一种用于去除地下水中氟离子的设备及方法

摘要

本发明提供了一种用于去除地下水中氟离子的设备，包括进水装置（1）、反应装置（2）、超滤装置（3）和曝气装置（4），所述进水装置（1）设于反应装置（2）上，所述进水装置（1）上设有物料投加装置，所述超滤装置（3）设于反应装置（2）内，所述曝气装置（4）设于反应装置（2）底部并通过曝气装置（4）上的曝气孔（16）曝气，所述超滤装置（3）上设有出水管（5），所述出水管（5）上设有第一水泵（6）。本发明还提供了一种利用该除氟设备除氟的方法。该用于去除地下水中氟离子的设备，结构简单、使用方便、成本低廉，除氟效果好、出水水质高。

权利要求

1.一种用于去除地下水中氟离子的设备，其特征在于：包括进水装置（1）、反应装置（2）、超滤装置（3）和曝气装置（4），所述进水装置（1）设于反应装置（2）上，所述进水装置（1）上设有物料投加装置，所述超滤装置（3）设于反应装置（2）内，所述曝气装置（4）设于反应装置（2）底部并通过曝气装置（4）上的曝气孔（16）曝气，所述超滤装置（3）上设有出水管（5），所述出水管（5）上设有第一水泵（6）；所述物料投加装置包括铝盐投加装置（7）、粉状羟基磷灰石投加装置（8）、酸液投加装置（9）和碱液投加装置（10）。

2.根据权利要求1所述的一种用于去除地下水中氟离子的设备，其特征在于：还包括次氯酸投加装置（11），所述次氯酸投加装置（11）设于反应装置（2）上；还包括废液排放口（17），所述废液排放口（17）设于反应装置（2）下部。

3.根据权利要求1所述的一种用于去除地下水中氟离子的设备，其特征在于：所述进水装置（1）包括两端开口的进水管（12）以及依次设于进水管（12）上的第二水泵（13）、物料投加装置和管式混合器（14）。

4.根据权利要求1所述的一种用于去除地下水中氟离子的设备，其特征在于：所述超滤装置（3）为浸没式超滤膜，所述超滤装置截留分子的分子量小于或等于10KDa，且超滤装2

置膜通量为50L/m·h以下。

5.根据权利要求1所述的一种用于去除地下水中氟离子的设备，其特征在于：所述曝气装置（4）为辐射状布置的穿孔管，所述穿孔管的孔径为3-4mm；所述曝气孔（16）为一组曝气孔，并设于穿孔管底部，其数量由中心向四周递减。

6.根据权利要求1所述的一种用于去除地下水中氟离子的设备，其特征在于：还包括穿孔导流板（15），所述穿孔导流板（15）设于反应装置（2）内，所述超滤装置（3）设于穿孔导流板（15）内。

7.一种利用权利要求1至6任一项所述的用于去除地下水中氟离子的设备除氟的方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）利用物料投加装置分别投加铝盐和粉状羟基磷灰石、以及用于调节pH的酸液或碱液进入进水管内，同时将地下水泵入进水管内，在地下水的推动下酸液或碱液、铝盐和粉状羟基磷灰石在管式混合器内混匀得混合物并进入反应装置内；

（2）混合物在反应装置内完成除氟反应过程，同时利用曝气装置曝气，监控混合物pH并利用物料投加装置补充投加酸液或碱液调pH，同时利用物料投加装置加入次氯酸，得反应液；

（3）反应器内的反应液经超滤装置过滤后即得除氟后地下水。

8.根据权利要求7所述的一种用于去除地下水中氟离子的设备除氟的方法，其特征在于：步骤（1）中，铝盐、粉状羟基磷灰石的质量比为1：（2-5），所述铝盐的投加量为每升地下水投入10-50mg，pH为6.5-7.0。

9.根据权利要求7所述的一种用于去除地下水中氟离子的设备除氟的方法，其特征在于：步骤（2）中，pH为6.5-7.0，次氯酸投加量为每升地下水投入0.3-2.0mg；反应装置中水力停留时间为10-30min。

说明书

一种用于去除地下水中氟离子的设备及方法

技术领域

[0001] 本发明属于地下水净化领域，特别涉及一种用于去除地下水中氟离子的设备，还涉及利用该装置除氟离子的方法。

背景技术

[0002] 中国的地下水污染状况复杂，除上海市外，全国各省均存在地下水污染问题，涉及人口近亿人。特别是摄入饮用水中的氟后导致的氟中毒，是世界范围内的严重问题。

[0003] 现有地下水除氟技术主要包括混凝沉降法、活性氧化铝吸附法、电渗析法、反渗透法、离子交换法、吸附法、骨炭吸附以及沸石除氟法等，但在实际应用过程中各种技术均存在一定的问题，使其推广应用存在一定的困难。CN200510013656.8公开了一种铝盐混凝微滤联合除氟方法，即将混凝剂、碱液混合投加形成絮体去除氟离子后利用微滤膜分离絮体。然而该方法在应用中去除氟离子需要的铝盐混凝剂的量非常大，因此不仅铝离子去除困难并导致成本增加，同时出水中铝离子含量超标的几率很大，此外由于高氟水中的pH较高，碱液的投加不利于混凝剂的水解及氟离子的去除。

[0004] 羟基磷灰石为近期被用于地下水除氟的一种效果良好的新材料，由于材料本身没有毒害作用受到广泛关注。羟基磷灰石的形式包括粉状料和球形颗粒状滤料，并在一些实际工程中得到应用。然而，如何充分利用羟基磷灰石的吸附容量成为制约其推广应用的瓶颈之一。CN201210102971公开了一种地下水除氟装置及方法，即将粉状羟基磷灰石、混凝剂混合使用通过两者形成的絮体构建澄清单元，实现了粉状羟基磷灰石的回收利用，同时显著减少了混凝剂的使用量，降低了出水中铝离子超标的几率。然而，该方法为降低铝离子超标的几率，除氟过程中pH需控制在7.6±0.2左右，而在此pH值范围并非粉状羟基磷灰石的最佳除氟pH范围，造成系统除氟效率较低，成本增高。此外，采用了上向流过滤作为控制出水悬浮物的屏障，从而需要严格控制装置进水的流量以确保出水悬浮物满足出水水质要求。

发明内容

[0005] 发明目的：本发明的第一目的是提供一种铝盐使用量少、除氟效率高的用于去除地下水中氟离子的设备。

[0006] 本发明的第二目的是提供一种利用该装置有效除氟的方法。

[0007] 技术方案：本发明提供的用于去除地下水中氟离子的设备，包括进水装置、反应装置、超滤装置和曝气装置，所述进水装置设于反应装置上，所述进水装置上设有物料投加装置，所述超滤装置设于反应装置内，所述曝气装置设于反应装置底部并通过曝气装置上的曝气孔曝气，所述超滤装置上设有出水管，所述出水管上设有第一水泵。

[0008] 其中，所述物料投加装置包括铝盐投加装置、粉状羟基磷灰石投加装置、酸液投加装置和碱液投加装置；各种物料投加采用不同的投加装置，避免物料之间互相污染导致条件控制不准确。

[0009] 作为本发明用于去除地下水中氟离子的设备的一种改进，还包括次氯酸投加装置，所述次氯酸投加装置设于反应装置上。

[0010] 作为本发明用于去除地下水中氟离子的设备的另一种改进，所述进水装置包括两端开口的进水管以及依次设于进水管上的水泵、物料投加装置和管式混合器。

[0011] 作为本发明用于去除地下水中氟离子的设备的另一种改进，所述超滤装置为浸没式超滤膜，所述超滤装置截留分子的分子量小于或等于10KDa，且超滤装置膜通量小于2
50L/m.h。

[0012] 作为本发明用于去除地下水中氟离子的设备的另一种改进，所述曝气装置为辐射状布置的穿孔管，所述穿孔管的孔径为3-4mm；所述曝气孔为一组曝气孔，并设于穿孔管底部，其数量由中心向四周递减。

[0013] 作为本发明用于去除地下水中氟离子的设备的另一种改进，还包括穿孔导流板，所述穿孔导流板设于反应装置内，所述超滤装置设于穿孔导流板内。

[0014] 本发明还提供了一种利用上述地下水除氟装置除氟的方法，包括以下步骤：

[0015] （1）利用物料投加装置分别投加铝盐、粉状羟基磷灰石以及用于调节pH的酸液或碱液进入进水管内，同时将地下水泵入进水管内，在地下水的推动下酸液或碱液、铝盐和粉状羟基磷灰石、在管式混合器内混匀得混合物并进入反应装置内；

[0016] （2）混合物在反应装置内完成除氟反应过程，主要为铝盐和地下水中的氟离子在反应装置内发生络合反应以及粉状羟基磷灰石吸附氟离子；从而一方面使达到反应装置混合搅拌搅拌的效果使反应更迅速，同时由于曝气孔的数量由内向外递减达到不同位置曝气强度不同的效果，从而促使水流在反应装置内形成环流；监控混合物pH并利用物料投加装置加入酸液或碱液调pH，同时利用物料投加装置加入次氯酸，以利于超滤装置的稳定运行并维持处理后水的持续消毒效果；得反应液；

[0017] （3）反应液经超滤装置超滤即得除氟后地下水。

[0018] 其中，步骤（1）中，铝盐、粉状羟基磷灰石的质量比为1：（2-5），所述铝盐的投加量为每升地下水投入10-50mg/L，pH为6.5-7.0。

[0019] 其中，步骤（2）中，pH为6.5-7.0，次氯酸投加量为每升地下水投入0.3-2.0mg，反应装置中水力停留时间为10-30min。

[0020] 步骤（3）中，超滤装置截留分子的分子量小于或等于10KDa，且超滤装置膜通量小2
于50L/m.h。

[0021] 有益效果：本发明提供的用于去除地下水中氟离子的设备，结构简单、使用方便、成本低廉，除氟效果好、出水水质高。

[0022] 本发明通过将铝盐和粉状羟基磷灰石组合，从而显著提高了氟离子的去除效率，同时显著降低了铝盐的使用量，从降低了出水中铝离子超标的风险，降低了除氟成本。同时，本发明通过超滤膜的截留作用将铝盐水解产物、粉状羟基磷灰石截留在反应装置内，从而实现了粉状羟基磷灰石的回收利用，充分利用了其除氟容量。此外，本发明通过铝盐和粉状羟基磷灰石的使用量上的比例优化，改变了单独粉状羟基磷灰石在水中呈现的乳状的状态，而代之以絮状的松散状态，有利于后续超滤装置的正常稳定运行。

[0023] 本发明通过引入酸液投加系统，将除氟过程中的pH值控制在粉状羟基磷灰石除氟的最佳pH范围6.5-7.0，从而提高了除氟效率，降低了运行成本，并为后续次氯酸消毒过程提供了有利条件。

[0024] 本发明通过设置超滤装置，有效改善了处理出水水质。超滤装置的使用不仅局限于去除水中的悬浮物，更重要的是去除了微滤所不能有效控制的微生物指标，此外还对铝离子有较好的去除效果，降低了出水中铝离子超标的风险。

[0025] 本发明通过设置曝气系统，不仅可用于反应装置内的搅拌，同时可维持反应装置内水流向特定方向流动，从而使反应装置内流态接近于推移流，显著改善处理效果。

[0026] 本发明通过设置次氯酸投加系统，不仅可保证消毒效果、维持管网余氯的需求；同时有利于超滤装置的正常运行，降低超滤装置运行时的跨膜压差，增大其反冲周期。

[0027] 本发明针对出水中铝离子的控制采用了三重保证措施：通过铝盐使用量的降低从根本上降低铝离子超标的风险；通过超滤膜的设置显著改善铝离子在工艺中的去除效果；通过设置碱液及酸液投加系统调节水的pH值来确保出水中的铝离子在国家标准限值以内。

[0028] 本发明所涉及的装置通过曝气装置中曝气量的调节维持反应池内水流按照一定的方向流动，从而接近于推移流，强化除氟效果。

[0029] 本发明提供的除氟方法工艺简单、除氟效果好、出水水质高。

附图说明

[0030] 图1为本发明的用于去除地下水中氟离子的设备的结构示意图。

[0031] 图2为本发明的用于去除地下水中氟离子的设备的俯视结构示意图。

[0032] 图3为穿孔管的结构示意图。

[0033] 图4为曝气装置的结构示意图。

[0034] 其中，附图标记分别为：1为进水装置、2为反应装置、3为超滤装置、4为曝气装置、5为出水管、6为第一水泵、7为铝盐投加装置、8为粉状羟基磷灰石投加装置、9为酸液投加装置、10为碱液投加装置、11为次氯酸投加装置、12为进水管、13为第二水泵、14为管式混合器、15为穿孔导流板、16为曝气孔、17为废液排放口、18为配气干管、19为配气支管。

具体实施方式

[0035] 根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

[0036] 实施例1

[0037] 用于去除地下水中氟离子的设备，见图1至图3，包括进水装置1、反应装置2、超滤装置3和曝气装置4，进水装置1设于反应装置2上，进水装置1上设有物料投加装置，超滤装置3设于反应装置2内，曝气装置4设于反应装置2底部并通过曝气装置4上的曝气孔16曝气，超滤装置3上设有出水管5，出水管5上设有第一水泵6；反应装置2上还设有次氯酸投加装置11；反应装置2内还设有穿孔导流板15，超滤装置3设于穿孔导流板15内；
反应装置2侧壁下部设有废液排放口17，超滤膜反洗水、废液通过废液排放口17排出装置外。

[0038] 进水装置1包括两端开口的进水管12以及依次设于进水管12上的水泵13、物料投加装置和管式混合器14；本发明中，进水装置1的数量为两个，相对设于反应装置2上；可选地，进水装置也可以任意合理的数量，优选地，为1至6个，均匀设置于反应装置2上。

[0039] 物料投加装置包括铝盐投加装置7、粉状羟基磷灰石投加装置8、酸液投加装置9和碱液投加装置10。

[0040] 超滤装置3为浸没式超滤膜，超滤装置截留分子的分子量小于或等于10KDa，且超2
滤装置膜通量小于50L/m.h。

[0041] 曝气装置4为辐射状布置的穿孔管，由配气干管18和配气支管19组成，穿孔管的孔径为3-4mm；曝气孔16为一组曝气孔，并设于穿孔管底部，其数量由中心向四周递减。

[0042] 本发明中，反应装置2为圆筒形，可选地，反应装置2也可以为任意合理的形状，如圆筒形、长方体形、正方体形等。

[0043] 实施例2

[0044] 利用用于去除地下水中氟离子的设备除氟，步骤如下：

[0045] （1）利用物料投加装置分别投加铝盐、粉状羟基磷灰石以及用于调节pH的酸液或碱液进入进水管内，同时将地下水泵入进水管内，在地下水的推动下酸液或碱液、铝盐和粉状羟基磷灰石、在管式混合器内混匀得混合物并进入反应装置内；

[0046] （2）混合物在反应装置内完成除氟反应过程，主要为铝盐和地下水中的氟离子在反应装置内发生络合反应以及粉状羟基磷灰石吸附氟离子；从而一方面使达到反应装置混合搅拌搅拌的效果使反应更迅速，同时由于曝气孔的数量由内向外递减达到不同位置曝气强度不同的效果，从而促使水流在反应装置内形成环流；监控混合物pH并利用物料投加装置加入酸液或碱液调pH，同时利用物料投加装置加入次氯酸，以利于超滤装置的稳定运行并维持处理后水的持续消毒效果；得反应液；

[0047] （3）反应液经超滤装置超滤即得除氟后地下水。

[0048] 除氟时，铝盐、粉状羟基磷灰石经管式混合器和地下水快速混合后，在反应装置内完成铝盐水解，并依靠铝盐水解产物及粉状羟基磷灰石的混合物持续完成除氟过程，利用超滤装置将铝盐水解产物及粉状羟基磷灰石从水中分离，同时截留部分呈溶解态的铝离子，在超滤膜过滤过程中为保障系统正常运行及维持管网中的余氯，适当投加少量次氯酸溶液。

[0049] 利用实施例1的用于去除地下水中氟离子的设备除氟，采用不同工艺参数除氟，进出水情况见表1。

[0050] 表1地下水除氟设备的进出水水质情况

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