CN111499061B - 一种天然水体处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然水体处理方法及装置，包括：使用水泵通过管路抽取污染的天然水体，并经粗滤栅格过滤模块滤除大颗粒物杂质；将过滤后的水体泵入光催化高级氧化模块内；将空气经由风机送入空气净化模块进行净化，并将净化后空气经过泵入浸没于光催化高级氧化模块底部的微气泡发生模块，产生微气泡，将微气泡作为工艺曝气和氧气源参与光催化高级氧化模块运行；将处理后的洁净富氧水体可排至水源地水体的表层，应用本发明实施例，降低了水源地水体的腐殖酸浓度，从源头上保障水源地天然水体的水质，并减轻后续自来水厂的消毒工艺产生高浓度消毒副产物的压力，确保自来水厂整体出水水质。

Description

一种天然水体处理方法及装置
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种天然水体处理方法及装置。
背景技术
在中华 人民共和国2013年提出的《挥发性有机物(Volatile OrganicCompounds,VOCs)防治技术政策》中对挥发性有机物的定义为常温下饱和蒸汽压大于13.32Pa，常压下沸点在50～260℃的有机化合物，或者在常温常压下任何能够挥发的有机物。VOCs的种类十分丰富，包括，烷类，烃类，酯类，醛类等等，最常见的有三氯甲烷，三氯乙烷，苯，甲苯等。其中三氯甲烷在农药厂等化工类生产厂家排放废气中的浓度远超出国家规定的排放限值。大量VOCs气体由于大气的运输作用，沉降作用以及渗透作用进入水中，最终在天然水体中以总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)的形式存在。
在自然环境中，动植物的腐败组织在水环境中会经历不断的物理化学反应，最终转化为一类高分子的化合物，即腐殖酸，其在大自然水体环境中的分布十分广泛：占到了溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)的 50％-90％。同时，水华微囊藻作为水中蓝藻爆发的优势藻种，其大量生长后进入衰亡期可向水体中释放出大量藻毒素，并产生大量的腐殖酸。水体中的腐殖酸浓度的增高会直接导致后续自来水消毒处理工艺中消毒副产物(Disinfection Byproducts,DBPs)浓度升高，使得饮用水安全面临更大风险。由于消毒副产物和藻毒素具有极难降解的特点而其绝对浓度相对较低，导致其一旦产生便很难去除。多项研究报道表明饮用水中消毒副产物与藻毒素的浓度升高将会大大增加对人体的致畸变性。赵玉丽等国内外的相关研究总结得出如腐殖酸，富里酸和藻类与消毒剂发生氧化加成取代反应，生成产物经人体饮用易对生殖系统造成副作用；DBPs具有“三致”作用，即致畸致癌致突变性。
现有的对天然水体包括对黑臭水体的处理方式一般为曝气增氧法，均为依靠增加水中的含氧量而加速水体的自净化，结合近年来相关专利如 CN207659186U“水体自动曝气系统”，CN206735892U“水体曝气装置”， CN105600919B“一种具有水体修复功能的悬浮曝气装置”，然而以上述专利为代表的技术存在共性的技术缺陷如下：
直接采用富含VOCs污染气体的大气进行曝气增氧，大大增加了空气中的VOCs向水体中的溶解速率，加剧了空气中VOCs在水中富集的情况；传统处理方式虽已考虑天然水体中底层水体含氧量较低，将曝气管道放置于底层水体曝气，使中底层水体富氧化以期起到对天然水体的深层净化作用的方式，但该过程属于天然水体依靠水体氧化以及异养需氧型微生物的新陈代谢消耗水中有机物，从而达到净化水体的自修复过程，总体效率较低；现有曝气技术中没有对促使产生藻毒素、消毒副产物的前驱体污染物——腐殖酸进行净化消除的功能。
综上，本发明针对上述三个主要缺陷，综合考虑对曝气气源中VOCs污染物的净化，引入高效率光催化氧化降解工艺对腐殖酸的主要来源——水生生物、藻类、微生物进行全面地处理和控制，目的是降低水源地水体的腐殖酸浓度，从源头上保障水源地天然水体的水质，并减轻后续自来水厂的消毒工艺产生高浓度消毒副产物的压力，确保自来水厂整体出水水质。本发明对于满足未来我国饮用水卫生标准的提升需求，水源地保护、自来水供水处理等领域意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然水体处理方法及装置，降低了水源地水体的腐殖酸浓度，从源头上保障水源地天然水体的水质，并减轻后续自来水厂的消毒工艺产生高浓度消毒副产物的压力，确保自来水厂整体出水水质。
为了实现上述目的，本发明提供一种天然水体处理方法，所述方法包括：
使用水泵通过管路抽取污染的天然水体，并经粗滤栅格过滤模块滤除大颗粒物杂质；
将过滤后的水体泵入光催化高级氧化模块内；
将空气经由风机送入空气净化模块进行净化，并将净化后空气经过泵入浸没于光催化高级氧化模块底部的微气泡发生模块，产生微气泡，将微气泡作为工艺曝气和氧气源参与光催化高级氧化模块运行；
将处理后的洁净富氧水体可排至水源地水体的表层。
本发明还提供一种天然水体处理装置，所述装置包括：
空气处理模块；
风机，用于将其内的空气形成负压状态，并送入所述空气处理模块，以进行空气处理；
气流流量控制器；
高级氧化模块；
所述气泵用于将处理后的气体加压通过所述气流流量控制器；
微气泡曝气模块，以接收所述气流流量控制器经管道传输的气体，其中，所述微气泡曝气模块放置于所述高级氧化模块入口处；
栅格过滤模块；
水泵，用于在开启状态下天然水体经所述栅格过滤模块进入所述高级氧化模块与所述微气泡曝气模块产生的微气泡混合；
在线监测模块，用于对所述高级氧化模块处理后水体中的参数进行监控，期中，所述参数至少包括叶绿素含量以及pH值。
优选的，所述高级氧化模块中光源的波长范围185nm～500nm之间，且光源与所选用光催化剂响应波段相匹配。
优选的，所述高级氧化模块中选择光催化剂为负载型光催化剂，光催化剂为g-C3N4、TiO2及贵金属改性TiO2光催化剂中的一种或者多种，负载载体可以为陶瓷、不锈钢、钛合金金属材料、高分子材料中的一种或者多种。
优选的，所述空气处理模块为双介质阻挡放电器负载半导体TiO2或 BaTiO2、臭氧协同紫外光催化高级氧化模块，所述高级氧化模块包括紫外光催化模块以负载型TiO2/Ti为光催化剂以及其载体。
应用本发明实施例提供的一种天然水体处理方法及装置，具备的有益效果如下：
1、通过引入空气净化处理装置对源自大气的空气进行净化，解决了空气中的VOCs向水源地水体富集的污染源头，将直接减少后续供水过程中消毒副产物的生成，对供水安全具有重要意义。
2、本发明从控制自然水源地水体中的腐殖酸、藻毒素浓度入手，相较常规水体修复技术单一增氧的处理思路，相对更直接的保障了水源地水质的安全。
3、本发明通过控制自然水源地水体中的腐殖酸浓度，直接缓解了后续自来水厂因原水腐殖酸过高而难以处理的情况，并有效减少了处理后自来水中的消毒副产物含量，提高了自来水的安全性。
4、本发明有效动态控制了天然水体中藻类丰度，从而避免了藻类爆发失控所引起的藻毒素大量产生，并通过动态控制系统启停的方式保证了水体中藻类在可控范围内生长，保证了生物多样性的同时减少了系统运行的时间，降低了运行功耗。
附图说明
图1是本发明的一种天然水体处理装置的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
图1污染天然水体上方的自然空气，通过流路因风机1产生的负压状态将空气送入空气处理模块2，去除VOCs、PM等污染物，将处理后的气体经气泵3加压，通过气流流量控制器4经管道送入浸没于光催化高级氧化模块底部的微气泡曝气模块5，产生大量微气泡，其中，微气泡曝气模块5放置于高级氧化模块8入口处；水泵7开启后天然水体经管道经栅格过滤模块6 滤除大颗粒物杂质，进入高级氧化模块8与微气泡产生模块5产生的微气泡混合，将产生足够的微气泡作为工艺曝气和氧气源参与高级氧化模块8中运行，进一步去除污染水体中的腐殖酸、藻毒素等微量污染物，同时进行灭藻消毒处理，确保污染水体中的蓝藻、绿藻、微囊藻、甲藻、夜光藻等丰度保持在低风险的安全水平。
设置于高级氧化模块8内的在线监测模块9，在整个处理流程中始终对水中的叶绿素含量以及pH值进行监测，若水质符合预先设置的水质标准则发送信号指令，则本次水源地处理系统可停止工作；若水质监测指标不符合预先设置的水质标准，则整个处理流程继续执行，源源不断地将富含腐殖酸、蓝绿藻孢子的中下层污染水体经过高级氧化模块8进行净化排至表层水体，直到设置于高级氧化模块8内的在线监测模块9的监测值达到预先设置的水质标准，则发送信号指令，本次水源地处理系统可终止工作，确保完全消除藻类爆发及其释放的藻毒素污染风险。实施效果可用藻类去除效率，腐殖酸浓度变化，藻毒素浓度变化来衡量，具体可使用藻类计数法，高效液相色谱质谱仪，紫外可见光分光光度仪进行测定。
本发明采用经过先进工艺净化后的大气向水源地曝气具有显著优势，可有效避免大气中的VOCs污染物向水体富集从而对天然水体造成二次污染。催化协同非热等离子体介质阻挡放电模块对空气中的VOCs进行去除，介质反应器中产生的高能电子以及强氧化性的自由基与空气中的各类VOCs分子反应，引起其分子键断裂，可将VOCs有机污染物彻底降解为无害的无机气体分子如 N2、CO2、H2O等。
臭氧协同紫外光催化高级氧化方法，臭氧具备强氧化性可将空气中的 VOCs进行氧化，生成无机产物如CO2，N2等物质，紫外光催化模块则利用紫外光提供半导体电子由价带跃迁至导带中间所需禁带能量，导致电子(e-) 跃迁的发生，生成光生电子(e-)以及价带上的光生空穴(h+)，两者分别具有强还原能力与强氧化能力，其光生空穴捕捉空气中的VOCs与其接触表现为强氧化性，可彻底对VOCs进行降解，得到无害的CO2、H2O等气体分子。
将处理后的空气通过气泵3泵入孔径直径为1μm或0.1μm的微气泡曝气模块5中，使空气以微气泡的形式在深度净化高级氧化模块8中传递，大大增加了水体与空气的接触面积，增大了水中氧气的吸收效率，增强了对光催化过程的氧气传质。
本发明中的深度净化高级氧化工艺模块——光催化氧化工艺作用原理如下：
腐殖酸在紫外光的照射下即会增加其自身光解的速度，紫外光产生的高能光子，其能量大于半导体电子由价带跃迁至导带中间所需禁带能量，导致电子(e-)跃迁的发生，生成光生电子(e-)以及价带上的光生空穴(h+)，两者分别具有强还原能力与强氧化能力，从而与水中的溶解氧以及OH-离子形成具有强氧化性的羟基自由基，极大程度上加强了对腐殖酸的氧化过程，加速了其反应降解的速度；藻毒素具备环状结构与间隔双键结构，其性质十分稳定，利用传统的水处理方法很难将其去除，高级氧化深度净化法利用其强氧化特性可在循环中有效对天然水体中的藻毒素进行降解去除；藻类在紫外光的照射下迅速失去活性或被杀灭，紫外光催化则可迅速夺取藻类细胞内的氢元素(H)使细胞膜快速分解并进一步破坏胞内物质；当环境尚未达到生长最佳时期分散在水体中的休眠类藻孢子内物质也会因为外部受到破坏，内部细胞器受到破坏以达到在一定范围内控制藻类数量的作用。处理后的水体先通入在线监测模块9对处理水中的叶绿素含量以及pH值进行监测，水中的叶绿素含量与水体中的藻类浓度成正比可以反应水中藻类的当前丰度，处理后的水体经管路于靠近水面处进行排放，该举措可加速表面水体与中下层水体的交换速率，有利于增加水体的自修复能力。
高级氧化模块8中选择紫外线发生波段或可见光光源、氙灯光源等波长范围185nm至500nm之间的光源均可，光源与所选用光催化剂响应波段相匹配即可。高级氧化模块8中选择光催化剂为负载型光催化剂使用寿命长，不易失效。可以为g-C3N4、TiO2及贵金属改性TiO2等光催化剂，负载载体可以为陶瓷、不锈钢、钛合金等金属材料、高分子材料等，可以为多孔、片状、网状、丝状等。
实施例1：
选择双介质阻挡放电器负载半导体TiO2或BaTiO2作为空气处理模块2，使用紫外光催化模块以负载型TiO2/Ti为光催化剂以及其载体作为高级氧化模块8。
空气处理模块2主体为同心石英管，外石英管外直径为20mm，厚度为 2mm，内石英管外直径为10mm，厚度为1mm；内石英管内层插入电极，内石英管外表面每平方米负载TiO2或BaTiO2225g，在外石英管外部包裹铁网作为外电极，两电极之间施加6.75kV电压，反应器长度为1m时，可以通过集气管道，使用风机1以12L/min的流速导入空气处理模块2对自然空气进行处理，对常见VOCs的处理效率达到95％以上，处理后的气体通过气泵3 通过气体流量控制器4泵入微气泡发生模块5对水体进行曝气；以高级氧化模块8容器有效紫外光催化有效反应腔体体积为2m3为例，设定水泵7泵入水体流速为100L/s，水体经管道，通过栅格过滤模块6进入高级氧化模块8 腔体，处理中水体经在线监测模块9对其指标进行测定，若水质符合预先设置的水质标准则本次水源地处理实现目标可停止工作；若水质监测指标不符合预先设置的水质标准，则高级氧化模块8中继续处理工作，源源不断地将富含腐殖酸、蓝绿藻孢子的中下层污染水体进行净化排至表层水体，最终实现水源地水体的有效动态净化，高级氧化模块8处理总反应时间为20s，足够对天然水体中的藻类进行杀灭，则该模块处理能力可达8640m3/d，水处理系统的工作时间可根据当地水质情况进行具体调整。
实施例2：
选择臭氧协同紫外光催化高级氧化模块作为空气处理模块2，使用紫外光催化模块以负载型TiO2/Ti为光催化剂以及其载体作为高级氧化模块8。
在空气处理模块2中加入臭氧发生器保证与通过集气气泵经集气管道收集的空气混合，使臭氧浓度能够达到850mg/m3，再将气体通入紫外光催化高级氧化模块8，紫外光催化高级氧化模块8由9层负载型光催化剂膜组成，单张催化膜配套150wUV254nm+185nm紫外灯10支，气体流量可控制为1500m3/h，可有效对空气中VOCs气体进行处理，含高浓度臭氧气体可经循环管路进入紫外光催化高级氧化模块8继续参加后续反应，较低浓度气体则可经配套臭氧尾气破坏器进行处理，处理后臭氧浓度低于0.1ppm；处理后的气体通过气泵3通过气体流量控制器4泵入微气泡曝气模块5对水体进行曝气；以高级氧化模块8容器有效紫外光催化有效反应腔体体积为20m3为例，设定水泵7泵入水体流速为150L/s，水体经集水管道，通过栅格过滤模块6进入高级氧化模块8腔体，处理中水体经在线监测模块9对其指标进行测定，若水质符合预先设置的水质标准则本次水源地处理实现目标可停止工作；若水质监测指标不符合预先设置的水质标准，则高级氧化模块8中继续处理工作，源源不断地将富含腐殖酸、蓝绿藻孢子的中下层污染水体进行净化排至表层水体，最终实现水源地水体的有效动态净化，高级氧化模块8处理能力可达 11520m3/d；处理过后的水体经排水管道引导至水面进行排放，水处理系统的工作时间以及工作所需系统数量可根据当地水质情况进行具体增减。
实施例3：
选择臭氧催化处理模块作为空气处理模块2，使用紫外光催化模块以负载型TiO2/Ti为光催化剂以及其载体作为高级氧化模块8。
可以通过集气管道，使用风机1以4L/min的流速导入空气处理模块2 对自然空气进行处理，其中空气与臭氧发生器中产生的臭氧混合，使臭氧浓度达到1000mg/m3，使用MnOx/γ-Al2O3作为臭氧催化模块催化剂，空速为 5000h-1，温度为室温时，对常见VOCs去除率可达95％以上；处理后的气体通过气泵3通过气体流量控制器4泵入微气泡发生模块5对水体进行曝气；以高级氧化模块8容器有效紫外光催化有效反应腔体体积为1m3为例，设定水泵7泵入水体流速为20L/s，水体经管道，通过栅格过滤模块6进入高级氧化模块8腔体，处理中水体经在线监测模块9对其指标进行测定，若水质符合预先设置的水质标准则本次水源地处理实现目标可停止工作；若水质监测指标不符合预先设置的水质标准，则高级氧化模块8中继续处理工作，源源不断地将富含腐殖酸、蓝绿藻孢子的中下层污染水体进行净化排至表层水体，最终实现水源地水体的有效动态净化，高级氧化模块8处理能力可达1728m3/d；处理过后的水体经管道引导至水面进行排放，水处理系统的工作时间以及工作所需系统数量可根据当地水质情况进行具体增减。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种天然水体处理方法，其特征在于，应用于天然水体处理装置，所述方法包括：
使用水泵通过管路抽取污染的天然水体，并经粗滤栅格过滤模块滤除大颗粒物杂质；
将过滤后的水体泵入光催化高级氧化模块内；
将空气经由风机送入空气净化模块进行净化，并将净化后空气经过泵入浸没于光催化高级氧化模块底部的微气泡曝气模块，产生微气泡，将微气泡作为工艺曝气和氧气源参与光催化高级氧化模块运行；
将处理后的洁净富氧水体可排至水源地水体的表层；
其中，所述天然水体处理装置包括：空气处理模块（2）；其中，所述空气处理模块（2）为双介质阻挡放电器负载半导体TiO2或BaTiO2、臭氧协同紫外光催化高级氧化模块任一种，所述高级氧化模块（8）包括紫外光催化模块以负载型TiO2/Ti为光催化剂以及其载体，以进行空气中的VOCs、PM物处理；
风机（1），用于将其内的空气形成负压状态，并送入所述空气处理模块（2），以进行空气处理；
气流流量控制器（4）；
高级氧化模块（8）；
气泵（3）用于将处理后的气体加压通过所述气流流量控制器（4）；
微气泡曝气模块（5），以接收所述气流流量控制器（4）经管道传输的气体，其中，所述微气泡曝气模块（5）放置于所述高级氧化模块（8）入口处；
栅格过滤模块（6）；
水泵（7），用于在开启状态下天然水体经所述栅格过滤模块（6）进入所述高级氧化模块（8）与所述微气泡曝气模块（5）产生的微气泡混合；
在线监测模块（9），用于对所述高级氧化模块（8）处理后水体中的参数进行监控，期中，所述参数至少包括叶绿素含量以及pH值；
所述高级氧化模块（8）中光源的波长范围185nm~500nm之间，且光源与所选用光催化剂响应波段相匹配；
所述高级氧化模块（8）中选择光催化剂为负载型光催化剂，光催化剂为g-C3N4、TiO2及贵金属改性TiO2光催化剂中的一种或者多种，负载载体为陶瓷、不锈钢、钛合金金属材料、高分子材料中的一种或者多种。
2.一种天然水体处理装置，其特征在于，所述装置包括：
空气处理模块（2）；
风机（1），用于将其内的空气形成负压状态，并送入所述空气处理模块（2），以进行空气中的VOCs、PM物处理；
气流流量控制器（4）；
高级氧化模块（8）；
气泵（3）用于将处理后的气体加压通过所述气流流量控制器（4）；
微气泡曝气模块（5），以接收所述气流流量控制器（4）经管道传输的气体，其中，所述微气泡曝气模块（5）放置于所述高级氧化模块（8）入口处；
栅格过滤模块（6）；
水泵（7），用于在开启状态下天然水体经所述栅格过滤模块（6）进入所述高级氧化模块（8）与所述微气泡曝气模块（5）产生的微气泡混合；
在线监测模块（9），用于对所述高级氧化模块（8）处理后水体中的参数进行监控，期中，所述参数至少包括叶绿素含量以及pH值；
所述高级氧化模块（8）中光源的波长范围185nm~500nm之间，且光源与所选用光催化剂响应波段相匹配；
所述高级氧化模块（8）中选择光催化剂为负载型光催化剂，光催化剂为g-C3N4、TiO2及贵金属改性TiO2光催化剂中的一种或者多种，负载载体为陶瓷、不锈钢、钛合金金属材料、高分子材料中的一种或者多种；
所述空气处理模块（2）为双介质阻挡放电器负载半导体TiO2或BaTiO2、臭氧协同紫外光催化高级氧化模块任一种，所述高级氧化模块（8）包括紫外光催化模块以负载型TiO2/Ti为光催化剂以及其载体。
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