專利名稱：一種強(qiáng)化微界面吸附作用去除水中天然有機(jī)物的吸附凝聚方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飲用水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及在飲用水混凝處理過程中通過強(qiáng)化微界面吸附作用以提高混凝對天然有機(jī)物去除效果的方法。
背景技術(shù)：
混凝是飲用水處理的核心單元，混凝效果的好壞直接決定后續(xù)沉淀、過濾單元的運(yùn)行效果?；炷に囎畛醯目刂颇繕?biāo)是濁度、膠體顆粒物等，隨著水源有機(jī)污染加劇以及控制消毒副產(chǎn)物的需求，混凝被賦予更多的功能，去除天然有機(jī)物及消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物成為混凝的重要目標(biāo)之一，而強(qiáng)化混凝也被美國國家環(huán)保局認(rèn)為是去除消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物、控制消毒副產(chǎn)物生成的最有效技術(shù)之一。以天然有機(jī)物為去除目標(biāo)的強(qiáng)化混凝和以濁度、顆粒物為目標(biāo)的傳統(tǒng)混凝有本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)混凝工藝以電中和、網(wǎng)捕、卷掃等為主要作用機(jī)制，通過壓縮膠體表面雙電層、 膠體脫穩(wěn)等完成水中膠體顆粒的凝聚絮凝過程。混凝劑投量主要通過膠體顆粒物表面電中和為重要依據(jù)，因此傳統(tǒng)混凝工藝對腐殖酸、富里酸等溶解性天然有機(jī)物去除效果較差。 在傳統(tǒng)混凝工藝基礎(chǔ)上提高天然有機(jī)物去除效果的方法主要包括1)提高混凝劑投量，增大混凝水解產(chǎn)物(如氫氧化鋁Al (OH)3)含量，充分發(fā)揮其對水中天然有機(jī)物的吸附去除作用；2)調(diào)節(jié)pH值，一般將pH值降低至6左右以提高絮凝劑與天然有機(jī)物的相互作用，但此方法操作復(fù)雜且不易控制；3)優(yōu)化絮凝劑種類，例如采用Al13含量更高的絮凝劑；4)利用軟化過程中產(chǎn)生的CaC03、Mg(OH)2等對天然有機(jī)物吸附作用，但此方法僅適合高硬度的水的處理。在上述方法中，提高混凝劑投量在工程中最為常用，在應(yīng)用中仍存在以下問題1) 消耗水中堿度，PH值降低，出水對管網(wǎng)腐蝕性增強(qiáng)；2)出廠水鋁濃度存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；3)藥劑成本可能顯著提高等等。由于該方法主要依靠絮凝劑本身的作用，忽略了混凝反應(yīng)過程中絮凝劑的形態(tài)變化及其對天然有機(jī)物形態(tài)去除的影響，也未考慮天然有機(jī)物自身性質(zhì)及其與絮凝劑不同形態(tài)的相互作用關(guān)系與反應(yīng)過程，從而單獨(dú)依靠絮凝劑水解產(chǎn)物(如氫氧化鋁)的作用對天然有機(jī)物去除能力受到明顯限制。反之，若在絮凝過程中引入與絮凝劑水解產(chǎn)物具有不同吸附特性的吸附劑，通過在微界面尺度上強(qiáng)化吸附去除天然有機(jī)物的作用，則有可能在較低的藥劑投量下通過吸附凝聚的共同作用獲得更佳的天然有機(jī)物去除效^ ο本發(fā)明圍繞混凝工藝，以強(qiáng)化去除天然有機(jī)物、控制消毒副產(chǎn)物為目標(biāo)，提出一種強(qiáng)化微界面吸附過程、進(jìn)而通過吸附/凝聚共同作用以有效去除水中天然有機(jī)物的方法。 本發(fā)明可有效改善飲用水常規(guī)處理工藝對天然有機(jī)物去除效果，降低沉后水和濾后水的濁度及耗氧量等。此外，本發(fā)明還可改善低濁水、低溫水、低溫低濁水、高有機(jī)污染水的混凝沉淀效果，降低沉后水濁度及顆粒物濃度。本發(fā)明主要應(yīng)用于飲用水廠凈化，也可應(yīng)用于以中水回用為目的的污水廠二級(jí)出水深度處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對遭受天然有機(jī)物污染且采用常規(guī)處理工藝(混凝+沉淀+過濾 +消毒)的飲用水廠，提供一種性能高效、經(jīng)濟(jì)可行、易于在工程中應(yīng)用的方法，以有效提高混凝去除天然有機(jī)物效果，進(jìn)而控制后氯化消毒過程中消毒副產(chǎn)物生成量。本發(fā)明的技術(shù)原理在于，在混凝過程中利用原位反應(yīng)的方法引入一種與絮凝劑水解產(chǎn)物不同的吸附劑及其微觀尺度上的吸附界面，通過吸附劑的微界面吸附作用和絮凝劑的凝聚絮凝作用提高天然有機(jī)物去除效果。本發(fā)明所述的吸附劑及其微觀尺度上的吸附界面，是由高錳酸鉀與絮凝劑共同投加至待處理水中后反應(yīng)生成的。其中，本發(fā)明中所采用的絮凝劑種類與水廠采用的絮凝劑種類相關(guān)當(dāng)水廠采用的絮凝劑為鋁鹽時(shí)，則本發(fā)明采用鐵鹽；當(dāng)水廠采用的絮凝劑為鐵鹽時(shí)，則本發(fā)明采用鋁鹽。高錳酸鉀投加至處理水中后，與水中還原性物質(zhì)反應(yīng)生成原位生成的水合二氧化錳(In situ MnO2)；鐵鹽投加至處理水中后，發(fā)生水解反應(yīng)生成原位生成的氫氧化鐵(In situ Fe(OH)3)；鋁鹽投加至處理水中后，發(fā)生水解反應(yīng)生成原位生成的氫氧化鋁(In situ A1(0H)3)。因此，當(dāng)水廠采用鋁鹽絮凝劑時(shí)，高錳酸鹽與鐵鹽共同投加至處理水中后，In situ 1^02與111 situ Fe (OH) 3顆粒的表面電位與鋁鹽絮凝劑不同，從而顯著提高鋁鹽絮凝劑異相凝聚過程顆粒物碰撞效率；當(dāng)水廠采用鐵鹽絮凝劑時(shí)，高錳酸鹽與鋁鹽共同投加至處理水中后，In situ MnO2與In situ Al (OH) 3顆粒的表面電位與鐵鹽絮凝劑不同。上述與絮凝劑水解產(chǎn)物不同的吸附劑，由于其表面性質(zhì)的不同而表現(xiàn)出與絮凝劑水解產(chǎn)物不同的吸附性能；另一方面，上述吸附劑通過原位反應(yīng)生成而得，具有顆粒極其細(xì)小、比表面積豐富等特點(diǎn)，可充分發(fā)揮微界面尺度上的吸附作用進(jìn)而提高天然有機(jī)物去除效果。所述的鐵鹽可選自氯化鐵、硫酸鐵、硝酸鐵、聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵、聚合硝酸鐵等中的一種或大于一種以上的混合鹽；所述的鋁鹽可選自硫酸鋁、氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合氯化鋁、硝酸鋁、聚合硝酸鋁、明礬等溶液中的一種或大于一種以上的混合物。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下 1、根據(jù)水廠采用的絮凝劑種類，確定采用的絮凝劑種類當(dāng)水廠使用鋁鹽絮凝劑時(shí)，則選擇鐵鹽；當(dāng)水廠使用鐵鹽絮凝劑時(shí)，則選擇鋁鹽。2、將高錳酸鉀與(1)中確定的絮凝劑在充分?jǐn)嚢柘氯芙?，形成由高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液。其中高錳酸鉀與絮凝劑的摩爾比為5 1 1 10。3、將由高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液投加至待處理水中，投加點(diǎn)可以是一級(jí)泵站取水口，或一級(jí)泵站出水管至水廠混合單元之前的任意一個(gè)可投加液體藥劑的位置。 混合溶液投加量為，以高錳酸鉀的投量計(jì)算，由高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液投加至待處理水中后高錳酸鉀的濃度在0. 2 5mg/L之間。4、由高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液投加至水中后，通過原位反應(yīng)生成In situ MnO2 與 In situFe (OH) 3 極細(xì)小吸附劑或 In situ MnO2 與 In situ Fe (OH)3 極細(xì)小吸附劑，這些吸附劑在混合單元經(jīng)充分混合之后，在微界面尺度上與水中天然有機(jī)物充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，將溶解性天然有機(jī)物吸附在其表面，并進(jìn)一步在水廠絮凝劑的凝聚絮凝作用下形成大顆粒絮體，大顆粒絮體最終通過沉淀與過濾單元得以去除。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)效果如下
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1.無需進(jìn)行大規(guī)模工程改造即可方便地強(qiáng)化水廠絮凝過程對天然有機(jī)物去除效果，控制后氯化消毒過程中消毒副產(chǎn)物生成量，方法簡單，工程投資成本低，易于在工程中實(shí)現(xiàn)；2.使用操作過程簡便，在水廠日常運(yùn)行管理基礎(chǔ)上無需增加復(fù)雜的額外操作；3.采用藥劑為水處理中常用的凈水藥劑或凈水材料，成本低廉；4.對水中膠體顆粒物、濁度、顆粒物等去除也有良好促進(jìn)作用。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 某水廠原水耗氧量為5. Omg/L,經(jīng)污染源排查確認(rèn)為天然有機(jī)污染。水廠采用聚合氯化鋁混凝劑，投量達(dá)到20mg/L混凝去除耗氧量效果仍不理想，出廠水耗氧量為3. 4mg/L, 超出國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》要求(當(dāng)原水耗氧量< 6mg/L時(shí)，出廠水耗氧量< 3mg/L)。采用本發(fā)明的吸附凝聚方法強(qiáng)化去除水中有機(jī)物1)確定高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液中的絮凝劑采用三氯化鐵；2)將高錳酸鉀與三氯化鐵在充分?jǐn)嚢柘氯芙?，獲得高錳酸鉀與三氯化鐵組成的混合溶液，其中高錳酸鉀與三氯化鐵的摩爾比為1 1。3) 在聚合氯化鋁投量仍為20mg/L的條件下，將高錳酸鉀與三氯化鐵組成的混合溶液投加至水廠一級(jí)泵站取水口處，且混合溶液投加量為以高錳酸鉀的投量計(jì)0.4mg/L。4)高錳酸鉀與三氯化鐵組成的混合溶液投加至水中后，通過反應(yīng)生成In situ MnO2與In SituFe(OH)3 極細(xì)小吸附劑；原位生成的吸附劑經(jīng)水廠混合單元后，在絮凝單元中與水中腐殖酸、富里酸等有機(jī)物充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，將溶解性天然有機(jī)物吸附在其表面，并進(jìn)一步在水廠絮凝劑的凝聚絮凝作用下形成大顆粒絮體，大顆粒絮體最終通過沉淀與過濾單元得以去除。經(jīng)上述處理之后，出廠水耗氧量降低至2. 9mg/L，達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)施例2某水廠原水耗氧量為5. 6mg/L，經(jīng)污染源排查確認(rèn)為天然有機(jī)污染。水廠采用硫酸鋁混凝劑，投量達(dá)到40mg/L混凝去除耗氧量效果仍不理想，出廠水耗氧量為3. 8mg/L，超出國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》要求(當(dāng)原水耗氧量< 6mg/L時(shí)，出廠水耗氧量< 3mg/L)。采用本發(fā)明的吸附凝聚方法強(qiáng)化去除水中有機(jī)物1)確定高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液中的絮凝劑采用硫酸鐵；2)將高錳酸鉀與硫酸鐵在充分?jǐn)嚢柘氯芙?，獲得高錳酸鉀與硫酸鐵組成的混合溶液，其中高錳酸鉀與硫酸鐵的摩爾比為1 10。3)在硫酸鋁投量仍為40mg/L的條件下，將高錳酸鉀與硫酸鐵組成的混合溶液投加至水廠一級(jí)泵站取水口處，且混合溶液投加量為以高錳酸鉀的投量計(jì)1. Omg/L。4)高錳酸鉀與硫酸鐵組成的混合溶液投加至水中后，通過反應(yīng)生成In situ 1^02與111 situ Fe (OH) 3極細(xì)小吸附劑；原位生成的吸附劑經(jīng)水廠混合單元后，在絮凝單元中與水中腐殖酸、富里酸等有機(jī)物充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，將溶解性天然有機(jī)物吸附在其表面，并進(jìn)一步在水廠絮凝劑的凝聚絮凝作用下形成大顆粒絮體，大顆粒絮體最終通過沉淀與過濾單元得以去除。經(jīng)上述處理之后，出廠水耗氧量降低至2. 8mg/L，達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)施例3
某水廠原水耗氧量為6. 5mg/L,經(jīng)污染源排查確認(rèn)為天然有機(jī)污染。水廠采用三氯化鐵混凝劑，投量達(dá)到25mg/L混凝去除耗氧量效果仍不理想，出廠水耗氧量為5. 2mg/L，超出國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》要求(當(dāng)原水耗氧量> 6mg/L時(shí)，出廠水耗氧量< 5mg/L)。采用本發(fā)明的吸附凝聚方法強(qiáng)化去除水中有機(jī)物1)確定高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液中的絮凝劑采用硫酸鋁；2)將高錳酸鉀與硫酸鋁在充分?jǐn)嚢柘氯芙?，獲得高錳酸鉀與硫酸鋁組成的混合溶液，其中高錳酸鉀與硫酸鋁的摩爾比為5 1。3)將高錳酸鉀與硫酸鋁組成的混合溶液投加至水廠靜態(tài)混合器之前，且混合溶液投加量為以高錳酸鉀的投量計(jì)5. Omg/L。4)在三氯化鐵投量仍為25mg/L的條件下，將高錳酸鉀與硫酸鋁組成的混合溶液投加至水中后，通過反應(yīng)生成In situ 1^02與111 situ Al (OH) 3極細(xì)小吸附劑；原位生成的吸附劑經(jīng)水廠混合單元后，在絮凝單元中與水中腐殖酸、富里酸等有機(jī)物充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，將溶解性天然有機(jī)物吸附在其表面，并進(jìn)一步在水廠絮凝劑的凝聚絮凝作用下形成大顆粒絮體，大顆粒絮體最終通過沉淀與過濾單元得以去除。經(jīng)上述處理之后，出廠水耗氧量降低至4. 2mg/L，達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)施例4某水廠原水耗氧量為6. 5mg/L,經(jīng)污染源排查確認(rèn)為天然有機(jī)污染。水廠采用三氯化鋁混凝劑，投量達(dá)到40mg/L混凝去除耗氧量效果仍不理想，出廠水耗氧量為5. 5mg/L，超出國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》要求(當(dāng)原水耗氧量> 6mg/L時(shí)，出廠水耗氧量< 5mg/L)。采用本發(fā)明的吸附凝聚方法強(qiáng)化去除水中有機(jī)物1)確定高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液中的絮凝劑采用聚合硫酸鐵；2)將高錳酸鉀與聚合硫酸鐵在充分?jǐn)嚢柘氯芙猓@得高錳酸鉀與聚合硫酸鐵組成的混合溶液，其中高錳酸鉀與聚合硫酸鐵的摩爾比為 1 10。3)在三氯化鋁投量仍為40mg/L的條件下，將高錳酸鉀與聚合硫酸鐵組成的混合溶液投加至水廠混合單元管式靜態(tài)混合器前端的藥劑加注口，且混合溶液投加量為以高錳酸鉀的投量計(jì)0.8mg/L。4)高錳酸鉀與硫酸鐵組成的混合溶液投加至水中后，通過反應(yīng)生成 In situ MnO2與In situ Fe (OH) 3極細(xì)小吸附劑；原位生成的吸附劑經(jīng)水廠混合單元后，在絮凝單元中與水中腐殖酸、富里酸等有機(jī)物充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，將溶解性天然有機(jī)物吸附在其表面，并進(jìn)一步在水廠絮凝劑的凝聚絮凝作用下形成大顆粒絮體，大顆粒絮體最終通過沉淀與過濾單元得以去除。經(jīng)上述處理之后，出廠水耗氧量降低至4. Omg/L，達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)化異相凝聚過程改善絮凝效果、提高絮體粒徑的方法，其特征在于在常規(guī)混凝工藝中引入原位反應(yīng)生成的In situ MnO2和絮凝劑原位水解產(chǎn)物作為絮凝晶核，增大顆粒物濃度，進(jìn)而改善絮凝效果并提高絮體的粒徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絮凝晶核，其特征在于是指將高錳酸鉀與絮凝劑的混合溶液共同投加至待處理水中后原位反應(yīng)生成而得的極細(xì)小顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位反應(yīng)生成的Insitu MnO2,其特征在于是由高錳酸鉀投加至待處理水中后與水中還原性物質(zhì)反應(yīng)后原位析出的水合二氧化錳極細(xì)小顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絮凝劑原位水解產(chǎn)物，其特征在于是指由鐵鹽絮凝劑投加至待處理水中后原位水解析出的氫氧化鐵(In situ Fe(OH)3)極細(xì)小顆粒，或由鋁鹽絮凝劑投加至待處理水中后原位水解析出的氫氧化鋁(In situ Al(OH)3)極細(xì)小顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2和4所述的絮凝劑，其特征在于絮凝劑種類的選擇與水廠使用的絮凝劑種類有關(guān)當(dāng)水廠使用鋁鹽絮凝劑時(shí)，則選擇鐵鹽；當(dāng)水廠使用鐵鹽絮凝劑時(shí)，則選擇鋁鹽。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5所述的絮凝劑，其特征在于所述的鐵鹽可選自氯化鐵、硫酸鐵、 硝酸鐵、聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵、聚合硝酸鐵等中的一種或大于一種以上的混合鹽；所述的鋁鹽可選自硫酸鋁、氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合氯化鋁、硝酸鋁、聚合硝酸鋁、明礬等溶液中的一種或大于一種以上的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高錳酸鉀與絮凝劑的混合溶液，其特征在于是高錳酸鉀與根據(jù)權(quán)利要求5確定的絮凝劑在充分?jǐn)嚢柘氯芙舛?，且高錳酸鉀與絮凝劑的摩爾比為 5 1 1 10。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2和7所述的高錳酸鉀與絮凝劑的混合溶液，其特征在于投加點(diǎn)可以是一級(jí)泵站取水口，或一級(jí)泵站出水管至水廠混合單元之前的任意一個(gè)可投加液體藥劑的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、7和8所述的高錳酸鉀與絮凝劑的混合溶液，其特征在于混合溶液投加量為，以高錳酸鉀的投量計(jì)算，由高錳酸鉀與絮凝劑組成的混合溶液投加至待處理水中后高錳酸鉀的濃度在0. 2 5mg/L之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9所述的改善絮凝效果、提高絮體粒徑的方法，其特征在于由In situ MnO2 與 Insitu Fe (OH) 3 組成的絮凝晶核，或由 In situ MnO2 與 In situ Fe(OH)3 組成的絮凝晶核，在絮凝單元中強(qiáng)化異相凝聚過程形成大顆粒絮體后，最終通過沉淀與過濾單元得以去除。
全文摘要
本發(fā)明屬于飲用水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種強(qiáng)化微界面吸附去除天然有機(jī)物的吸附凝聚方法。本發(fā)明圍繞混凝工藝，以強(qiáng)化去除天然有機(jī)物、控制消毒副產(chǎn)物為目標(biāo)，提出一種強(qiáng)化微界面吸附過程、進(jìn)而通過吸附/凝聚共同作用以有效去除水中天然有機(jī)物的方法。本發(fā)明可有效改善飲用水常規(guī)處理工藝對天然有機(jī)物去除效果，降低沉后水和濾后水的濁度及耗氧量等。此外，本發(fā)明還可改善低濁水、低溫水、低溫低濁水、高有機(jī)污染水的混凝沉淀效果，降低沉后水濁度及顆粒物濃度。本發(fā)明主要應(yīng)用于飲用水廠凈化，也可應(yīng)用于以中水回用為目的的污水廠二級(jí)出水深度處理。
文檔編號(hào)C02F1/52GK102344180SQ201010246890
公開日2012年2月8日 申請日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者蘭華春, 劉會(huì)娟, 劉銳平, 曲久輝, 李 杰, 田川 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心