CN101602557A - 饮用水活性炭工艺出水中炭菌复合体的UV/TiO2光催化消毒方法 - Google Patents
饮用水活性炭工艺出水中炭菌复合体的UV/TiO2光催化消毒方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种饮用水活性炭处理出水中炭菌复合体的UV/TiO2光催化消毒方法。该方法主要针对饮用水活性炭工艺出水中炭菌复合体由于炭粒对于细菌的保护导致其对氯消毒的抗性而难以杀灭的问题，基于UV具有的强穿透性和消毒能力可破坏炭粒对细菌的保护，UV/TiO2可产生强氧化性·OH，其协同作用进一步增强了对炭菌的灭活能力，研发了针对炭菌的高效UV/TiO2光催化消毒方法。其步骤是首先将活性炭工艺出来，经微滤膜浓缩前处理后的洗脱液备用；其次制备TiO2薄膜材料；然后将洗脱液置于UV/TiO2光催化反应器中进行炭菌消毒，最后测定消毒前后细菌灭活率来评价消毒效率。本方法的优点在于对炭菌复合体上细菌具有高的消毒效率。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体地说是涉及饮用水活性炭工艺出水中炭菌复合体的UV/TiO2光催化消毒方法。
背景技术
随着我国饮用水水源的微污染问题日益突出，常规水处理工艺对微污染原水中的有机物、色、臭及藻毒素类物质不能有效去除，使得供水水质难保证。针对原水有机微污染的活性炭深度处理技术正得到越来越多的应用。该工艺对于控制饮用水中微污染有机物，消毒副产物、藻毒素及臭和味等具有重要作用。活性炭工艺多设置在过滤之后、消毒之前。活性炭的吸附性能使炭粒附近营养物和溶解氧浓度较高，且微生物附着于炭粒的多孔表面可减弱水力剪切作用，为微生物的生长提供了良好的条件，使得炭层中积累了大量生物颗粒和非生物颗粒。这些微生物颗粒会随活性炭床的出水一起流出，活性炭出水中细菌数常常远高于砂滤池出水，有时高达数万个/升，细菌被出水中细小活性炭颗粒所吸附而形成炭菌复合体(炭菌)。由于活性炭各种表面官能团的存在和还原性活性炭对消毒化合物的去除作用，对氯化消毒有较大抗性，即普通氯消毒难以有效控制。出水中炭菌可在管壁上形成生物膜，造成二次生物污染，并对管网中余氯的灭活起到抑制作用。引发新的出水生物安全性问题。研究发现，活性炭出水中的细菌包括肺炎克雷伯杆菌、假单胞菌属、黄质菌属、产碱杆菌属、不动杆菌属和色杆菌属等。研究针对性的炭菌安全消毒工艺具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种饮用水活性炭工艺出水中炭菌复合体的UV/TiO2光催化消毒方法。
本发明针对活性炭工艺出水中的炭菌复合体由于炭粒对于细菌的保护导致其对氯消毒的抗性而难以杀灭的问题，基于UV具有的强穿透性和消毒能力可破坏炭粒对细菌的保护，UV/TiO2可产生强氧化性·OH，其协同作用进一步增强了对炭菌的灭活能力，研发了针对炭菌的UV/TiO2光催化消毒方法，为炭菌消毒控制技术研究提供必要的手段。
本发明方法的实施步骤：
一种饮用水活性炭工艺出水中炭菌复合体的UV/TiO2光催化消毒方法，其特征在于建立了以UV/TiO2光催化为核心的炭菌消毒方法，其消毒步骤如下：
(1)取稳定运行的活性炭出水，经微滤膜浓缩前处理后洗脱液待用；
(2)采用溶胶-凝胶法制备玻璃基纳米级负载型TiO2光催化薄膜材料；
(3)取步骤(1)所述前处理后洗脱液置入自制UV/TiO2光催化反应器，以0.2mw/cm2UV光强，消毒时间分别为25、50、75、150、300s，使其相应的UV剂量分别为5、10、15、30、60mJ/cm2进行炭菌消毒；
(4)分别取步骤(1)消毒前和步骤(3)消毒后的洗脱液水样，分别通过R2A培养基平板计数法测定其细菌总数，以消毒前后细菌灭活率来评价消毒效率。
在步骤(1)中所述的浓缩前处理是将活性炭出水经过0.45-0.8μm微滤膜截留细小炭粒，用无菌水快速冲洗微滤膜，收集洗脱液以备消毒。
步骤(2)所述的TiO2光催化薄膜材料制备方法是移取678ml无水乙醇置于1000ml烧杯，缓慢搅拌下加入170ml钛酸四丁酯，再加入30ml三乙醇胺，制成前驱体备用；另取100ml无水乙醇，加入15ml水，搅拌均匀，再加入浓盐酸，调解其pH为3，在强烈搅拌下将该溶液缓慢加入到上述前驱体中，加完继续搅拌60min，得到淡黄色溶胶，溶胶陈化24h后备用；将要镀膜的玻璃材料浸入上述溶胶中，以2cm/min的速度缓慢提拉挂膜，然后在105℃烘干后再次提拉挂膜，重复3-4次以后形成负载型光催化薄膜，挂好膜的材料置入马弗炉中以2℃/min缓慢升温到480℃，保持2h，自然冷却。所制备的薄膜材料TiO2形态为具光催化活性的锐钛型，该材料表面成膜均匀，TiO2粒径在12-28nm之间。
步骤(3)所述的消毒方法是以自制的UV/TiO2光催化反应器进行炭菌消毒，在12-15mJ/cm2的UV剂量下达到2-2.5lg的灭活率。
步骤(4)所述的消毒效率评价是通过对消毒前细菌总数N0和消毒后细菌总数N，以消毒前后细菌对数灭活率lg＝N0/N来评价消毒效率。
此外，我们在实验测定过程中的·OH发现UV/TiO2光催化炭菌消毒效果与产生的·OH浓度呈正相关关系，与UV对比消毒实验表明其灭活效能优于UV消毒。
本发明方法的优点如下：
该方法解决了常规加氯消毒不能很好的杀灭活性炭出水中炭菌的问题，研发了针对炭菌的UV/TiO2光催化消毒方法，利用UV强的穿透能力破坏细小炭粒对细菌的保护，同时，产生的强氧化性·OH协同作用提高了对炭菌灭活能力，经实验证明效果十分明显。该消毒方法采用负载型TiO2薄膜材料，避免了粉体材料难以回收的问题，不会带入和产生二次污染物，此外，该过程对于饮用水中微污染有机物具有一定的去除作用，且不会导致管网生物稳定性的降低，是一种有应用前景的炭菌消毒方法。
附图说明
图1为有机玻璃UV/TiO2光催化反应器
附图标记：1、有机玻璃盒(长×宽×高＝130×130×200mm)
2、Φ60mm石英套管 3、UV灯管
4、反应器有机玻璃盒内壁贴玻璃基TiO2薄膜
5、磁力搅拌子 6、磁力搅拌器
图2为UV与UV/TiO2炭菌消毒效率对比实验结果
具体实施方式如下：
研究试验以南方某水厂臭氧-生物活性炭工艺为研究对象，通过控制不同实验条件研究，最终形成一套有效的炭菌UV/TiO2光催化消毒方法。
(1)实验在南方某水厂进行，活性炭池的运行参数为空床接触时间为15min，气-水联合反冲洗，经过3个月，工艺运行趋于稳定，正式进入实验阶段；
(2)通过溶胶-凝胶法制备玻璃基TiO2薄膜材料，具体制备方法如下：取678ml无水乙醇置于1000ml烧杯，缓慢搅拌下加入170ml钛酸四丁酯，再加入30ml水解抑制剂三乙醇胺，制成前驱体备用；取100ml无水乙醇，加入15ml水，搅拌均匀，再加入浓盐酸调解其pH为3，将该溶液在强烈搅拌下缓慢加入到上述前驱体当中，加完继续搅拌60min，得到淡黄色溶胶，溶胶陈化24h后备用；
将要镀膜的玻璃材料以2cm/min的速度缓慢提拉挂膜，然后在105℃烘干后再次挂膜，重复3-4次以后形成负载型光催化薄膜，挂好膜的材料置入马弗炉中以2℃/min缓慢升温到480℃，保持2h，自然冷却；
XRD分析表明所制备的纳米TiO2光催化薄膜结晶形态为锐钛型。原子力显微镜(AFM)分析表明材料表面成膜均匀，TiO2粒径在18-25nm之间；
(3)取活性炭出水，经过0.45-0.8μm微滤膜截留细小炭菌复合体颗粒，用无菌水快速冲洗微滤膜，收集洗脱液置入自制1.5LUV/TiO2光催化反应器(见附图1)以备消毒。消毒前取水样接种于R2A培养基，在28℃培养7天后计数测定细菌总数N0；以0.2mw/cm2UV光强，消毒时间分别为25、50、75、150、300s，使其相应的UV剂量分别为5、10、15、30、60mJ/cm2，进行炭菌消毒，消毒后水样同上方法测定细菌总数N，通过消毒前后细菌对数灭活率lg(N0/N)表征消毒效率；
此外，我们通过控制不同UV剂量进行UV及UV/TiO2炭菌消毒对比实验结果(见附图2)表明：单独UV炭菌消毒在27mJ/cm2可达到2lg的灭活率，而UV/TiO2在12-15mJ/cm2UV剂量即可达到2.0-2.5lg的灭活率，满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-85)中细菌总数小于100CFU/mL的要求。同条件下以水杨酸为分子探针测定过程中产生的·OH，发现UV/TiO2光催化炭菌消毒效果与产生的·OH浓度呈正相关关系，其灭活率要优于单独UV消毒。
Claims (5)
1.一种饮用水活性炭工艺出水中炭菌复合体的UV/TiO2光催化消毒方法，其特征在于该消毒方法步骤如下：
(1)取稳定运行的活性炭工艺出水，经微滤膜浓缩前处理后的洗脱液备用；
(2)采用溶胶-凝胶法制备玻璃基纳米级负载型TiO2光催化薄膜材料；
(3)取步骤(1)所述前处理后洗脱液置入自制UV/TiO2光催化反应器，以0.2mw/cm2UV光强，消毒时间分别为25、50、75、150、300s，使其相应的UV剂量分别为5、10、15、30、60mJ/cm2进行炭菌消毒；
(4)分别取步骤(1)消毒前和步骤(3)消毒后的洗脱液水样，分别通过R2A培养基平板计数法测定其细菌总数，然后以消毒前后细菌灭活率来评价消毒效率。
2.按权利要求1所述的消毒方法，其特征在于在步骤(1)中所述的浓缩前处理是将活性炭出水经过0.45-0.8μm微滤膜以截留细小炭粒进行浓缩，用无菌水快速冲洗微滤膜，收集洗脱液。
3.按权利要求1所述的消毒方法，其特征在于步骤(2)所述的TiO2光催化薄膜材料制备方法是移取678ml无水乙醇置于1000ml烧杯，缓慢搅拌下加入170ml钛酸四丁酯，再加入30ml三乙醇胺，制成前驱体备用；另取100ml无水乙醇，加入15ml水，搅拌均匀，再加入浓盐酸，调解其pH为3，在强烈搅拌下将该溶液缓慢加入到上述前驱体中，加完继续搅拌60min，得到淡黄色溶胶，溶胶陈化24h后备用；将要镀膜的玻璃材料浸入上述溶胶中，并将玻璃以2cm/min的速度缓慢提拉挂膜，然后在105℃烘干后再次提拉挂膜，重复3-4次以后形成负载型光催化薄膜，挂好膜的材料置入马弗炉中以2℃/min缓慢升温到480℃，保持2h，自然冷却，所制备的薄膜材料TiO2形态为具光催化活性的锐钛型，该材料表面成膜均匀，TiO2粒径在12-28nm之间。
4.按权利要求1所述的消毒方法，其特征在于步骤(3)所述的炭菌UV/TiO2消毒在12-15mJ/cm2的UV剂量下达到2-2.5lg的灭活率。
5.按权利要求1所述的消毒方法，其特征在于步骤(4)所述的消毒效率评价是通过分别测定消毒前细菌总数N0和消毒后细菌总数N，以消毒前后细菌对数灭活率lg＝N0/N来评价消毒效率。
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