活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置 一、
本发明公开了一种活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置，适用为各种性质的给排水深度净化吸附过滤工艺单元，适用于各种性质的给水和排水的深度精细净化处理工艺，可广泛的应用于各种工业有机污染废水的深度精细净化处理，使出水水质不仅能达标排放，而且也能再回用于高水质要求的生产用水，达到即节约能源资源，又同时保护环境的双重目的。
该成套装置也可广泛的应用于大型给水处理工程作为最后净化单元以去除水中的微污染物质和应用于中小给水处理工程中作为直接过滤设备。
该成套装置是现有的活性炭颗粒吸附过滤装置和高梯度磁分离过滤装置这两种技术的改进及使之有效结合的技术成果，即达到了克服这两个技术的各自缺点，又发挥了各自的优点和优越功能性能。
二、
活性炭颗粒吸附滤床被广泛地应用于给排水处理工艺中的最后一个工艺单元，但只在大型给水处理工程中发现有数座装置在正常运行，其余的全处于停废状态。
对于排水处理工程，各种化工废水经过物化加生化或生化加物化工艺处理后，水中残余的难于再降解或难于物化去除的某些有机污染物，某些重金属离子，一些致毒性物质，一些致生物突变性物质，水中易挥发的毒气，等等，活性炭颗粒滤床一般能有效吸附并加以去除，具有尚佳的效果。
但对于中小容量的水处理却不能适用。这是因为活性炭颗粒滤料，使用周期短。简单的酸浸、碱洗、蒸汽洗和真空洗脱附再生，恢复活性小，操作繁杂，运行费用高，设备投资大，反复再生几十次，一月半月就更换活性炭颗粒滤料，耗费太大，难于承受。所以中小型污水处理工程中的活性炭颗粒吸附过滤装置，只在验收时运行几天，可深度净化去除CODcr，也能去除色度，以后就当砂滤床使用，只去除水中的悬浮物而已，即不能去除CODcr，也不能去除色度了。对于大型水处理工程，可以采用活性炭再生炉技术，但投资太大，运行费用仍然太高，中小装置技术也未完全过关。
活性炭颗粒吸附过滤装置如附图1所示。它由过滤罐体101，原水泵102，进水管系103，反冲洗泵104及其出水管系105，再生系统106等所组成。
过滤罐体101为耐压封闭体，109焊接而成。上下封头107，它由上下封头107，108和简体108的中央分别开孔并焊接有进水短管110和出水短管111，罐体上部焊接有入孔112和安装有压力表113。上封头107上还安有抽真空管116，药剂投加管115及进蒸汽管117。罐体101下部焊接有罐脚118。罐体101内的下部焊接安装有滤板119，滤板上安装有许多滤头120，活性炭颗粒滤床121就置于滤板119上，滤床121深约2.5～3.5M，滤罐总高度一般为4.5～5.5M。活性炭颗粒的粒径一般为φ＝2～2.5mm，L＝4～8mm的柱体和直径为1.5～2.5mm的球型颗粒。
抽真空泵138通过阀门138A与抽真空管116相通，药剂稀释搅拌罐139通过阀门122，药剂投加泵140与药剂投加管115相连通。原水泵102的进水口通过阀门122与原水管123相连通；原水泵102出水口通过阀门124与进水三通127的一端相连通，进水三通127的另外两端分别通过输水管128与滤罐101的进水短管110相连通和与排反冲洗水管129相连通；排反冲洗水管129上安装有阀门130。反冲洗水泵104的进水口通过阀门131与吸水管132相连通，吸水管132伸入清水池中；反冲洗水泵104的出水口通过阀门133与出水三通134的一端相连通，出水三通134的另外两端分别通过出水管135与罐体101的出水短管111相连通和通过清水管136与清水池相连通，清水管136上安装有阀门137。
该装置过滤运行时，阀门122，124，137开启，阀门133，131，130关闭。抽真空管116上的阀门138A和蒸汽管117的阀门139及投药剂泵140上的阀门122均关闭。反冲洗泵103，真空泵138，投药剂泵140均不启动运行。此时原水泵102启动运行，原水通过吸水管123，原水泵102，输入管128进入滤罐101，穿过滤床121从滤罐101的出水短管111流出，再经出水管135通过清水管136流入清水池。
原水中的溶解型有机物质以分子态或离子态形式被活性炭颗粒上微孔内表面结构所吸附，同时水中的非溶解型固体物质以分子团或大分子团形式也被活性炭颗粒的外表面结构所吸附。这种吸附饱和后，出水水质变差，就停止运行。原水泵102关停，阀门122，124，137关闭，阀门133，131，130开启，反冲洗水泵104启动，清水池中清水通过反冲洗水泵104管道135，进入滤罐101的滤板119的下部，穿过滤头120穿过滤床121，由于控制适当的流速使滤床121膨胀，淘洗，使每颗活性炭颗粒吸附的非溶解性物质随水流排出滤罐101外，通过管道128和129排入到沉淀池或原水池中。这一过程约须7～10分钟。
然后再关闭阀门133，131，130，依次开启蒸汽管116的阀门139，或者抽真空管116的阀门138A或者投药剂管115的阀门140，对滤罐101内或注入高温蒸汽，或投加盐酸，氯化锌，硫酸，氢氧化钠等化学药品，或者再抽真空，这三种再生办法至少要用两种，一般三种办法都依次使用，这再生过程一般要60min至90min完成。
然后停止再生程序，关闭相应阀门，再开启反冲洗程序，开启相应阀门，反冲洗水泵104启动，又对滤罐进行一次反冲洗，这一过程约须3～5min。然后反冲洗程序又结束，关闭相应阀门。
最后过滤运行程序又开始，开启相应阀门，原水泵102启动，工作压力一般为0.25～0.35Mpa。如此周而复始。一般过滤周期为4～6小时。
仔细分析，该过滤周期特别短是因为滤料活性炭颗粒比较大，滤床空隙大，穿透深，原水中的悬浮物即非溶解性有机物无机物容易将整个滤床的颗粒外表面包裹，使其丰富的微孔内表面的吸附溶解状分子或离子的能力还未饱和，滤床就失效须要反冲洗和再生处理了。而再生不可能100％恢复活性，每次将损失活性5～10％，这样运行7～10天就须要更换活性炭颗粒滤料了。而滤料特别贵，一个处理每天100M
3/d印染废水的装置，每次更换滤料费用约0.7～0.8万元。不算滤料的更换费用，仅以处理印染废水为例，处理每M
3的电费成本和药剂成本约0.45～0.55元。如果计入更换滤料成本，则会达到2.5～3.5元/M
3。
活性炭颗粒之所以能够较好的去除原水中的溶解状污染物是因为它的基本性质所决定的：
1、活性炭颗粒。无论采用何种原料和工艺方法制造，其基本性能如下：
活性炭颗粒粒径d＝1.5～3mm，L＝4～8mm的柱体或直径为1.5～3mm的球体，其比表面积约大于500～900m
2/g，每颗粒上有10万至20万个微孔。微孔构形如树枝状，三至四级分支，布置在颗粒的0.05μm深以上表层，内核只起一个支撑作用：微孔也封闭也少有沟通。
A.微孔总比容积：约0.3～0.6cm
3/g
B.微孔孔干直径：约为0.02～0.05μm：
C.微孔一级分支孔直径：约为0.01～0.03μm；
D.微孔二级分支孔支径：约为0.002～0.015μm；
E.微孔细支孔直径：约为0.002～0.004μm；
分支及细支孔容积占总容积的50％以上，占总比表面积的90％以上。
一般微孔的弯曲长度约0.06～0.09μm，垂直深度约0.03～0.06μm。
活性炭颗粒就是利用上述微孔对气相或液相中的吸附质进行物理吸附固定。
2、活性炭颗粒的主要元素是碳，也含微量的杂质：O
2、H
+、Fe
2+、Fe
3、Ca
2+、S、Zn
2+、Al
3+等。这些杂质一般均具有反应活性，这些活性对吸附质可进行化学吸附固定。为了再生方便，这种杂质越少越好，因为这种化学吸附的解吸再生很困难。活性炭颗粒的使用寿命，即可再生的次数与这些杂质有直接关系。
由于其微孔特性决定了它的净化水质的功能，但又由于其必然少量或微量含有杂质，使得上述常规的再生办法每次都失去一些活性，最终大部分丧失。不得不更换，更换下来的滤料虽然可以送往活性炭生产厂家回收彻底再生，但运费太贵难以实施，也可就地投入到再生炉中再生，但投资太大，只有特大型水处理工程才采用就地再生。活性炭颗粒过滤装置参见《水污染防治手册》(北京市环境保护科研所编，上海科学技术出版社1989年8月出版)第361至389页。
三、
活性炭颗粒吸附原水中的溶解型有机物和无机物只是利用其深不过60nm的表层丰富的微孔结构，而表层内部只起到一个对表层的支承作用。活性炭粉末的直径一般为0.5～5μm，其60nm深的表层微孔结构性质与活性炭颗粒表层的微孔性质是一样的，1Kg活性炭粉末可以均匀涂布于1.0～1.5M
3特殊滤料颗粒表面，其表面微孔效果，就类似于1.0～1.5M
3的活性炭颗粒的效果。这就是活性炭粉末涂层的含义，每运行完一个过滤周期后，就将活性炭粉末反冲洗淘出滤床，然后就重新涂抹新的活性炭粉末，这样就克服了活性炭颗粒滤床的投资大，运行成本高，操作繁杂的缺点，保留了活性炭净化水质的功能。
然而活性炭的微孔结构对水质的净化有很大的局限性，一般活性炭吸附苯，酚类有机物及其衍生物和大分子烃类物质及杂环类大分子有机物的去除率较高，而对一些小分子如醇类，有机酸类等亲水性较强的有机物去除率较低，一般对CODcr的相对去除值只有60～80mg/l。这时如果将磁过滤技术引进到活性炭吸附过滤装置中去，就能克服活性炭吸附的局限性。
现有普通的高梯度磁分离过滤技术能耗特别高，单独去除水中的有机物运行费用也特别高，一般只局限于去除水中的铁离子和铁分子，其工作原理图如附图2所示。高梯度磁分离过滤装置150由机壳151，励磁线圈152，匚型磁回路铁块153等所组成。机壳151为管型，其上部有一个出水短管154，下部有一个进水短管155，励磁线圈152安装在机壳151之外表，励磁线圈152外部被匚型磁回路铁块153所紧紧包围，机壳151内与匚型磁回路铁块153相对应处安装有两块多孔铁质性滤板156，在滤板156之间装填有滤床介质157，滤床介质157是不锈铁细毛丝，其直径约1～3μm，松蓬随意缠绕着，滤板156也是不锈铁材料做成，即导磁，又不生锈。参见《水污染防治手册》(北京市环境保护科研所编，上海科学技术出版社1989年8月出版)第352至360页。
运行时，励磁线圈152通电，磁力线穿过不锈钢细毛丝157，原水由进水短管155进入，通过多孔滤板156穿过磁化了的滤床介质157，水中的铁质性物质就被截留下来，清水再通过另一个铁质滤板156从出水短管流出。如果要去除原水中的溶解和非溶解型有机污染物质，只须在原水中投加具有吸附作用的磁铁粉末即可，有机物随着在磁铁粉上一起被截留，水质得到净化。
当滤床截留达到饱和时，就对励磁线圈152停电，进行反向冲洗即可，磁铁粉再回收使用。然后在进行下一个周期，周而复始。
原水中的有机物之所以能在这种情况下被磁铁粉吸附，是因为水分子在强磁场下发生了物化性质的变化，其H-O-H之间的夹角得到暂时的细微的改变，变得稍稍大于原先的角度，其极性就相应减弱，而大部分水中的溶解型有机物因为这个极性的变小而溶解度变小，亲水性变弱，就容易被磁铁粉末吸附而从水中分离出来，这就是磁激化净水原理。
这种磁过滤装置对铁质污染去除率达100％，对有机物污染去除率达60～80％。其处理含铁废水成本约0.5～0.65元/M
3，而处理有机废水成本约1.5～2.5元/M
3。
这种磁过滤装置容量小，一般污水处理工程中要多组装置并联运行，投资较大。特别是处理有机废水时，操作管理非常复杂，辅助设备较多。
这种磁过滤装置的能耗特高是因为磁力线回路中只有一小段穿过滤床介质157，其余为铁质滤板156和匚型磁回路铁块153，其无用功大于有用功。
本发明活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置也利用了磁场改变水分子极性，使之变小，使有机物溶解度变小，亲水性变弱的原理，并与上述的活性炭粉末涂层过滤原理结合起来，形成一种新型的活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置，可以完全克服普通活性炭颗粒滤床和普通磁过滤装置的缺点，而又能发挥各自的净化功能，其基本结构如附图3和附图4所示：
该成套装置由磁滤罐201，活性炭粉末涂布系统301，反冲洗系统401，电控励磁系统501，进出水管系统601等所组成。
磁滤罐201由罐体202，滤板203，滤板支架204，活性炭粉末涂布管302，电励磁线圈支架502，滤床205等所组成。
罐体202由上封头2021，下封头2022和简体2023焊接为一个长筒形封闭罐体；下封头2022下安装有三个或四个罐脚2024；下封头的中央开孔并向外焊有一个出水短管2025，向内焊有一个下挡水板2033；上封头2021上安装有安全阀2026，吊耳2027；上封头2021的中央开孔并向外焊接有一个进原水短管2028，向内焊接有一个上挡水板2029；简体2023上部安装有一个人孔2030；在简体2023上部开一小孔安装有滤前压力信号表2031；在下封头外侧，滤板203的下方也开一小孔安装有滤后压力信号表2032。
在罐体202的内部下方，在简体2023与下封头2022的联接处焊接安装有滤板203；在滤板203与下封头2022之间安装有滤板支架204；滤板203之上安装有约每平方米60～80个气水反冲洗长柄滤头2034；滤板的上方约800～900mm处安装有励磁线圈支承架502；在励磁线圈支承架502的上方和下方约100～120mm处分别安装有一组活性炭粉末多孔涂布管302；在滤板203之上装填有深约1400～1600mm的滤床205；滤床205的底部承托层2051约200～250mm深，该滤床的滤料一般是人工陶瓷磁性滤料，或天然磁性矿物滤料。
活性炭粉末涂布系统301由活性炭粉末稀释搅拌罐303，活性炭粉末水浆投加泵304，活性炭粉末水浆投加管312，阀门310，311，活性炭粉末涂布管302等所组成。
活性炭粉末稀释搅拌罐303上安装有一台减速搅拌机307，一根进自来水管306；活性炭粉末稀释搅拌罐303的上部为敞开式，下部为平底封闭，在底部侧面开孔并焊有一个排渣短管308，和一根出料短管309；出料短管309通过阀门310与活性炭粉末水浆投加泵304的进口相连接；活性炭粉末水浆投加泵304的出口通过管道312和阀门311与安装在磁滤罐201内的活性炭粉末多孔涂布管302相连接。
反冲洗系统401由反冲洗水泵402，射流泵403，射流泵控制阀408，反冲洗吸水管404，反冲洗干管405，反冲洗进水阀406，反冲洗出水阀407等所组成。
进出水管系601由原水泵602，吸水管603，进出水阀门604、605，输水干管606，进水三通607，反冲洗排水管608，排水控制阀609，出罐管611，出水三通612，清水干管613及控制阀门614等所组成。
反冲洗水泵402的出口通过阀门408与射流泵403相连通，射流泵403再通过阀门407和管道405与出水三通612的一端相连通，出水三通612的另两端分别通过阀门614与进清水池的管道613相连通；和通过出罐管611与磁滤罐201的出水短管2025相连通。
原水泵602的进水口通过阀门604与吸水管603相连通，原水泵602的出水口通过阀门605与进水三通607的一端相连通，进水三通607的另外两端分别通过输水干管606与磁滤罐201的进水短管2028相连通和与反冲洗排水管608相连通；反冲洗排水管608之上安装有阀门609。
电控励磁系统501由电控箱503，变压整流柜505，励磁线圈506，励磁线圈支承架502，交流电缆507，直流电缆508等所组成；若干个励磁线圈506安装在磁滤罐201内的励磁线圈支承架502上，每个励磁线圈506之间间距约150～300ram，直流电缆508穿过用不锈钢做成的励磁线圈支承架502将变压整流柜505和励磁线圈506相连接，变压整流柜505通过交流电缆507与电控箱503相连接；直流电缆508穿过励磁线圈支承架502的端部安装有密封器509。
四
该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置运行分为三个阶段：1、活性炭粉末涂层阶段，2、过滤阶段，3、反冲洗阶段。
1、活性炭粉末涂层阶段：
阀门604，605，609，406，407，408关闭，阀门310，311开启，将少量活性炭粉末投入到活性炭稀释搅拌罐303中，罐303中装满自来水，搅拌稀释均匀后，启动活性炭粉末水浆投加泵304，活性炭粉水浆(浓度约为03～0.5％)通过管道312，阀门311，活性炭粉末多孔涂布管302进入滤床205中，穿过滤床205，穿过滤头2034，出水短管2025，经出水管611和613流入清水池，在其穿过滤床205时，活性炭粉水浆中的粉末被滤床205均匀截留，被每一颗磁性滤料表面吸附，形成了一层活性炭涂抹层。这一过程约7～10min时间完成。在这一过程中，根据原水水质的特性，还可以在活性炭粉末中按一定比例混合其他对净化有补充作用的粉末。比如：改性膨润土粉末，改性太白土粉末，改性硅藻土粉末，改性活性炭粉末，天然浮石粉末，人造分子筛粉末等等。
2、运行阶段：
关闭阀门310，311，停止活性炭粉投加泵304运行。开启阀门604，605；启动变压整流柜505为励磁线圈506通直流电；启动原水泵602。
原水由吸水管603经阀门604进原水泵602，再经阀门605，进入三通607，输水管606，由进水短管2028进入磁滤罐201，穿过滤床205，穿过滤头，从出水短管2025流出，经出水管611，出水三通612，再经阀门614，清水管163流入清水池。
当原水经过滤床205时，滤床分为三个区域，首先穿过保护区，该区没有活性炭粉末涂层也没有磁场激化功能，只是普通滤床，该区域约300～400mm深，在此区域截留去除水中的非溶解状污染物质，将悬浮物.浊度由40mg/l降为2mg/l；滤床中部为第二区域，该区域内即有活性炭粉末涂层又有磁场激化功能，经过第一区域基本去除了悬浮物的水体在经过此区域时，这区域约400～500mm深，将溶解的污染物质去除70～80％，这一区域约400～500mm，SS由2mg/l降为0.5mg/l。
最后穿过滤床下部的保证区域，这一区域约500～700mm，这区域只有活性炭粉末涂层，没有磁场。原水中遗漏残余的污染物质在这区域基本去除干净。
这一过滤吸附阶段一般可以运行36～48小时，出水水质就开始有所下降，但仍然非常洁净。
在过滤初期，滤前压力信号将为0.10～0.12Mpa，运行24小时后将达到0.20～0.22Mpa，36小时后将达到0.26～0.28Mpa；当运行到24小时，就应该反冲洗了，因为出水水质虽然很好，但流量已经有所下降了，因为滤床截污太多，阻力已很大。
其工作压力为0.10～0.22Mpa，滤速为9.5～12M
3/h。截污能力：对SS为16kg/M
3滤床，对溶解有机物为3.5kg/M
3滤床。
3、反冲洗阶段：
关闭阀门604，605，614，变压整流柜505断电，励磁线圈506停止励磁，开启阀门406，407，408，609，启动反冲洗泵402，反冲洗泵402通过吸水管404抽吸清水池清水，加压输入射流泵403，射流泵403内产生负压从吸气口409吸入空气，气水在喉管410内混合，从放大管411压出经阀门407，出水三通612，由出水短管2025进入磁滤罐201，再经气水反冲洗滤头2034均匀分布空气和水，进入滤床205，使滤床翻腾，淘洗，滤料表面涂抹的活性炭粉末及各种污染物质随反冲洗水经进水短管2028，输水管606，进水三通607，排反冲洗水管608，阀门609，排入地沟。这一过程约须6～8min时间，耗水量占产水量的2.5～3.5％。反冲洗最后回到调节池或预淀池，易于用其他工艺设备装置达到固液分离。
然后又进行活性炭粉末涂层阶段，如此周而复始。
该装置的特点是操作简便，一个日处理360M
3/d印染废水的该装置每天只须消耗2.5～3.5kg活性炭粉末，活性炭粉末以5.5元/kg计价，每吨水耗0.045～0.064元人民币，过滤耗电和反冲洗耗电共约0.14～0.96度，励磁耗电0.05度，以电价0.9元/度计，每吨水耗电费0.189元。直接成本为0.064+0.189＝0.253元/M
3。这比普通活性炭颗粒滤床要低70％，比普通磁过滤低90％。而出水水质比普通活性炭颗粒滤床高40～50％，比普通磁过滤高30～40％。这种活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置可以使各种污水处理都能够达到工业自来水回用的目的。
五
该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置，不仅仅是常规活性炭吸附过滤技术与高梯度磁分离过滤技术的叠加，它分别与活性炭颗粒吸附滤床(及高梯度磁分离过滤装置)有如下实质性区别：
1.该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置所使用的活性炭是粉末，不是活性炭颗粒，一次性使用，用量微少。普通活性炭滤床使用的是活性炭颗粒不是活性炭粉末，多次使用不断再生，高梯度磁分离过滤装置中没有活性炭。
2.该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置的滤罐内装有大量的磁性颗粒滤料，粒径约为0.5～1.0mm。
而普通活性炭滤床内没有磁性颗粒滤料，而是石英砂或锰砂等颗粒滤料。
高梯度磁分离装置中只装有不锈铁毛丝，直径为0.01mm，长度20～50mm，没有颗粒滤料。
3.该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置的滤罐内的滤床中安装有电励磁线圈。
普通活性炭滤床中没有电励磁装置。
而高梯度磁分离过滤装置则将励磁线圈安装在滤床之外，即安装在机壳外。
由于这三个实质性区别，使他们的技术性能和经济指标有极大的区别。其区别如表一所示。
六
综上所述，该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置具有极大的实用性，新款性和创造性。其设计例如下：
处理260M
3/d印染废水的该装置，其直径φ＝1200mm.，高度＝4000mm，滤床深度＝1600mm。活性炭涂布管以上的保护层滤床深度为500mm。活性炭粉末涂层区滤床深度为900mm，其中磁场激化区滤床深度350mm。承托层200mm。励磁线圈22个，每个功率60W，总励磁功率1320W。
滤料为磁性陶瓷滤料，粒径为0.5～0.75mm。
原水泵为ISG-50-125(Q＝11M
3/h，H＝16m，W＝1.1kw)
反冲洗泵为ISG-4-160(I)(Q＝16.3M
3/h，H＝30m，W＝3kw)
活性炭粉末稀释罐直径φ＝1200mm，H＝1200mm.，减速机为WBLD59-750，功率为750w。
活性炭粉浆投加泵为ISG-25-125A(Q＝3.6M
3/h，H＝16m，W＝0.55kw)
射流泵为4Q-25。
活性炭粉浆投加管道Dg＝40mm。
其他管道φ＝100mm。
变压整流柜功率容量＝2000VA。
其他管道阀门、电控等均按国家有关标准和规范设定。
附图说明：
附图1，普通活性炭颗粒滤床工艺原理系统图。
附图2，高梯度磁分离过滤器工艺原理图。
附图3，磁滤罐工艺原理总图，也是说明书摘要附图。
附图4，活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置工艺原理系统图。
由上述可知：该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置中的励磁线圈不运行，或者不安装励磁线圈及变压整流柜等，仅仅只是活性炭粉末涂层过滤装置运行，也能达到类似于活性炭颗粒滤床装置一样的水质净化效果，并克服了普通活性炭颗粒滤床的一部分不足，但也有改进，显然这种方式是该活性炭粉末涂层精细净化磁滤成套装置的一种简化，也属于本专利申请保护的范围。
同理，不采用活性炭粉末涂层，仅采用该申请中的磁滤装置也对高梯度磁分离过滤装置有所改进，单独使用也能取得一定节能效果，也属于本专利申请保护的范围。
附表
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