预加热-臭氧-生物活性炭-紫外四级工艺净水器

摘要

预加热-臭氧-生物活性炭-紫外四级工艺净水器，它涉及一种净水器，以解决现有净水器的水质净化是利用颗粒状活性炭的吸附作用，从水中去除多种有机污染物、臭味、余氯等，存在水质不能完全净化的问题。进水管与垂直U型地埋管连通，垂直U型地埋管与水泵连通，水泵与臭氧接触柱的下部连通，臭氧接触柱与臭氧发生器连通，臭氧接触柱与停留柱连通，停留柱与生物活性炭柱的顶部连通，生物活性炭柱与水池连通，数个紫外灯布置在水池的底部，输送管与水池连通，臭氧尾气吸附柱通过臭氧尾气管分别与臭氧接触柱和停留柱连通，反冲洗进水管的输出端与生物活性炭柱的下部连通，反冲洗进水管的输入端与第二管路连通。本发明用于自来水的深度处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种净水器，具体涉及一种预加热-臭氧-生物活性炭-紫外四级工艺净水 器。

背景技术

我国城市水源90％受到不同程度的污染，但是现有水厂中只有少数对水进行深度处 理。此外，由于城市自来水出厂后在远距离输送过程中，会受到管道材料、腐蚀产物、细 菌繁殖等因素影响，送达用户的自来水水质往往低于出厂水质。同时由于生活用水包括饮 用水和烹调用水等只占城市供水的0.5％～2％，自来水厂若将全部水都处理到高质量的 水，既无此必要，经济上也不合理。因此作为提供优质饮用水的净水器有很大的发展空间。

净水器中粒状活性炭吸附过滤技术主要是利用颗粒状活性炭的吸附作用，从水中去除 多种有机污染物、臭味、余氯等，若进水中存在氨氮，则出水亚硝酸盐浓度会增加，这是 活性炭层中发生生物氧化-硝化作用的结果，并且，活性炭使用后，被活性炭吸附的有机 物会成为细菌繁殖的温床而使出水中细菌大大增多。面对越来越严重的水污染，单一靠活 性炭已无法达到使水质净化的效果。

发明内容

本发明的目的是为解决现有净水器的水质净化是利用颗粒状活性炭的吸附作用，从水 中去除多种有机污染物、臭味、余氯等，被活性炭吸附的有机物会成为细菌繁殖的温床而 使出水中细菌增多，不能使水质达到完全净化的问题，提出一种预加热-臭氧-生物活性炭 -紫外四级工艺净水器。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的预加热-臭氧-生物活性炭-紫外四级工艺净水器包括进水管、第一管路、水泵、 第二管路、臭氧接触柱、臭氧进气管、臭氧发生器、第四管路、停留柱、第五管路、生物 活性炭柱、出水管、水池、数个紫外灯、输送管、臭氧尾气管、臭氧尾气吸附柱、反冲洗 进水管、反冲洗废水收集箱、反冲废水排管和至少一个垂直U型地埋管，进水管与垂直U型 地埋管的输入端连通，垂直U型地埋管的输出端通过第一管路与水泵的输入端连通，水泵 的输出端通过第二管路与臭氧接触柱的下部连通，臭氧接触柱的底部通过臭氧进气管与臭 氧发生器连通，臭氧接触柱的上部通过第四管路与停留柱的上部连通，停留柱的下部通过 第五管路与生物活性炭柱的顶部连通，生物活性炭柱的下部通过出水管与水池连通，数个 紫外灯布置在水池的底部，输送管与水池连通，臭氧尾气吸附柱通过臭氧尾气管分别与臭 氧接触柱和停留柱连通，反冲洗进水管的输出端与生物活性炭柱的下部连通，反冲洗进水 管的输入端与第二管路连通，反冲洗废水收集箱设置在生物活性炭柱的顶端，反冲洗废水 收集箱上安装有反冲废水排管。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、利用本发明的净水器对进水进行处理，需进行预加热、臭氧、生物活性炭、紫外 照射四级工艺，由于冬季地底温度高于地面，通过进水与地底的能量交换，达到冬季进水 升温的目的，进水把地能中的热量取出来，提高温度后，供给后续工艺继续进行臭氧 处理；臭氧可将大分子有机物氧化成微生物容易分解的小分子，增加生物的可分解性； 利用吸附作用及微生物分解作用的生物活性炭对水中溶解性有机碳(DOC)、化学需氧 量(COD)、水中吸收紫外线的不饱和有机物和含氮有机物的吸光度(UV₂₅₄)，该有机 物及消毒副产物前体物质等有机污染进行有效去除；最后利用紫外灯15对水进行紫外消 毒，从而使出水中的细菌减少，增强了饮用水出水水质的安全性。

二、从实际运行效果来看，冬季低温时预加热工艺可以利用地热使出水水质明显提高。 在冬季利用本发明的净水器对进水进行处理，在未开启预加热模块时，此时净水器的功能 (臭氧-生物活性炭技术)相当于对现有技术(活性炭吸附技术)的优化，对进水中高锰 酸盐指数(COD_Mn)和水中吸收紫外线的不饱和有机物和含氮有机物的吸光度(UV₂₅₄) 的去除率分别为12.4％和48.4％，在低温期开启预加热模块后(相当于预加热加上臭氧- 生物活性炭技术)，进水中高锰酸盐指数(COD_Mn)和水中吸收紫外线的不饱和有机物 和含氮有机物的吸光度(UV₂₅₄)去除率分别达到27.1％和67.6％。

三、预加热工艺是在臭氧-生物活性炭技术的基础之上，为解决冬天进水温度较低时 生物活性炭中的生物活性降低，水处理效果下降的问题而设置的，本发明的预加热工艺可 以利用地热使水温上升10度左右，有效提高了净水效果。

三、本发明可同时利用吸附作用及微生物分解作用，延长活性碳再生的操作时间。

四、本发明集臭氧氧化，物理化学吸附，生物降解等多重功能于一体，对于生物可分 解性有机物有更好的去除效果，对氨氮和总有机碳去除率高，对生物稳定性指标的控制效 果佳。

附图说明

图1是本发明预加热-臭氧-生物活性炭-紫外四级工艺净水器的整体结构主视图；图2 是垂直U型地埋管2为单U形时，数个单U形垂直U型地埋管2与进水管1和第一管路 3连接示意图；图3是垂直U型地埋管2为双U形时，数个双U形垂直U型地埋管2与 进水管1和第一管路3连接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括进水管1、第一管路3、水 泵4、第二管路5、臭氧接触柱6、臭氧进气管7、臭氧发生器8、第四管路9、停留柱10、第 五管路11、生物活性炭柱12、出水管13、水池14、数个紫外灯15、输送管16、臭氧尾气管 17、臭氧尾气吸附柱18、反冲洗进水管19、反冲洗废水收集箱20、反冲废水排管21和至少 一个垂直U型地埋管2，进水管1与垂直U型地埋管2的输入端连通，垂直U型地埋管2的输出 端通过第一管路3与水泵4的输入端连通，水泵4的输出端通过第二管路5与臭氧接触柱6的下 部连通，臭氧接触柱6的底部通过臭氧进气管7与臭氧发生器8连通，臭氧接触柱6的上部通 过第四管路9与停留柱10的上部连通，停留柱10的下部通过第五管路11与生物活性炭柱12 的顶部连通，生物活性炭柱12的下部通过出水管13与水池14连通，数个紫外灯15布置在水 池14的底部，输送管16与水池14连通，臭氧尾气吸附柱18通过臭氧尾气管17分别与臭氧接 触柱6和停留柱10连通，反冲洗进水管19的输出端与生物活性炭柱12的下部连通，反冲洗进 水管19的输入端与第二管路5连通，反冲洗进水管19上面有阀门，当它对生物活性炭柱12 进行反冲洗时才开，水流方向从左往右，反冲洗废水收集箱20设置在生物活性炭柱12的顶 端，反冲洗废水收集箱20上安装有反冲废水排管21。利用反冲洗进水管19、反冲洗废水收 集箱20和反冲废水排管21对生物活性炭柱12定期进行反冲洗，使活性炭再生，使吸附在活 性炭表面的吸附质除去，恢复活性炭吸附能力。

工作原理：自来水通过进水管1进入垂直U型地埋管2后与土壤换热升温大概10℃左右 后，由水泵4输送到臭氧接触柱6进行臭氧氧化过程，臭氧由臭氧发生器8提供，臭氧尾气由 臭氧尾气吸附柱18吸收；接着水流进入生物活性炭柱12进行处理，最后水流进入布置有 紫外灯15的水池14中进行消毒，出水由输送管16送到小区供居民使用。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的垂直U型地埋管2的数 量为两个以上时，垂直U型地埋管2在水流方向上处于并联设置。这样设置可用较小管 径的管子，因此成本较串联方式低。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的垂直U型地埋管2 为单U形或双U形。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的垂直U型地埋管2的材 质为聚乙烯或聚丁烯。这种材质化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小。其它 组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的垂直U型地埋管2的外径为 20mm、25mm或32mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：本实施方式的垂直U型地埋管2放置在竖井中，每个竖井中布置一个 或两个垂直U型地埋管3，竖井数量为6～39个。连接各个垂直U型地埋管3之间的水平连接 管22的深度应在冻土层以下0.6m～1.5m之间。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式的相邻两个竖井的间距为3m～6m。实际工程中相邻两个 竖井的间距可根据土壤的热物性参数及地埋管的直径确定。其它组成及连接关系与具体实 施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的垂直U型地埋管2埋在竖井 中的深度为60m～100m。其它组成及连接关系与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的每个竖井中设有一个垂直 U型地埋管2时，垂直U型地埋管2的外径为20mm，垂直U型地埋管2埋在竖井中的 深度为95m～100m时，竖井个数为12个～39个。其它组成及连接关系与具体实施方式 八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的每个竖井中设有两个垂直U 型地埋管2时，垂直U型地埋管2的外径为20mm、25mm或32mm，垂直U型地埋管2埋在竖井 中的深度为60m～100m时，竖井个数为6个～31个。其它组成及连接关系与具体实施方式八 相同。

竖井埋管管长L、竖井数目N及流速的确定：

以冬季东北地区自来水水温2℃，地下土壤温度15℃，居民生活用水定额取200L/(人 ·d)，居住小区人口1000-3000人之间，进水流量Q_v＝1.1×(1000～3000) ×200/1000/24/3600＝(0.00255～0.00764)m³/s为例：

水的比热容4200J/(kg·℃)水的密度1g/cm³＝1000kg/m³，设计进水温度从2℃升为10℃， 则单位时间内需要从土壤中吸收的热量满足：

Q＝(0.00255～0.00764)×4200×1000×(10-2)/1000＝(85.56～256.67)kw

1、热交换器设计

自来水与土壤进行热交换的主体结构为垂直U型地埋管，并且每个竖井中布置一个或 者2个U型管。并且使每个单U型管或者双U型管在水流方向上处于并联状态，当每个 并联U型管之间流量平衡时，其换热量相同。U型管管材可以选用聚乙烯或者聚丁烯。

1.1确定竖井埋管管长

在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位管长的换热量， 一般垂直埋管为35～55W/m(管长)，设计时可取换热能力的下限值，即35W/m(管长)， 竖井埋管管长具体计算公式如下：

$L=\frac{Q\times 1000}{35}=\frac{(85.56~256.67)\times 1000}{35}=(2444~7333)m$

1.2确定竖井数目及间距

竖直埋管的深度一般为60～100m，单U型管中取95～100m(为了满足后面管径和 流速的要求)，双U型管中取60～100m。

单U型管选取竖井深度95m时(N为竖井个数)

$N=\frac{L}{2H}=\frac{(2444~7333)}{2\times 95}=(13~39)$个

单U型管选取竖井深度100m时

$N=\frac{L}{2H}=\frac{(2444~7333)}{2\times 100}=(12~37)$个

双U型管选取竖井深度60m时(N为竖井个数)

$N=\frac{L}{2H}=\frac{(2444~7333)}{4\times 60}=(10~31)$个

单U型管选取竖井深度100m时

$N=\frac{L}{2H}=\frac{(2444~7333)}{4\times 100}=(6~18)$个

单U型管中竖井深度取95～100m，竖井个数12～39个，双U型管中竖井深度取60～ 100m，竖井个数6-31个，竖井间距均取4.5m。

1.3管径及流速

在实际工程中确定管径必须满足两个要求：(1)管道要大到足够保持最小输送功率； (2)管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述 两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换 器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下， 对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下。并且对单U形埋管内流速不宜小于 0.6m/s，双U形埋管内流速不宜小于0.4m/s；

单U形埋管地埋管管径取20mm；

当竖井深度为95m时，流速为0.62m/s；

当竖井深度为100m时，流速为0.68m/s；

同理单形埋管地埋管管径取20mm、25mm或32mm

流速$V=\frac{\mathrm{Qv}}{N\left(\frac{3.14}{4}{D}^2\right)}$

当竖井深度为60m时，管径为20mm时，流速为0.81m/s；管径为25mm时，流速 为0.52m/s；

当竖井深度为100m时，管径为25mm时，流速为0.86m/s；管径为32mm时，流速 为0.53m/s。