CN116535048A - 一种电化学深度处理自来水的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学深度处理自来水的方法及系统，涉及自来水深度净化处理领域，包括以下步骤：对水体絮凝处理，并对水体中的悬浮性细微颗粒物和胶体增径处理；对水体中泥沙和絮凝体分别进行粗过滤和精细过滤；对过滤后的水体进行循环氧化还原反应，直至满足自来水标准。本发明通过电絮凝技术对水体中悬浮性细微颗粒物和胶体进行处理，可以有效提升颗粒物的粒径，进而提高沉淀池及气水反冲洗砂滤器对悬浮性细微颗粒物和胶体的去除效果，甚至可以解决自来水微塑料污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及自来水深度净化处理领域，更具体的说是涉及一种电化学深度处理自来水的方法及系统。
背景技术
饮用水中常见的污染物有天然有机物、无机非金属物质、内分泌干扰化学品、微生物与消毒副产物等。近年来，自来水中的一些新污染物(如微塑料)等也引起了广泛关注。
现阶段，饮用水的传统工艺流程是采用混凝+沉淀+过滤+消毒。混凝是通过添加化学试剂让水体中的悬浮颗粒或胶体微粒相互吸附形成大颗粒物质，沉淀是在混凝的基础上，将一些大颗粒物质或者大分子有机物与水分离，通过一定的滤料层截留等方式，将其排除水体，过滤通常采用粒状滤料，截留水中的杂质。消毒通常为饮用水传统工艺的最后且最关键的一道工序，它直接影响到人类的健康，消毒是将一些可致病的微生物去除，如病毒、病菌等，消毒完之后的水可以直接提供给用户，目前饮用水传统处理工艺的消毒的方式包括液氯消毒、二氧化氯消毒、氯氨消毒、臭氧氧化消毒与紫外线消毒。
混凝、沉淀、过滤是通过物理作用去除水体的悬浮物质，并降低出水水质的浊度。但混凝、沉淀、过滤对于粒径较大的物质过滤效果较好，对于粒径在10微米以下的颗粒物很难去除，而饮用水中存在的微塑料污染的粒径主要分布在5微米以下。此外，目前自来水厂通过加药进行混凝的方法具有大时滞、非线性、不确定性、时变性、模糊性等特点，导致难以实现对混凝投药过程的精确控制。添加氯制剂在传统饮用水消毒工艺中最为常用，但使用氯消毒时，氯与水中的天然有机物之间会产生一系列的消毒副产物，至今为止已经发现600多种消毒副产物，且常规氯消毒剂不能有效地灭活“两虫”。由于臭氧的氧化电位高，氧化能力很强，因此也具有优异的消毒效果，但当水体中含有溴离子时会被臭氧氧化成溴酸根和次溴酸根，溴酸盐也是国家水质标准严格限制的一种致癌性副产物，且臭氧无法在水中维持剩余的消毒能力。紫外消毒是利用物理方式灭活微生物的常见方法之一，具有无需投加化学试剂、无生物毒副作用、不产生消毒副产物和无二次污染等特点，但紫外线不具备持续杀菌能力，病原微生物还存在复活现象，且紫外线穿透力弱，不利于灭活较深水层处的“两虫”。对于有机物污染严重的水源，常规水处理工艺对有机物只有20％的去除效果，目前针对有机物的去除通常会在混凝工艺前添加氯制剂或臭氧进行预氧化，但该过程仍然存在较大的消毒副产物风险，因此研究新型的净水工艺迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电化学深度处理自来水的方法及系统，以解决背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电化学深度处理自来水的方法，包括以下步骤：
对水体絮凝处理，并对水体中的悬浮性细微颗粒物和胶体增径处理；
对水体中泥沙和絮凝体分别进行粗过滤和精细过滤；
对过滤后的水体进行循环氧化还原反应，直至满足自来水标准。
可选的，氧化还原反应具体为：通过发生二电子氧还原反应原位产生过氧化氢，在紫外激发作用下产生大量活性自由基物种，对水体中的污染物进行降解。
可选的，对水体絮凝处理，释放絮凝剂浓度计算公式如下：
其中，M表示金属阳极材料的原子质量；n表示每摩尔金属阳极溶解过程中转移的电子数；F表示法拉第电解常数；I表示电絮凝过程中的电流密度；V表示电絮凝反应池的工作体积；t表示处理时间。
可选的，所述氧化还原反应为电化学氧化还原反应，点氧化还原反应器的电流强度计算公式如下：
其中，I表示过流式电化学氧还原反应器的电流强度；n表示产生每摩尔过氧化氢所转移的电子数量；F表示法拉第电解常数；V表示阴极体积；C表示过氧化氢浓度；34为过氧化氢摩尔质量；t表示处理时间。
可选的，对过滤后的水体进行循环氧化还原反应具体为：根据水质在线监测传感器分析数据进行循环处理。
一种电化学深度处理自来水的系统，包括依次连接的水源水池、电絮凝反应池、沉淀池、气水反冲洗砂滤器、蓄水池、过流式电化学氧还原反应器和清水池；
所述电絮凝反应池设置有第一直流电源，所述过流式电化学氧还原反应器设置有第二直流电源，所述清水池中设置有多参数水质传感器；
所述气水反冲洗砂滤器、所述第一直流电源分别与第一控制系统连接；
所述第二直流电源、所述多参数水质传感器分别与第二控制系统连接。
可选的，所述电絮凝反应池包括：第一直流电源、第一阴极、第一阳极、第一进水口和第一出水口，所述第一阳极为铝、铁中的一种，形状为板状、网状或蜂窝状，所述第一阴极为金属氧化物电极，电极组采用双极并联连接，所述阴、阳极之间间距为0.5～3.0cm。
可选的，所述气水反冲洗砂滤器包括：第二进水口、滤料、第二出水口、金属隔板、反冲洗进气口、喷嘴、反冲洗进水口、反冲洗出水口以及出气口，反冲洗进气口与反冲洗进水口位于砂滤器下部，喷嘴固定在金属隔板上，滤料采用石英砂，砂粒粒度在0.65～2mm之间。
可选的，所述过流式电化学氧还原反应器包括：第二直流电源、第二阴极、第二阳极、紫外光源、第三进水口和第三出水口，第二阴极和第二阳极通过单极并联连接，第二阳极为钛基形稳性析氧电极，第二阴极是以镍网为集流体、以PTFE为疏水层、以生物炭或非金属原子掺杂生物炭为催化层所构成的三维电极，紫外光源位于第二阴极、第二阳极之间，紫外光源波段为160～320nm，辐射剂量不低于2000mJ/cm2。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种电化学深度处理自来水的方法及系统，具有以下有益效果：
(1)通过电絮凝技术对水体中悬浮性细微颗粒物和胶体进行处理，可以有效提升颗粒物的粒径，进而提高沉淀池及气水反冲洗砂滤器对悬浮性细微颗粒物和胶体的去除效果，甚至可以解决自来水微塑料污染的问题。
(2)通过电化学二电子氧还原技术，结合高性能催化电极，能够高效产生绿色氧化剂过氧化氢，通过协同不同紫外辐射技术，进一步产生大量以绿色自由基，能够解决自来水中多种类有机物污染问题，且能高效杀灭水体中“两虫”，同时能够避免传统工艺存在多种消毒副产物的问题。
(3)通过电化学技术代替传统工艺添加混凝剂以及消毒剂的过程，并通过反馈控制系统精准调控电化学水处理过程，解决了传统加药过程的大时滞性及不确定性等问题，且通过控制清水池绿色氧化剂浓度保证了系统的持续杀菌能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
其中，1-水源水池；2-第一阀门；3-第一水泵；4-电絮凝反应池；5-第一直流电源；6-电絮凝阳极；7-电絮凝阴极；8-第二阀门；9-沉淀池；10-出泥口；11-第三阀门；12-气水反冲洗砂滤器；13-第一控制系统；14-进水口；15-滤料；16-喷嘴；17-金属隔板；18-出水口；19-反冲洗进气口；20-反冲洗进水口；21-出气口；22-反冲洗出水口；23-蓄水池；24-第四阀门；25-第二水泵；26-第五阀门；27-第三水泵；28-过流式电化学氧还原反应器；29-第二直流电源；30-氧还原阳极；31-氧还原阴极；32-紫外光源；33-第二控制系统；34-清水池；35-多参数水质传感器；36-第六阀门；37-第四水泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种电化学深度处理自来水的方法：
步骤一：水源水池1中水体经第一水泵3提升至电絮凝反应池4，电絮凝阳极6通过失去电子产生具有絮凝特性的金属阳离子，在水中经过水解、聚合形成各种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物，进而将水体中藻类、重金属及色度等进行絮凝处理，并能有效提升悬浮性细微颗粒物(如微塑料)和胶体的粒径；
步骤二：电絮凝反应池4出水进入沉淀池9，对水体中经过增径处理后的大颗粒絮凝体进行物理沉降去除；
步骤三：经沉淀池9粗过滤后的水体进入气水反冲洗砂滤器12进行精细过滤，进一步降低水中的SS和浊度；
步骤四：砂滤器12出水进入蓄水池23后，经第三水泵27进入过流式电化学氧还原反应器28内，通过阳极30发生析氧反应，向上扩散至阴极31表面发生二电子氧还原反应原位生成过氧化氢，氧还原阴极31含有气体扩散层，能够提升氧气传质效率，且催化层具有优异的二电子反应选择性，进而提高过氧化氢的发生效率，在不同紫外光源32激发作用下产生大量羟基自由基、过氧化物、超氧化物、单线态氧等活性物种，对水体中的有机物(土臭素、2-甲基异莰醇、乙草胺、乐果、内分泌干扰化学品等)、无机物(氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等)、微生物(细菌、“两虫”等)等污染物进行高效降解；
步骤五：经深度处理后的水体进入清水池34，根据水质在线监测传感器35获取数据，当水质符合标准则由第四水泵37输送至供水管网，当水质未满足标准，则由第四水泵37输送至过流式电化学氧还原反应器28进水口进行循环处理。
本实施例中，针对水体不同悬浮颗粒物浓度水平，可通过调节电絮凝过程的电流强度，进而调节在金属阳极6溶解后在水体中释放絮凝剂的浓度水平，实现基于颗粒物浓度的絮凝剂释放动态调整。电絮凝反应池4中释放絮凝剂的浓度符合以下公式：
其中，M为金属阳极材料的原子质量；n为每摩尔金属阳极溶解过程中转移的电子数；F为法拉第电解常数；I为电絮凝过程中的电流密度；V为电絮凝反应池的工作体积；t为处理时间。
本实施例中，随着电絮凝反应池4中絮凝剂释放量的不断提升，被增径处理后的悬浮性细微颗粒物在气水反冲洗砂滤器12的积累浓度也将随之上升，进而需提高反冲洗频率，气水反冲洗砂滤器12的反冲洗频率由第一控制系统13根据电絮凝过程絮凝剂释放浓度进行调控。
本实施例中，清水池34中需保持一定浓度的过氧化氢，以保证系统的持续杀菌能力。根据多参数水质传感器35检测的过氧化氢浓度，可通过第二控制系统33经第二直流电源29调节过流式电化学氧还原反应器28的电流强度，具体按照以下方式进行设置：
其中，I为过流式电化学氧还原反应器的电流强度；n为产生每摩尔过氧化氢所转移的电子数量；F为法拉第电解常数；V为阴极体积；C为过氧化氢浓度；34为过氧化氢摩尔质量；t为处理时间。
一种电化学深度处理自来水的系统，如图1所示，包括：水源水池1、电絮凝反应池4、沉淀池9、气水反冲洗砂滤器12、蓄水池23、过流式电化学氧还原反应器28、清水池34、第一控制系统13、第二控制系统33及多参数水质传感器35；所述水源水池通过第一阀门2和第一水泵3与所述电絮凝反应池4相连，所述电絮凝反应池4通过第二阀门8与沉淀池9连接，所述沉淀池9设有出泥口10，沉淀池9通过第三阀门11与气水反冲洗砂滤器进水口14相连，所述砂滤器12出水进入蓄水池23，所述蓄水池23通过第四阀门24和第二水泵25与砂滤器下部的反冲洗进水口20连接，反冲洗水体经砂滤器12上部的反冲洗出水口22回流至沉淀池9，所述蓄水池通过第五阀门26和第三水泵27连接过流式电化学氧还原反应器28，所述电化学氧还原反应器28出水直接进入清水池34，所述清水池34通过第六阀门36和第四水泵37将自来水输送至供水管网或过流式电化学氧还原反应器28进水口。
本实施例中，电絮凝反应池4中含有第一直流电源5、多组阴极7、阳极6以及进出水口，电絮凝阳极6为铝、铁中的一种，优选为铝阳极，形状为板状、网状或蜂窝状，优选为蜂窝状，所述阴极为金属氧化物电极，优选为Ti/RuO2-IrO2-TiO2电极，电极组采用双极并联连接，阴、阳极之间间距为0.5～3.0cm，优选为1.0～2.0cm，第一直流稳压电源5控制电流密度为50～100A/m2，优选为60～80A/m2。
本实施例中，气水反冲洗砂滤器12中含有进水口14、滤料15、喷嘴16、金属隔板17、出水口18、反冲洗进气口19、反冲洗进水口20、出气口21以及反冲洗出水口22，反冲洗进气口19与反冲洗进水口20位于砂滤器12下部，喷嘴16固定在金属隔板17上，滤料15采用石英砂，砂粒粒度在0.65～2mm之间，优选为0.8～1.6mm之间。
本实施例中，第一控制系统13为PLC控制，其直接连接砂滤器12反冲洗单元以及所述电絮凝反应池4的第一直流电源5。
本实施例中，过流式电化学氧还原反应器28中含有第二直流电源29、多组阴极31、阳极30、紫外光源32以及进出水口，多组阴极31、阳极30通过单极并联连接，阳极为钛基形稳性析氧电极，优选为Ti/IrO2-Ta2O5-TiO2电极，阴极是以镍网为集流体、以PTFE为疏水层、以生物炭或非金属原子掺杂生物炭为催化层所构成的三维电极，优选为以磷原子掺杂生物炭催化层的三维电极，单组阴极31、阳极30电解单元中阳极30位于阴极31下方，阳极30通过产生大量氧气供阴极31发生二电子氧还原反应利用，紫外光源32位于阴极31、阳极30电解单元之间，通过对二电子氧还原反应产物产生光解作用，进一步大量产生以羟基自由基为主的活性氧物种，紫外光源32波段为160～320nm，优选为200～275nm，辐射剂量不低于2000mJ/cm2，优选为不低于5000mJ/cm2。
本实施例中，清水池34中有多参数水质传感器35，可检测pH、浊度、氨氮、硝酸盐、色度、盐度、COD、过氧化氢等参数，清水池34中过氧化氢浓度范围为25～50ppm，优选为30～45ppm，所述第二控制系统33与第二直流电源29、多参数水质传感器35及第四水泵37相连。
本发明通过采用电化学技术代替自来水传统处理工艺添加混凝剂以及消毒剂的过程，可以解决自来水悬浮性细微颗粒物污染问题，同时可以高效降解多种类有机物污染、杀灭水体中“两虫”，避免传统工艺存在多种消毒副产物的问题，通过反馈控制系统精准调控电化学水处理过程，有助于自来水处理过程节能降耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种电化学深度处理自来水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对水体絮凝处理，并对水体中的悬浮性细微颗粒物和胶体增径处理；
对水体中泥沙和絮凝体分别进行粗过滤和精细过滤；
对过滤后的水体进行循环氧化还原反应，直至满足自来水标准。
2.根据权利要求1所述的一种电化学深度处理自来水的方法，其特征在于，氧化还原反应具体为：通过发生二电子氧还原反应原位产生过氧化氢，在紫外激发作用下产生大量活性自由基物种，对水体中的污染物进行降解。
3.根据权利要求1所述的一种电化学深度处理自来水的方法，其特征在于，对水体絮凝处理，释放絮凝剂浓度计算公式如下：
其中，M表示金属阳极材料的原子质量；n表示每摩尔金属阳极溶解过程中转移的电子数；F表示法拉第电解常数；I表示电絮凝过程中的电流密度；V表示电絮凝反应池的工作体积；t表示处理时间。
4.根据权利要求1所述的一种电化学深度处理自来水的方法，其特征在于，所述氧化还原反应为电化学氧化还原反应，电氧化还原反应器的电流强度计算公式如下：
其中，I表示过流式电化学氧还原反应器的电流强度；n表示产生每摩尔过氧化氢所转移的电子数量；F表示法拉第电解常数；V表示阴极体积；C表示过氧化氢浓度；34为过氧化氢摩尔质量；t表示处理时间。
5.根据权利要求1所述的一种电化学深度处理自来水的方法，其特征在于，对过滤后的水体进行循环氧化还原反应具体为：根据水质在线监测传感器分析数据进行循环处理。
6.一种电化学深度处理自来水的系统，其特征在于，包括依次连接的水源水池、电絮凝反应池、沉淀池、气水反冲洗砂滤器、蓄水池、过流式电化学氧还原反应器和清水池；
所述电絮凝反应池设置有第一直流电源，所述过流式电化学氧还原反应器设置有第二直流电源，所述清水池中设置有多参数水质传感器；
所述气水反冲洗砂滤器、所述第一直流电源分别与第一控制系统连接；
所述第二直流电源、所述多参数水质传感器分别与第二控制系统连接。
7.根据权利要求6所述的一种电化学深度处理自来水的系统，其特征在于，所述电絮凝反应池包括：第一直流电源、第一阴极、第一阳极、第一进水口和第一出水口，所述第一阳极为铝、铁中的一种，形状为板状、网状或蜂窝状，所述第一阴极为金属氧化物电极，电极组采用双极并联连接，所述阴、阳极之间间距为0.5～3.0cm。
8.根据权利要求6所述的一种电化学深度处理自来水的系统，其特征在于，所述气水反冲洗砂滤器包括：第二进水口、滤料、第二出水口、金属隔板、反冲洗进气口、喷嘴、反冲洗进水口、反冲洗出水口以及出气口，反冲洗进气口与反冲洗进水口位于砂滤器下部，喷嘴固定在金属隔板上，滤料采用石英砂，砂粒粒度在0.65～2mm之间。
9.根据权利要求6所述的一种电化学深度处理自来水的系统，其特征在于，所述过流式电化学氧还原反应器包括：第二直流电源、第二阴极、第二阳极、紫外光源、第三进水口和第三出水口，第二阴极和第二阳极通过单极并联连接，第二阳极为钛基形稳性析氧电极，第二阴极是以镍网为集流体、以PTFE为疏水层、以生物炭或非金属原子掺杂生物炭为催化层所构成的三维电极，紫外光源位于第二阴极、第二阳极之间，紫外光源波段为160～320nm，辐射剂量不低于2000mJ/cm2。
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