饮用水深度处理的反应器及其水厂深度处理饮用水的方法

摘要

本发明涉及饮用水的处理领域，特别涉及饮用水深度处理的反应器及其水厂深度处理饮用水的方法。为了实现饮用水常规处理工艺改造为深度处理工艺的目的，本发明采取以下方案：(1)静态混合器和混凝反应池不做改动；(2)将沉淀池改造为超滤膜池；(3)在超滤膜池后端增设一个中间水池以及用于水提升的提升泵；(4)增设一个主臭氧氧化池；(5)将原有的砂滤池改造为颗粒活性炭滤池。本发明将混凝与超滤结合去除水中颗粒态胶体和大分子有机物；臭氧氧化破坏难降解污染物并将大分子有机物转化为中小分子量有机物；颗粒活性炭通过吸附和表面生长的微生物的生物降解作用进一步去除水中有机物和氨氮等污染物。

说明书

技术领域

本发明涉及饮用水的处理领域，特别涉及将饮用水常规处理的反应器 改造为饮用水深度处理的反应器，以及水厂利用该饮用水深度处理的反应 器进行饮用水深度处理的方法。

背景技术

我国将于2012年强制执行《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》。 与《生活饮用水卫生标准(GB5749-1985)》相比，新的饮用水标准大幅 增加了农药化学品等人工合成有机物以及消毒副产物的指标，并将水中氨 氮浓度限值设置为0.5mg/L。此外，有的城市饮用水源遭受天然有机物污 染，耗氧量难以达标；有的城市存在藻类及其代谢物等污染问题，出厂水 嗅味强度较高，影响饮用水口感。我国工程中普遍采用的以混凝、沉淀、 过滤、消毒等为基础的常规处理工艺往往难以从根本上解决上述水质问题。 微滤和超滤技术从本质上说不属于深度处理技术；纳滤或反渗透可以大幅 提高有机物等污染物去除能力，但是存在成本较高、运行管理复杂、产水 率低等问题，在我国市政饮用水厂中应用非常少。臭氧/活性炭、臭氧/生 物活性炭等饮用水深度处理工艺在许多水厂升级改造中得到采用。

臭氧/活性炭、臭氧/生物活性炭工艺的基本原理是，利用臭氧氧化破 坏农药等小分子有机物，并将分子量较大的、微生物难以利用的有机物转 化为分子量较小、易被微生物利用的小分子有机物。在活性炭(或生物活 性炭)单元中，利用活性炭的吸附作用和活性炭表面生长的微生物的降解 作用去除有机物，并改善口感。臭氧与活性炭的协同作用使得臭氧/活性炭、 臭氧/生物活性炭等能长期保持良好的净化效果。但是，臭氧/活性炭、臭 氧/生物活性炭工艺往往需要新建构筑物，高昂的工程投资使得许多水厂难 以承受。此外，对于有数十年历史、最初未规划深度处理工艺的老水厂， 往往厂区可用空间有限，没有足够的土地用于新建一套臭氧/活性炭深度处 理工艺构筑物。因此，在水厂已有的常规处理构筑物基础上，开发将饮用 水常规工艺改造为深度处理工艺的新方法，尽可能减少新建构筑物，避免 大幅增加厂区占地面积并有效降低工程投资，这对于我国许多城市水厂升 级改造工程具有重要意义。

超滤技术在近年来逐渐得到发展并推向工程应用，且随着超滤的大规 模应用，投资和运行成本均得到有效降低。但是，超滤对水中细菌、病毒、 藻类、胶体等颗粒污染物的截留去除能力较高，而对溶解性天然有机物、 人工合成有机物、氨氮等几乎没有去除能力。不少研究者提出以超滤为核 心的短流程处理工艺，即将混凝与超滤结合，利用混凝的吸附、卷扫等作 用将溶解性有机物转化为颗粒态有机物，这可以有效提高超滤工艺对溶解 性大分子有机物的去除能力。采用该方法进行处理，混凝反应出水可省略 沉淀单元而直接进入膜池进行超滤膜分离(或直接将超滤膜组件放置在原 有的沉淀池中)，并且超滤出水浊度往往在0.1NTU以下。但是，此方法 对中等分子量或小分子量的天然有机物、农药等微污染物的去除能力有限， 对氨氮更是无能为力。因此，从本质上说，该方法属于常规处理工艺而不 是深度处理工艺。

本发明针对上述问题，提出在水厂现有构筑物的基础上，通过将超滤 膜技术与深度处理工艺结合，不仅实现了饮用水深度净化，而且充分利用 现有构筑物，在最大程度上避免新建构筑物，并降低了工程投资。本发明 可用于受污染水源的饮用水深度净化，也可应用于城市污水厂深度处理和 再生水深度净化。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需大幅增加占地面积且在工程中易于改造 实施的将饮用水常规处理的反应器改造为饮用水深度处理的反应器。

本发明的再一目的是为水厂提供一种利用目的一的饮用水深度处理的 反应器进行饮用水深度处理的方法。

一般情况下，饮用水常规处理工艺主要包括(混凝)反应池、沉淀池、 过滤池等处理构筑物。混凝剂投加到待处理水中，经混合器与水充分混合 之后进入(混凝)反应池中发生胶体脱稳、凝聚、絮凝等反应生成颗粒较 大的絮体；之后进入沉淀池进行絮体沉降，绝大多数絮体在重力沉降作用 下得以去除，少量未能沉降去除的细小颗粒进入过滤池，在滤床的截留过 滤作用下得以去除。

为了实现饮用水常规处理工艺改造为深度处理工艺的目的，本发明采 取以下方案：

(1)静态混合器和混凝反应池不做改动。

(2)将沉淀池改造为超滤膜池。

(3)在超滤膜池后端增设一个中间水池以及用于水提升的提升泵。

(4)增设一个主臭氧氧化池。

(5)将原有的砂滤池改造为颗粒活性炭滤池。

本发明的饮用水深度处理的反应器包括静态混合器、混凝反应池、清 水池、穿孔板、污泥槽、超滤膜池(原先的沉淀池)、颗粒活性炭滤池(原 先的砂滤池)、颗粒活性炭滤床、超滤膜组件、出水管、真空表、抽吸泵、 空气压缩机、曝气管路、曝气装置、中间水池、主臭氧氧化池和提升泵等。

一穿孔板安装于所述的超滤膜池中，所述的穿孔板的一侧与该超滤膜 池的池壁之间形成的空间的顶部设置为开口；在所述的穿孔板的另一侧安 装有所述的超滤膜组件形成膜过滤区，在超滤膜组件的下方安装有所述的 曝气装置，该曝气装置通过所述的曝气管路与所述的空气压缩机相连接， 所述的曝气装置的下方设置有所述的污泥槽。

所述的混凝反应池的出水管的出口与所述的开口相连接，该混凝反应 池的进水管道上安装有所述的静态混合器。

在所述的超滤膜组件的上方安装有所述的出水管，所述的出水管与所 述的抽吸泵相连接。

所述的主臭氧氧化池是由一隔板将一容器分隔成臭氧接触池和臭氧反 应池，且该隔板与所述的容器的底部之间有空隙。

所述的中间水池的进水口通过水管与所述的抽吸泵的出水口相连接； 所述的中间水池的出水口通过水管与所述的臭氧接触池的上部进水口相连 接，且在该水管上安装有提升泵。

所述的臭氧反应池的上部出水口通过管路与所述的颗粒活性炭滤池相 连接，在该颗粒活性炭滤池中安装有所述的颗粒活性炭滤床，所述的颗粒 活性炭滤池通过管路与所述的清水池相连接。

所述的污泥槽中安装有排泥管。

所述的混凝反应池中安装有反应池隔板，且反应池隔板的另一端与所 述的混凝反应池的池壁之间有空隙。

所述的曝气管路上设置有空气阀。

所述的出水管与抽吸泵相连接的出水管上安装有真空表及出水管阀 门。

所述的超滤膜组件是一个以上，优选是将4～50个超滤膜组件固定在 一起形成膜堆。

所述的超滤膜组件的使用数量的确定方法为使得超滤膜的膜通量在 10～60L/m²·h之间。

所述的超滤膜组件为浸没式膜组件，组件形式可以是中空纤维膜或平 板膜等，材质可以是聚氯乙烯或聚偏氟乙烯等。超滤膜的孔径范围为0.01～ 0.20μm之间，超滤膜的膜通量为10～60L/m²·h。水在安装有超滤膜组件 的膜过滤区的水力停留时间为10～40分钟。混凝反应池的出水经过超滤膜 组件，在膜分离作用下去除水中胶体、絮体、细菌、病毒等颗粒态杂质。

在每个所述的超滤膜组件的上方设置一出水支管，所有出水支管最终 并入一根超滤膜的出水总管；在超滤膜的出水总管中设置有抽吸泵将超滤 膜出水抽走。

所述的混凝反应池的出水流经超滤膜组件是通过抽吸泵的抽吸作用得 以完成的。在超滤膜的出水总管上设置的抽吸泵的抽吸形成的负压作用下， 超滤膜池(也就是原来的沉淀池)中的水从膜外侧进入内侧，并经由超滤 膜组件的出水支管最终由出水总管流出。抽吸泵在超滤膜组件的表面形成 的抽吸负压控制在10kPa～80kPa之间。

本发明进一步设置一个超滤膜反冲洗水总管，且每个超滤膜组件设置 一个反冲洗水支管；在超滤膜反冲洗水总管中设置有膜反冲洗泵。即在所 述的出水管与所述的抽吸泵相连接的出水管与一超滤膜反冲洗水总管相连 通，该超滤膜反冲洗水总管与膜反冲洗泵相连接，且出水管与超滤膜反冲 洗水总管相连通处位于所述的抽吸泵上方的出水管上。所述的超滤膜反冲 洗水总管的管路上安装有反冲洗管阀门。

为了保证膜通量，在超滤膜组件运行过程中需要定期对超滤膜组件进 行反冲洗。在超滤膜组件进行反冲洗时，膜反冲洗泵将超滤膜组件过滤后 的出水泵入超滤膜组件内侧并向外侧流出，附着在膜表面的污染物得以从 膜表面脱离。超滤膜组件反冲洗的周期为2～20分钟。

膜反冲洗泵开启时，反冲洗进水管阀门开启，而抽吸泵停止运行且出 水管阀门关闭；反冲洗停止后，反冲洗进水管阀门关闭，而抽吸泵开始运 行且出水管阀门开启。

所述的空气压缩机往膜过滤区的水中泵入压缩空气，从而为水中提供 溶解氧，并提供水力作用进行混合搅拌和剪切擦洗膜丝表面的附着物。压 缩空气可以是持续地通入，也可以是间歇地通入。膜过滤区的气水比范围 是5∶1～100∶1(m³∶m³)。所述的曝气装置可以是穿孔曝气管、曝气头 等。

在本发明中，水中密度较大的颗粒物、絮体等杂质在重力作用下进入 污泥槽，并通过排泥管将污泥槽中的污泥排出。排泥周期可以是12～72小 时。

在超滤膜池后端设置一个中间水池，超滤膜的出水总管中的水最终流 入中间水池；中间水池大小为使得水在中间水池中的水力停留时间为2.5～ 30分钟。

在中间水池的上方设置一个提升泵站；提升泵站中设置提升泵，提升 泵的总流量为水厂设计规模，提升泵扬程一般为4～10米。提升泵站将中 间水池中的水提升至主臭氧氧化池进行臭氧氧化反应；主臭氧氧化池的出 水在重力作用下进入砂滤池总进水渠。

所述的主臭氧氧化池包括臭氧接触池和臭氧反应池两部分。臭氧接触 池的目的在于将臭氧气体充分溶解在水中，臭氧反应池的目的在于发挥臭 氧氧化作用将污染物降解。提升泵站的出水首先进入臭氧接触池，之后进 入臭氧反应池。臭氧接触池的水力停留时间为2～4分钟，臭氧反应池的水 力停留时间为10～20分钟。臭氧接触池和臭氧反应池的池型设计与常见 的臭氧接触池和臭氧反应池相同。

在主臭氧氧化池中，利用臭氧氧化作用降解农药等小分子有机物，并 将分子量较大的(一般数均分子量范围为＞30KDa)、微生物难以利用的有机 物转化为分子量较小(一般数均分子量范围为＜3KDa)、易被微生物利用的 小分子有机物。

将砂滤池改造为颗粒活性炭滤池，具体方法如下：

i.将原先砂滤池中的石英砂填料取出。

ii.填入颗粒活性炭；颗粒活性炭床的厚度是60～150cm。

iii.为了避免颗粒活性炭的流失，调整膜反冲洗泵型号或开启台数， 使得颗粒活性炭床膨胀率在30％以下。

主臭氧氧化池的出水进入砂滤池(也就是改造后的颗粒活性炭滤池) 的总进水渠，并分配到各个颗粒活性炭滤池的进水渠。

在颗粒活性炭滤池中，利用颗粒活性炭的物理化学吸附作用和颗粒活 性炭表面微生物的生物降解作用进一步去除水中有机物、氨氮等污染物。

本发明的利用上述饮用水深度处理的反应器进行饮用水深度处理的方 法：

向待处理水中投加混凝剂之后，经过静态混合器使混凝剂与待处理水 充分混合，并在混凝反应池中完成絮凝反应过程，之后经稳流区后进入超 滤膜池中的膜过滤区。

膜过滤区中的水在抽吸泵的作用下穿过超滤膜组件的膜表面进入中间 水池中；在进行饮用水深度处理的过程中，空气压缩机可以持续或间歇地 泵入压缩空气以提供溶解氧，并提供水力作用进行混合搅拌和剪切擦洗膜 丝表面的附着物。

膜过滤区中的出水进入中间水池，并在提升泵的作用下进入臭氧接触 池和臭氧反应池，利用臭氧的强氧化作用降解破坏有毒有害有机物并将大 分子有机物(一般数均分子量范围为＞30KDa)转化为微生物容易利用的小 分子有机物(一般数均分子量范围为＜3KDa)；臭氧反应池的出水进入颗粒 活性炭滤池中并流过颗粒活性炭滤床，利用颗粒活性炭的物理化学吸附作 用和颗粒活性炭表面微生物的生物降解作用进一步去除水中有机物、氨氮 等污染物；流过颗粒活性炭滤床后的处理水由所述的颗粒活性炭滤池的出 水口通过管路进入清水池中。

所述的穿孔板的一侧与所述的超滤膜池的池壁之间形成的空间构成了 所述的稳流区。

所述的待处理水中混凝剂的投量是5mg/L～60mg/L。

所述的混凝剂是硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝、三氯化铁中的一种以 上。

本发明具有如下优点：

1、充分利用常规工艺中原有的构筑物、配套设施等，仅需增加中间水 池、提升泵站和主臭氧氧化池等3个土建构筑物即完成饮用水深度处理的 升级改造；对比而言，常见的臭氧/活性炭的深度处理改造需要增加中间水 池、提升泵站、主臭氧氧化池、颗粒活性炭滤池，工程量大且占地面积大。

2、对不同水质变化有良好的工艺适应性。原水水质往往在不同季节有 很大的变化，当原水水质较差时，可以按照上述工艺进行运行；当原水水 质好时，可以方便地超越主臭氧氧化池和颗粒活性炭滤池，直接将超滤膜 池出水进入清水池。

3、超滤膜过滤、反冲洗、曝气等运行操作可非常方便地实现自动控制， 运行管理方便。

4、占地面积小，适合应用于水厂深度处理的改造，尤其适合于厂区没 有足够剩余空间的老水厂的改造。

附图说明

图1为饮用水常规处理的反应器。

图2为本发明的饮用水深度处理的反应器。

附图标记

1.静态混合器        2.混凝反应池                3.沉淀池

4.砂滤池            5.清水池                    6.反应池隔板

7.稳流区            8.穿孔板                    9.排泥管

10.污泥槽           11.石英砂滤床

12.超滤膜池         13.颗粒活性炭滤池

14.颗粒活性炭滤床   15.超滤膜组件               16.出水总管

17.真空表           18.抽吸泵                   19.空气压缩机

20.空气阀           21.曝气管路                 22.曝气装置

23.中间水池         24.主臭氧氧化池             25.臭氧接触池

26.臭氧反应池       27.提升泵                   28.膜反冲洗泵

具体实施方式

实施例1

请参见图，饮用水深度处理的反应器包括静态混合器1、混凝反应池2、 清水池5、穿孔板8、污泥槽10、超滤膜池12、颗粒活性炭滤池13、颗粒 活性炭滤床14、超滤膜组件15、出水管16、真空表17、抽吸泵18、空气 压缩机19、曝气管路21、曝气装置22、中间水池23、主臭氧氧化池24 和提升泵27等；

一穿孔板8安装于所述的超滤膜池12中，所述的穿孔板8的一侧与该 超滤膜池12的池壁之间形成的空间的顶部设置为开口；在所述的穿孔板8 的另一侧安装有4组所述的超滤膜组件15形成膜过滤区，所述的超滤膜组 件为浸没式膜组件，其材质是聚氯乙烯；超滤膜的孔径为0.20μm之间， 超滤膜的膜通量为60L/m²·h。在超滤膜组件15的下方安装有所述的曝气 装置22，该曝气装置22通过设置有空气阀20的所述的曝气管路21与所 述的空气压缩机19相连接，所述的曝气装置22的下方设置有所述的污泥 槽10；所述的污泥槽10中安装有排泥管9。

所述的混凝反应池中安装有反应池隔板，且反应池隔板6的另一端与 所述的混凝反应池2的池壁之间有空隙；所述的混凝反应池2的出水管的 出口与所述的开口相连接，该混凝反应池2的进水管道上安装有所述的静 态混合器1。

在每个所述的超滤膜组件15的上方设置一出水支管，所有出水支管最 终并入一根超滤膜的出水总管16；所述的超滤膜的出水总管16与所述的 抽吸泵18相连接；所述的出水总管与抽吸泵18相连接的出水管上安装有 真空表17及出水管阀门。

所述的出水总管16与所述的抽吸泵18相连接的出水管与一安装有反 冲洗管阀门的超滤膜反冲洗水总管相连通，该超滤膜反冲洗水总管与膜反 冲洗泵28相连接，且出水总管与超滤膜反冲洗水总管相连通处位于所述的 抽吸泵18上方的出水管上。

所述的主臭氧氧化池24是由一隔板将一容器分隔成臭氧接触池25和 臭氧反应池26，且该隔板与所述的容器的底部之间有空隙。

所述的中间水池23的进水口通过水管与所述的抽吸泵18的出水口相 连接；所述的中间水池23的出水口通过水管与所述的臭氧接触池25的上 部进水口相连接，且在该水管上安装有提升泵27；

所述的臭氧反应池26的上部出水口通过管路与所述的颗粒活性炭滤 池13相连接，在该颗粒活性炭滤池13中安装有所述的颗粒活性炭滤床14， 所述的颗粒活性炭滤池13通过管路与所述的清水池5相连接。

利用上述饮用水深度处理的反应器进行饮用水深度处理的方法：

向待处理水中投加硫酸铝作为混凝剂，且其投量为10mg/L；之后， 经过静态混合器1使混凝剂与待处理水充分混合，并在混凝反应池2中完 成絮凝反应过程，之后经稳流区7后进入超滤膜池12中的膜过滤区，水在 安装有超滤膜组件的膜过滤区的水力停留时间为10～40分钟。

用抽吸泵18抽吸膜过滤区的水，抽吸泵18在超滤膜组件的表面形成 的抽吸负压控制在10kPa～80kPa之间。膜过滤区中的水在抽吸泵18的作 用下穿过超滤膜组件15的膜表面进入中间水池23中；此时水中胶体、絮 体等颗粒态污染物则被截留，大部分密度较大的颗粒在重力沉降作用下进 入污泥槽10中，并最终通过排泥管9从超滤膜池12中排除；超滤膜组件 15运行一定时间后需要进行反冲洗操作，此时，开启膜反冲洗泵28，并将 超滤膜组件过滤后的出水泵入超滤膜组件的内侧并向外侧流出，附着在超 滤膜组件的膜表面的污染物得以从膜表面脱离；在进行饮用水深度处理的 过程中，空气压缩机19可以持续或间歇地泵入压缩空气以提供溶解氧，并 提供水力作用进行混合搅拌和剪切擦洗膜丝表面的附着物，膜过滤区的气 水比范围是5∶1～100∶1(m³∶m³)。

膜过滤区中的出水进入中间水池23，水在中间水池中的水力停留时间 为2.5～30分钟。然后水在提升泵27的作用下进入臭氧接触池25中，水 在臭氧接触池中停留2～4分钟后进入臭氧反应池26中，水在臭氧反应池 中停留时间为10～20分钟。利用臭氧的强氧化作用降解破坏有毒有害有 机物并将大分子有机物(一般数均分子量范围为＞30KDa)转化为微生物容 易利用的小分子有机物(一般数均分子量范围为＜3KDa)；臭氧反应池26的 出水进入颗粒活性炭滤池13中并流过颗粒活性炭滤床，利用颗粒活性炭的 物理化学吸附作用和颗粒活性炭表面微生物的生物降解作用进一步去除水 中有机物、氨氮等污染物；流过颗粒活性炭滤床后的处理水由所述的颗粒 活性炭滤池的出水口通过管路进入清水池中。

所述的穿孔板的一侧与所述的超滤膜池的池壁之间形成的空间构成了 所述的稳流区。

待处理水中耗氧量浓度为5mg/L，氨氮浓度为0.8mg/L。采用上述方 法进行处理，出水耗氧量浓度为1.5mg/L，氨氮浓度为0.1mg/L，达到《国 家生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》要求。