一种自来水及二次供水的深度净化方法和装置的制作方法

专利名称：一种自来水及二次供水的深度净化方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水处理领域，尤其涉及一种自来水深度处理及二次供水的深度净化方法和装置。
背景技术：
随着人们生活水平的提高和水环境污染的加剧，饮用水的卫生和安全受到越来越多的关注。根据我国经济发展和饮用水污染的现状，对饮用水还是在常规处理的基础上，以去除水中微量有机物为目标。这样对饮用水进行的深度处理和二次供水的深度净化程度还远远不够，这个问题已经在现代日常生活中越来越被凸现。如山东某地水源受到污染，部分居民出现晕眩、脱发等症状，并导致当地癌症发病率明显上升。对饮用水水质进行分析测定，在常规指标检测中发现三氯甲烷和四氯化碳超标，且饮用水中有机物综合指标CODMn(化学耗氧量)为3.6～6.8mg/l，超过欧共体(EEC)标准。目前国内大部分水厂都采用氯作为消毒剂进行消毒，使用氯消毒的饮用水中含有有害的“消毒副产物”。在消毒过程中，氯与水中残余的有机物产生化学作用，一系列的化合物如三氯甲烷(即氯仿)、溴仿、溴二氯甲烷、氯二溴甲烷等便产生了，现在国内外的饮用水厂普遍在常规处理的基础上，进一步采用加臭氧氧化、活性炭吸附的深度处理技术。而对于二次供水进行深度净化的设备只有使用普通的混凝土储水池或不锈钢材质的水箱用作沉淀或储水之用，再加以传统的氯氧化剂或紫外线进行一般的净化(如过滤、软化、矿化、消毒)后经管道输送给用户；这种方法是很难去除饮用水中含有有害的“消毒副产物”的。随着新的《生活饮用水卫生规范》的出台(2000年)，不少城市的原水即使通过加强常规处理，甚至增设生物预处理设施，也还不能达到该规范的要求，而采用臭氧氧化、活性炭吸附的深度处理工艺虽然处理效果明显，但基建投资与运行费用相对较高。
发明者本人一直致力于自来水净化以及二次水处理装置研究和改进，且于2004年4月9日申请了名称为《一种自来水净化成直饮水方法和装置》的发明专利(申请号200410026801.1，公开号CN 1569670A)，该发明针对性较强，对小流量自来水具有较高的净化效果，但是采用这种方法和装置具有净化时间短，对大流量控制不足的缺陷，因此，当面对城市大量供水或者是二次供水时，该发明还不足以完全做到自来水及二次供水的深度净化。

发明内容
本发明的目的是提供一种采用负载光触媒剂的活性碳纤维及光催化磁化的自来水及二次供水深度净化方法和装置。利用在反应床上所设隔段使待净化水在其内作来回流动，保证负载光触媒剂的活性碳纤维对微量的小分子量污染物进行充分的吸附、分解，以达到实现深度净化和多级净化的目的，解决现有技术中自来水及二次供水的深度净化问题。
为实现上述发明目的，本发明提出一种自来水及二次供水的深度净化方法，包括以下步骤d、对自来水进行磁化软化处理；e、采用反应床对经磁化的自来水微污染物进行光触媒净化处理；f、施用紫外光与光催化剂完成更高级净化；其特征在于所述步骤b中之光触媒净化处理方法是将光触媒剂负载在活性碳纤维上，然后在反应床上设置含有该活性碳纤维之滤网和隔板组合件组成隔段，使待净化水在其隔段中作来回流动，完成吸附净化处理，；所述步骤c中之紫外光与光催化剂处理方法是在上述隔段之间交错排列紫外灯与微孔曝气头，使待净化水在作来回流动的过程中完成第二次净化及吸附质的分解；所述光触媒剂采用活性碳纤维，其单丝直径10-20μm，断裂伸长3-5％，强度＞5kg/m，堆积密度0.04-0.06g/cm3，灰份0.5-1.0％，总比孔容0.8-1.2ml/g，孔径分布20A以下占83.9％、20-40A占6.1％、40-100占6.2％、100A以上占3.8％，比表面积为1300-1800m2/g，液相850-1800mg/g。
本发明实现上述目的的方案还包括一种自来水及二次供水的深度净化的装置包括反应器箱体，所述反应器箱体侧壁外分别装有进水管和出水管，所述的进水管外壁套设有磁环，其特征是反应器箱体内腔设置有至少一块不锈钢隔板，形成可连通之隔段，各不锈钢两侧面设有粗孔不锈钢网状体，该粗孔不锈钢网状体为夹层结构，夹层中间填满负载光触媒剂的活性碳纤维；所述不锈钢隔板与箱体侧壁之间以及两不锈钢隔板之间装有至少一组以上微孔曝气头，各微孔曝气头之间装有至少一组以上紫外线灯管；所述的粗孔不锈钢网上镀有光催化剂薄膜。
所述的不锈钢隔板及粗孔不锈钢网与箱体之间连接方式为活动连接，可采用插槽式连接。
本发明首先对储存的自来水进行磁化软化处理，既可以使水质得到初步净化，同时为后续之更深一级净化提供了充分的条件和保障；通过在反应床设置由滤网和隔板组合件组成的隔段，可使经强磁场前处理活化过的水在其中做往复来回流动时，完成吸附处理，充分利用了反应器箱体本身的空间，延长了待净化水在反应器内的吸附时间，提高了水净化程度及净化率。同时，在各隔段之间交错排列紫外灯与微孔曝气头，可使含有活性碳纤维的吸附反应床的吸附量达到一定程度的时候，吸附质因为活性碳纤维上负载的光触媒剂通过紫外光的激发而直接光解和光催化，使其富集的污染物转化二氧化碳和水，增加了光催化的反应时间，强化了光催化反应效果，从而实现了边吸附边分解的功能，既可以完成更高级的净化，进一步提高了净化率，又解决了活性碳纤维的再生问题，可连续、循环使用，提高了设备的利用率，降低了生产成本。另外，本发明设备在滤网与待净化水接触的表面上镀有光催化剂，可提高光催化效果，反应床和隔板均采用不绣钢制造，可提高耐腐蚀性和使用寿命；紫外线灯管管外套耐高压的石英保护套管，可用于隔离水而保护该套管内的紫外线灯管，进一步提高本发明的实用性和可靠性；不锈钢隔板及粗孔不锈钢网与箱体之间连接方式采用活动连接，可便于不锈钢隔板及粗孔不锈钢网的清洗和更换，非常方便。
本发明在体积较小之反应器内实现了自来水及二次供水的多级净化，净化效率较高，最终可达到直饮水以及城市大流量二次供水深度净化的效果，具有较为广阔的应用前景，推广价值高。


图1为本发明装置结构主视示意图；图2为本发明装置结构左视示意图；图3为本发明装置结构俯视示意图；图4为图3之I-I局部放大图。
具体实施例方式
目前，自来水的有机污染尤其是有机卤代化合物污染受到世界各国的密切关注。国际经济合作组织(OECO)与世界卫生组织(WHO)曾组织专家对于水中的有机卤素化合物的存在形式、毒性、生成机制与控制方法进行了探讨与研究，国内在给水处理中对去除卤代烃三氯甲烷的研究也有一定程度的进展，而对1，1，2-三氯乙烷的去除还比较陌生。
申请人曾从山东某市常规供水管网中取三组样，对水质进行检测分析，有六项指标超标准，重点反映在有机污染的问题。检测数据见表1。
表1 水质检测结果

*表示此项指标超标准继续从该市管网水取样进行色--质联机检测及Ames试验，对水中有机物进行定性分析，结果从管网中检测出48种有机物，其中具有生物富集性、三致作用的有机物9种。Ames试验具有一定的致突变性。
根据检测结果综合分析，该市管网水已受到有机污染，尤其是水中具有三氯甲烷、三氯乙烷等有机氯化合物超标严重。三氯乙烷、三氯甲烷同属有机卤低化合物，其“前驱物质”如某些苯酚类化合物、腐殖酸甚至某些藻类的分解或代谢产物，经氧化、卤化、水解后均能生成卤代烃类化合物，其化学稳定性强、难降解。研究认为，即使低剂量的氯也可产生氯代反应，导致氯进入有机化合物中。氯进入有机化合物中增加其亲脂性，难溶于水而易溶于脂肪，在人体和生物中积累性强，潜在危害十分大，具有很强的三致作用，均为WHO确认的致癌物。因此，确定该市管网水属于有机微污染水。
鉴于上述供水领域所存在的缺陷，本发明提出了一种自来水及二次供水的深度净化方法，包括以下步骤1)先对自来水进行磁化软化处理。它是通过将待处理水施以4000到20000高斯的强大磁场，使所产生的磁力线与水流垂直正交，水可在外力作用下以一定的流速通过磁场，作切割磁力线运动，自来水中会产生电荷和使电荷运动的电动势，于是水就产生了电流、电位差等物理变化，产生电能，这时水中有了电荷、电位，就会改变水本身以及包含在水中其它物质的状态和性质，可完成前处理活化水过程，为下一级净化作好充分的准备；2)采用负载有光触媒剂的活性碳纤维吸附反应床对经磁化的自来水微污染物进行吸附及光触媒净化处理。由于现有技术中相同的反应箱体在净化过程中是直接从进水管中进入，出水管流出，反应时间较短，吸附不充分，因此，难以保证较好的净化效果。本发明在反应床上设置含有活性碳纤维之滤网和隔板组合件组成隔段，活性碳纤维负载有光触媒剂，可使水其隔段中作来回循环流动，在同尺寸的箱体内可延长待净化水在反应器内的停留时间，增加了水流的距离，以保证其杂质和污染物充分吸附净化，提高了净化率；当经强磁场前处理活化过的水通过滤网和隔板组合件组成的隔段时，由于负载光触媒剂的活性碳纤维为粘胶基活性碳纤维(Activated Carbon Fibers，ACF)毡耐酸、耐碱，且具有较好的导电性能和化学稳定性，其吸附速率比比粒状活性炭GAC高数十倍至数百倍，其吸附量比粒状活性炭(GAC)大几倍至十几倍，对水溶液中的无机物、染料、有机物及贵金属的吸附量比GAC高5-6倍，因此，对低浓度吸附质的吸附能力特别优良。
3)最后由吸附反应床上之活性碳纤维、粗孔不锈钢网表层上负载的光催化剂薄膜通过紫外光与光催化剂完成更高级净化。由于在各隔段之间交错排列紫外灯与微孔曝气头，曝气充氧和光化学高级氧化处理，可使水质得到充分保障。当活性碳纤维吸附反应床的吸附量达到一定程度的时候，吸附质因为活性碳纤维上负载的光触媒剂通过紫外光的激发而直接光解和光催化，使其富集的污染物转化二氧化碳和水，从而实了边吸附边分解的功能，同时解决了活性碳纤维饱和后需再生的问题；当活性碳纤维吸附滤反应床对经磁化的自来水微污染物进行吸附及光触媒净化处理，实现第一级边吸附边光催化的同时，由于吸附反应床上活性碳纤维、粗孔不锈钢网表层上负载的光催化剂薄膜在受到紫外线灯管的光波为185nm-254nm的紫外线照射下，其催化剂禁带上的电子吸收光能而被激发到导带上产生带有很强负电的高活性电子，同时在禁带上产生带正电的空穴(h+)，从而产生具有很强活性的电子一一空穴对，半导体光催化剂(TiO2)光生空穴的氧化电位以标准氢电位计为3.0V，比臭氧的2.07V和氯气的1.36V高出许多，具有很强的氧化性，高活性的光生空穴具有很强的氧化能力，可以将吸附在半导体表面的OH-和H2O进行氧化，生成具有强氧化性·OH自由基。即这些电子一一空穴对迁移到光催化剂薄膜表面后与溶解氧及水发生作用，最终产生具有高度化学氧化活性的羟基自由基(·OH)和超氧化物离子，从常用几种强氧化剂的氧化电位大小顺序(F2＞·OH＞O3＞H2O2＞HO2·＞MnO4-＞HClO＞Cl2＞Cr2O72-＞·ClO2)可以看出·OH自由基具有很高的氧化电位，是一种强氧化基团，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，将各种细菌、病毒杀灭及将有机物完全氧化为二氧化碳和水。同时，空穴本身也可夺取吸附在半导体表面的有机污染物中的电子，使原本不吸光的物质被直接氧化分解，且对氧化物的氧化作用具有广谱性，OH自由基的电子亲和能力可达到569.3kj，容易攻击高电子云密度的有机分子部位，更进一步氧化的中间产物，形成氧化还原体系。在光催化反应体系中，这两种氧化方式协同作用，同时完成更高级的光催化氧化净化处理过程。另一方面，电子受体可直接接受光生半导体表面产生的高活性电子而被还原，水体中某些特定污染物一有毒金属，如Hg2+、Ag1+、Cr6+、Cu2+等也能接受光生半导体表面产生的高活性电子而被还原成无毒的金属分子。通过本发明对自来水进行多级净，实现对自来水水中消毒副产物的烃、卤代有机物(包括卤代脂肪烃、卤代羧酸、卤代芳香烃)、羧酸、表面活性剂、含氮有机物、有机磷等有机物，以及有毒金属离子等无机物等达到完全无机化，实现去除如剩余农药、氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等污染物。这样，待处理自来水去除了各种不同类型的有机污染物及细菌、病毒，完成了多级净化，可供给居民使用。
本发明根据上述净化方法设计了一净化装置之具体应用实施例。
以下结合具体实施例附图就本发明进一步详细说明。
根据图1和图2以及图3、图4的具体实施例，可以看到本发明的装置包括反应器箱体1，该反应器箱体1的底板采用平板设计，侧壁壁板采用冲压肋板设计，其上分别装有进水管3和出水管4，进水口处设置挡流板12，防止水的回流，在进水管3外壁套设有采用SRO6Fe2O3制造的磁环7，可产生4000到20000高斯的强大磁场。为保证光催化的反应时间，反应器箱体1内腔设置有至少一块可引导水流作往复式平行流动之不锈钢隔板2，使反应器箱体1内腔分隔成多个隔段，形成一反应床，水流在其隔段内作循环流动。所述反应器箱体1壁板、底板和隔板2均采用3042B不锈钢板材，避免产生锈蚀；不锈钢隔板2通过设置在反应器箱体1底部及侧壁的插槽14固定，其两侧分别设有粗孔不锈钢网11，相对于水流之网面上涂刷有纳米级光触媒镀膜，为方便光触媒镀膜的更新，粗孔不锈钢网11设计时采用插槽式以方便拆装，亦通过反应器箱体1底部及侧壁的插槽14固定。为强化光催化反应效果，在反应器与箱体1侧壁以及隔断之间装有至少一组以上微孔曝气头6，气源为经过滤的洁净空气；各微孔曝气头6之间装有至少一组以上紫外线灯管5，紫外线灯管5通过与石英保护套管8相连接的灯管座9固定，石英保护套管8采用透光率大于85％的高压石英套管，耐高压的石英保护套管8可用于隔离水而保护该套管内的紫外线灯管5；紫外线灯管5接线汇集于桥架与电器控制系统联接，电器控制和监控系统单独外置设计；在反应器箱体1上还有保护罩13，该保护罩13采用3042B不锈钢板材制作，设计为可与反应器主体方便拆装式。
在本实施例中，通过进水管3外套设的磁环7产生磁场，对自来水进行磁化软化处理，这种单极磁环7采用SRO6Fe2O3制作，光催化剂由紫外光无影胶水和二氧化钛粉末所组成，其中各组分的重量百分比如下紫外光无影胶水60-99.5％；二氧化钛粉末 0.5-40％；其中所用的二氧化钛粉末的粒径为3-30nm，有效成份大于98％，采用亲水或疏水表面处理。
本实施例所用的负载光触媒剂的活性碳纤维为粘胶基活性碳纤维毡，单丝直径10-20μm，断裂伸长3-5％，强度＞5kg/m，堆积密度0.04-0.06g/cm3，灰份0.5-1.0％，总比孔容0.8-1.2ml/g，孔径分布20 A以下占83.9％、20-40A占6.1％、40-100占6.2％、100A以上占3.8％，比表面积为1300-1800m2/g，吸碘量即液相850-1800mg/g。
在本发明中，采用光催化反应器对经磁化的自来水进行物理及光化学净化处理，首先对储存的自来水进行磁化处理，通过磁环产生的强磁场把水的分子链打断，使集团水分子变成单一水分子，从而降低水的表面张力，软化水质，提高水的溶解性，激活水中的静态氧，提高水的含氧量，为后面的光化学高级氧化处理带来了方便，由于充磁后的水离子会产生自旋，使水体保持新鲜，而且水的溶解力、渗透力、吸附力都较强，并保留人体所需的微量矿物质，有利于补充人体每天消耗的能量，经过这种磁化、曝气充氧和光化学高级氧化处理，使水质得到充分保障。然后，采用负载光触媒剂的活性碳纤维过滤反应床对经磁化的自来水微污染物进行吸附及光触媒净化处理，从而实现了边吸附边光催化的目的，同时解决了活性碳纤维在吸附饱和后的再生问题，在其最后的粗孔不锈钢网表层上通过施用紫外光与光催化剂完成更高级净化。这样，可达到多级净化的效果，净化效率较高，结构紧凑，成本低廉，通过采用进水管外套设磁环的磁化处理，以及光催化反应器中曝气充氧和光催化剂薄膜与紫外光同时发生光化学反应，有效地实现了这种效率高、成本低的多级净化，光催化强氧化能实现对于水中细菌、病毒及藻类生物迅速杀灭；能实现对于水中的烃、卤代有机物(包括卤代脂肪烃、卤代羧酸、卤代芳香烃)、羧酸、表面活性剂、含氮有机物、有机磷等有机物，以及氰离子、金属离子等无机物等达到完全无机化，实现去除如剩余农药、氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等污染物，这样，最终达到城市二次供水深度净化的效果；光催化反应器和隔板均采用不绣钢制造，可提高耐腐蚀性和使用寿命；紫外灯管外套耐高压的石英保护套管，可用于隔离水而保护该套管内的紫外灯，进一步提高本发明的实用性和可靠性。
本发明的工作过程如下如图1、图2、图3所示，当自来水流经过外部套有磁环7的进水管3时，进水管3内产生强大磁场，磁力线与水流垂直正交，水在外力作用下以一定的流速通过磁场，作切割磁力线运动，自来水中会产生电荷和使电荷运动的电动势，使水就产生了电流、电位差等物理变化，形成活化水。
当经强磁场前处理活化过的水进入滤网和隔板组合件组成的隔段时，水中杂质和污染物在流动过程中受到滤网夹层中的活性碳纤维吸附，完成第一级净化；由于滤网上镀有光催化剂薄膜在受到隔段内紫外线灯管5的紫外光激发光解和微孔曝气头6光催化，具有很强的氧化性，可将吸附在活性碳纤维上之OH-和H2O进行氧化，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，将各种细菌、病毒杀灭及将有机物完全氧化为二氧化碳和水。同时，进一步氧化中间产物，形成氧化还原体系。在光催化反应体系中，这两种氧化方式协同作用，同时完成更高级的光催化氧化净化处理过程。这样，通过对自来水进行多级净化，实现了对自来水水中消毒副产物的烃、卤代有机物(包括卤代脂肪烃、卤代羧酸、卤代芳香烃)、羧酸、表面活性剂、含氮有机物、有机磷等有机物，以及有毒金属离子等无机物等完全无机化，去除如剩余农药、氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等污染物。
本发明采用光催化反应器光催化净化处理，包括对自来水进行磁化及采用负载光触媒剂的活性碳纤维吸附反应床对经磁化的自来水微污染物进行边吸附边光催化的第一级净化及在粗孔不锈钢网上通过施用紫外光与光催化剂完成更高级净化的技术进行了试验。本试验在山东某市进行，原水为管网水。
试验设备的运行的参数(1)进水量为最大180L/h，最小60L/h，出水量为最大180L/h，最小60L/h，(2)负载光触媒剂的活性碳纤维(ACF)毡重量为1600克，比表面积为1800±100m2/g，(3)吸附反应床滤速24--32m.h。(4)反应时间1--5min。(5)UV186紫外灯功率为40w×4＝160W。试验时，为了验证各不同反应时间的处理效果，反应时间1--5min的出水及相应参数的变化如下。
表2反应时间1min的出水去除效果表

表3反应时间3min的出水去除效果表

表4反应时间5min的出水去除效果表

通过上述试验数据，证明本发明无论对色度浊度有较高的去除率，而且对含卤代烃类化合物(化学稳定性强、难降解)等消毒副产物及石油化工的污染化合物具有较高的去除率，因此本发明可应用于自来水厂的深度净化和城市二次供水的深度净化消毒处理。
本发明可根据需要，制成每小时处理量1-5000立方的家庭用自来水深度净化装置或大型的自来水厂用自来水深度净化装置及城市二次供水消毒净化装置。
权利要求
1.一种自来水及二次供水的深度净化方法，包括以下步骤a、对自来水进行磁化软化处理；b、采用反应床对经磁化的自来水微污染物进行吸附及光触媒净化处理；c、施用紫外光与光催化剂完成更高级净化；其特征在于所述步骤b中之吸附及光触媒净化处理方法是将光触媒剂负载在活性碳纤维上，然后在反应床上设置含有该活性碳纤维之滤网和隔板组合件组成隔段，使待净化水在其隔段中作来回流动，完成吸附净化处理，；所述步骤c中之紫外光与光催化剂处理方法是在上述隔段之间交错排列紫外灯与微孔曝气头，使待净化水在作来回流动的过程中完成第二次净化及吸附质的分解。
2.根据权利要求1所述的自来水及二次供水的深度净化方法，其特征在于所述活性碳纤维单丝直径10-20μm，断裂伸长3-5％，强度＞5kg/m，堆积密度0.04-0.06g/cm3，灰份0.5-1.0％，总比孔容0.8-1.2ml/g，孔径分布20A以下占83.9％、20-40A占6.1％、40-100占6.2％、100A以上占3.8％，比表面积为1300-1800m2/g，液相850-1800mg/g。
3.一种自来水及二次供水深度净化装置，包括反应器箱体，所述反应器箱体侧壁外分别装有进水管和出水管，所述的进水管外壁套设有磁环，其特征是反应器箱体内腔设置有至少一块不锈钢隔板，形成可连通之隔段，各不锈钢两侧面设有粗孔不锈钢网状体，该粗孔不锈钢网状体为夹层结构，夹层中间填满负载光触媒剂的活性碳纤维；所述不锈钢隔板与箱体侧壁之间以及两不锈钢隔板之间装有至少一组以上微孔曝气头，各微孔曝气头之间装有至少一组以上紫外线灯管。
4.根据权利要求3所述的一种自来水及二次供水的深度净化装置，其特征是所述的粗孔不锈钢网上镀有光催化剂薄膜。
5.根据权利要求3所述的一种自来水及二次供水的深度净化装置，其特征是所述的不锈钢隔板及粗孔不锈钢网与箱体之间连接方式为活动连接。
6.根据权利要求5所述的一种自来水及二次供水的深度净化装置，其特征是所述的不锈钢隔板及粗孔不锈钢网与箱体之间连接为插槽式连接。
全文摘要
本发明为一种自来水及二次供水的深度净化方法，其步骤为对自来水进行磁化软化，使待净化水在其反应器箱体内所设含有活性碳纤维之隔段中作来回流动时完成吸附处理，最后通过隔段之间交错排列紫外灯与微孔曝气头使待净化水在作来回流动的过程中完成吸附质的分解，最终完成更高级净化。本发明还包括一种净化装置，其特征是进水管套设磁环，箱体内腔设置不锈钢隔板和粗孔不锈钢滤网组成的隔段，通过插槽活动连接，反应器箱体侧壁以及各隔段之间装有微孔曝气头，各微孔曝气头之间装有紫外线灯管。采用这种方法和装置，可实现边吸附边分解的净化方式，达到了多级净化的效果，净化效率较高，最终可达到直饮水以及城市大流量二次供水深度净化的效果。
文档编号C02F1/48GK1709805SQ20051003473
公开日2005年12月21日 申请日期2005年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者彭云龙 申请人:彭云龙