一种氧化型气浮耦合超滤净水系统及方法与流程

本发明涉及给水处理领域，具体涉及一种超声波、臭氧、超滤膜和改良型ccdaf工艺耦合净水系统及方法。

背景技术：

随着人口的增加、工农业的迅速发展和城镇化进程的不断加速，近年来，我国湖泊（水库）的水环境污染和水体富营养化情况日趋严重。据《中华人民共和国环境保护部2018中国环境状况公报》显示，在109个监测营养状态的湖泊（水库）中，贫营养的10个，中营养的66个，轻度富营养的25个，中度富营养的6个。相比去年富营养湖泊数量有所增加，水环境污染和水体富营养化问题不可小觑。水体富营养化带来的藻类过度繁殖问题危害极大，不仅对饮用水源水、景观水体造成污染，使得水生态环境失衡，影响水产品的正常生产，而且藻类对于自来水厂的净水成本和出水水质也有着极大的影响。

在给水处理领域，溶气气浮工艺（daf）已广泛应用于高藻、微污染水及低温低浊水的处理。传统的daf工艺分为同向流daf工艺和逆向流daf工艺，但以上两种工艺分别存在气泡与絮体接触机会少，气泡附着效果不理想以及抗冲击负荷低、泡絮体黏附效率低等问题。为解决传统daf工艺的上述问题，研发了集逆向流与同向流于一体的daf工艺（countercurrentcocurrentdissolvedairflotation，ccdaf）。ccdaf工艺可以根据原水水质的变化，通过选择开启不同释放器，实现同向流气浮池、逆向流气浮池和ccdaf工艺气浮池的灵活切换，具有应对水质变化适应性强、结构简单、效率高、运行方便等优点，便于传统絮凝/气浮池的改造与新型气浮池的新建，应用前景广阔。但由于微气泡在上升过程中会发生聚并作用而导致气泡尺寸变大，影响气泡与悬浮物的黏附效率，故当池体较深时，传统的ccdaf工艺气浮池对藻类等有机物的分离去除效果不理想。同时，由于藻细胞和微气泡表面均带负电荷，故静电斥力的存在会对两者的结合产生消极影响，从而影响藻类的去除效率。

近年来，微气泡技术由于其氧化特性而受到广泛的关注与研究。微气泡在爆破时会产生具有极强氧化能力的羟基自由基，可有效降解水中的有机污染物。然而空气微气泡自然破灭生成的羟基自由基量较少，不能满足环境领域中降解有机污染物的应用需求。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供一种氧化型气浮耦合超滤净水系统及方法，在ccdaf工艺气浮池中由双层溶气释放器释放经壳聚糖改性后表面带正电荷的空气微气泡，使得微气泡和藻细胞充分黏附；在超声室由双层溶气释放器释放臭氧化微气泡，利用其爆破产生的羟基自由基发生高级氧化反应，降解水中有机物；而后经过浸没式超滤膜池，原水中的有机物得到深度去除，且原水中的羟基自由基和微气泡亦可控制膜污染，从而获得持续性的去除效果。

一种氧化型气浮耦合超滤净水系统，包括集同向流和异向流为一体的改良型ccdaf工艺气浮池，所述改良型ccdaf工艺气浮池内沿水流方向依次设置有逆向流碰撞接触室、同向流黏附接触室、气浮分离室、超声室，所述改良型ccdaf工艺气浮池连接有浸没式超滤膜池，所述浸没式超滤膜池连接有清水池，所述清水池连接有两套溶气系统，两套溶气系统与改良型ccdaf工艺气浮池和浸没式超滤膜池连接，为两者提供高压溶气水；第一溶气系统设置有自动加药装置和自动调节ph装置，产生含改性气泡的溶气水；第二溶气系统设置有臭氧发生装置，产生臭氧化溶气水。

优选的，所述气浮分离室上部设置有刮渣机，所述刮渣机端部衔接有浮渣槽；所述超滤膜池与清水池之间设置有产水泵和反冲洗系统。

优选的，所述逆向流碰撞接触室与同向流黏附接触室之间设置有第一隔板，所述同向流黏附接触室与气浮分离室之间设置有第二隔板，所述气浮分离室与超声室之间设置有真空隔板，所述第一隔板和真空隔板均与池底之间存在间隙，所述第二隔板与池底接触，所述第二隔板上部设置有导流墙。

优选的，所述逆向流碰撞接触室的前端上方设置有进水管，所述浸没式超滤膜池的后端上方设置有出水管。

优选的，所述超声室两内侧面设置有超声振板，所述超声振板通过导线连接有超声装置，所述浸没式超滤膜池内布置有超滤膜装置。

优选的，所述溶气系统包括与清水池连接的多相流泵，所述多相流泵连接有压力溶气罐，所述压力溶气罐连接有溶气释放器，气液经多相流泵混合后通入压力溶气罐，最后经溶气释放器释放。

优选的，第一溶气系统连有自动加药装置和自动调节ph装置，用于向逆向流碰撞接触室、同向流黏附接触室提供改性后的高压溶气水，第二溶气系统连接有臭氧发生装置，用于向超声室和浸没式超滤膜池提供臭氧化高压溶气水，所述逆向流碰撞接触室、同向流黏附接触室和超声室内均为双层溶气释放器，所述浸没式超滤膜池内为单层溶气释放器。

优选的，所述自动加药装置包括加药装置本体及plc电气控制柜，所述加药装置本体配置有搅拌机、干粉投料机和加药计量泵，并连接plc电器控制柜，在所述的加药装置本体侧面设有进水管和出水管。

优选的，所述自动调节ph装置包括ph计、ph控制器和补料系统，所述补料系统包括补料装置本体、加药计量泵和搅拌机。

本申请还公开一种利用氧化型气浮耦合超滤净水系统的净水方法，具体步骤如下：

步骤1、原水由进水管进入改良型ccdaf工艺气浮池，水流依次流经逆向流碰撞接触室、同向流黏附接触室、气浮分离室、超声室以及浸没式超滤膜池；

步骤2、开启两套溶气系统为改良型ccdaf工艺气浮池和浸没式超滤膜池提供回流高压溶气水；

步骤3、逆向流碰撞接触室和同向流黏附接触室由双层溶气释放器释放经壳聚糖表面改性后的溶气水，絮体与微气泡充分接触，形成密度小于水的泡絮体上浮进入气浮分离室，上浮的浮渣由刮渣机收集进入浮渣槽，实现泡絮体与水流的分离；

步骤4、超声室和浸没式超滤膜池内分别由双层溶气释放器和单层溶气释放器释放来自另一套溶气系统的臭氧化溶气水，开启超声装置，微气泡在超声波振动作用下迅速破裂产生羟基自由基，发生高级氧化反应，进一步降解原水中的有机物；

步骤5、在超滤膜装置中，由于内外压差的缘故，产水泵将清水抽出进入清水池，浓水留在浸没式超滤膜池中；

步骤6、清水池中的一部分水回流至溶气系统和超滤膜装置的反冲洗系统。

本发明的有益效果：

1.本发明对传统的溶气气浮装置进行改进，采用了ccdaf工艺气浮池并对其进行了进一步改良。加入超声单元和浸没式超滤装置，高压溶气水分四次投加。在改良型ccdaf工艺气浮池中，特别是当池体较深时，设置双层溶气释放器释放微气泡可解决下部微气泡在上升过程中由于发生聚并作用导致尺寸变大从而影响气泡与絮体黏附效果的问题，且使得微气泡在原水中分布更为均匀，有利于微气泡与絮体更好的黏附。

2.本发明的超声室，在原有ccdaf工艺的处理基础上，利用超声波使经双层溶气释放器释放的臭氧化微气泡破裂产生具有强氧化性的羟基自由基，发生高级氧化反应，进一步降解水中残余的有机物。臭氧化微气泡比空气微气泡在爆破时可产生更多的羟基自由基，因此具有更强的氧化性，且该单元无需添加氧化剂，不产生二次污染，具有安全、操作简单、效率高等优点。

3.本发明中的浸没式超滤膜池，下部布置有单层溶气释放器，释放臭氧化溶气水。臭氧化微气泡在超滤膜表面爆破时产生的压力波可使膜表面的污染物破碎并脱落，另外，由于微气泡具有较长的停留时间和更小的体积，它可以进入超滤膜表面污染物矩阵内部，随后的爆破可以诱发矩阵内部的连锁反应，导致污染物结构被完全破坏并产生连锁剥落效果，这种膜污染去除反应直到膜表面的污染物矩阵近乎于完全脱落之后才会停止，从而保障了持续性的去除效果，可有效控制膜污染。同时，原水中残余的羟基自由基也可氧化降解超滤膜表面的污染物，达到清除膜垢的作用。

4.本发明中气浮和超滤膜联用亦可优势互补，从而去除更广直径范围的颗粒物，达到深度处理原水的目的。

5.本发明中微气泡发生器均采用多相流泵，可以产生纳米级泡。所述溶气水是由空气（或臭氧）和自然水，在负压作用下同时进入多相流泵，多相流泵内高速旋转的多级叶轮多次切割分散空气（或臭氧）后，空气（或臭氧）以高度弥散状态在多相流泵内的高压环境中瞬间溶解于自然水并迅速达到饱和，再经由溶气罐50s~1h的稳定和接触后，形成含大量微纳米气泡的溶气水。在气浮工艺去除藻类的过程中，由于藻类细胞与气泡直径大小相近时两者黏附效果最好，气浮效果最显著，而微纳米气泡尺寸与藻细胞相近，因此能显著提高藻类细胞的去除率。

6.本发明中采用微气泡改性技术强化气浮工艺分离效果，在壳聚糖效果最佳的ph条件下（ph5.5）向微气泡发生装置中投加壳聚糖对微气泡进行正电荷改性。壳聚糖的疏水端可通过疏水力作用吸附在微气泡表面，带正电荷的亲水端则朝向液相主体，使微气泡表面部分区域显正电性。由于藻类细胞表面带负电荷，因此更容易与经改性后的表面带正电荷的微气泡发生黏附作用，从而能够提高藻类的去除效率。

7.本发明采用自动加药装置和自动调节ph装置。装置自动化程度高，方便运行管理。在进水稳定的情况下，可以实现全部的自动化流程，只需注意及时添加酸液碱液及药品（壳聚糖）即可。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图中：1.逆向流碰撞接触室；2.同向流黏附接触室；3.气浮分离室；4.超声室；5.浸没式超滤膜池；6.清水池；7.多相流泵；8.压力溶气罐；9.溶气释放器；10.刮渣机；11.超声振板；12.超声装置；13.超滤膜装置；14.产水泵；15.反冲洗水泵；16.臭氧发生器；17.自动加药装置；18.自动调节ph装置；19.进水管；20.出水管；21.浮渣槽；22-1.第一隔板；22-2.第二隔板，23.真空隔板；24.导流墙。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示的一种氧化型气浮耦合超滤净水系统，改良型ccdaf工艺气浮池内沿水流方向依次设置有逆向流碰撞接触室1、同向流黏附接触室2、气浮分离室3和超声室4，逆向流碰撞接触室的前端上方设置进水管19，在逆向流碰撞接触室1与同向流黏附接触室2之间设置有第一隔板22-1，逆向流碰撞接触室1和同向流黏附接触室2由隔板22-1与池底形成的间隙连通，所述同向流黏附接触室2与气浮分离室3之间设置有第二隔板22-2，第二隔板与池底接触，第二隔板上部设置有导流墙24，气浮分离室3与超声室4之间设置有真空隔板23，气浮分离室3和超声室4由真空隔板23与池底形成的间隙连通，气浮分离室3上部设置有刮渣机10，所述刮渣机端部衔接有浮渣槽21，超声室4两内侧面设置有超声振板11，所述超声振板通过导线连接有超声装置12。

改良型ccdaf工艺气浮池通过墙体连接有浸没式超滤膜池5，浸没式超滤膜池内布置有超滤膜装置13。超滤膜池5后端上方连接出水管20，出水管20连接产水泵14的进水端，产水泵14的出水端连接清水池6，清水池通过反冲洗水泵15与出水管20回连。

清水池6连接有两套溶气系统，溶气系统包括与清水池连接的多相流泵，所述多相流泵连接有压力溶气罐，所述压力溶气罐连接有溶气释放器，气液经多相流泵混合后通入压力溶气罐，最后经溶气释放器释放。两套溶气系统与改良型ccdaf工艺气浮池和超滤膜池5连接，为改良型ccdaf工艺气浮池和超滤膜池5提供高压溶气水，；其中第一溶气系统设置有自动加药装置17和自动调节ph装置18，，向逆向流碰撞接触室、同向流黏附接触室提供含改性气泡的溶气水；自动加药装置包括加药装置本体及plc电器控制柜，所述加药装置本体配置有搅拌机、干粉投料机和加药计量泵，并连接plc电器控制柜，在所述的加药装置本体侧面设有进水管和出水管。原水流经管道时，流量计检测流量信息反馈至plc电器控制柜，plc电器控制柜可根据进水流量自动计算壳聚糖投加量并将信号传输至加药系统，随后加药系统量取并溶解适量壳聚糖加入原水中。自动调节ph装置包括ph计、ph控制器和补料系统。所述补料系统包括补料装置本体、加药计量泵和搅拌机。当原水流经该管道时，与管道中的ph计接触，ph计自动检测原水的ph值。当原水ph值偏离正常范围时，ph计将信息反馈至ph控制器，ph控制器通过设定控制范围（ph5~6）转换成电流信号输出到自动加药计量泵，自动加药计量泵通过接收到的信号，自动调节计量泵的加药量，投加酸液或碱液进行ph调节，直至ph值达到合理范围（调节ph在5.5左右）。第二溶气系统设置有臭氧发生装置16，向超声室和浸没式超滤膜池提供臭氧化溶气水。

逆向流碰撞接触室、同向流黏附接触室和超声室内均为双层溶气释放器9-1，所述浸没式超滤膜池内为单层溶气释放器9-2。

本申请还公开一种利用氧化型气浮耦合超滤净水系统的净水方法，具体步骤如下：

步骤1、原水由进水管进入改良型ccdaf工艺气浮池，水流依次流经逆向流碰撞接触室、同向流黏附接触室、气浮分离室、超声室以及浸没式超滤膜池；

步骤2、开启两套溶气系统为改良型ccdaf工艺气浮池和浸没式超滤膜池提供回流高压溶气水；

步骤3、逆向流碰撞接触室和同向流黏附接触室由双层溶气释放器释放经壳聚糖表面改性后的溶气水，絮体与微气泡充分接触，形成密度小于水的泡絮体上浮进入气浮分离室，上浮的浮渣由刮渣机收集进入浮渣槽，实现泡絮体与水流的分离；

步骤4、超声室和浸没式超滤膜池内分别由双层溶气释放器和单层溶气释放器释放来自另一套溶气系统的臭氧化溶气水，开启超声装置，微气泡在超声波振动作用下迅速破裂产生羟基自由基，发生高级氧化反应，进一步降解原水中的有机物；

步骤5、在超滤膜装置中，由于内外压差的缘故，产水泵将清水抽出进入清水池，浓水留在浸没式超滤膜池中；

步骤6、清水池中的一部分水回流至溶气系统和超滤膜装置的反冲洗系统。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。