专利名称：一种饮用水中氟和有机物的处理方法及其电絮凝装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种饮用水处理的工艺和装置，特别是涉及一种饮用水除氟和有机物的工艺和装置。
背景技术：
氟化物广泛存在于自然界中，天然水中氟化物含量一般为0.2～0.5mg/L。一些流经含氟矿层的地下水可达2～5mg/L或更高。长期饮用含氟量较高的水，会引起慢性氟中毒，特别是对牙齿和骨骼产生严重危害，造成氟斑牙、氟骨症等病症。氟斑牙的症状主要表现为牙釉质损坏，牙齿过早脱落等。国内的调查资料表明，在一般情况下，饮用含氟量0.5～1.0mg/L的水，氟斑牙患病率为10％～30％，多数为轻度斑釉，饮用含氟量1.0～1.5mg/L的水，多数地区氟斑牙患病率为45％以上，且中、重度患者明显增多。当饮用水中含氟量超过1.5mg/L时，氟斑牙患病率更高且症状更加明显。饮水中含有高浓度氟化物还可引起氟骨症，在印度、中国、南非等国家均有报道。氟骨症主要症状表现为骨关节痛疼，重者甚至发生骨骼变形，出现弯腰驼背等，完全丧失了劳动能力。因此我国生活饮用水卫生标准GB5749-85中规定饮用水中氟的浓度不得超过1.0mg/L。
我国有相当部分地区的饮用水中含氟量超标，饮用这样的饮用水给当地居民的身体健康带来了极大的危害。因此产生了许多饮用水除氟设备，对改善高氟水地区的人们生活饮用水问题，起到了一定的作用。但是，由于目前国内外除氟方法主要采用吸附过滤法、电渗析法、化学混凝法等传统方法，这些方法都存在着一定的局限性。例如混凝沉淀法存在着投药量大，不易实现压力式操作的缺点；吸附法不便于运行操作和运行管理；而离子交换树脂、电渗析和反渗透等方法则存在着处理水量小和运行费用高的缺点。由于饮用水含氟量超标多发生在农村地区，特别是经济条件较差的偏远地区，因此，对于以往的饮用水除氟技术，这些地区要么由于技术费用太高而无法采纳，要么由于设备操作复杂而致使设备最终不能正常运转甚至失效。这就使得我国大部分高氟水区的人民群众的身体健康依然受到饮用水中氟含量超标的威胁。由于中国农村受高氟水影响的人口达到了6300多万，因此，国家把解决高氟水的问题放在了解决农村饮水安全问题的首要位置。
目前国内饮用水的除氟方法主要有如下几种①混凝沉淀法混凝沉淀法采用的混凝剂，多为铝盐，通过把铝盐投加到水中，生成氢氧化铝絮状矾花，在电荷的作用下，吸附氟离子，絮状矾花下沉后，连同吸附的氟沉到底部，以达到降低水中氟含量的目的。该方法的特点是水中氟含量越高，吸附容量越大。因此要想把水中氟含量降低到饮用水标准以下，必须使用大量的混凝剂，例如，如果要从饮用水中去除1kg的氟，则需要140～170kg的Al2(SO4)3·18H2O或者60～80kg的Al2(SO4)3，其结果是造成出水pH偏低，硫酸根含量明显增加，污泥产生量过多，而且除氟效果不稳定，该方法目前已经不多用。②电渗析法除氟电渗析器是由多层阴、阳离子膜交互排列而成。在电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对水中离子选择性的通过，水分成浓水和淡水，在水的淡化过程中，可供饮用水的淡水阴阳离子同时减少，氟含量也相应降低。电渗析法除氟适用于含氟量在3mg/L以下的饮用水。由于在除氟的同时水中其它的离子也被去除，因此这种方法除氟耗电量大，并且浓水不能使用，水的浪费也较大。③活性氧化铝除氟活性氧化铝是一种多孔性无机阴离子交换剂，具有较大的比表面积。与其它方法相比较，利用活性氧化铝除氟处理效果比较稳定，是目前使用得比较多的一种方法，但是活性氧化铝的吸附容量有限，当水中的氟含量较高时(大于2mg/L)，该方法具有活性氧化铝使用量大、再生频繁的问题，同时活性氧化铝的除氟容量受水中pH值的影响较大，在低pH值的条件下处理效果高；在高pH值的条件下，处理效果明显下降。由于需要调节pH值和频繁再生，致使活性氧化铝方法的运行操作和运行管理都比较复杂，以上因素大大制约了该方法的实际应用。
总之，利用化学方法除氟需要投加化学絮凝剂，不仅投加量大，费用高，而且增加了水中钾、硫酸盐、氯化物等的含量，使水质味道变差，效果不理想。而使用活性氧化铝、骨碳、树脂等吸附的方法，效果虽好，但吸附容量有限，需要再生活化工序，要用多种化学试剂，运行操作和运行管理都比较复杂。
随着水源污染的加剧，饮用水中的有机物含量越来越高，种类越来越多。根据国外的调查，在饮用水中已鉴定出数百种化学物质，其中绝大多数为有机化合物。在长期接触的条件下，饮用水中即使是痕量的有毒有害的有机物也会对人体健康造成一定的危害，特别是蓄积性毒物和致癌物质，在极低浓度的条件下也会引起“三致”作用，即致癌、致畸、致突变作用。在特殊情况下，大量有机物污染也有可能引起急性中毒。
为了控制饮用水中的有机物对人体健康的危害，WHO、欧盟以及美国、加拿大、日本等发达国家都把饮用水中有机物的控制放在了水质目标中重要的位置，在其水质标准中列出的有机物项目越来越多，限值也越来越严格。现在有机物在这些水质标准中所占的项目数一般都超过了总项目数的2/3。
但是，另一方面，目前常规饮用水处理的主要目标仍然集中在去除水中的浊度和颗粒物以及防止介水传染病爆发等方面，对水中有机物的去除效率有限，一般只有20-30％左右。而对于小分子量的有机物去除效率更低。在这种情况下，就相应产生了许多以去除有机物为目标的家用饮用水净水器。
目前家用饮用水净水器中去除有机物的主要手段是利用活性炭或者活性炭纤维进行吸附。活性炭具有许多微孔，因此具有很大的比表面积，能够吸附分子量为1000-3000的有机物。但是，大分子有机物由于位阻效应不能进入微孔，而小分子有机物往往亲水，也不易被吸附。因此活性炭对分子量大于3000的大分子有机物和分子量小于1000的小分子有机物去除效果都不好，导致净水器对饮用水中有机物的去除效率不高。
发明内容
针对化学方法除氟投药量大、运行操作和管理复杂、运行费用高的问题，以及现有净水器对饮用水中的有机物去除效率不高的问题，本发明的目的是提供一种能同时去除饮用水中氟和有机物的新工艺及其装置，使其具有不仅结构简单，无需投加任何化学药剂，而且运行操作和管理方便，以及易于实现自动化控制的特点。
本发明的技术方案是一种饮用水中氟和有机物的处理方法，其特征在于该方法按如下步骤进行1)在电解槽中平行布置一组电极板，所述的电极板采用铝板或铁板，电极板的间距为0.5～2cm；2)使原水进入电解槽中，在电极板上施加直流电压，电流密度为5～30A/m2；3)原水在电解槽中停留5～30分钟；4)电解槽中的出水经过微滤膜组件进行过滤，即为经过除氟和有机物处理的饮用水。
作为本发明的进一步改进，其特征在于所述电极板的间距为1.0～1.5cm；电流密度为10～20A/m2。
为防止电极钝化，本发明的技术特征还在于在处理过程中，每隔3分钟至1个小时倒换一次电极。
本发明还提供了一种饮用水中氟和有机物处理的电絮凝装置，该装置含有电解槽、电极、进水管和出水管，其特征在于所述的电极平行布置在电解槽内，该电极采用铝板或铁板，电极板的间距为0.5～2cm；并在所述的出水管上设有微滤膜组件。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明将电絮凝和微滤两种工艺有机地结合起来用于饮用水除氟，一方面大大降低了饮用水除氟和有机物的成本，另一方面也大大简化了操作和运行维护工作。利用电絮凝产生铝盐或者铁盐除氟和有机物不需要向水中添加任何化学药品，无需任何药剂。絮凝体的分离过程采用膜分离技术，出水水质仅仅依靠膜孔径的大小，与原水水质以及运行条件无关，故能最大可能地去除水中的有机物，提供稳定可靠的水质。本发明运行过程中只需用电，基本不需要人工管理和人工维护，易于实现自动化控制。本发明特别适合于在高氟区的机关、团体、学校、工地和集中居住地或者家庭使用。
附图为本发明提供的整体工艺结构示意图。
图中1-电解槽；2-电极板；3-进水管；4-出水管；5-电源；6-微滤膜组件；7-导线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图为本发明的整体工艺结构示意图。该装置含有电解槽1、平行布置在电解槽内的电极板2、电源5、进水管3、出水管4以及设置在出水管上的微滤膜组件6。电极板采用铝板或铁板，电极板的间距一般为0.5～2cm，优选为1.0～1.5cm。
其工艺过程如下原水由进水管3进入电解槽1中，在电极板上施加直流电压，使电流密度为5-30A/m2，优选为10～20A/m2，原水在电解槽中停留5～30分钟后，从电解槽中流出并经设置在出水管4上的微滤膜组件6进行过滤，即可得到除氟和有机物处理的饮用水。
在运行过程中，每隔3分钟至1个小时应倒换一次电极，以防止电极钝化。
本发明的工作原理是当对布置在水中的铝或者铁电极板施加电压时，铝或者铁电解产生可溶性的Al3+或者Fe3+，Al3+或者Fe3+在适宜的pH值的条件下生成Al(OH)3或者Fe(OH)3，并进一步转化为Aln(OH)3n或者Fen(OH)3n，羟基的存在使得所形成的絮体具有强大的亲合力，这些絮体与阴极附近高浓度的氟化物结合形成更大的絮体或者沉淀，这些絮凝体、沉淀物和络合物可以进一步结合水中的氟离子以及有机物，并可通过后续的微滤工艺得以去除。因此，由铝或者铁电极电解产生的絮凝体及其与水中的氟离子结合进一步形成的络合物和沉淀物对于水中的氟离子和有机物具有很好的去除效果。
电絮凝除氟与以往除氟工艺的原理不同，其用于吸附水中氟离子的铝盐来自于铝电极的水解产物，由于水解产物中的-OH基团交换能力强，因此其吸附性能远远优于活性氧化铝吸附和混凝沉淀型吸附。
下面举出几个具体的实施例实施例1在电解槽中平行布置16块电极板，极板间距为1.0cm，电流密度为15.7A/m2，停留时间为20分钟，在进水pH值为7.2、氟离子浓度为5.0mg/L、有机物浓度为8.0mg/L的条件下，电解槽中的出水经过微滤膜组件过滤后，出水中的氟离子浓度低于0.8mg/L，符合国家生活饮用水卫生标准GB5749-85中规定的氟离子浓度小于1.0mg/L的标准。出水中的有机物浓度低于3.0mg/L。
实施例2在电解槽中平行布置16块电极板，极板间距为0.5cm，电流密度为5A/m2，停留时间为5分钟，在进水pH值为7.5、氟离子浓度为3mg/L的条件下，电解槽中的出水经过微滤膜组件过滤后，出水中的氟离子浓度低于0.9mg/L。
实施例3在电解槽中平行布置8块电极板，极板间距为2.0cm，电流密度为30A/m2，停留时间为30分钟，在进水pH值为7.0、有机物浓度为10mg/L的条件下，电解槽中的出水经过微滤膜组件过滤后，出水中有机物的浓度低于5.0mg/L。
权利要求
1.一种饮用水中氟和有机物的处理方法，其特征在于该方法按如下步骤进行1)在电解槽中平行布置一组电极板，所述的电极板采用铝板或铁板，电极板的间距为0.5～2cm；2)使原水进入电解槽中，在电极板上施加直流电压，电流密度为5～30A/m2；3)原水在电解槽中停留5～30分钟；4)电解槽中的出水经过微滤膜组件进行过滤，即为经过除氟和有机物处理的饮用水。
2.按照权利要求1所述的饮用水中氟和有机物的处理方法，其特征在于所述电极板的间距为1.0～1.5cm；电流密度为10～20A/m2。
3.按照权利要求1或2所述的饮用水中氟和有机物的处理方法，其特征在于在处理过程中，每隔3分钟至1个小时倒换一次电极。
4.一种饮用水中氟和有机物处理的电絮凝装置，该装置含有电解槽(1)、电极(2)、进水管(3)和出水管(4)，其特征在于所述的电极平行布置在电解槽内，该电极采用铝板或铁板，电极板的间距为0.5～2cm；并在所述的出水管(4)上设有微滤膜组件(6)。
全文摘要
一种饮用水中氟和有机物的处理方法及其电絮凝装置，涉及一种饮用水处理的工艺和装置。本发明利用电絮凝和微滤的组合工艺，即采用铝板或铁板为电极，电极板电解产生铝盐或者铁盐，结合水中的氟离子和有机物形成较大的絮体，所形成的絮体在后续的微滤膜组件中被过滤去除，从而达到从饮用水中去除氟和有机物的目的。本发明具有结构简单、无需投加任何化学药剂、运行操作和管理简单、容易实现自动化控制的优点。本发明特别适合于在高氟区的机关、团体、学校、工地和集中居住地或者家庭使用。
文档编号C02F1/58GK1986435SQ20061016558
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年12月22日
发明者赵璇, 李福志 申请人:清华大学