CN109293098A - 一种采用uv-led光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用UV‑LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，包括以下步骤：(1)在自然饮用水中加入硫酸或氢氧化钠，调节饮用水的pH为弱碱性，然后加入自由氯，搅拌均匀得到混合溶液；(2)将混合溶液置于波长为270～280nm的UV‑LED灯光下照射，直至处理完成。与现有技术相比，本发明采用270～280nm波长的UV‑LED光源，可快速降低消毒副产物前体物的含量，能更有效地降低消毒过程中生成消毒副产物的风险；且操作简单、反应条件容易控制，所使用的化学试剂和材料均为水处理用常规产品，未引入其它有毒有害物质，其安全性尤为突出。
Description
技术领域
本发明涉及饮用水处理技术领域，具体涉及一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法。
背景技术
目前，世界上常用的饮用水消毒方式有自由氯、氯胺、臭氧和紫外等，其中自由氯消毒在饮用水处理中应用已有100多年，由于具有价格低廉、广谱杀菌和持续消毒等诸多优点，自由氯是世界上使用最多、最广泛的饮用水消毒方式。自由氯可在管网中保持余氯，防止病原微生物的再度繁殖，因此防止水媒疾病、保障饮水生物安全的重要屏障。
但是，采用现有的消毒方式，会在消毒过程中产生消毒副产物(DBPs)，这些消毒副产物是饮用水消毒过程中消毒剂与水中的天然有机物或有机污染物或无机物反应产生的对人体有害的有毒化学物质。目前经过研究已经得到鉴别的消毒副产物有三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)、卤代酮(HKs)、卤乙腈(HANs)、三氯硝基甲烷(TCNM)等有机消毒副产物和溴酸盐、氯酸盐和亚氯酸盐等无机消毒副产物。2007年有人提出将消毒副产物分为含氮消毒副产物(N-DBPs)和含碳消毒副产物(C-DBPs)，N-DBPs是在其分子结构式中含有氮(N)原子的一类消毒副产物，主要是由水中的溶解性有机氮(DON)类化合物与消毒时所投加的消毒剂反应生成。而THMs和HAAs等分子结构中未含有氮(N)但含碳(C)原子的消毒副产物，则称为C-DBPs。国内外已有700多种消毒副产物被报道，其中THMs和HAAs的研究和报告最多，因其可使动物DNA烷基化最终诱发致癌而被广泛关注。
目前，由紫外照射和自由氯组成的高级氧化技术被广泛应用于水处理之中。紫外/氯高级氧化技术可有效降解水中污染物；但是，与此同时，由于自由氯光解会生成活性更强的氯代活性物质，故采用该工艺会带来消毒副产物方面的问题。近年来，大量的研究探讨紫外/氯组合工艺氧化过程中消毒副产物的生成规律，但结果发现无法有效控制该工艺使用过程中的消毒副产物及毒性问题。当下水厂中使用的紫外辐射光源主要为传统的低压汞灯，其发射波长为253.7nm。由这种传统低压紫外汞灯和自由氯组成的高级氧化技术，更适用于酸性条件下的水体，其效能随着水体pH增加而降低。然而，实际水体的pH值一般在7.0～8.5左右，所以采用这种以254nm波长为主的低压汞灯作为光源，可能会带来更多的消毒副产物，对人体健康构成威胁。所以，需要一种新型的紫外光源，使得这种工艺更加适用于实际水体pH条件，而这种通过选择光源来抑制消毒副产物的生成的方法未曾有人涉及。
发明内容
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更有效控制消毒副产物的生成的采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，该方法包括以下步骤：
(1)在自然饮用水中加入硫酸或氢氧化钠，调节饮用水的pH为弱碱性，然后加入消毒剂，搅拌均匀得到混合溶液；
(2)将混合溶液置于波长为270～280nm的UV-LED灯光下照射，直至处理完成。
饮用水调节为弱碱性，主要是基于取样后检测水样pH为弱碱性。自由氯在弱碱性饮用水中的存在形态主要为次氯酸根离子态，而次氯酸根离子在270～280nm之间摩尔吸光系数达到相对峰值，且在该波长范围内次氯酸根离子的量子产率也较高，故摩尔吸光系数和量子产率的协同作用使得次氯酸根离子在该波长范围内产生的自由基浓度相对较高，因此有更多的消毒副产物前体物转化为非消毒副产物前体物，从而削减消毒副产物的生成。
优选的，所述的弱碱性为pH在7.0～9.0之间。
优选的，所述的消毒剂为次氯酸离子。
更优选的，所述的混合溶液中次氯酸离子的质量浓度为1～20mg/L。
优选的，所述的UV-LED灯光的辐射剂量为200～1000mJ/cm2。若紫外剂量更小则达不到消毒的效果，若更大则会造成能源浪费。
在自然饮用水中加入消毒剂后，饮用水中含有消毒副产物，所述消毒副产物包括三卤甲烷或卤乙酸中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)采用270～280nm波长的UV-LED光源，可快速降低消毒副产物前体物的含量，降解更彻底，且矿化度更高，能更有效地降低消毒过程中生成消毒副产物的风险；
(2)操作简单、反应条件容易控制，所使用的化学试剂和材料均为水处理用常规产品，未引入其它有毒有害物质，其安全性尤为突出；
(3)反应不需要在密闭无氧环境下进行，在敞口室温环境下也能通过优化紫外/氯组合工艺的效能，有效减少消毒副产物的含量。
附图说明
图1为实施例1中不同pH对紫外/氯组合工艺中控制THMs含量的效果图；
图2为实施例1中不同pH对紫外/氯组合工艺中控制THMs毒性的效果图；
图3为实施例2中不同pH对紫外/氯组合工艺中控制HAAs含量的效果图；
图4为实施例2中不同pH对紫外/氯组合工艺中控制HAAs毒性的效果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将自然饮用水的pH控制为7.0～9.0，温度为25℃，向溶液中投加次氯酸钠，然后放置于UV-LED光源下(275nm)进行紫外照射试验，紫外剂量达到1200mJ/cm2后对反应液进行取样和膜滤。按水中物质浓度计算，次氯酸钠投加量为14.2mg/L的条件下，THMs含量及水体毒性的变化效果图如图1、2所示。
图1所示为THMs在不同条件下的生成含量，THMs采用气相色谱检测；图2中的毒性由图1检测到的THMs浓度所得。从图1、2可以看出不同pH条件下，选取275nm的UV-LED作为光源的紫外/氯高级氧化工艺中生成的THMs浓度为10-13μg/L。
对比例1
将自然饮用水的pH控制为7.0～9.0，温度为25℃，向溶液中投加次氯酸钠，然后放置于传统紫外光源下(254nm)进行紫外照射试验，紫外剂量达到1200mJ/cm2后对反应液进行取样和膜滤。按水中物质浓度计算，次氯酸钠投加量为14.2mg/L的条件下，THMs含量及水体毒性的变化效果图如图1、2所示。
图1所示为THMs在不同条件下的生成含量，THMs采用气相色谱检测；图2中的毒性由图1检测到的THMs浓度所得。从图1、2可以看出不同pH条件下，采用254nm的紫外灯作为光源时，THMs含量为11-21μg/L。因此，275nm的UV-LED具有更好的抑制THMs生成并控制水体毒性的效果。由此可知，在实际水体条件下(pH>7.0)，选取275nm作为紫外光源，可更高效地控制THMs含量及水体毒性。
实施例2
将自然饮用水的pH控制为7.0～9.0，温度为25℃，向溶液中投加次氯酸钠，然后放置于UV-LED光源下(275nm)进行紫外照射试验，紫外剂量达到1200mJ/cm2后对反应液进行取样和膜滤。按水中物质浓度计算，次氯酸钠投加量为14.2mg/L，HAAs含量及水体毒性的变化效果图如图3、4所示。
图3所示为HAAs在不同条件下的生成含量，HAAs采用气相色谱检测；图4中的毒性由图3检测到的HAAs浓度所得。从图3、4可以看出不同pH条件下，选取275nm的UV-LED作为光源的紫外/氯高级氧化工艺中生成的HAAs浓度为171-227μg/L。
对比例2
将自然饮用水的pH控制为7.0～9.0，温度为25℃，向溶液中投加次氯酸钠，然后放置于传统紫外光源下(254nm)进行紫外照射试验，紫外剂量达到1200mJ/cm2后对反应液进行取样和膜滤。按水中物质浓度计算，次氯酸钠投加量为14.2mg/L，HAAs含量及水体毒性的变化效果图如图3、4所示。
图3所示为HAAs在不同条件下的生成含量，HAAs采用气相色谱检测；图4中的毒性由图3检测到的HAAs浓度所得。从图3、4可以看出不同pH条件下，采用254nm的紫外灯作为光源时，HAAs含量为198-243μg/L。因此，选取275nm的UV-LED具有更好的抑制HAAs生成并控制水体毒性的效果。由此可知，在实际水体条件下(pH>7.0)，选取275nm作为紫外光源，可更高效地控制HAAs含量及水体毒性。
实施例3
采用与实施例1、2类似的处理方法，不同之处在于，本实施例采用的UV-LED灯光的波长为270nm。经检测，该光源照射下的饮用水THMs和HAAs含量及水体毒性均低于对比例1、2的数值。
实施例4
采用与实施例1、2类似的处理方法，不同之处在于，本实施例采用的UV-LED灯光的波长为280nm。经检测，该光源照射下的饮用水THMs和HAAs含量及水体毒性均低于对比例1、2的数值。
由实施例3、4可知，根据自由氯在弱碱性条件下的摩尔吸光系数和量子产率，可知在270～280nm范围内自由氯仍具有较大的摩尔吸光系数和量子产率值。
Claims (6)
1.一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在自然饮用水中加入硫酸或氢氧化钠，调节饮用水的pH为弱碱性，然后加入消毒剂，搅拌均匀得到混合溶液；
(2)将混合溶液置于波长为270～280nm的UV-LED灯光下照射，直至处理完成。
2.根据权利要求1所述的一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，其特征在于，所述的弱碱性为pH在7.0～9.0之间。
3.根据权利要求1所述的一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，其特征在于，所述的消毒剂为次氯酸离子。
4.根据权利要求3所述的一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，其特征在于，所述的混合溶液中次氯酸离子的质量浓度为1～20mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，其特征在于，所述的UV-LED灯光的辐射剂量为200～1000mJ/cm2。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种采用UV-LED光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，其特征在于，在自然饮用水中加入消毒剂后，饮用水中含有消毒副产物，所述消毒副产物包括三卤甲烷或卤乙酸中的一种或多种。
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