一种控制饮用水中微量消毒副产物生成的水处理的方法及装置与流程

本发明涉及水处理领域，尤其是涉及一种控制饮用水中微量消毒副产物生成的水处理的方法及装置。

背景技术：

饮用水消毒是二十世纪公共健康事业的一个巨大进步，有资料显示，采用氯消毒后降低了霍乱发病率的90％，伤寒发病率的80％，以及阿米巴痢疾发病率的50％。然而1974年rook和bella等人发现饮用水氯消毒过程中会产生三卤甲烷(thms)，两年后，美国癌症协会(nci)宣布氯仿具有致癌性，使得饮用水消毒副产物(dbps)成为人们关注的热点。

由于单一消毒剂的缺点和局限性，在水处理领域将两种或两种以上的消毒剂组合使用或者消毒剂与物理消毒法组合使用的方式逐渐增多。michaelabutkus等考察将ag^-和uv消毒联合使用，发现细菌的失活效应很大程度的增加。t.s.huang等研究了把clo2与超声波联合处理沙门氏菌和大肠杆菌。并且将实验结果与clo2处理沙门氏菌和大肠杆菌进行对比，结果表明，clo2和超声波联合处理的作用由于单独clo2处理，超声波粉碎了菌团，使得clo2与细菌的接触机会变大，所以联合工艺灭活效果更好。

1974年，bellar和rook等人研究发现，当使用自由氯作为饮用水消毒剂的时侯，除了有特殊的味道，还会产生一类特殊的化合物——thms，这是人类发现的第一种消毒副产物。1976年，美国国家癌症协会研究发现，氯仿(一种thm)可以引起动物致癌，然后人们开始大量关注饮用水消毒处理后产生的消毒副产物。由于消毒剂种类繁多，消毒方式也多样化，至今文献所报道的消毒副产物约有600～700种。大部分的dbps具有潜在致癌、致畸、致突变性。常见的常规消毒副产物有三卤甲烷类(thms)、卤乙酸类(haas)和卤乙腈类(hans)，饮用水中常见的三卤甲烷主要包括四种：三氯甲烷(chcl3,tcm)、一溴二氯甲烷(chbrcl2,dbcm)、二溴一氯甲烷(chbr2cl,bdcm)和三溴甲烷(chbr3，tbm)。卤乙酸(haas)副产物是christman等在氯化消毒饮用水中首次发现。碘代消毒副产物(i-dbps)是新兴消毒副产物的一种，相比常规氯代、溴代dbps，i-dbps表现出更强的细胞毒性和遗传毒性。碘代消毒副产物主要有两类，碘代卤乙酸(i-haas)和碘代三卤甲烷(i-thms)两类。i-thms是新型的卤代副产物，代表饮用水经过消毒之后产生的含有碘元素的有毒有害有机物，与同类氯代和溴代消毒副产物相比，i-thms具有更强的毒性。据报道，三碘甲烷的细胞毒性远高于其它三卤甲烷，是三氯甲烷的146倍、三溴甲烷的60倍。在美国水厂的一项调查中，检测到了高达7.8μg/l的i-thms，揭示出饮用水致癌的风险。因此亟需研发一种可以降低三氯甲烷生成的水处理方法及装置。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制饮用水中微量消毒副产物生成的水处理的方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种控制饮用水中微量消毒副产物生成的水处理的方法，包括以下步骤：

s1：利用酸或碱溶液控制待处理水的5≤ph≤9，得到预处理后的水；

s2：向预处理后的水中加入自由氯，使得水中氯的浓度为50～200μm/l，得到预氧化的水；

s3：对预氧化的水进行紫外照射，照射时间为8～12min，得到处理后的水。

进一步地，所述的酸溶液为h2so4水溶液，所述的碱溶液为naoh水溶液。

进一步地，所述的自由氯为次氯酸消毒剂。

进一步地，s2中通入自由氯，使得水中氯的浓度为100μm/l。

进一步地，水处理过程中水温控制在25℃。

进一步地，s3中照射使用的紫外光强为245mw/cm²。

一种控制饮用水中微量消毒副产物生成的水处理装置，所述的水处理装置由串联的三段式的水处理管构成，待处理水由第一段中水处理组件进入，由第三段水处理组件中流出；

第一段水处理管上设有ph计和酸碱液投加模块，所述的酸碱液投加模块用于控制第一段水处理管中水的5≤ph≤9；

第二段水处理管上设有自由氯投加器，所述的自由氯投加器用于向经过第一段水处理管中通入含有自由氯的溶液；

第三段水处理管中设有多根杆状的紫外发生器。

进一步地，所述的酸碱液投加模块包括酸碱液储罐和第一计量泵，所述的第一计量泵用于定量的向第一段水处理管中泵入酸碱液。

进一步地，所述的自由氯投加器包括自由氯储罐和第二计量泵，所述的二计量泵用于定量的向第二段水处理管中加入自由氯的溶液。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明中设计的水处理装置采用了三段式的水处理管，分别进行ph控制、自由氯添加和紫外降解过程，采用平推流三段式反应器的模型进行设计，可按照需求增加管径和管长，保证充足的停留时间以实现较高的处理效果，显著的降低了副产物的生成。

2)本发明中采用的氯化/紫外联合处理工艺可有效的降低水中的三卤甲烷副产物的生成，未引入其它有毒有害物质，其安全性尤为突出。

3)水处理环境温和，无需在密闭无氧环境下进行，在室温环境下就和通过紫外/氯的作用，控制dbps的生成。

附图说明

图1为本发明中控制饮用水中微量消毒副产物生成的水处理装置的结构示意图；

图2为本发明中第三段水处理管的截面示意图；

图3为泛影酸钠在紫外/氯联合工艺降解后生成的dbps潜能分布图。

图4为不同加氯量对消毒副产物生成的影响效果图。

图5为不同ph对降解碘普罗胺的影响效果图。

图6为br-对消毒副产物生成的影响效果图。

图中：1、第一段水处理管，2、第二段水处理管，3、第三段水处理管，11、ph计，12、酸碱液投加模块,21、自由氯投加器，22、第二计量泵，31、紫外发生器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中控制饮用水中微量消毒副产物生成的水处理装置，所述的水处理装置由串联的三段式的水处理管构成，待处理水由第一段中水处理组件进入，由第三段水处理组件中流出，参见图1。

第一段水处理管1上设有ph计11和酸碱液投加模块12，所述的酸碱液投加模块12用于控制第一段水处理管1中水的5≤ph≤9；所述的酸碱液投加模块12包括酸碱液储罐和第一计量泵，所述的第一计量泵用于定量的向第一段水处理管1中泵入酸碱液。

第二段水处理管2上设有自由氯投加器21，所述的自由氯投加器21用于向经过第一段水处理管1中通入含有自由氯的溶液；所述的自由氯投加器21包括自由氯储罐和第二计量泵，所述的二计量泵用于定量的向第二段水处理管2中加入自由氯的溶液。

第三段水处理管3中设有多根杆状的紫外发生器31，参见图2。

实施例2：

以泛影酸钠为例，在原水中加入10μm，控制温度为25℃，ph为7，打开紫外辐射器预热半小时之后稳定紫外光强为245mw/cm²，向溶液中分别投加100μm/l的自由氯后，迅速将溶液置于石英管中放入紫外辐射区中进行紫外照射，照射时间为10min。因为紫光会分解反应液中的氯，所以需要向溶液中补氯。

取该反应液在45ml小瓶中密封放在恒温器中25℃培养3天，用气相色谱分析了紫外/氯联合工艺降解泛影酸钠中消毒副产物的生成情况如图3所示。从图3可以看出在检测到的7种消毒副产物中，三氯硝基甲烷的生成量最大，为49.008mg/l。占总组分的34.85％。碘代消毒副产物占总消毒副产物总组分的28.85％，常规卤代消毒副产物占总消毒副产物的71.15％。在生成的i-dbps共检测到三种碘代消毒副产物，其中一氯二碘甲烷最多。占总dbps的15.42％，二氯一碘甲烷和三碘甲烷分别占总dbps的5.95％和4.54％。可以发现，uv/chlorine联合工艺降解泛影酸钠生成的消毒副产物中，三氯硝基甲烷和三氯甲烷占主要地位。可见在紫外/氯联合工艺降解泛影酸钠的过程中，大分子量的泛影酸钠在降解过程中生成许多小分子量的有机物，被降解生成的小分子量的有机物的有很大一部分是生成三氯硝基甲烷和三氯甲烷的前体物，所以三氯甲烷和三氯硝基甲烷会大量生成。

实施例3：

以泛影酸钠为例，在原水中加入10μm泛影酸钠，控制温度为25℃，加入磷酸盐缓冲溶液10mm并用浓硫酸和氢氧化钠溶液调节ph为7.0左右，向溶液中分别投加12.5、25、50、100和200μm/l的自由氯后，迅速将溶液置于石英管中放入紫外辐射区中进行紫外照射，紫外光强为245mw/cm²，照射时间为10min，不同加氯量对dbps变化如图4所示。

随着加氯量的升高，碘代消毒副产物的浓度逐渐变低，而三氯甲烷的生成量逐渐减小，当加氯量为25μm的时候，三氯甲烷的生成量为38.15μg/l，当加氯量为200μm的时候，三氯甲烷的生成量为25.85ug/l。此外从图4中可以发现，二氯乙腈的生成量也是随着加氯量的增大而逐渐减少，由最初的38.47μg/l减少到11.50μg/l。三氯硝基甲烷的生成量占消毒副产物生成量的主导地位，但是加氯量的多少对其基本上没有影响。此外还生成了少量的三氯丙酮，三氯丙酮的生成量随着加氯量的增加而增加。当加氯量到150μm的时候，有少量的二溴乙腈和一氯二溴丙烷生成，且随着加溴量的增加而增加。在紫外氯联合工艺下，hocl在紫外光解的作用下，会产生一系列自由基，比如羟基自由基，氯自由基，氧自由基等等，随着加氯量的增加，这一系列自由基会产生一系列复杂的变化，将会影响各种消毒副产物的生成量与比例等。

实施例4：

以泛影酸钠为例，在原水中加入10μm泛影酸钠，控制温度为25℃，加入磷酸盐缓冲溶液10mm，并用小体积的浓硫酸和氢氧化钠调节溶液的ph为5.0，6.0，7.0，8.0，9.0。开启紫外辐射器待其稳定后控制其光强为245mw/cm²，向溶液投加100μm/l的自由氯后，迅速将溶液置于石英管中放进紫外辐射器进行紫外照射，照射时间为10min，不同ph对dbps变化如图5所示。

ph值对碘代消毒副产物的生成有着很大的影响，总共有三种碘代消毒副产物生成，且它们都是在中性溶液中生成量最低，在碱性和酸性溶液中生成量偏高。对常规卤代消毒副产物影响明显，生成量最大的是三氯硝基甲烷，三氯硝基甲烷的生成量随着ph的增大而减小，在ph为5的时候生成量最大，达到80.57μg/l，在ph为9的时候生成量最小，为36.65μg/l。三氯甲烷的生成量随着ph值的增大而增大，在ph值为8时三氯甲烷的生成量最大，为44.39μg/l，而在酸性条件下，三氯甲烷的生成量明显减小，在ph值为5时，生成量为25.99μg/l。

三氯丙酮的生成量很低，但是还是可以看出三氯丙酮在碱性条件下生成量更低一些，二氯乙腈的生成量受ph值的影响不大。同时还生成了微量的三氯乙腈，我们可以看出三氯乙腈的生成量受ph值的影响较明显，在中性条件下没有生成。总而言之，在中性和碱性条件下，紫外/氯降解泛影酸钠生成的消毒副产物的生成量要比酸性条件下的生成量低一些。

实施例5：

以泛影酸钠为例，在原水中加入10μm泛影酸钠，控制温度为25℃，加入磷酸盐缓冲溶液10mm并用小体积的浓硫酸和氢氧化钠调节溶液的ph为7.0。开启紫外辐射器待其稳定后控制其光强为245mw/cm²，溶液中br^-投加浓度分别为10、25、50、100和200μm，向溶液投加100μm/l的自由氯后，迅速将溶液置于石英管中进行紫外照射，照射时间为10min，br-对dbps变化如图6所示。

在br^-存在的条件下，生成量最多的是一溴一氯一碘甲烷，当溴离子浓度为10μm的时候，一溴一氯一碘甲烷的生成量为200.35μg/l，当溴离子浓度为200μm时，一溴一氯一碘甲烷的生成量为368.12μg/l。其次生成的是二溴一碘甲烷。当br^-浓度为10um的时候，二溴一碘的生成量为7.93μg/l，且随着加溴量的增加先增大后减小，在加溴量为50μm的时候达到最大值为22.1μg/l，随后逐渐降低。此外生成了微量的三碘甲烷和一溴二碘甲烷，且随着加溴浓度的增加变化不大。

紫外/氯联合工艺降解泛影酸钠后有以下6种常规卤代消毒副产物的生成，分别是：三氯甲烷，三氯硝基甲烷，溴氯乙腈，三溴甲烷，二溴乙腈，一氯二溴丙烷等。消毒副产物中生成量最大的是三溴甲烷和二溴乙腈。随着加溴量的增大，三溴甲烷和二溴乙腈的生成量明显增加。三氯甲烷的生成量也是随着加溴量的增大而增大，但是总量远远小于三溴甲烷，此外还生成了少量的三氯硝基甲烷同样是随着加溴量的增大而逐渐增加，但生成量微量。同时二氯乙腈的生成量随着加溴浓度的增大而不断减少。此外当加溴量达到50μm的时候，出现了一氯二溴丙烷，且随着加溴量的增大而增大。总而言之，随着加溴量的增大，溴代消毒副产物占据了主要地位。氯代消毒副产物生成量远远小于溴代副产物。可见本发明中所采用的紫外/氯联合工艺取得了较好的效果，最大限度的降低了有毒副产物的产生。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。