CN1583580A - 利用辐照对城市饮用水进行处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种饮用水的处理方法，采用辐照的方法对城市饮用水进行处理，达到高效降解城市饮用水中氯化消毒副产，满足人们对高质量饮用水的需求。该方法对经过氯化消毒处理后的水体，利用高能电子束或者γ射线进行辐照处理，去除其中的卤代有机物，得到高质量的出水。
Description
技术领域
本发明涉及一种饮用水的处理方法，具体地说是利用辐照对城市饮用水进行高级处理的方法。
背景技术
加氯消毒一直是城市给水处理中广泛采用的消毒手段。加氯消毒主要通过次氯酸(HOCl)起作用。次氯酸体积小，电荷中性，能透过细菌的细胞壁穿透到细菌内部，氧化破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。氯消毒应用历史长，使用、运输方便，成本较低，氯对细菌有很强的杀灭能力，其在水中能长时间地保持一定数量的余氯，具有持续消毒能力，是目前应用最广泛且最为经济有效的消毒药剂。然而氯消毒其严重的弊病是当水源中有机物含量稍高时，将产生氯代有机物，而大多数氯代有机物均有“三致”性(致癌、致畸、致突变)，其中尤以三卤甲烷(THM)和卤乙酸(HAA)为典型代表。西方发达国家在生活饮用水国家标准中已列出了THM限量指标。随工业发展，饮用水源质量不断下降，消毒剂用量不断加大，使消毒副产物含量大增，因此，对氯化消毒副产物(DBPs)的去除势在必行。
研究去除饮用水中等氯化消毒副产物，一般考虑的处理方式有：在氯化处理前降低前驱物质；在消毒副产物形成后降低它们的浓度。由于消毒副产物形成后处理的难度较大，现有研究大都从改进饮用水氯化消毒的方法改进水处理方法两方面考虑。
改进饮用水氯化消毒的方法主要有加氯前去掉前驱物质，降低加氯量及接触时间等。
饮水卫生学家大都认为，消除饮用水中DBPs的根本措施是改善原水的水质条件，即去除水中可能形成DBPs的前驱物质。其中主要是去除原水中的可溶性色度和总有机碳(TOC)。目前美国在实施D/DBP条例的过程中推荐采用的三种方法是强化混凝法、粒状活性炭吸附法和膜过滤法，此外，也有采用生物氧化法和光化学氧化法作为前处理方法。
1.强化混凝法
强化混凝法是指在常规工艺流程下，加入超量的混凝剂以提高原水中有机物的去除率。其去除机理主要有三点：(1)电中和，(2)沉淀，(3)共沉淀。由于该方法技术要求不高、无需投入大量资金，被水处理工作者普遍认为是实现D/DBP条例第一阶段的最佳途径。影响混凝效果的因素有混凝剂品种、混凝剂投量、混凝pH值、混合水力条件、原水水质变化及药剂投加方式等。这种方法对氯化形成的THMs，虽经混凝、沉淀和过滤，但去除甚少。在实际运用中也应考虑水处理过程中污泥量的增加、浊度的增加、总药剂量的增加以及调节混凝的硫酸消耗和调节出水的碱石灰消耗等。
2.颗粒活性碳(GAC)过滤
GAC是一种良好的水处理剂，它对有机物的去除机理主要有两种：物理吸附作用和微生物降解作用。GAC吸附过滤不仅可去除水中溶解性有机物含量，降低DBPs的产量，而且可直接去除DBPs，还可降低氯的需要量。但是GAC过滤并没有降解消毒副产物，同时，当最大污染物容许水平(Maximum Contamination Level，MCL)很低时，需要经常更换炭芯，所需费用比较高。另外，出水浊度大也是该方法的不足之处。
3.膜过滤
膜过滤是一项已有几十年历史的成熟工艺，把该技术运用至自来水中消毒副产物前驱体的去除是近几年的新发展。膜装置可分为纳滤(NF)、反渗透(RO)、超滤(UF)和微滤(MF)四种。天然水中的有机物主要是腐殖酸类，它们的分子量相对较小，分子量变化范围在100～1000道顿，因而纳滤(NF)对水源水中有机物的去除效果最好。纳滤又叫膜软化工艺，其截留分子量为200～1000道顿，在去除水中有机物同时可保留对人体有益的无机离子。用膜过滤去除水中的有机物具有能耗低、设备简单的优点，但膜的使用寿命较短、易污染、难清洗和膜的成本较高限制了这种技术的广泛运用。
4.生物预处理
生物预处理法一般是在常规处理工艺前增设生物处理装置(或构筑物)，借助于该装置中富集的微生物群体(生物膜)的新陈代谢，在不断充气的条件下去吸收、分解、氧化、利用水源中的各种污染物质(主要是有机物)，这样即改善了水的混凝、沉淀性能，使后续常规工艺顺利进行，降低矾耗和氯耗，又减少了水中“三致”物前驱物质的量，改善出水质量。目前饮用水预处理中主要采用的生物接触氧化技术，填料有石英砂、陶粒和弹性立体等。研究结果表明，生物氧化技术使水中的有机物浓度有明显的降低，特别是对氨氮有明显的去除率。但生物预处理需修筑专门构筑物，增加投资和运行费用，在现有水厂中推广有一定难度。
5.化学氧化
化学氧化法是利用氧化势能较高的氧化剂(如O3、KMnO4、H2O2)等，或光子与氧化剂、催化剂作用(如UV-H2O2，UV-O3，UV-TiO2)及氧化剂之间相互作用(O3-H2O2)产生的强氧化性的自由基作用，达到氧化分解有机物的目的。如高锰酸钾(KMnO4)预处理，可将原水中部分TOC分解，所形成的二氧化锰和其他悬浮物在随后的混凝、沉淀和过滤中被去除掉，从而在氯化处理中可降低总DBPs50％以上。
以KMnO4控制水中的有机物，不必改变常规的净水工艺流程，只需在投加混凝剂之前或同时投加KMnO4溶液，操作简便易行。但不与O3反应的有机物也不能被KMnO4氧化；KMnO4亦不能将其氧化的有机物完全矿化为CO2和H2O，往往生成许多中间产物；对地表水中腐殖类物质的氧化甚至可能生成少量THMs；KMnO4价格较高。因此，该方法尚难推广。
以上各种去除饮用水中DBPs等消毒副产物的方法都存在各自的优缺点，在实际应用中有一定的局限性。因此开发新的饮用水处理技术势在必行。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，采用辐照的方法对城市饮用水进行处理，达到高效降解城市饮用水中氯化消毒副产物，满足人们对高质量饮用水的需求。
本发明的目的是通过以下措施来实现的：
利用辐照对城市饮用水进行处理的方法，其特征在于对经过氯化消毒处理后的水体，利用高能电子束或者γ射线进行辐照处理，去除其中的卤代有机物。
所述γ射线为放射性原子60Co或137Cs衰变时放射出的。
所述高能电子束由高能电子加速器产生的。
所述卤代有机物为卤甲烷和卤乙酸。
放射性原子衰变时放射出的γ射线具有相当强的贯穿力，工业上最常见的辐照源是放射性核素60Co(钴)和137Cs(铯)。而高能电子束的可控性好，反应速率快，穿透力强。高能电子束和γ射线都能产生类似的活性中间体，最主要的区别在于钴源γ-射线的剂量释放率相对较低。
高能电子束和γ射线进入水体发生的反应基本相同。当高能电子束或者γ射线进入水体后，在10-7秒内与水分子发生如下反应生成各种活性物质：
括号中的数字表示每吸收100eV的能量时，水中产生的各种自由基的数量。辐照就是利用高能电子束或者γ射线进入水体的瞬间与水分子反应产生活泼的自由基eaq -、OH·、H·等对水体进行处理。 这些自由基OH·，H·，eaq -都是高活性物质，能迅速与水体中的有机物反应，从而达到降解转化有机物的目的。由于反应产生的OH·和eaq -数量基本相当，所以污染物的去除可能是氧化作用也可能是还原作用，这主要取决于污染物的浓度、化学结构和水质条件。eaq -是强烈的亲核试剂，能和带有吸电子基团的烯烃和苯环强烈反应。例如：它与含卤素有机物能有一定反应，其反应模式通常为： 。OH·是典型的氧化剂，它作为反应的中间产物，可诱发后面的链反应，且OH·与水中绝大多数有机物的反应速度常数均在108～1010M-1·s-1数量级范围，与有机物反应主要是加成作用和提氢反应。加成作用主要是和含有不饱和键的有机物，如含烯键和芳环的有机物。提氢反应主要是和饱和脂肪族化合物和许多不饱和化合物反应，如醛类和酮类有机物。
本发明与其它传统处理方法相比，其辐照技术对城市饮用水进行高级处于具有以下优点：
现有技术中城市饮用水其处理过程一般包括以下步骤：原水→混凝→沉淀→砂滤→氯化消毒→出水，而本发明的辐照处理是对氯化消毒后的水体进行的深度处理，进一步提高了饮用水的质量。
本发明反应中产生的自由基OH·的标准氧化还原位高达2.80V，仅次于氟(2.87V)，是目前已知可在水处理中应用的最强的氧化剂，而且OH·与水中绝大多数有机物的反应速度常数均在108～1010M-1·s-1数量级范围；它作为反应的中间产物，可诱发后面的链反应；OH·无选择地直接与污染物反应将其降解为二氧化碳、水和矿物盐，不会产生二次污染；由于它是一种物理-化学过程，很容易加以控制，以满足处理需要，甚至可以降解10-9M-1·s-1级的污染物；它既可作为单独处理，又可与其它处理过程相匹配，以降低成本，满足处理要求；反应条件温和，能有效减少DBP的生成量，是一种高效节能型的饮用水处理技术。
本发明无需对传统自来水处理工艺的水厂的原有设施进行大规模改动。经处理后，出水中的主要消毒副产物卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)的去除率均接近100％；并且此种处理方法还可以有效地去除消毒副产物的前驱物，降低了在消毒副产物浓度在管网中升高的危险性，提高了管网末端居民饮用水的质量。
具体实施方式
实施例1：对城市饮用水加氯量为6mg/L，PH值为7.5，TOC浓度为7.0mg/L，三卤甲烷浓度约为40μg/L，卤乙酸浓度约为30μg/L的常规自来水厂出水，经1.5MeV，50mA高能电子加速器产生的高能电子束，在3kGy的辐照剂量下，三卤甲烷浓度降至低于4μg/，卤乙酸浓度降至低于5μg/L。并且，在处理的同时还去除了部分消毒副产物的前驱物，在管网中运输时，随时间推移消毒副产物浓度增加很少，保证了管网末端的饮用水质量。在出水PH值升至8.5时，2kGy的辐照剂量就可以达到类似的处理效果，因此，在水质PH值偏高的地区，可以考虑降低辐照剂量以降低处理成本。
实施例2：实施例1中的辐照剂量改为5kGy-时，卤甲烷和卤乙酸这两类消毒副产物可达到完全去除，对于微生物和病毒能达到5log的去除率，但是辐照成本大幅提高，应视各地饮用水处理要求选取辐照剂量。
实施例3：实施例1中的辐照采用源强度为500,000Ci60Co射线，进行辐照，其它条件不变，处理效果基本不变。
实施例4：实施例2中的辐照采用源强度为500,000Ci60Co射线，进行辐照，其它条件不变，卤甲烷和卤乙酸这两类消毒副产物可达到完全去除。
实施例5：实施例1中因为城市饮用水源水水质的不同，而引起加氯量、TOC浓度的变化，在相同的辐照剂量下，对辐照效果不会产生显著影响，对氯化消毒副产物的去除率也基本不变。
Claims (4)
1、利用辐照对城市饮用水进行处理的方法，其特征在于对经过氯化消毒处理后的水体，利用高能电子束或者γ射线进行辐照处理，去除其中的卤代消毒副产物。
2、根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于所述高能电子束由高能电子加速器产生的。
3、根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于所述γ射线为放射性原子60Co或137Cs衰变时放射出的。
4、根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于所述卤代消毒副产物为卤甲烷和卤乙酸。
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