不如机械絮凝池，但水力絮凝池却可以很少有短流的情况。在中国最常用的水力混合方式是静态混合器；机械混合(或称为机械搅拌)对水质、水量变化的适应性强，水头损失相对较小，但容易出现短流的情况，而且其机械设备常常不能配套，因此在中国主要应用的是水力混合的方式。而所有存在的混凝池的混合都是宏观的混合，这种宏观混合，我们认为是一种浪费。混合的实质产生大小不等的涡旋，大涡旋将能量输送给小涡旋，小涡旋又将一部能量输送给更小的涡旋，并伴随着能量损失。在这些不同尺度的涡旋中，大涡旋主要起两个作用一是使流体各部分相互掺混，使颗粒均匀扩散于流体中；二是将外界获得的能量输送给小涡旋。大涡旋往往使颗粒作整体移动而不会相互碰撞。因此，当大涡旋产生的少而小涡旋产生的多时，由大涡旋到小涡旋的能量输送而导致的能量损失就会减少，同时会减少因大涡旋产生的颗粒整体移动而不会碰撞的无效能量损失，而能增加小涡旋对颗粒碰撞的相对有效的贡献。混凝对于水中杂质的去除主要是利用1.混凝剂及其水解产物对水中带电胶体的双电层压缩使胶体之间的静电排斥力减弱以及排斥能峰降低到它们之间的引力可以令它们聚集，这一作用又被称为电中和脱稳(destabilization coagulation)；2.利用混凝剂水解产物对胶粒间的链桥作用使杂质连在一起，这一作用被称为架桥絮凝(bridge coagulation)；3.；利用混凝剂形成的表面粗糙、多孔渗水的絮体对杂质的卷扫、共沉淀作用，这又被称为扫沉淀絮凝(sweep coagulation)。国外常常将架桥絮凝(bridge coagulation)归类到卷扫沉淀絮凝(sweepcoagulation)。对于混凝池，世界上主要有水力絮凝池和机械絮凝池等方式。这两种分法主要依混合方式的不同而命名。现有的絮凝方法还存在着消毒副产物高、出水的药剂含量高等缺点。除了常规的絮凝方式，人们还研究了电絮凝、磁絮凝等其他的絮凝形式，但由于电和磁的费用问题，而没有得到广泛的应用。后来，人们又发明了利用接触絮凝原理的澄清池工艺，即在反应器中引入泥渣，使加药后脱稳的杂质和絮体通过泥渣层时而被截流下来，也就是说澄清池利用了过滤的原理。但是澄清池有不容忽视的弱点一是对原水水量、水质变化的适应性差；二是厚密的泥渣层中的泥渣对絮体的剪切作用会破坏絮体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化混凝的方法，该方法为首先在混凝反应器中加入颗粒状固体催化剂，然后使加了药剂的原水通过所述混凝反应器。本发明核心机理是在颗粒状固体催化剂存在的多相的条件下1.利用进水经过反应器下段的颗粒状固体催化剂时产生强化的紊流脉动和强化的质点掺混；边界层及尾流旋涡的微观尺度混合(microscale mixing)；宏观混合等作用来达到强化药剂(包括混凝剂、氧化剂等)与原水的混合、强化混凝剂的水解和强化电中和絮凝；2.利用颗粒状固体催化剂的多相催化成核来强化混凝剂水解及促进其水解产物的长大等作用而达到强化絮凝3.利用颗粒状固体催化剂提供的成长位(crystal growth site)，形成絮体在催化剂提供的外来界面上的成长、絮体包围催化剂的状况，变相地增加“絮体”的尺寸，并利用催化剂的重力强行滞留这种絮体增加了反应器中的絮体的量，强化扫沉淀絮凝。这种包裹着催化剂、呈团状的“絮体”的尺寸远超过常规混凝工艺产生的絮体。从而本发明具有强化去除水中的悬浮态、胶体和溶解态的杂质、减少混凝剂的用量、减少消毒副产物、降低出水余铝的含量、减少占地面积、减少基建施工和动力运行费用等优点。本发明减少了消毒副产物，因为水中大部分的有机物都是腐殖质类有机物，这类有机物被认为是消毒副产物的前驱物质。本发明通过强化混合而强化电中和絮凝和通过被滞留的“超级絮体”的扫沉淀絮凝等一系列的作用起到了用较少的投药量却获得高投药量的效果。从而强化了对有机物的去除，能有效地减少了消毒副产物。通过强化电中和絮凝而强化了对有机物的去除。本发明由于引入的催化剂的高效的混合作用，令混凝剂与原水充分快速的混合，对水中带负电的有机物的电中和絮凝得到加强。比常规混凝强化了对有机物的脱稳的作用。本发明强化了扫沉淀絮凝从而强化了对有机物的去除。催化剂提供了混凝剂水解产物成长的基底，形成以催化剂为中心的变相增大絮体，这些被滞留在反应器中的絮体通过不规则沉淀、共沉淀、吸附和粘附等一系列的作用强化了扫沉淀絮凝。
图1是下端直筒状、上端渐扩形的悬浮式混凝反应器，图2是渐扩形悬浮式混凝反应器，图3是具体实施方式
四所述的反应器，图4是单层散流板的渐扩形、循环式混凝反应器，图5是多层散流板的渐扩形、循环式混凝反应器，图6是单层散流板的下端直筒状、上端渐扩形的循环式混凝反应器，图7是多层散流板的下端直筒状、上端渐扩形的循环式混凝反应器。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的水处理方法为首先在混凝反应器中加入颗粒状固体催化剂，然后使加了药剂的原水通过所述混凝反应器。
具体实施方式
二本实施方式的颗粒状固体催化剂为金属氧化物，金属氧化物为MnO2、Fe2O3、TiO2、FeOOH、Al2O3、NiO2、SiO2、MgO、CaO、钛酸铝、氧化锆、碳化硅、堇青石、陶粒、沸石、无烟煤、莫来石中的一种或几种的混合物，在所述金属氧化物的表面富含羟基，使金属氧化物表面富含羟基的办法为用氧化物或氢氧化物进行表面改性。所采用的混凝反应器为上向流反应器，反应器的结构为中部和下部都为直筒形状，上端为渐扩形状；颗粒状固体催化剂1设置在反应器的下部，在原水通入以后，颗粒状固体催化剂1的数量及膨胀度应满足膨胀后的高度占反应器总高度的1/3～1/2；所述反应器为悬浮式反应器，参照图1，它的结构为反应器的下底面为布水板6，布水板6下部为进水口2，布水板6上部为颗粒状固体催化剂1；在所述悬浮式反应器内使用的颗粒状固体催化剂1设置为防止催化剂被冲走的级配，催化剂层的级配为5～10mm，2～4mm，1～2mm，0.1～1mm，四者的高度比例为2∶2∶3∶1.5，所述反应器渐扩部分的水平倾角β为45°～75°之间，渐扩部分的高度H占反应器总高度I的1/6～1/4。通入的药剂为混凝剂、助凝剂、预氧化剂中的一种或几种的复合，原水通过颗粒状固体催化剂层的时间为10～30s。
具体实施方式
三参照图2，本实施方式中反应器的结构为从下至上都呈渐扩形状的悬浮式上向流反应器。
具体实施方式
四参照图3，本实施方式中，混凝反应器为从下至上都呈渐扩形状的悬浮式上向流反应器，本实施方式所述反应器在结构上与前述具体实施方式
反应器的区别在于，它取消了具体实施方式
二和三所述悬浮式反应器下部的布水板，取而代之的是设置了用来连接进水管和主反应器的弯管，它所具有的优点为，这种结构的反应器可以增加填料的用量，可以更好的形成混凝。
具体实施方式
五本实施方式与前述实施方式不同之处在于，所使用反应器的结构为从下至上呈渐扩形状，反应器为循环式上向流反应器，参照图4，它的结构为在反应器底部中心位置设有进水口2，在进水口2的上部设有散流板3和挡板4，散流板3为锥台形状，所述散流板3为单层，在散流板3横切面的中心位置设置有挡板4，所述挡板4和散流板3都通过连接条5与反应器的内壁相固接；在所述循环式反应器内使用的颗粒状固体催化剂1为均质催化剂，催化剂的粒径优选为0.1～1mm。
具体实施方式
六参照图5，本实施方式与具体实施方式
五的区别在于，它的散流板3为多层，多层散流板可以更好的实现水的循环，从而更好的达到混凝效果。
具体实施方式
七参照图6，本实施方式中反应器的结构为中部和下部都为直筒形状，上端为渐扩形状的循环式上向流反应器，反应器内的散流板3为单层。
具体实施方式
八参照图7，本实施方式与具体实施方式
七不同之处在于，所述反应器内部的散流板3为多层。
具体实施方式
九某饮用水源在冬季时水温长期低于2度，浊度低于10度，絮体难以形成，混凝效果不好。在其流域的某水厂进行小试，实验期间的原水部分水质如表一所示。利用本发明，设计一个上向流反应器，反应器柱高0.9米，直径3毫米，反应器顶端的渐扩部分高0.2米，水平倾角为60度。内部装有石英砂催化剂，催化剂粒径为1-2毫米，高为0.35米，下面铺垫粒径5-10毫米、高度0.1米的石英砂承托层。进水水力负荷为60m/h。混凝剂为商用硫酸铝，投量为5mg/L-60mg/L与烧杯实验对比进行考察。
表1.原水主要水质特征
实验结果表明，本发明能产生比普通烧杯实验大一倍的絮体。沉后浊度比烧杯实验降低约50％。随投药量的增加，沉后总铝的含量比烧杯实验降低25.3-75.8％。滤后的总铝比烧杯实验降低66.6％-85.1％。沉后总有机碳TOC比烧杯实验降低6.5％-16.2％。紫外吸收光度值UV-254降低了30.2％-55.6％具体实施方式
十某饮用水源在冬季时水温长期低于2度，浊度低于10度，絮体难以形成，混凝效果不好。在其流域的某水厂进行生产性实验，实验期间的原水部分水质如表一所示。水厂的水量为Q＝5000m3/d＝208.33m3/h＝0.059m3/s。依据本发明设计一反应器，反应器如图2所示。进水的水力负荷为208.33×4/π×4＝66.31m/h＝0.018m/s。混凝剂为商用硫酸铝，投量根据烧杯实验确定为40mg/L。
表2.原水主要水质特征
运行结果表明总有机碳TOC的平均去除率为40％，紫外吸收光度值UV-254平均降低了50％，沉后浊度平均降低了80％，滤后的总铝量均小于0.2mg/L。
权利要求
1.一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于首先在混凝反应器中加入颗粒状固体催化剂，然后使加了药剂的原水通过所述混凝反应器。
2.根据权利要求1所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述颗粒状固体催化剂为金属氧化物。
3.根据权利要求2所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述金属氧化物为MnO2、Fe2O3、TiO2、FeOOH、Al2O3、NiO2、SiO2、MgO、CaO、钛酸铝、氧化锆、碳化硅、堇青石、陶粒、沸石、无烟煤、莫来石中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述金属氧化物的表面富含羟基，使金属氧化物表面富含羟基的办法为用氧化物或氢氧化物进行表面改性。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述混凝反应器为上向流反应器，所述反应器的结构为从下至上呈渐扩形状，或者，反应器的结构为中部和下部都为直筒形状，上端为渐扩形状；颗粒状固体催化剂(1)设置在反应器的下部，在原水通入以后，颗粒状固体催化剂(1)的数量及膨胀度应满足膨胀后的高度占反应器总高度的1/3～1/2。
6.根据权利要求5所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述反应器为循环式反应器，它的结构为在反应器底部中心位置设有进水口2，在进水口(2)的上部设有散流板(3)和挡板(4)，散流板(3)为锥台形状，在散流板(3)横切面的中心位置设置有挡板(4)，所述挡板(4)和散流板(3)都通过连接条(5)与反应器的内壁相固接；在所述循环式反应器内使用的颗粒状固体催化剂(1)为均质催化剂，催化剂(1)的粒径优选为0.1～1mm。
7.根据权利要求5所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述反应器为悬浮式反应器，它的结构为反应器的下底面为布水板(6)，布水板(6)下部为进水口(2)，布水板(6)上部为颗粒状固体催化剂(1)；在所述悬浮式反应器内使用的颗粒状固体催化剂(1)设置为防止催化剂被冲走的级配，催化剂层的级配为5～10mm，2～4mm，1～2mm，0.1～1mm，四者的高度比例为2∶2∶3∶1.5。
8.根据权利要求5所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述反应器渐扩部分的水平倾角(β)为45°～75°之间，对于中部和下部为直筒形状，上端为渐扩形状的反应器，渐扩部分的高度(H)占反应器总高度(I)的1/6～1/4。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于所述药剂为混凝剂、助凝剂、预氧化剂中的一种或几种的复合。
10.根据权利要求1、2、3或4所述的一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，其特征在于原水通过颗粒状固体催化剂层的时间为10～30s。
全文摘要
一种利用多相条件强化混凝的水处理方法，涉及一种对饮用水水源水、工业给水水源水、工业废水或生活污水进行处理的水处理方法。现有水处理方法存在着在低温低浊情况下絮体不容易形成、混凝效果不利和出水水质恶化的状况，还存在着消毒副产物高、出水的药剂含量高的缺点。本发明水处理方法为首先在混凝反应器中加入颗粒状固体催化剂，然后使加了药剂的原水通过所述混凝反应器。本发明具有强化去除水中的悬浮态、胶体和溶解态的杂质、减少混凝剂的用量、减少消毒副产物、降低出水余铝的含量、减少占地面积、减少基建施工和动力运行费用等优点。
文档编号C02F1/52GK1569672SQ200410013720
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月28日 优先权日2004年4月28日
发明者马军, 肖峰 申请人:哈尔滨工业大学