专利名称：利用活性炭吸附与电化学氧化组合去除饮用水中藻毒素的工艺与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用活性炭吸附与电化学氧化组合去除饮用水中藻毒素的工艺与装置，属于水处理应用领域。该工艺与装置首先利用活性炭类吸附剂吸附去除水中藻毒素的伴随有机物，消除产生氯化副产物的先质，再利用电化学氧化直接将水中已经存在的氯离子原位转化成活性氯混合氧化剂，快速同时降解去除水中全部藻毒素，最后再利用活性炭吸附去除藻毒素的降解产物，使水质得到完全净化。
背景技术：
微囊藻毒素(MC)是由淡水蓝绿藻产生的最常见的一类缩氨酸肝毒素，它们通过抑制蛋白质磷酸酶的活性产生强烈的促肝癌作用。它们大部分存在于藻细胞内，当细胞破裂或衰老时释放进入水中，易于引起动物或家畜中毒，人类饮用含MC的水，将在肝、肾、肺等器官积累，最终导致肝溢血、肝癌等疾病。绝大多数微囊藻毒素的最小致死剂量LD50通常报道为50-500μg kg-1(mouse，i.p.)。出于对MC促肿瘤作用的考虑，世界卫生组织(WHO)推荐水中藻毒素的的最高暴露浓度不高于1.0μg/L。
藻毒素根据其存在状态不同可分为胞内藻毒素和胞外藻毒素。由于胞内藻毒素存在于藻细胞内，其去除实质上是除藻，而且和人们健康最为密切的是水中溶解态的胞外藻毒素，所以，下述藻毒素的去除均针对水中溶解态的胞外藻毒素的去除。
早在20多年前人们就开始研究探索合适的藻毒素去除方法，但许多藻毒素去除的先进技术直到最近几年才得到应用和评价。
微囊藻毒素具有特殊的缩氨酸环状结构，化学上很稳定，许多处理工艺对它们只有有限的去除率。据报道它们可以在沸水中保持许多小时；传统的絮凝沉淀水处理工艺对之无效。
活性炭吸附技术是藻毒素去除早期研究的主要着眼点，直到现在，活性炭吸附技术的一些细节问题还在研究。颗粒活性炭和粉末活性炭是水处理中去除痕量有机物常用的两类活性炭材料。颗粒活性炭常用于动态柱状反应器，粉末活性炭通常在絮凝或过滤前直接投加，常用的投加剂量范围是1～100mg/L。Falconer等人用了高达1000mg/L的活性炭投加量研究了粉末活性炭对藻毒素的去除效果，发现粉末活性炭只能去除一小部分藻毒素，要想有较高的去除率活性炭投加量至少需达到50000mg/L。许多水厂虽然花费巨资建造了颗粒活性炭滤床，但颗粒活性炭对藻毒素的吸附容量很小，藻毒素很快就可以穿透滤床，这就要求大大缩短活性炭滤床的再生周期，而活性炭滤床的再生费用又很高。总体来说，使用活性炭去除藻毒素代价高，去除效果会随着处理通量增加而减退，而且，一旦被吸附的藻毒素在某一条件下脱附，则将会产生更严重的污染。
反渗透等物理处理方法也存在成本高，处理不彻底等问题。生物处理由于反应时间往往要滞后几小时甚至几天，且操作条件较严格，限制了其广泛应用。化学处理法得到较广泛的研究。臭氧、高锰酸钾、高铁、紫外线、TiO2光催化等对去除藻毒素的效果较好，但许多细节工作还需进一步深入研究。
目前实际普遍使用的去除藻毒素的方法是加氯法。加氯法需要另外往水中投加化学物质，且水中氯气量在大于0.5mg/L的条件下也需30min甚至更长的接触反应时间。而且，加氯法还存在氯瓶的运输与存储等安全问题。
尽管人们对许多去除藻毒素的方法进行了研究，但关于利用活性炭吸附与电化学氧化组合去除饮用水中藻毒素的工艺与装置还未见报道。
发明内容
发明目的通过活性炭吸附与电化学氧化组合工艺与装置在不投加外来化学物质的条件下，直接使水中常见的氯离子原位转化成活性氯，快速、彻底、安全地去除饮用水中的藻毒素。
技术方案该工艺与装置利用活性炭吸附作为电化学氧化处理的前处理单元和后处理单元。在前处理单元，水中包括NOM在内的藻毒素伴随有机物和少量藻毒素被活性炭吸附得到去除；在中间处理单元，通过控制电流强度、反应时间等反应条件使藻毒素得到完全氧化去除；在后处理单元，藻毒素的降解产物被活性炭吸附得到去除，从而实现了对饮用水中藻毒素的快速、高效、方便、完全的氧化去除。
本发明的特点1.本发明的工艺与装置通过活性炭吸附的前处理工艺，阻止了可能消耗活性氯又可能产生氧化副产物的藻毒素伴随有机物进入电化学氧化处理单元，提高了藻毒素氧化效率，也提高了氧化的安全性。
2.本发明的工艺与装置可直接将水中已经存在的氯离子转化为活性氯氧化降解藻毒素，不必再往水中添加氯气等其它的化学物质。
3.本发明的工艺与装置通过直接调节电流强度改变活性氯的瞬时浓度，实现对饮用水中藻毒素的氧化去除，操作非常方便。
4.利用本发明的工艺与装置降解水中微囊藻毒素，带有负电的毒素分子会向氧化剂浓度高的阳极区迁移从而被快速氧化，所以氧化去除速度快，效率高，降解完全。
5.利用本装置降解水中微囊藻毒素，由于活性氯在线产生，在线使用，省去了氯的储存运输等环节，且较低电流下就可完成反应，所以运行费也较低；6.本发明的工艺与装置通过活性炭吸附的后处理，阻止了藻毒素的降解产物通过出水口进入用户，进一步提高了藻毒素处理的安全性。
7.本发明的工艺与装置由于使用电作能源，设备体积小，安装使用方便，所以可以用于水厂水源水、市政供水、野战车供水、流动人口供水、家庭饮用水等水中的藻毒素及类似有机物的去除，使用范围广，市场空间大。
本发明涉及的工艺与装置如附图所示。装置从功能上主要由活性炭前处理单元3、电化学氧化单元2、活性炭后处理单元1三大部分组成。装置从结构上由进水口12、泄水口13、配水室9、承托滤网8、活性炭填料11、阳极7、阴极6、直流电源5、阴极支撑10、出水口4组成。两个活性炭处理单元构造相同，结构上可以互换。活性炭填料11的作用在于吸附去除易被活性炭类物质吸附的非极性有机物，承托滤网8的作用在于均匀布水、固定活性炭和简单过滤。阳极7和阴极6的作用在于产生活性氧化剂。阴极支撑10的作用在于固定阴阳极的相对位置，便于安装和工作。
本发明方法具体实施步骤如下1.关闭泄水口13，打开进水口12和出水口4，使含有一定浓度藻毒素的原水按一定流量进入装置；2.打开电源5，调节极板间电流强度开始反应，电流强度范围为40～240mA；3.调节进水口12和出水口4处的阀门控制反应时间为1～10分钟。
4.在进水口12和出水口4处取样测定藻毒素的浓度。
5.使用结束后，关闭进水口12，打开泄水口13，排空余水。
实施例实施例1.对不同藻毒素浓度的原水的处理用高纯水配制含有不同浓度藻毒素的水溶液，在以下条件下进行处理藻毒素浓度MCRR 12.58、6.29、3.14mg/L，MCLR 8.29、4.15、2.07mg/L反应时间10分钟
NaCl初始浓度为1.85mmol/LpH＝7.00电流强度I＝240mA处理前后，藻毒素浓度变化如表1所示。
表1 对不同浓度藻毒素的去除
由实施例1可以看出，本发明的工艺与装置对不同浓度的藻毒素均可得到完全去除。
实施例2.不同电流强度条件对藻毒素的去除的影响用一定藻毒素浓度的原水，分别在以下条件下进行电化学处理电流强度I＝40、80、240mA藻毒素浓度MCRR 6.29mg/L，MCLR 4.15mg/L反应时间10分钟NaCl初始浓度1.85mmol/LpH＝7.00处理前后藻毒素浓度变化如表2所示。
表3 不同电流强度条件下藻毒素的去除
由实施例2可以看出，80～240mA电流强度，可完全去除藻毒素。
实施例3.不同反应时间对藻毒素的去除的影响用一定藻毒素浓度的原水，分别在以下条件下进行电化学处理反应时间1分钟，5分钟，10分钟电流强度I＝240mA藻毒素浓度MCRR 6.29mg/L，MCLR4.15mg/LNaCl初始浓度1.85mmol/LpH＝7.00
处理前后藻毒素浓度变化如表3所示。
表3 不同反应时间下藻毒素的去除
由实施例3可以看出，反应时间为5分钟以上时，藻毒素可完全去除。
权利要求
1.利用活性炭吸附与电化学氧化组合原位快速同时去除饮用水中藻毒素的工艺与装置包括，首先利用活性炭吸附去除藻毒素的伴随有机物和少量藻毒素，再利用电化学氧化直接将水中已经存在的氯离子原位转化成活性氯混合氧化剂，快速同时降解去除水中全部藻毒素，最后再利用活性炭吸附去除藻毒素的降解产物，使水质得到完全净化。
2.按照权利要求1所述工艺与装置，其特征在于该工艺与装置功能上由活性炭吸附前处理单元、电化学氧化中间处理单元和活性炭吸附后处理单元三大部分组成。
3.按照权利要求1所述工艺与装置，其特征在于利用活性炭纤维、颗粒活性炭等类似吸附吸附剂吸附作为电化学氧化的前处理工序去除天然有机物(NOM)等藻毒素的伴随有机物，使可能产生氯化副产物的有机质在氯化前被去除。
4.按照权利要求1所述工艺与装置，其特征在于利用活性炭纤维、颗粒活性炭等类似吸附吸附剂吸附作为电化学氧化的后处理工序去除藻毒素的降解产物，使藻毒素降解产物在出水口前被去除。
5.按照权利要求1所述工艺与装置，其特征在于使用形稳阳极原位产生活性氯氧化去除水中藻毒素。
6.按照权利要求1所述工艺与装置，其特征在于利用交流整流直流电源和直接利用直流电作电源通过控制电流强度、反应时间、氯离子浓度等氧化去除水中藻毒素。
7.按照权利要求1所述工艺与装置，其特征在于利用该装置去除水中不同浓度的多种藻毒素及藻毒素的伴随有机物。
8.按照权利要求1所述工艺与装置，其特征在于利用该装置去除水厂水源水、市政供水、野战车供水、流动人口供水、家庭饮用水等水中的藻毒素及藻毒素的伴随有机物。
全文摘要
本发明公开了一种利用活性炭吸附与电化学氧化组合原位快速同时去除饮用水中藻毒素的工艺与装置，属于水处理应用领域。该工艺与装置首先利用活性炭吸附去除水中的藻毒素的伴随有机物和少量藻毒素，再利用电化学氧化直接将水中已经存在的氯离子原位转化成活性氯混合氧化剂，快速同时降解去除水中全部藻毒素，最后再利用活性炭吸附去除藻毒素的降解产物，使水质得到完全净化。利用本发明的装置净化水质，不必再往水中添加氯气等其它化学物质，且操作方便，藻毒素及其它有机物去除速度快，效率高，设备一次性投资少，运行费低，使用范围广。
文档编号C02F1/28GK1629084SQ20031012138
公开日2005年6月22日 申请日期2003年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者曲久辉, 史红星, 刘会娟, 王爱民, 雷鹏举 申请人:中国科学院生态环境研究中心