CN201850164U - 一种水源地饮用水突发性环境污染物应急处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水源地饮用水突发性环境污染物应急处理装置。所说的装置由气体预处理器、等离子体源、气液射流溶解器、液液射流溶解器等构成。本实用新型能有效杀灭蓝藻等微生物，实现了在线连续快速处理被污染饮用水，具有氧化速率高、能耗低、处理时间短、占地少等优点。

Description

一种水源地饮用水突发性环境污染物应急处理装置 

技术领域

一种水源地饮用水突发性环境污染物应急处理装置，属气体放电物理和环境工程等技术领域。 

背景技术

近年来，随着工农业生产的迅速发展，旅游休闲、度假业的开发使含有大量的氮、磷营养物质的污水进入湖泊、水库，从而造成水体营养物质含量明显上升，浮游植物量大幅度提高，致使水体营养化加剧，有机污染增加，由此引起蓝藻水华爆发。蓝藻细胞死亡并破裂后，会在水中产生大量的藻毒素MC。蓝藻毒素具有致染色体断裂、致基因诱变以及较高的急性毒性，对人类健康构成潜在危害。同时引起水源地水质突发性恶化，从而使自来水水质发臭、变色、超标，影响了人们的身体健康和正常生活。此外，一些其他突发性事故（例如，发生化学品泄漏事故、突发禽流感、SARS等生物灾害等）的发生也可导致自来水水质超标。 

对于一般有机污染物，可以采用传统的水处理工艺进行净化处理，在一定浓度范围内可以达标。但传统的水处理工艺（如混凝、沉淀和过滤）都不能有效去除水中MC，不能保证出水MC达标。就目前来说，控制MC的方法，研究最多的是采用物理、化学和生物等方法。 

Morris等发现，MC可通过高粘度的粘土矿颗粒过滤去除，效率可达81%。物理法去除藻毒素不破坏毒素结构，因此不需考虑副产物的生成，去除效果较好，但对截留或吸附后藻毒素的处置应高度重视，这类技术的应用必须采取安全严密的监控措施，以确保能达到预期的效果。化学法去除MC都存在一定的局限性，氯化的高投药量和较长的接触时间限制了它在去除MC上的应用，而且还需考虑氯化后副产物的潜在危害；过氧化氢单独使用效果较差，必须与其他氧化剂联合用于藻毒素的去除；臭氧是一种去除MC的有效方法，但由于技术限制使臭氧的产率一直很低，运行成本成为臭氧应用的瓶颈。生物法安全简便，无须特殊的设备，投资较少，去除率一般可达到80%以上，但其处理周期较长。 

藻类污染控制与去除一般采用：①气浮法。藻类密度较小，其絮凝体不易沉降，采用气浮法可以取得好的除藻效果。②直接过滤法。③微絮过滤法。④化学药剂法。常用的除藻剂有硫酸铜、氯气、二氧化氮、KMnO₄，但有试验发现使用高锰酸钾、氯气可能使藻细胞裂解，反而导致MC浓度增加。⑤生物过滤法。利用本法进行除藻的研究还不够深入。中科院南京地理与湖泊研究所根据不同生态类型水生高等植物的净化能力及其微生环境特点，设计了由飘浮、浮叶、沉水植物及其根际微生物等组成的人工复合生态系统(ACE)，在太湖进行了模拟试验。结果表明，该湖水经该系统净化后藻类生物量下降58%。 

对病原微生物污染的控制，最直接有效的措施是利用化学、物理方法杀灭或抑制。但这些技术在实际应用过程中存在有不同的缺陷，如杀灭不完全，尤其是对一些产芽孢的烈性致病细菌的控制非常困难；化学方法处理难以避免存在环境污染问题，因此研制新型杀灭或抑制病原微生物技术的研究迫在眉睫。 

在研究应急处理水源地突发性环境污染物方法时，应遵循国际化学科学研究的前沿——绿色化学12条原则和国际环境科学研究前沿——高级氧化技术原则，从源头上解决治理过程中的环境污染问题，力求实现零环境污染、零废物排放，能够满足快速应对环境突发污染事件的要求。 

众所周知，羟基自由基（OH^·）是具有极强氧化能力的氧化剂。它具有极强的杀灭蓝藻、病原微生物的特性，同时又具有除臭、脱色的特性。它能氧化几乎所有的有机物和大部分的无机物，使有毒的微囊藻毒素以及化学有机污染物等最终降解为CO₂、H₂O和微量无毒害的无机盐。OH^·参与化学反应是属于游离基反应，它的化学反应速率常数大多在10⁹ L/mol·s以上，达到或超过扩散速率的极限值（10¹⁰L/mol·s），比其它化学药剂、杀灭菌剂的反应速率常数高出8个数量级，反应时间短，可以满足快速应对突发事件的要求；OH^·半衰期约在30min左右，反应剩余的OH^·将最终分解成无害的H₂O、O₂，不存在任何残留物。利用大气压强电场电离放电方法可以规模高效产生羟基自由基，能够满足大规模处理环境污染物的需要，有望实现水源地突发性环境污染物的快速、零污染、零伤害的绿色治理。 

实用新型内容

  本实用新型的目的是针对水源地有些水厂平时饮用水中藻毒素等污染物不超标，但在藻类暴发高峰或发生其它污染事故时藻毒素、化学有机物、蓝藻等环境污染物的浓度很高情况，为水源地突发性环境污染物（蓝藻毒素、化学污染物、蓝藻等微生物）应急处理提供一种新的绿色装置。采用该装置可以把H₂O、O₂电离后按羟基分子结构直接加工出高浓度大产量的羟基自由基，产生的羟基溶液浓度可达到20 mg/L～30mg/L。这将有效杀灭蓝藻等微生物，使有毒的微囊藻毒素以及化学有机污染物等最终降解为CO₂、H₂O和微量无毒害的无机盐。同时可对污染水体进行除臭、脱色处理。为治理水源地突发性环境污染物提供了一种新的应急处理方法。 

本实用新型所说的该装置的结构示意图如图1所示，包括依次连接的气体预处理器1、等离子体源3、气液射流溶解器7、液液射流溶解器11，其中，气体预处理器1通过管路与等离子体源3的入口端相连，在所连管路上与气体流量、压力控制阀2连接，等离子体源3分别与高频高压电源4和气体放电、等离子体诊断系统5相连接；等离子体源3的出口端通过管路与气液射流溶解器7的气体入口端相连，在其连接管路上设置羟基自由基浓度监测端口6，气液射流溶解器7的气液出口端通过管路与液液射流溶解器11的羟基自由基溶液入口端相连；涡轮泵8的入口端与液液射流溶解器11入口端连接的管路相连，涡轮泵的出口端通过管路与气液射流溶解器7的液体入口端相连，在涡轮泵与气液射流溶解器的连接管路上连接质量控制流量计9；液液射流溶解器11液体入口端与待处理水的出水管路相连，在液液射流溶解器11上连接压力计13，在液液射流溶解器出水管道上连接羟基自由基溶液浓度监测端口12。 

其中气体放电、等离子体诊断系统5主要由记忆示波器、高压探头、电流探头组成； 

上述所说的等离子体源采用平板矩型结构，利于模块叠加组装，体积小。，由多组模块组装而成，每组模块分别由接地极19、间隙隔片14、电介质15、放电极16、放电间隙17、放电极支承体18构成，其中在接地极19与放电极支承体18之间放置间隙隔片14，形成放电间隙17，电介质在放电极支承体18的表面，电介质15的内部放置放电极16，每个接地极19内部均有水冷却腔体20并相通。各模块按照接地极19、放电极支承体18、接地极19顺序组装在一起，两侧用环氧树脂封装形成耐腐蚀绝缘层21。

上述所说的气体预处理器可以是过滤网等。 

实用新型采用强电场电离放电方法，把H₂O、O₂电离后按羟基分子结构直接加工出高浓度大产量的OH^·，利用高效气液溶解器与部分待处理水充分混合，羟基传质效率大于98％，产生的OH^·溶液浓度可达到20 mg/L～30mg/L。产生的OH^·溶液再通入输运管道，利用高效液液溶解器与待处理饮用水充分混合，在3m～10m输运管道中完成OH^·对污染饮用水的深度处理。 

本实用新型可对以下条件的待处理水进行处理： 

温度范围：0.5℃～40℃；

OH^·与污染物的接触时间为1.5s～5s；

水中微囊藻毒素浓度<5μg/L；

水中苯酚等有机物浓度<1mg/L；

水中微囊藻细胞浓度<10³个/L。

 本实用新型与现有技术相比，具有以下优点： 

（1）采用强电场电离放电物理方法，产生的OH^·溶液浓度可达到20 mg/L～30mg/L，能够满足大规模处理环境污染物的需要。

（2）在3m～10m输运管道中完成OH^·对污染水体的深度处理，OH^·与污染物的接触时间为1.5s～5s，出水的蓝藻毒素、化学污染物的去除率达95%以上，蓝藻等微生物的杀灭率达98%以上。 

（3）采用OH^·处理环境污染物，使有毒的微囊藻毒素以及化学有机污染物等最终降解为CO₂、H₂O和微量无毒害的无机盐，反应剩余的OH^·将最终分解成无害的H₂O、O₂，不存在任何残留物。有望实现水源地突发性环境污染物的快速、零污染、零伤害的绿色治理。 

附图说明

图1水源地水质突变饮用水羟基自由基应急处理装置示意图。 

其中：1.气体预处理，2.流量、压力控制，3.等离子体源，4.高频高压电源，5.气体放电、等离子体诊断，6.羟基自由基浓度监测，7.气液射流溶解器，8.涡轮泵，9.流量测控，10.水厂现有饮用水传统处理工艺，11.液液射流溶解器，12.羟基自由基溶液浓度监测，13.压力计。 

图2等离子体源3的结构简图； 

其中：14.隔片, 15.电介质, 16.放电极, 17.放电间隙, 18.放电极支承体,19.接地极, 20.水冷却腔体, 21.耐腐蚀绝缘层。

图3羟基浓度C_OH·对微囊藻毒素、苯酚和微囊藻去除率的影响； 

其中：曲线1为C_OH·对微囊藻毒素的影响关系，曲线2为C_OH·对苯酚去除率的影响关系，曲线3为C_OH·对微囊藻去除率的影响关系。

图4处理时间t对微囊藻毒素、苯酚和微囊藻去除率的影响曲线； 

其中：曲线1为t对微囊藻毒素的影响关系，曲线2为C_OH·t对苯酚去除率的影响关系，曲线3为t对微囊藻去除率的影响关系。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图说明详细叙述本实用新型的具体实施例本实用新型的一个具体的装置示意图如图1所示：包括依次连接的气体预处理器1、等离子体源3、气液射流溶解器7、液液射流溶解器11，其中，气体预处理器1通过管路与等离子体源3的入口端相连，在所连管路上与气体流量、压力控制阀2连接，等离子体源3分别与高频高压电源4和气体放电、等离子体诊断系统5相连接；等离子体源3的出口端通过管路与气液射流溶解器7的气体入口端相连，在其连接管路上设置羟基自由基浓度监测端口6，气液射流溶解器7的气液出口端通过管路与液液射流溶解器11的羟基自由基溶液入口端相连；涡轮泵8的入口端与液液射流溶解器11入口端连接的管路相连，涡轮泵的出口端通过管路与气液射流溶解器7的液体入口端相连，在涡轮泵与气液射流溶解器的连接管路上连接质量控制流量计9；液液射流溶解器11液体入口端与待处理水的出水管路相连，在液液射 流溶解器11上连接压力计13，在液液射流溶解器出水管道上连接羟基自由基溶液浓度监测端口12。 

图2是等离子体源3的结构简图，由多组模块组装而成，每组模块分别由接地极19、间隙隔片14、电介质15、放电极16、放电间隙17、放电极支承体18构成，其中在接地极19与放电极支承体18之间放置间隙隔片14，形成放电间隙17，电介质在放电极支承体18的表面，电介质15的内部放置放电极16，每个接地极19内部均有水冷却腔体20并相通。可以将5-10个模块按照接地极19、放电极支承体18、接地极19顺序组装在一起，两侧用环氧树脂封装形成耐腐蚀绝缘层21。每个放电极16用高压电缆相连，并施加高频脉冲电压。每个接地极19用导线相连，均需安全接地，接地电阻小于0.1Ω。放电间隙17为0.25~0.64mm，采用接地极水冷却方式。电介质15采用以α型Al₂O₃为主的材料，把它非常均匀地冶贴在放电极16的表面上，其介质厚度为0.33±0.01mm。其主要物理、化学参数如下：临界击穿电场强度≥400kV/cm；相对介电常数为9.8；体积电阻率为10¹⁴Ω/cm；介电损耗为0.00025；体积密度≥3.8g/cm³；导热系数为29.2W/m·K；热膨胀系数为(6.5～7.5)×10^-6mm/℃；表面粗糙度为0.25～0.5μm；吸水率为0.0%。间隙隔片14采用聚四氟乙烯绝缘材料制成。 

其工作过程为：由高频高压电源4对等离子体源3施加高频脉冲电压，产生非平衡等离子体，把来自气体预处理器1的H₂O、O₂（由气体流量、压力控制阀2控制气体压力和流量）电离后按羟基分子结构直接加工出高浓度大产量的羟基自由基（由气体放电、等离子体诊断系统5检测高频高压电源及等离子体源的有关参数）。利用高效气液射流溶解器7使OH^·与0.5~2.0t/h部分待处理水充分混合，产生浓度高达20mg/L～30mg/L的OH^·溶液。再通入输运管道中，利用高效液液射流溶解器11与经过水厂现有饮用水传统处理工艺处理后未达标的饮用水按照OH^·溶液与待处理水的量1：25~40比例充分混合，进行深度处理，实现了在线连续快速处理被污染饮用水。 

主要技术要求如下： 

O₂气体流量：1L/min～5L/min；

电源4输入电压：220～240V；输出电压：2.0～3.8kV，频率：4～10kHz；

等离子体源3的冷却水温度：5℃~20℃,水量：7L/min～15L/min；

设备运行时等离子体源3中压力不得超过10kPa；

被污染饮用水温度范围：0.5℃～40℃。

图3是羟基浓度C_OH·（C_OH·为输运管道中的OH^·初始浓度）对微囊藻毒素、苯酚和微囊藻去除率影响的实验结果。实验采用高效液相色谱法检测水中微囊藻毒素和苯酚的浓度，采用铬黑T分光光度法检测羟基的浓度，采用叶绿素A法检测微囊藻浓度。试验条件为：饮用水处理量为2t/h，水温度为22℃，水中微囊藻毒素浓度为3.6μg/L，苯酚浓度为0.8mg/L，微囊藻细胞浓度为8.5×10²个/L，OH^·与污染物的接触时间为3s。从图2可以看出： C_OH·对污染物去除率影响较大，在其他条件稳定的情况下，随着C_OH·的增加，污染物去除率不断提高。当C_OH·为0.82mg/L时，出水的蓝藻毒素、苯酚的去除率分别为96.8%和97.9%，微囊藻的杀灭率达99.5%。 

图4是处理时间对微囊藻毒素、苯酚和微囊藻去除率影响的实验结果。试验条件为：饮用水处理量为2t/h，水温度为22℃，水中微囊藻毒素浓度为3.6μg/L，苯酚浓度为0.8mg/L，微囊藻细胞浓度为8.8×10²个/L，羟基浓度C_OH·为0.84mg/L，OH^·与污染物的接触时间为1.5~7.5s。由图3可以看出，由于OH^·具有超强的氧化性，在OH^·与污染物的接触时间为1.5~7.5s范围内，都获得了较高的污染物去除率。当接触时间为1.5s时，出水的蓝藻毒素、苯酚的去除率分别为84.5%和85.6%，微囊藻的杀灭率达92.8%；当接触时间为7.5s时，出水的蓝藻毒素、苯酚的去除率则分别达到了97.1%和98.8%，微囊藻的杀灭率高达99.9%。 

Claims (2)

1.一种水源地饮用水突发性环境污染物应急处理装置，其特征在于包括依次连接的气体预处理器（1）、等离子体源（3）、气液射流溶解器（7）、液液射流溶解器（11），

其中，气体预处理器（1）通过管路与等离子体源（3）的入口端相连，在所连管路上与气体流量、压力控制阀（2）连接，等离子体源（3）分别与高频高压电源（4）和气体放电、等离子体诊断系统（5）相连接；等离子体源（3）的出口端通过管路与气液射流溶解器（7）的气体入口端相连，在其连接管路上设置羟基自由基浓度监测端口（6），气液射流溶解器（7）的气液出口端通过管路与液液射流溶解器（11）的羟基自由基溶液入口端相连；涡轮泵（8）的入口端与液液射流溶解器（11）入口端连接的管路相连，涡轮泵的出口端通过管路与气液射流溶解器（7）的液体入口端相连，在涡轮泵与气液射流溶解器的连接管路上连接质量控制流量计（9）；

液液射流溶解器（11）液体入口端与待处理水的出水管路相连，在液液射流溶解器（11）上连接压力计（13），在液液射流溶解器出水管道上连接羟基自由基溶液浓度监测端口（12）。

2.根据权利要求1所述的应急处理装置，其特征在于，等离子体源采用平板矩型结构，由多组模块组装构成，每组模块分别由接地极（19）、间隙隔片（14）、电介质（15）、放电极（16）、放电间隙（17）、放电极支承体（18）构成，其中在接地极（19）与放电极支承体（18）之间放置间隙隔片（14），形成放电间隙（17），电介质在放电极支承体（18）的表面，电介质（15）的内部放置放电极（16），每个接地极（19）内部均有水冷却腔体（20）并相通，各组模块按照接地极（19）、放电极支承体（18）、接地极（19）顺序组装在一起，两侧用环氧树脂封装形成耐腐蚀绝缘层（21）。

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