專利名稱：一種地下水組合式膜選擇性除氟方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于膜技術(shù)除氟凈水工藝，具體地是涉及一種地下水組合式膜選擇性除氟方法。本發(fā)明還涉及用于實現(xiàn)上述方法的裝置。
背景技術(shù)：
氟是一種人體必需的微量營養(yǎng)元素，而過量的攝入則會危害人體健康。我國最新 《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)對氟化物濃度的限制為I. Omg/L，對農(nóng)村小型集中和分散式供水系統(tǒng)限制為I. 2mg/L ;而美國公共衛(wèi)生服務(wù)特別委員對氟化物設(shè)定的安全濃度范圍是(O. 7 I. 2)mg/L。目前統(tǒng)一供水除氟工程中應(yīng)用較多的是活性氧化鋁吸附法，分質(zhì)供水工程中應(yīng)用較多的是電滲析法和反滲透法，而膜技術(shù)被認(rèn)為是水處理中最有前景的技術(shù)之一。反滲透膜是一種壓力驅(qū)動膜分離技術(shù)，截留組分為(I 10) X IO-10Hi的小分子溶質(zhì)，但其所需操作壓力較高，一般為(I. O 10. 5)MPa。反滲透膜對氟具有很高的去除性能， 但運行費用較高(高能耗)，同時反滲透膜很高的去除率會造成其產(chǎn)水中氟離子濃度過低。 而隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了超低壓反滲透膜，超低壓反滲透膜改進(jìn)了原反滲透膜的表面材質(zhì)和組成結(jié)構(gòu)，提高了膜的性能，克服了原反滲透膜的缺點，可以在較低的壓力下實現(xiàn)對水中離子的去除。納濾膜是介于反滲透和超濾之間的一種壓力驅(qū)動膜分離技術(shù)，實際操作壓力可低于I. OMPa0在納濾膜應(yīng)用過程中具有兩個顯著特征其一是截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間，約為200至1000道爾頓，可去除水中大部分有機(jī)物；其二是納濾膜的表面分離層由聚電解質(zhì)所構(gòu)成，對二價態(tài)離子有很高的截留率(大于90 % )，而對一價態(tài)離子具有選擇性分離的特性，而且其操作壓力較反滲透膜低，能耗較少，運行費用低。因此，與反滲透膜相比，納濾膜可選擇性去除水中離子。與地表水相比，地下水受到的污染較輕，因此處理工藝對預(yù)處理措施要求相對簡單。另外，現(xiàn)有的膜凈水工藝中對膜濃水的處理較少，且存在很大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種地下水組合式膜選擇性除氟方法。本發(fā)明的又一目的在于提供一種用于實現(xiàn)上述方法的裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的地下水組合式膜選擇性除氟方法，包括如下步驟I)地下水先后經(jīng)過至少兩次粗過濾，以截留水中的顆粒物和膠體雜質(zhì)，并進(jìn)一步過濾地下水中的不溶性雜質(zhì)；2)步驟I處理后的地下水經(jīng)過粉末活性炭吸附預(yù)處理，去除水中有機(jī)物導(dǎo)致的色度和臭味，減少對后續(xù)工藝中的有機(jī)質(zhì)對膜的沖擊；
3)步驟2處理的地下水通過納濾膜處理，以選擇性去除氟；4)步驟3處理后的地下水通過超低壓反滲透膜處理；5)步驟4處理后的地下水再經(jīng)過顆?；钚蕴课教幚?，進(jìn)一步去除水中殘留的小分子有機(jī)物而得到清水，該清水再用紫外線消毒，對清水中存留的病菌微生物進(jìn)行消毒；以及6)步驟4處理后的濃水采用石灰乳與氟離子生成的氟化鈣沉淀去除氟離子，并回流上清液至步驟I。本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)上述方法的裝置，包括有至少兩段粗過濾柱串聯(lián)為一組；第一段粗過濾柱連接地下水，第二段粗過濾柱連接膜前活性炭吸附柱；膜前活性炭吸附柱連接納濾膜組件；納濾膜組件分別連接超低壓反滲透膜組件和膜后活性炭吸附柱；膜后活性炭吸附柱連接紫外線消毒設(shè)備；超低壓反滲透膜組件分別連接膜后活性炭吸附柱和濃水處理裝置。所述的裝置，其中，粗過濾柱為至少兩組并聯(lián)使用，每一組粗過濾柱分別連接一納濾膜組件。所述的裝置，其中，納濾膜組件均連接至同一個單段超低壓反滲透膜組件。所述的裝置，其中，粗過濾柱的濾芯為聚丙稀短纖維。所述的裝置，其中，膜前活性炭吸附柱的填料為粉末活性炭，膜后活性炭吸附柱的填料為顆粒活性炭。所述的裝置，其中，納濾膜組件中納濾膜是脫鹽率為50%至70%，氟離子截留率為60%至75%的聚酰胺材質(zhì)納濾膜。所述的裝置，其中，超低壓反滲透膜組件中膜芯的數(shù)量為納濾膜組件中膜芯數(shù)量的一半。所述的裝置，其中，濃水處理裝置的上部為圓柱形、底部為圓錐形的容器；該容器的一側(cè)為濃水進(jìn)水側(cè)，另一側(cè)設(shè)有溢流堰，溢流堰低于容器最高處10-20厘米；該容器中間設(shè)有導(dǎo)流板，導(dǎo)流板一側(cè)設(shè)有攪拌器。所述的裝置，其中，采用的石灰乳含量的固水比為10%至15%。本發(fā)明的方法既能保證產(chǎn)水氟離子濃度達(dá)標(biāo)，又能保持產(chǎn)水中氟離子濃度保持在所推薦的健康范圍，此外還能廉價處理濃水和減少濃水的產(chǎn)量，以最大限度地防止二次污染。本發(fā)明的裝置可選擇性去除水中高氟，同時還可回收利用膜濃水，廣泛適用于村鎮(zhèn)地下水凈水除氟。


圖I是本發(fā)明除氟工藝流程示意圖。圖2是圖I中濃水處理箱(池)的放大俯視圖。附圖中主要組件符號說明I地下水；2進(jìn)水流量控制閥；3止回閥；4增壓泵；5納濾膜進(jìn)水流量控制閥；6第一段粗濾柱；7第二段粗濾柱；8膜前活性炭吸附柱；9納濾膜組件；10納濾膜濃水流量控制閥；11超低壓反滲透膜組件；12膜后活性炭吸附柱；13紫外線消毒設(shè)備；14濃水處理裝置； 15石灰乳添加裝置；16攪拌器；17導(dǎo)流板；18溢流堰；19排空閥；20上清液回流。
具體實施例方式本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用兩段納濾膜組件串聯(lián)為一組，并由兩組以上以并聯(lián)方式來截留氟離子，選用適當(dāng)脫鹽率的納濾膜，以達(dá)到選擇性去除氟的目的，使產(chǎn)水中氟離子濃度保持低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)的同時，可使產(chǎn)水中保留基于人體健康所需的氟離子濃度。 兩段納濾膜組件的濃水管路與單段超低壓反滲透膜組件的進(jìn)水管相連，可保證納濾膜濃水管路壓力仍能滿足超低壓反滲透膜的正常運行，這樣既發(fā)揮了反滲透膜較高截留率的優(yōu)點，對納濾膜的濃水出水進(jìn)一步除氟，又保證其產(chǎn)水中氟離子濃度不會超標(biāo)且對氟離子的適當(dāng)保留，同時可大大減少濃水的產(chǎn)量，增加產(chǎn)水總量。采用石灰乳沉淀濃水中氟離子，上清液回流至原水箱，其余部分排放，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。整個工藝包括原水箱，總閥，止回閥，膜前高壓泵，粗濾柱(兩段)，活性炭吸附柱，納濾膜組件(兩組并聯(lián))，超低壓反滲透膜組件(單組)，紫外消毒設(shè)備，濃水處理裝置，處理后濃水上清液回流等。優(yōu)選的，所述的閥門和止回閥均為不銹鋼閥。優(yōu)選的，所述的膜前高壓泵為交流變直流泵，以保持膜進(jìn)水的穩(wěn)定性。優(yōu)選的，所述的粗濾柱的濾芯采用聚丙稀短纖維材質(zhì)，廉價，主要去除原水中大顆粒物質(zhì)等不溶性物質(zhì)，可根據(jù)原水水質(zhì)情況設(shè)置2至3段。優(yōu)選的，活性炭吸附柱宜采用粉末活性炭做填料，主要去除原水中有機(jī)物(腐殖質(zhì)等)導(dǎo)致的色度和臭味，從而減少有機(jī)質(zhì)對膜的沖擊。優(yōu)選的，所述納濾膜的脫鹽率(對NaCl的去除率)在50%至70%之間，以達(dá)到選擇性去除氟的目的(對氟離子截留率約為60%至75% )。優(yōu)選的，所選納濾膜材質(zhì)為聚酰胺，延緩濃差極化的發(fā)生。優(yōu)選的，兩組納濾膜組件并聯(lián)連接，增加產(chǎn)水水量；兩組納濾膜組件均與一個單段超低壓反滲透膜組件串聯(lián)，數(shù)量比為2 1，以保持水量和壓力的平衡。優(yōu)選的，所述的納濾膜產(chǎn)水和超低壓反滲透膜產(chǎn)水匯合在同一管路。優(yōu)選的，最終膜產(chǎn)水經(jīng)膜后活性炭吸附柱(填料為顆?；钚蕴?進(jìn)一步去除可能殘留的小分子有機(jī)物，再用紫外設(shè)備進(jìn)行消毒。優(yōu)選的，濃水箱上部為圓柱形，底部為圓錐形；(池)中間設(shè)導(dǎo)流板(見圖2)，導(dǎo)流板一側(cè)設(shè)有均勻攪拌器，而另一側(cè)濃水箱(池)的邊沿設(shè)有溢流堰(低于濃水箱最高10 20厘米);水從濃水進(jìn)水測通過導(dǎo)流板流至溢流堰一側(cè)的停留時間約為30 40分鐘。優(yōu)選的，所述石灰乳含量(固水比)為10%至15%，以利于石灰乳與氟離子生成的氟化鈣沉淀；濃水池底部均設(shè)有排空閥。由于以上技術(shù)工藝方案的實施，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列優(yōu)點(I)產(chǎn)水中氟離子濃度處于飲用水安全范圍內(nèi)；(2)采用納濾膜和超低壓反滲透膜的串聯(lián)，既發(fā)揮了納濾膜的選擇性分離優(yōu)勢，又發(fā)揮反滲透膜較高截留率的優(yōu)點；(3)反滲透膜對納濾膜的濃水進(jìn)一步處理，不僅可以保證其產(chǎn)水中氟離子濃度不
5會超標(biāo)且對氟離子的適當(dāng)保留，同時可大大減少濃水的產(chǎn)量，增加產(chǎn)水總量；(4)采用經(jīng)濟(jì)性較好的石灰乳沉淀法處理除氟濃水，并將上清液回流至原水箱，很大程度上解決了濃水排放的二次污染問題。下面結(jié)合圖I、圖2和實施例，對本發(fā)明具體實施方式
做以進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不只限于這些實施例。如圖I所示的一種組合式納濾膜與超低壓反滲透膜對地下水的選擇性除氟工藝， 它包括進(jìn)水箱I，通過水管連接進(jìn)水流量控制閥2、增壓泵的止回閥3和膜前增壓泵4和納濾膜進(jìn)水流量控制閥5，將地下水打入粗濾柱，本發(fā)明的粗濾柱是由至少兩段粗濾柱6和7 串聯(lián)為一組，粗濾柱可以根據(jù)需要再串聯(lián)若干段，本實施例是以兩段粗濾柱為例；同時可以將兩組以上的粗濾柱相互并聯(lián)使用，本實施例是以并聯(lián)的兩組粗濾柱為例。每一組粗濾柱各連接一膜前活性炭吸附柱8和一納濾膜組件9，兩組納濾膜組件9的產(chǎn)水相連進(jìn)入膜后活性炭吸附柱12 ;兩組納濾膜組件9處理的濃水出水匯合后通過控制閥10共同進(jìn)入一超低壓反滲透膜組件11，利用納濾膜的余壓，反滲透膜進(jìn)行進(jìn)一步除氟，最終濃水導(dǎo)入濃水處理箱；超低壓反滲透膜組件11處理的產(chǎn)水進(jìn)入膜后活性炭吸附柱12，與納濾膜組件9的產(chǎn)水一起再通過紫外消毒裝置13進(jìn)行消毒達(dá)標(biāo)后作為安全飲用水加以收集。超低壓反滲透膜組件11處理的濃水進(jìn)入濃水處理裝置，該濃水處理裝置包括有濃水處理箱14、石灰乳添加裝置15、均勻攪拌器16、導(dǎo)流板17。濃水處理箱14為上部呈圓柱形、底部呈圓錐形的容器，該容器中間設(shè)有導(dǎo)流板17，該容器的一側(cè)為濃水進(jìn)水側(cè)，濃水進(jìn)水側(cè)設(shè)有攪拌器16，同時該容器上沿設(shè)有溢流堰18以收集沉淀后的澄清液，通過上清液回流管道20回流至地下水的進(jìn)水箱I (或一部分作為其他用途回收利用)。濃水處理箱14中的污泥通過底部的排空閥19排出。水箱I為不銹鋼材質(zhì)，防止可能的雜質(zhì)溶出。納濾膜組件和反滲透膜組件材質(zhì)均為聚酰胺材質(zhì)，這樣膜在水中會呈負(fù)電性，就有利于對氟的電荷排斥作用形成，尤其是納濾膜，可起到選擇性分離效果。濃水水箱設(shè)有攪拌器，在加入石灰乳后起均勻混合作用，有利于對氟離子的沉淀。本除氟工藝運行過程如下水箱I中含有氟超標(biāo)的地下水(飲用水水源水)，通過膜增壓泵4將原水打入兩組并聯(lián)的納濾膜組件9中，其濃水直接與單段超低壓反滲透膜組件11相連，超低壓反滲透膜利用納濾膜的余壓對納濾膜氟濃水進(jìn)行進(jìn)一步去除。納濾膜和超低壓反滲透膜的產(chǎn)水經(jīng)過紫外線消毒即可成為安全飲用水。最終膜濃水流入濃水處理水箱，通過石灰乳添加裝置加入石灰乳(濃水進(jìn)口和石灰乳添加裝置在導(dǎo)流板的同側(cè))，攪拌器以較慢的速度均勻混合，隨著濃水箱中水位的上升和導(dǎo)流板的導(dǎo)流作用，石灰乳與氟離子生成的氟化鈣逐漸沉淀在底部，而上清液從導(dǎo)流板底測流入箱(池)的另一側(cè)，上清液通過溢流堰流出，最終導(dǎo)入原水箱回收利用。實施例一采用本發(fā)明組合工藝處理氟離子超標(biāo)相對較低的地下水，假設(shè)原水氟離子濃度為2. 5mg/L。納濾膜組件的操作壓力O. 65-0. 70Mpa ;超低壓反滲透膜組件操作壓力小于 O. 55-0. 65Mpa。納濾膜對氟離子選擇性去除率約為65%，則納濾膜的產(chǎn)水和濃水中氟離子濃度分別為O. 875mg/L和7. 14mg/L ;超低壓反滲透膜對氟離子去除率約90%，則其產(chǎn)水和濃水中氟離子濃度分別為O. 714mg/L和71. 4mg/L。10%石灰乳對氟離子去除率約98%，則處理后的濃水(溢流出的澄清液)中氟離子含量為I. 43mg/L。則納濾膜產(chǎn)水與低壓反滲透膜產(chǎn)水的最終混合產(chǎn)水中氟離子濃度為O. 714-0. 875mg/L。實施例二 采用本發(fā)明組合工藝處理氟離子超標(biāo)相對較高的地下水，假設(shè)原水氟離子濃度為4. Omg/L。納濾膜組件的操作壓力O. 70-0. 75Mpa ;超低壓反滲透膜組件操作壓力小于 O. 65-0. 70Mpa。納濾膜對氟離子選擇性去除率約為75%，則納濾膜的產(chǎn)水和濃水中氟離子濃度分別為I. Omg/L和16. Omg/L ;超低壓反滲透膜對氟離子去除率約95%，則其產(chǎn)水和濃水中氟離子濃度分別為O. 8mg/L和320. Omg/L。15%石灰乳對氟離子去除率約99%，則處理后的濃水(溢流出的澄清液)中氟離子含量為3. 2mg/L。則納濾膜產(chǎn)水與低壓反滲透膜產(chǎn)水的最終混合產(chǎn)水中氟離子濃度為O. 8-1. Omg/L。由上述實例可知，本發(fā)明膜技術(shù)組合工藝對高氟地下水具有良好的選擇性去除效果，最終出水在O. 5-1. Omg/L之間，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。
權(quán)利要求
1.一種地下水組合式膜選擇性除氟方法，包括如下步驟D地下水先后經(jīng)過至少兩次粗過濾，以截留水中的顆粒物和膠體雜質(zhì)，并進(jìn)一步過濾地下水中的不溶性雜質(zhì)；2)步驟I處理后的地下水經(jīng)過粉末活性炭吸附預(yù)處理，去除水中有機(jī)物導(dǎo)致的色度和臭味，減少對后續(xù)工藝中的有機(jī)質(zhì)對I吳的沖擊；3)步驟2處理的地下水通過納濾膜處理，以選擇性去除氟；4)步驟3處理后的地下水通過超低壓反滲透膜處理；5)步驟4處理后的地下水再經(jīng)過顆?；钚蕴课教幚恚M(jìn)一步去除水中殘留的小分子有機(jī)物而得到清水，該清水再用紫外線消毒，對清水中存留的病菌微生物進(jìn)行消毒；以及6)步驟4處理后的濃水采用石灰乳與氟離子生成的氟化鈣沉淀去除氟離子，并回流上清液至步驟I。
2.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求I所述方法的裝置，包括有至少兩段粗過濾柱串聯(lián)為一組粗過濾柱；第一段粗過濾柱連接地下水，第二段粗過濾柱連接膜前活性炭吸附柱；膜前活性炭吸附柱連接納濾膜組件；納濾膜組件分別連接超低壓反滲透膜組件和膜后活性炭吸附柱；膜后活性炭吸附柱連接紫外線消毒設(shè)備；超低壓反滲透膜組件分別連接膜后活性炭吸附柱和濃水處理裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，粗過濾柱為至少兩組并聯(lián)使用，每一組粗過濾柱分別連接一納濾膜組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，納濾膜組件均連接至同一個單段超低壓反滲透膜組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其中，粗過濾柱的濾芯為聚丙稀短纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，膜前活性炭吸附柱的填料為粉末活性炭，膜后活性炭吸附柱的填料為顆?；钚蕴?。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，納濾膜組件中納濾膜是脫鹽率為50%至70%，氟離子截留率為60%至75%的聚酰胺材質(zhì)納濾膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，超低壓反滲透膜組件中膜芯的數(shù)量為納濾膜組件中膜芯數(shù)量的一半。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，濃水處理裝置的上部為圓柱形、底部為圓錐形的容器；該容器的一側(cè)為濃水進(jìn)水側(cè)，另一側(cè)設(shè)有溢流堰，溢流堰低于容器最高處10-20厘米；該容器中間設(shè)有導(dǎo)流板，導(dǎo)流板一側(cè)設(shè)有攪拌器。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，采用的石灰乳含量的固水比為10%至15%。
全文摘要
一種地下水組合式膜選擇性除氟方法1)地下水先后經(jīng)過至少兩次粗過濾；2)步驟1處理后的地下水經(jīng)過粉末活性炭吸附預(yù)處理；3)步驟2處理的地下水通過納濾膜處理；4)步驟3處理后的地下水通過超低壓反滲透膜處理；5)步驟4處理后的地下水再經(jīng)過顆?；钚蕴课教幚碓儆米贤饩€消毒；以及6)步驟4處理后的濃水采用石灰乳與氟離子生成的氟化鈣沉淀去除氟離子，并回流上清液至步驟1。本發(fā)明還公開了實現(xiàn)上述方法的裝置。
文檔編號C02F9/10GK102583854SQ201210015589
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者席北斗, 王曉偉, 霍守亮 申請人:中國環(huán)境科學(xué)研究院