专利名称：采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于膜系统去除水中有害阴离子的水处理领域，特别涉及以氧化钙为主要 成分的絮凝剂联合纳滤膜系统截留水中砷、氟等致癌物质的水处理的采用絮凝剂联合纳滤 膜系统去除水中砷、氟的方法及装置。
背景技术：
砷和氟都是自然存在的元素，风化、溶蚀等长期地质作用使砷、氟元素从岩石矿层 逐渐迁移到地下水环境中，造成地下水不同程度的砷、氟污染。含砷、氟的地下水若被作为 饮用水水源，会成为砷、氟元素对人体产生和释放毒害效应的重要途径。人体摄入砷会引起 皮肤的色素脱失、角质化及癌变等病症，目前包括我国在内的二十多个国家和地区前后报 道了地方性砷中毒事件，受砷暴露危害的人口超过5000万。氟是人体必需的微量元素之 一，但饮用水中氟的浓度在0.5-1. Omg/L范围内为宜.当饮用水缺氟时，人体易患龋齿病； 但长期饮用氟浓度高于1. Omg/L的水时，会引起氟斑牙病；饮用氟浓度高于3. Omg/L以上的 水，则会引起氟骨病。我国20多个省市自治区地下水含氟较高，尤其是在西北干旱地区，地 下水作为主要饮用水水源，导致约有七千万人受地方性氟中毒威胁。为了控制水中砷、氟元 素对人体的危害，我国通过标准的形式对水中砷、氟浓度限值进行了严格的规定《生活饮 用水卫生标准》(GB5749-2006)规定饮用水中砷浓度必须低于0. 01mg/L，氟浓度必须低于 1. Omg/L;《地下水质量标准》(GB/T 14848-93)要求三类及其以上地下水中砷浓度应该低 于0. 05mg/L,氟浓度应低于1. 0mg/L。目前，处理含砷、氟地下水的方法主要有混凝共沉淀、吸附/离子交换、电化学处 理、膜处理等。混凝共沉淀法操作简便，但占地面积大且含砷、氟污泥生成量大；吸附/离 子交换对处理水水质要求较高、吸附剂再生操作复杂；电化学处理的设备昂贵、操作水平 要求高。与上述处理方法相比较，膜处理方法在地下水除砷除氟方面有独特优势膜处理 设备占地小，应用灵活，处理后的水质好。膜处理方法选用的膜种类有很多，其中纳滤膜 (Nanofiltration Membrane,NF)是介于反渗透膜与超滤膜之间的一种压力驱动型膜，对水 中离子和小分子物质的截留率远高于超滤膜，对跨膜压力的要求却比反渗透膜低很多，因 而纳滤膜具有经济高效的优点。纳滤膜的膜层孔径在lnm左右，但水中砷酸根离子、亚砷酸 根离子、氟离子的直径分别为0. 78nm、0. 38nm、0. 26nm，均小于纳滤膜膜层平均孔径，导致纳 滤膜对砷、氟截留率的范围在40-60%之间，通常多级多段纳滤膜优化组合后方能达到上述 处理效果。同时，地下水中的金属阳离子和硬度等因素会加速纳滤膜表面膜垢的生成，降低 砷、氟的截留效率。因此，针对地下水砷、氟污染，开发一种能充分发挥膜系统应用灵活、处理水质好 等优点，又能有效提高砷、氟等小离子截留率，延长膜组件使用寿命，降低经济成本，是目前 地下水除砷除氟研究与应用工作中亟待解决的难点。
发明内容
本发明的目的是针对水中砷、氟污染物，尤其是地下水中砷、氟污染物，提供性能 高效、经济可行、应用灵活的以氧化钙作絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法及装 置，其特征在于，所述采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法包括1)采用一级平板错流式纳滤膜、二级卷式纳滤膜组成的膜系统，通过浓水自循环， 减少膜垢生成、提高系统回收率；2)以氧化钙为絮凝剂，将氧化钙投加至原水絮凝水箱中，获得氢氧化钙胶体，此时 砷、氟与氢氧化钙胶体反应生成砷酸钙、氟化钙微溶化合物；3)由增压泵将絮凝后的原水压入上述一级平板错流式纳滤膜、二级卷式纳滤膜组 成的膜系统后，膜系统截留水中砷酸钙、氟化钙等难溶化合物，由于砷酸钙和氟化钙在水中 不容易沉降，因此借助纳滤膜进行固水分离，极大提高除砷除氟的效率；4)经过固水分离的淡水再经过截止阀、流量计、在线电导率仪和压力表的串联装 置后输出。所述氧化钙的投加量范围为0. l-10mmol/L ；为防止空气中二氧化碳消耗水中的 氢氧化钙，所述原水絮凝水箱及膜系统水箱都设计为封闭式。所述絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的装置为将原水絮凝水箱1通过增压 泵3、流量计6、在线电导率仪7和压力表8的串联装置后和一级平板错流式纳滤膜组件2下 层连接，一级平板错流式纳滤膜组件2上层经过流量计6连接至二级卷式纳滤膜组件4的 上端，二级卷式纳滤膜组件4的右侧面连接截止阀5、流量计6、在线电导率仪7和压力表8 的串联装置后输出淡水9 ；二级卷式纳滤膜组件4的左侧面再和一级平板错流式纳滤膜组 件2下层连接后，再经过流量计6、在线电导率仪7和压力表8的串联装置连接至原水絮凝 水箱1上端。所述原水絮凝水箱1具有搅拌装置。本发明的有益效果如下1、氧化钙絮凝剂是普通常见的水处理药剂，成本低廉；2、絮凝剂与砷、氟元素络合后生成的砷酸钙、氟化钙分子直径为微米级，远大于纳 滤膜膜层平均孔径，因此砷、氟的去除效率能达到90%以上；3、絮凝剂投加进原水中，提高了原水pH值，使水中铁、锰等金属阳离子生成沉淀， 通过纳滤膜从水中分离，从而提高水质；4、膜系统由两级膜组件构成，结构简单，耗能低，膜层不易结垢，除砷除氟效果显 著；该方法效率高、成本低、操作简便。5、膜系统浓水自循环结构能充分利用投加的絮凝剂，同时提高系统回收率。
图1为絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的系统示意图。
具体实施例方式本发明是针对水中砷、氟污染物，尤其是地下水中砷、氟污染物，提供性能高效、经 济可行、应用灵活的以氧化钙作絮凝剂的采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法及装置。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。图1为絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的系统示意图。图1中，将原水絮凝 水箱1通过增压泵3、流量计6、在线电导率仪7和压力表8的串联装置后和一级平板错流 式纳滤膜组件2下层连接，一级平板错流式纳滤膜组件2上层经过流量计6连接至二级卷 式纳滤膜组件4的上端，二级卷式纳滤膜组件4的右侧面连接截止阀5、流量计6、在线电导 率仪7和压力表8的串联装置后输出淡水9 ；二级卷式纳滤膜组件4的左侧面再和一级平 板错流式纳滤膜组件2下层连接后，再经过流量计6、在线电导率仪7和压力表8的串联装 置连接至原水絮凝水箱1上端。该装置中纳滤膜系统为一级平板错流式纳滤膜、二级卷式 纳滤膜组成的膜系统，含氢氧化钙胶体和砷酸钙、氟化钙絮体的原水水平经过平板膜而不 容易沉降在膜表面；二级膜组件设计为卷式膜，深化水质处理效果；原水中未能通过两级 纳滤膜的部分称为浓水，经回流管路返回至原水箱，继续与原水中的砷、氟反应络合，絮凝 剂与砷、氟元素络合后生成的砷酸钙、氟化钙分子直径为微米级，远大于纳滤膜膜层平均孔 径，因此砷、氟的去除效率能达到90%以上。采用该除砷除氟方法处理含砷、氟污染物地下水，处理后的水能达到我国生活饮 用水卫生标准的规定要求。该除砷除氟方法也能有效截留地下水中的铁、锰、有机物等物 质，从而全面提高处理后的水质。实施例1取某处地下水，该地下水水质情况砷酸根离子53 u g/L，亚砷酸根离子19 u g/L，Fe 0. 21mg/L, Mn 0. 15mg/L，碱度 305mg/L，水温 14°C，氧化还原电位 8. 8mV,电导率 530 u S/cm。投加氧化钙0. 25mmol/L,纳滤膜的跨膜压力为0. 5MPa,膜系统回收率为 50士 10%，一级平板式纳滤膜出水中砷的浓度为9. 5iig/L，二级卷式纳滤膜出水中砷的截 留率为7. 1 u g/L,原水中Fe和Mn浓度都降到0. lmg/L以下。实施例2取某处地下水，该地下水水质情况F2. 16mg/L, Fe 0. 64mg/L, Ca 16. 87mg/L, Mg 26. 36mg/L, Si 13. 5mg/L，水中总溶解性固体(TDS) 356mg/L，水温 9. 3°C,电导率 758 u S/ cm。投加氧化钙0. 7mmol/L，纳滤膜的跨膜压力为0. 5MPa，膜系统回收率约为60%，出 水中氟元素的浓度为0. 1 lmg/L, Fe浓度为0. 12mg/L。实施例3实验室配水实验，配水水质情况砷酸根离子100 U g/L, F 2. Omg/L,自来水配水， 水温24°C，电导率为340 u S/cm。 投加氧化钙0. 25mmol/L,纳滤膜的跨膜压力为0. 8MPa,膜系统回收率为 70士 10%，出水中砷元素的浓度为5. 3ii g/L，氟元素的浓度为0. 04mg/L。
权利要求
一种采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法，其特征在于，所述采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法包括1)采用一级平板错流式纳滤膜、二级卷式纳滤膜组成的膜系统，通过浓水自循环，减少膜垢生成、提高系统回收率；2)以氧化钙为絮凝剂，将氧化钙投加至待处理原水的原水絮凝水箱中，获得氢氧化钙胶体，此时砷、氟与氢氧化钙胶体反应生成砷酸钙、氟化钙微溶化合物；3)由增压泵将砷、氟与氢氧化钙胶体反应生成砷酸钙、氟化钙微溶化合物压入上述一级平板错流式纳滤膜、二级卷式纳滤膜组成的膜系统后，膜系统截留水中的砷、氟；砷酸钙、氟化钙是溶度积较高的难溶化合物，在水中不容易沉降，因此借助纳滤膜进行固水分离；4)经过固水分离的淡水再经过截止阀、流量计、在线电导率仪和压力表的串联装置后输出。
2.根据权利要求1所述采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法，其特征在 于，所述氧化钙的投加量范围为0. l-10mmol/L ；为防止空气中二氧化碳消耗水中的氢氧化 钙，所述原水絮凝水箱及膜系统水箱都设计为封闭式。
3.一种采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的装置，其特征在于，所述絮凝剂联 合纳滤膜系统去除水中砷、氟的装置为将原水絮凝水箱(1)通过增压泵(3)、流量计(6)、在 线电导率仪(7)和压力表(8)的串联装置后和一级平板错流式纳滤膜组件(2)下层连接， 一级平板错流式纳滤膜组件(2)上层经过流量计(6)连接至二级卷式纳滤膜组件(4)的上 端，二级卷式纳滤膜组件(4)的右侧面连接截止阀(5)、流量计(6)、在线电导率仪(7)和压 力表(8)的串联装置后输出淡水(9) ；二级卷式纳滤膜组件(4)的左侧面再和一级平板错 流式纳滤膜组件(2)下层连接后，再经过流量计(6)、在线电导率仪(7)和压力表(8)的串 联装置连接至原水絮凝水箱(1)上端。
4.根据权利要求3所述采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的装置，其特征在 于，所述原水絮凝水箱(1)具有搅拌装置。
全文摘要
本发明公开了属于膜系统去除水中有害阴离子的水处理领域中的一种采用絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的方法及装置。该装置是将原水絮凝水箱和一级平板错流式纳滤膜组件、二级卷式纳滤膜组件连接组成絮凝剂联合纳滤膜系统去除水中砷、氟的装置。该装置中以氧化钙作絮凝剂，含氢氧化钙胶体和砷酸钙、氟化钙等悬浮物的原水水平经过平板膜而不容易沉降在膜表面；二级膜组件设计为卷式膜，深化水质处理效果；原水中未能通过两级纳滤膜的部分称为浓水，经回流管路返回至原水箱，继续与原水中的砷、氟反应络合，絮凝剂与砷、氟元素络合后生成的砷酸钙、氟化钙分子直径为微米级，远大于纳滤膜膜层平均孔径，因此砷、氟的去除效率能达到90％以上。
文档编号C02F9/04GK101979339SQ20101029746
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者刘文君, 常方方 申请人:清华大学