一种用于饮用水突发污染的超滤‑纳滤集成应急处理装置与处理污染饮用水方法与流程

本发明涉及一种饮用水突发污染的急处理装置与处理方法。

背景技术：

近年来，随着社会经济的发展，工业化程度越来越高、人类改造自然能力也越来越强，带来的河流、湖泊、水库等的污染日趋严重，突发性水污染频繁发生，给环境和人民群众的生命、健康、安全造成了严重的损害，饮用水安全化得不到保障。面对如此严峻的形势，必须谨慎地对待频发的突发水污染事故及自然灾害，更加注重应急饮用水处理技术及设备的研究开发，当遇到突发性水污染事故时，能够快速、有效地处理水源污染物，为灾区居民提供安全、可靠的饮用水。因此，研发能够适应不同污染水源的应急饮用水处理设备成为一项紧迫的任务。

在水源水质面临突发污染，甚至污水厂出水达标排放的情况下，常规处理工艺往往不能有效应对水源水中存在的痕量有机污染问题，污染物最终进入饮水中，威胁人类健康。

消毒作为水处理工艺的末端处理单元，对于保障饮用水生物安全性具有不可替代的作用，有机物作为消毒副产物前质，随着越来越多的消毒副产物被发现和毒理学评价手段的多样化，消毒副产物作为一种新的水质污染问题，也日益引起学者们的关注。超滤膜能有效地截留水体中的颗粒物、胶体、大分子有机污染物和微生物等，因而逐渐成为水处理领域研究的热点，并在大型水厂中得到了规模化应用。但在实际应用中，以超滤为核心的膜法水处理技术仍存在一定的局限性，如长期运行过程中存在的膜污染问题，这关系着大型水厂生产运行的稳定性；此外，超滤膜对溶解性有机物和无机盐离子处理能力较差，超滤膜对溶解性有机物和无机盐离子的去除率均低于10％，这也限制了超滤技术的进一步发展。纳滤技术对截留分子量在200da以上的物质具有很高的去除率，但运行过程中易发生膜污染，超滤通常在双膜组合工艺中作为纳滤的预处理工艺。

技术实现要素：

本发明是要解决现有超滤膜对微量有机物与无机盐去除效果较差和纳滤膜的污染的问题，提供一种用于饮用水突发污染的超滤-纳滤集成应急处理装置与处理污染饮用水方法。

本发明用于饮用水突发污染的超滤-纳滤集成应急处理装置包括原水箱、加药泵、加药箱、原水泵、过滤器、超滤膜装置、超滤产水箱、增压泵、第一纳滤膜装置、第二纳滤膜装置、浓水箱和纳滤产水箱，

所述原水箱通过三通分别与加药箱和过滤器的进水口连通，原水箱与三通之间设有进水阀门，三通与加药箱之间的管道上设有加药泵，三通与过滤器之间的管道上设有原水泵，所述原水泵与过滤器之间还设有进水止回阀和进水调节阀，所述过滤器的出水口通过管道与超滤膜装置的进水口相连，超滤膜装置的出水口通过管道与超滤产水箱的进水口相连，超滤膜装置与超滤产水箱之间的管道是设有超滤产水止回阀，超滤产水箱的出水口通过增压泵与第一纳滤膜装置的进水口相连通，第一纳滤膜装置的浓水出口通过管道与第二纳滤膜装置的进水口相连，增压泵与第一纳滤膜装置之间的管道上设有压力调节阀，第二纳滤膜装置的浓水出口通过管道与浓水箱相连，第二纳滤膜装置与浓水箱之间的管道上设有纳滤浓水调节阀，第一纳滤膜装置和第二纳滤膜装置的产水出口通过三通与纳滤产水箱相连，三通与纳滤产水箱之间的管道上设有纳滤产水止回阀。

进一步的，所述过滤器为保安过滤器、碟片式过滤器、多介质过滤器、石英砂过滤器、活性炭过滤器、高效纤维过滤器中的一种或几种的组合。所述过滤器的过滤精度为0.01～5μm。

进一步的，所述的超滤膜装置中超滤膜的材质为有机膜或无机陶瓷膜，无机陶瓷膜的主要材质为氧化铝、氧化锆、氧化钛或氧化硅；有机膜的材质主要为聚偏氟乙烯(pvdf)。

进一步的，所述的超滤膜装置中超滤膜的形式为平板超滤膜、管式膜或中空纤维膜。

进一步的，所述的超滤膜装置的过滤方式为浸没式过滤或压力式过滤，采用全端过滤模式，超滤膜的截留分子量为10-300kda。

进一步的，所述第一纳滤膜装置和第二纳滤膜装置中纳滤膜的材质为有机膜或无机陶瓷膜，无机陶瓷膜以陶瓷膜的主要材质为氧化铝、氧化锆、氧化钛或氧化硅；有机膜的材质主要为芳香聚酰胺。

进一步的，所述第一纳滤膜装置和第二纳滤膜装置中纳滤膜的形式为平板式、管式或中空纤维式，使用恒压错流过滤模式，纳滤膜的截留分子量为80-200da，运行压力为0.5～0.9mpa，错流速度为0.1～0.5m/s。

进一步的，所述的超滤膜装置和纳滤膜装置均采用plc自动控制运行，超滤膜采用恒通量全端过滤模式，纳滤膜采用恒压运行模式。

利用上述超滤-纳滤集成应急处理装置处理污染饮用水的方法，包括以下步骤：

一、原水箱中装有污染的饮用水，开启进水阀门、进水调节阀、压力调节阀和纳滤浓水调节阀，启动原水泵和增压泵，污染的饮用水经原水泵进入过滤器，过滤器出水直接进入超滤膜装置，超滤膜装置出水进入超滤产水箱，经过增压泵的加压作用，超滤产水箱的出水进入第一纳滤膜装置，再进入第二纳滤膜装置中，

二、缓慢调节进水调节阀、压力调节阀和纳滤浓水调节阀的开启度，在30s～60s内使得超滤膜装置的通量、第一纳滤膜装置和第二纳滤膜装置的纳滤膜运行压力达到设计值，即使得超滤膜装置的通量与第一纳滤膜装置的进水量相匹配，以保证整个装置的连续运行；

三、第二纳滤膜装置的浓水出水进入浓水箱，第一纳滤膜装置和第二纳滤膜装置的产水出水直接进入纳滤产水箱，调节纳滤浓水调节阀，使得纳滤膜错流速度在15～20s内达到0.1～0.5m/s，防止给水过流或水力冲击对膜元件的破坏，前1h内的产水全部放掉不用；

四、加药箱中装有吸附剂、氧化剂或沉淀剂，当进水中突发污染物浓度超过最大处理能力时，经由加药泵投加吸附剂、氧化剂或沉淀剂，以确保出水水质达标。

进一步的，步骤二中纳滤膜运行压力为0.5～0.9mpa；

进一步的，步骤二中超滤膜装置的通量为25～45l/m²·h。

本发明的原理：

受污染的饮用水通过原水泵加压后经过过滤器，在过滤器中大颗粒胶体、悬浮物和大分子有机物经过介质的吸附和截留作用得以去除，大大缓解了超滤膜的污染，减少了反洗频率、增加了产水量。当过滤器前后压差大于规定值时，开启自清洗模式，以恢复过滤器的过滤性能。

过滤器出水直接进入超滤膜装置，通过孔径筛分作用和微弱的膜面吸附效应，超滤膜能够进一步截留水体中的颗粒物、胶体、溶解性大分子有机物和微生物等。过滤器的预处理能显著去除引起超滤膜污染的大分子有机物，从而降低了膜表面的污染负荷，膜污染现象也得到了有效缓解。

超滤出水进入产水箱，通过增压泵的加压作用进入纳滤处理单元，由于纳滤膜具有纳米级的孔道和膜表面电位，通过静电排斥和膜孔筛分作用，大于膜孔的有机物、无机盐和重金属离子等得到有效处理而进入浓水中。超滤预处理极大程度上缓解了纳滤膜的有机、无机和生物污染问题，提高了系统运行效率，保障了出水水质。

第一纳滤膜装置的的浓水作为第二纳滤膜装置的进水，以提高系统的回收率，在产水管路上设置止回阀，防止系统停机和断电时过流和水流冲击对膜的破坏。

加药泵的作用在于当进水中突发污染物浓度超过本发明装置的最大处理能力时，可通过加药泵投加相应的吸附剂、氧化剂和沉淀剂等，加大反洗次数，确保出水水质达标。

本发明的有益效果：

本发明采用超滤-钠滤组合的方式，可充分发挥各自优势，可作为一种快速启动和广谱除污染作用的应急处理技术，大大降低消毒剂投加量和出水中有机物含量，保障优质供水。

本发明装置充分发挥了超滤与纳滤间的协同作用，有效缓解纳滤膜污染的同时，强化重金属、无机盐和有机微污染物的去除。

1、本发明装置的结构简单，启动速度快，操作简便、易行，管理维护方便。超滤和纳滤产水处均设置止回阀，防止系统停机或断电时产生背压，对膜组件造成物理性损坏。

2、本发明采取过滤器和超滤作为纳滤的预处理过程，预处理过程中无需投加药剂或投加剂量很低，大大降低了药剂费用。而一般采用单独纳滤处理的装置需要加化学药剂以提高抗污染性能。本发明装置只是在污染物浓度超过本发明装置的最大处理能力时，才投加药剂。

3、本发明采用超滤和纳滤相结合，超滤提高了纳滤膜的抗污染能力，而纳滤提高了超滤去除污染物的能力，充分利用超滤与纳滤之间的协同作用。不仅缓解了纳滤膜的污染，同时强化了污染物去除。

本发明装置对于重金属离子、无机盐离子、苯系物去除效果显著，重金属离子去除率达到97.9％～99.4％，无机盐离子去除率达到97.2％～98.7％，苯系物去除率达到93.6％～99.2％。

4、本发明可以与太阳能结合使用，在阳光充裕地区可大大降低运行费用。

5、本发明可以根据原水水质及处理水量等状况对工艺进行适当调整，进行膜前投加少量药剂，灵活高效，处理突发污染能力强。

6、本发明中的超滤-纳滤集成装置，不仅可以用于提高常规出水水质，而且具有广谱性的除污染作用，应用范围较广。

7、本发明中装置运行能耗低，采用自动化控制系统，出水可直接饮用。

附图说明

图1为本发明用于饮用水突发污染的超滤-纳滤集成应急处理装置的结构示意图；

图2为回收率对本发明应急处理装置去除苯系物效果的影响；

图3为浓水流量对本发明应急处理装置去除苯系物效果的影响；

图4为运行压力对本发明应急处理装置去除苯系物效果的影响；

图5为电导率对本发明应急处理装置去除苯系物效果的影响。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式用于饮用水突发污染的超滤-纳滤集成应急处理装置包括原水箱1、加药泵3、加药箱4、原水泵5、过滤器8、超滤膜装置9、超滤产水箱12、增压泵13、第一纳滤膜装置15、第二纳滤膜装置16、浓水箱18和纳滤产水箱20，

所述原水箱1通过三通分别与加药箱4和过滤器8的进水口连通，原水箱1与三通之间设有进水阀门2，三通与加药箱4之间的管道上设有加药泵3，三通与过滤器8之间的管道上设有原水泵5，所述原水泵5与过滤器8之间还设有进水止回阀6和进水调节阀7，所述过滤器8的出水口通过管道与超滤膜装置9的进水口相连，超滤膜装置9的出水口通过管道与超滤产水箱12的进水口相连，超滤膜装置9与超滤产水箱12之间的管道是设有超滤产水止回阀11，超滤产水箱12的出水口通过增压泵13与第一纳滤膜装置15的进水口相连通，第一纳滤膜装置15的浓水出口通过管道与第二纳滤膜装置16的进水口相连，增压泵13与第一纳滤膜装置15之间的管道上设有压力调节阀14，第二纳滤膜装置16的浓水出口通过管道与浓水箱18相连，第二纳滤膜装置16与浓水箱18之间的管道上设有纳滤浓水调节阀17，第一纳滤膜装置15和第二纳滤膜装置16的产水出口通过三通与纳滤产水箱20相连，三通与纳滤产水箱20之间的管道上设有纳滤产水止回阀19。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述过滤器为保安过滤器、碟片式过滤器、多介质过滤器、石英砂过滤器、活性炭过滤器、高效纤维过滤器中的一种或几种的组合。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述过滤器的过滤精度为0.01～5μm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的超滤膜装置中超滤膜的材质为有机膜或无机陶瓷膜。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的超滤膜装置中超滤膜的形式为平板超滤膜、管式膜或中空纤维膜。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的超滤膜装置的过滤方式为浸没式过滤或压力式过滤，采用全端过滤模式，超滤膜的截留分子量为10-300kda。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述第一纳滤膜装置和第二纳滤膜装置中纳滤膜的材质为有机膜或无机陶瓷膜。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述第一纳滤膜装置和第二纳滤膜装置中纳滤膜的形式为平板式、管式或中空纤维式，使用恒压错流过滤模式，纳滤膜的截留分子量为80-200da。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的超滤膜装置和纳滤膜装置均采用plc自动控制运行，超滤膜采用恒通量全端过滤模式，纳滤膜采用恒压运行模式。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式利用超滤-纳滤集成应急处理装置处理污染饮用水的方法，包括以下步骤：

一、原水箱1中装有污染的饮用水，开启进水阀门2、进水调节阀7、压力调节阀14和纳滤浓水调节阀17，启动原水泵5和增压泵13，污染的饮用水经原水泵5进入过滤器8，过滤器8出水直接进入超滤膜装置9，超滤膜装置9出水进入超滤产水箱12，经过增压泵13的加压作用，超滤产水箱12的出水进入第一纳滤膜装置15，再进入第二纳滤膜装置16中，

二、调节进水调节阀7、压力调节阀14和纳滤浓水调节阀17的开启度，在30s～60s内使得超滤膜装置9的通量、第一纳滤膜装置15和第二纳滤膜装置16的纳滤膜运行压力达到设计值；

三、第二纳滤膜装置16的浓水出水进入浓水箱18，第一纳滤膜装置15和第二纳滤膜装置16的产水出水直接进入纳滤产水箱20，调节纳滤浓水调节阀17，使得纳滤膜错流速度在15～20s内达到0.1～0.5m/s；

四、加药箱4中装有吸附剂、氧化剂或沉淀剂，当进水中突发污染物浓度超过最大处理能力时，经由加药泵3投加吸附剂、氧化剂或沉淀剂，以确保出水水质达标。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：步骤二中纳滤膜运行压力为0.5～0.9mpa。其它与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是：步骤二中超滤膜装置9的通量为25～45l/m²·h。其它与具体实施方式十或十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十至十二之一不同的是：所述的超滤膜装置和纳滤膜装置均采用plc自动控制运行，超滤膜采用恒通量全端过滤模式，纳滤膜采用恒压运行模式。其它与具体实施方式十至十二之一相同。

下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：本实施例利用具体实施方式一所述的装置处理污染饮用水

原水采用添加cd²⁺、zn²⁺、mn²⁺、cu²⁺、pb²⁺和cr⁶⁺的饮用水模拟水体重金属污染，模型污染物超标倍数为4～50倍。采用浸没式超滤膜装置，膜材质为pvdf，截留分子量为60kda，采用恒通量全端过滤方式，运行参数为：超滤运行通量为35l/(m²·h)，系统回收率99.5％以上，膜池2天排空一次。运行周期为45min，气、水混合反洗时间30s，气洗流量4m³/h，水洗通量70l/(m²·h)。纳滤膜采用芳香聚酰胺复合膜，截留分子量为100da，运行压力0.5mpa，进水流量45l/min，浓水流量为30l/min(浓水流量除以有效膜面积就是错流速度，两者可以换算，此处为了和权利要求中的错流速度相对应，且实际运行中都是通过浓水流量换算得到错流速度)，实验结果如表1所示。

表1超滤-纳滤双膜技术对重金属离子去除效果

由表1中的数据可以看出，本发明的装置对于重金属离子去除效果显著，重金属离子去除率达到97.9％～99.4％。

实施例2：本实施例利用具体实施方式一所述的装置处理污染饮用水

原水采用添加f^-、s^2-、nh4⁺、no3^-和so4^2-的饮用水模拟水体无机盐污染，模型污染物超标倍数为4～50倍。采用浸没式超滤装置，膜材质为pvdf，截留分子量为60kda，采用恒通量全端过滤方式，运行参数为：超滤运行通量为35l/(m²·h)，系统回收率99.5％以上，膜池2天排空一次。运行周期为45min，气、水混合反洗时间30s，气洗流量4m³/h，水洗通量70l/(m²·h)。纳滤膜采用芳香聚酰胺复合膜，截留分子量为100da，运行压力0.5mpa，进水流量45l/min，浓水流量30l/min(浓水流量除以有效膜面积就是错流速度，两者可以换算，此处为了和权利要求中的错流速度相对应，且实际运行中都是通过浓水流量换算得到错流速度)，实验结果如表2所示。

表2超滤-纳滤双膜技术对高浓度无机盐离子去除效果

由表2中的数据可以看出，本发明的装置对于高浓度无机盐离子去除效果显著，无机盐离子去除率达到97.2％～98.7％。

实施例3：本实施例利用具体实施方式一所述的装置处理污染饮用水

原水采用添加苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯和苯乙烯的饮用水模拟水体有机物污染，模型污染物超标倍数为4～30倍。采用浸没式超滤装置，膜材质为pvdf，截留分子量为60kda，采用恒通量全端过滤方式，运行参数为：超滤运行通量为35l/(m²·h)，系统回收率99.5％以上，膜池2天排空一次。运行周期为45min，气、水混合反洗时间30s，气洗流量4m³/h，水洗通量70l/(m²·h)。纳滤膜采用芳香聚酰胺复合膜，截留分子量为100da，运行压力0.5mpa，进水流量45l/min，浓水流量(浓水流量除以有效膜面积就是错流速度，两者可以换算，此处为了和权利要求中的错流速度相对应，且实际运行中都是通过浓水流量换算得到错流速度)30l/min，实验结果如表3所示。

表3超滤-纳滤双膜技术对苯系物去除效果

由表3中的数据可以看出，本发明的装置对于苯系物去除效果显著，苯系物去除率达到93.6％～99.2％，其中对于甲苯和乙苯的去除率最高，分别达到98.8％和99.2％。

以下通过实验分别考察本实施例中回收率、错流速度、运行压力及电导率为本发明装置除苯系物效果的影响。

(一)确定运行压力为0.5mpa，浓水流量为30l/min，污染物浓度为0.4±0.05mg/l，考察不同回收率对本发明装置除苯系物效果的影响，结果如图2所示，其中▼表示苯，▲表示乙苯，■表示邻二甲苯，●表示间二甲苯，表示苯，表示乙苯，表示邻二甲苯，表示间二甲苯。

从图2可以看出，随着产水率的增加，苯系污染物的截留率逐渐降低，但影响程度较小；苯、乙苯、邻二甲苯和间二甲苯的截留率由94.89％、96.79％、97.76％和97.61％分别降至92.9％、95.80％、96.94％、96.42％，这主要是由于随着产水率的增加，进水不断浓缩，苯系污染物浓度逐渐增大。

(二)确定运行压力为0.5mpa，回收率为90％，污染物浓度为0.4±0.05mg/l，考察不同错流速度对本发明装置除苯系物效果的影响，结果如图3所示，其中▼表示苯，▲表示乙苯，■表示邻二甲苯，●表示间二甲苯，★表示膜通量。

从图3可以看出苯系污染物的截留效果与浓水流量成正相关，即随着浓水流量的增加，纳滤膜对苯系污染物的截留率逐渐增大，产水中苯系污染物含量逐渐降低，苯、乙苯、邻二甲苯和间二甲苯的截留率由91.62％、95.26％、97.08％和96.24％分别增至94.60％、98.20％、98.56％和98.28％。

(三)确定浓水流量(即错流速度)为30l/min，回收率为90％，污染物浓度为0.4±0.05mg/l，考察不同运行压力对本发明装置除苯系物效果的影响，结果如图4所示，其中▼表示苯，▲表示乙苯，■表示邻二甲苯，●表示间二甲苯，★表示膜通量。

从图4可以看出，随着操作压力的增加，纳滤膜对4种苯系污染物的截留率均有不同程度的下降，在操作压力由0.4mpa增加到0.8mpa时，纳滤膜对苯、乙苯、邻二甲苯和间二甲苯的截留率由94.59％、98.68％、98.84％和98.85％分别降至86.56％、95.24％、96.73％和95.42％。

(四)确定运行压力为0.5mpa，浓水流量(即错流速度)为30l/min，回收率为90％，污染物浓度为0.5±0.05mg/l，考察不同电导率对本发明装置除苯系物效果的影响，结果如图5所示，其中▼表示苯，▲表示乙苯，■表示邻二甲苯，●表示间二甲苯，★表示膜通量。

由图5可以看出，当进水电导率由298.54μs/cm增加到694.43μs/cm时，纳滤膜对苯、乙苯、邻二甲苯和间二甲苯的截留率由91.56％、96.10％、97.35％和96.30％分别降至88.97％、94.08％、95.72％和94.81％，产水中的含量分别由0.044、0.017、0.014和0.020mg/l增加至0.048、0.029、0.023和0.024mg/l，表明随着离子浓度的增加，苯系污染物的截留率逐渐降低。