一种强化氯胺消毒用于水处理装置及其处理方法,涉及水处理。所述装置设有氯胺溶液储备池、循环泵、阀门、流量计和超声波处理器;第一循环泵入口设于氯胺溶液储备池中,第一循环泵出口依次经第一阀门和流量计接入反应池中,反应池底部一侧设有冷却水进水口,反应池底部设有循环水出口,循环水出口依次经第二阀门、第二循环泵和第四阀门接入反应池中,循环水出口依次经第二阀门和第三阀门排出反应池外,反应池顶部一侧设有冷却水出水口;超声换能器伸入反应池内的待测溶液中。在装有待测溶液的氯胺溶液储备池中加入氯胺溶液,再将超声换能器深入氯胺溶液液面,维持氯胺溶液稳定的温度;开启超声波处理器,在超声波的作用下,除去水中的TCS。
1.一种强化氯胺消毒用于水处理装置,其特征在于设有氯胺溶液储备池、第一循环泵、第一阀门、流量计、第二阀门、第三阀门、第二循环泵、第四阀门、超声波处理器;所述第一循环泵的入口设于氯胺溶液储备池中,第一循环泵的出口依次经第一阀门和流量计接入反应池中,反应池的底部一侧设有冷却水进水口,反应池的底部设有循环水出口,循环水出口依次经第二阀门、第二循环泵和第四阀门接入反应池中,循环水出口依次经第二阀门和第三阀门排出反应池外,反应池的顶部一侧设有冷却水出水口;超声波处理器的超声换能器伸入反应池内的待测溶液中。
2.如权利要求1所述一种强化氯胺消毒用于水处理装置,其特征在于所述超声波处理器的频率为20kHz。
3.如权利要求1所述一种强化氯胺消毒用于水处理装置,其特征在于所述超声换能器伸入反应池内的待测溶液液面2~5cm,用冰浴保证溶液稳定温度。
4.一种强化氯胺消毒用于水处理的方法,其特征在于采用如权利要求1~3中任一所述一种强化氯胺消毒用于水处理装置,具体步骤如下:在装有待测溶液的反应池中加入氯胺溶液,再将超声波处理器的超声换能器深入反应溶液液面2~5cm,用冰浴维持反应溶液稳定的温度;开启超声波处理器,在超声波的作用下溶液中的氯胺会发生超声空化效应同时会生成羟基自由基(OH·),从而除去水中的三氯生,完成水处理。技术领域
本发明涉及水处理,尤其是涉及市政给排水和环境工程的一种强化氯胺消毒用于水处理装置及其处理方法。
背景技术
在饮用水消毒中为了降低消毒副产物浓度,氯胺常常用来替代自由氯消毒^[1],但是由于氯胺氧化性较弱,致使其对于有机物所需的氧化时间较长,去除能力较差^[2],导致其使用效果不令人满意。由于饮用水中个人护理用品等微量有机物的危害日益突出,因此,该发明技术可广泛应用于饮用水的深度处理,同时也可应用于对水中有毒、难生物降解微量有机污染物的去除。氯胺是一种绿色消毒剂,其消毒过程中较少消毒副产物的产生,常用来替代自由氯消毒,然而其氧化性较弱,难以去除水中有机物。超声波技术是近几年新型的一种水处理技术,在去除水中污染物尤其是难降解的污染物效果显著^[3~5]。三氯生(2,4,4’-三氯-2’-羟基二苯醚,Triclosan,TCS)是一种普遍存在的水环境污染物^[6]。研究者对地表水源中TCS的分布情况进行了大量调查,结果表明:大部分的地表水有TCS残留(μg/L-ng/L),TCS的检出浓度甚至高达5160ng/L^[7],表明此类物质已严重威胁着饮用水的水质安全。然而,研究表明现有水处理工艺对TCS的去除效果不佳,且有其他次生产物生成^[8],从而对饮用水水质安全构成极大威胁,因而,对它的去除控制是非常有必要的。参考文献:[1]Singer,P.C.,Ed,Formationxa0andxa0controlxa0ofxa0disinfectionxa0byproductsxa0inxa0drinkingxa0Water[M]Americanxa0Waterxa0Worksxa0Association:Denver,CO,1999。[2]Snyderxa0SA,Wertxa0EC,Leixa0H,Westerhoffxa0P,Yoonxa0Y,Removalxa0ofxa0EDCsxa0andxa0pharmaceuticalsxa0inxa0drinkingxa0andxa0reusexa0treatmentxa0processes[M].AWWAxa0Researchxa0Foundation,IWAxa0Publishing,London,2007。[3]Adolfsson-Ericixa0M,Petterssonxa0M,Parkkonenxa0J.Triclosan,axa0commonlyxa0usedxa0bactericidexa0foundxa0inxa0humanxa0milkxa0andxa0inxa0thexa0aquaticxa0environmentxa0inxa0Sweden[J].Chemosphere2002,46:1485–1489。[4]Pradoxa0LS,Barroxa0R,Jaresxa0CG,Sonochemicalxa0degradationxa0ofxa0triclosanxa0inxa0waterxa0andxa0wastewater[J],Ultrasonicsxa0Sonochemistry,2008(15):689–694。[5]Yaoxa0JJ,Gaoxa0NY,Lixa0C,Mechanismxa0andxa0kineticsxa0ofxa0parathionxa0degradationxa0underxa0ultrasonicxa0irradiation[J],Journalxa0ofxa0Hazardousxa0Materials,2010(175):138–145。[6]Mehrdadxa0A,Hashemzadehxa0R,Ultrasonicxa0degradationxa0ofxa0Rhodaminexa0Bxa0inxa0thexa0presencexa0ofxa0hydrogenxa0peroxidexa0andxa0somexa0metalxa0oxide[J],Ultrasonicsxa0Sonochemistry,2010(17):168–172。[7]Besterxa0K,Fatexa0ofxa0triclosanxa0andxa0triclosan-methylxa0inxa0sewagexa0treatmentxa0plantsxa0andxa0surfacexa0waters[J].Archxa0Environxa0Contamxa0Toxicol,2005,49:9–17。[8]Ramaswamyxa0BR,Shanmugamxa0G,Veluxa0G,GC–MSxa0analysisxa0andxa0ecotoxicologicalxa0riskxa0assessmentxa0ofxa0triclosan,carbamazepinexa0andxa0parabensxa0inxa0Indianxa0rivers,Journalxa0ofxa0Hazardousxa0Materials[J]2011,186:1586–1593。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的水处理工艺中氯胺消毒无法有效去除水体中的TCS等问题,提供一种强化氯胺消毒用于水处理装置及其处理方法,本发明主要适用于市政给排水和环境工程,采用超声波处理器与氯胺联用的方法,可对水体中的TCS进行有效去除。所述强化氯胺消毒用于水处理装置设有氯胺溶液储备池、第一循环泵、第一阀门、流量计、第二阀门、第三阀门、第二循环泵、第四阀门、超声波处理器;所述第一循环泵的入口设于氯胺溶液储备池中,第一循环泵的出口依次经第一阀门和流量计接入反应池中,反应池的底部一侧设有冷却水进水口,反应池的底部设有循环水出口,循环水出口依次经第二阀门、第二循环泵和第四阀门接入反应池中,循环水出口依次经第二阀门和第三阀门排出反应池外,反应池的顶部一侧设有冷却水出水口;超声波处理器的超声换能器伸入反应池内的待测溶液中。所述超声波处理器的频率可为20kHz,所述超声换能器伸入反应池内的待测溶液液面2~5cm,可用冰浴保证溶液稳定温度。所述强化氯胺消毒用于水处理的方法,采用所述强化氯胺消毒用于水处理装置,具体步骤如下:在装有待测溶液的氯胺溶液储备池中加入氯胺溶液,再将超声波处理器的超声换能器深入氯胺溶液液面2~5cm,用冰浴维持氯胺溶液稳定的温度;开启超声波处理器,在超声波的作用下氯胺溶液会发生超声空化效应同时会生成羟基自由基(OH·),从而除去水中的TCS,完成水处理。本发明采用超声与氯胺联用工艺,除了超声波对目标物质具有一定的破坏作用外,更重要的是氯胺在超声波的作用下能较快分解为次氯酸,次氯酸将目标物质氧化成小分子,使其更易于被超声波去除,另外,超声波与氯胺联用工艺的对目标污染物的降解程度较高,氧化产物通常为易被生物降解的小分子量含氧化合物,或二氧化碳和水。本发明可以解决现有净水技术对无法有效去除水体中微量有机污染物TCS的问题,具有工艺简单、时间短,对目标物降解矿化度高,对环境要求较低等优点。
附图说明
图1为本发明所述强化氯胺消毒用于水处理装置的结构组成示意图。图2为超声波对氯胺的影响。图3为超声波功率对TCS去除的影响。图4为氯胺浓度对TCS去除的影响。图5为初始浓度对TCS去除的影响。图6为pH值对TCS去除的影响。图7为自由基捕获剂对TCS去除的影响。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。参见图1,所述强化氯胺消毒用于水处理装置实施例设有氯胺溶液储备池1、第一循环泵2、第一阀门3、流量计4、第二阀门5、第三阀门6、第二循环泵7、第四阀门8、超声波处理器B。所述第一循环泵2的入口设于氯胺溶液储备池1中,第一循环泵2的出口依次经第一阀门3和流量计4接入反应池A中,反应池A的底部一侧设有冷却水进水口9,反应池A的底部设有循环水出口A1,循环水出口A1依次经第二阀门5、第二循环泵7和第四阀门8接入反应池A中,循环水出口A1依次经第二阀门5和第三阀门6排出反应池A外,反应池A的顶部一侧设有冷却水出水口10;超声波处理器B的超声换能器11伸入反应池A内的待测溶液中。所述超声波处理器的频率可为20kHz,所述超声换能器伸入反应池A内的待测溶液液面2~5cm,可用冰浴保证溶液稳定温度。所述强化氯胺消毒用于水处理的方法,采用所述强化氯胺消毒用于水处理装置,具体步骤如下:在装有待测溶液的氯胺溶液储备池中加入氯胺溶液,再将超声波处理器的超声换能器深入氯胺溶液液面2~5cm,用冰浴维持氯胺溶液稳定的温度;开启超声波处理器,在超声波的作用下氯胺溶液会发生超声空化效应同时会生成羟基自由基(OH·),从而除去水中的TCS,完成水处理。以下给出运行条件优化及影响因素:1超声波对溶液中氯胺溶度的影响试验中取两杯1L纯水,各投加氯胺溶液至2.65mg/L,其中一杯氯胺溶液在600w超声波条件下,另一杯静止放置,整个过程冰浴,最后在设定的时间点测定溶液中氯胺浓度。考察超声波对溶液中氯胺浓度的影响,结果见图2。由图2可知,在30min、60min、90min时,超声波条件下仅比静止氯胺剩余率低6.8%、11.3%、9.8%。氯胺静止放置120min溶液中氯胺剩余率为96.6%,氯胺在超声波条件下120min溶液中氯胺剩余率为86.8%。两者仅差9.8%,结果表明超声波对溶液中氯胺浓度影响较小,氯胺在超声波条件下大部分得以保存下来,同时也表明氯胺在超声波条件下相对稳定。2超声波功率对TCS去除的影响试验中取1L初始浓度为200μg/L的TCS溶液,投加3mg/L的氯胺溶液,调节超声波处理器功率,考察超声波功率对TCS去除的影响,结果见图3。由图3可知,提高超声波功率能增加联用工艺对TCS的去除率。当超声波功率为240W时,反应120min后TCS的去除率只有55.5%,而当超声波功率为360W、480W、600W时,反应120min后TCS的去除率提高为65.7%、80.2%、83.5%。试验表明,提高超声波功率能增加TCS的去除率。由于在超声波作用下,水溶液发生空化效应促使水分子分解成羟基自由基(·OH)和氢原子(·H)(Adewuyixa0Y.G.Sonochemistry:environmentalxa0sciencexa0andxa0engineeringxa0applications,Ind.Eng.Chem.Res.2001,40(22):4681–4715;Adewuyixa0Y.G.Sonochemistryxa0inxa0environmentalxa0remediation.1.Combinativexa0andxa0hybridxa0sonophotochemicalxa0oxidationxa0processesxa0forxa0thexa0treatmentxa0ofxa0pollutantsxa0inxa0water,Environ.Sci.Technol.2005,39(10):3409–3420),其反应可以表达为式(1)。H₂O→H·+·OHxa0xa0xa0(1)当超声波功率增加,提高了超声波分解水分子的速度,从而增加了溶液中·OH浓度提高了TCS的去除率。TCS降解曲线呈现出一级反应的特征,参数见表1。表1不同功率下联合工艺降解TCS曲线一级动力学参数ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>3氯胺浓度对TCS去除率的影响试验中取1L初始浓度为200μg/L的TCS溶液,设置超声波功率为600w,投加一定量的氯胺溶液,考察氯胺溶液的浓度对TCS去除率的影响,结果见图4。由图4可知,TCS的去除率随氯胺浓度升高呈现出先升高后降低的趋势。单独超声波降解TCS时,TCS去除率仅有50%。当投加1.25mg/L的氯胺溶液后,TCS去除率升至71%。增加氯胺溶液的投加浓度至5mg/L时,TCS的去除率达到最高至90.8%。继续增加氯胺溶液的投加浓度至10mg/L,TCS的去除率降低至80.4%。试验表明:超声波单独去除TCS效果不好,投加一定量的氯胺溶液能提高TCS的去除率,TCS的去除率随氯胺浓度升高呈现出先升高后降低的趋势。氯胺相对稳定,难以氧化降解TCS。但是在超声波的作用下,氯胺与超声波发生协同作用,显著地提高了TCS的去除率。这可能是由于在超声波条件下,溶液中的TCS与氯胺发生机械振动,增加了TCS与氯胺有效碰撞次数,提高了TCS的去除率。随着氯胺浓度的增加,TCS与氯胺的有效碰撞次数也明显增加,当氯胺浓度达到5mg/L时,TCS去除率达到最高至90.8%。然而继续增加氯胺的浓度时,溶液中氯胺浓度过高,以至于在超声波条件下氯胺与氯胺间碰撞次数增多,但是TCS与氯胺有效碰撞次数相对减少,导致TCS的去除率下降。4TCS初始浓度对TCS去除率的影响试验中选取1L不同初始浓度的TCS溶液,投加3mg/L的氯胺溶液,在600w超声波作用,考察TCS不同初始浓度对TCS去除率的影响,结果见图5。由图5可知,TCS初始浓度为108、212、323及527μg/L时,TCS去除率分别为95.4%、83.5%、74.4%及62%。试验表明:TCS去除率随着初始浓度的升高而下降。可见TCS初始浓度对联用工艺的去除效果影响较大。由此可知超声波与氯胺联用工艺能较好去除水体中较低浓度的TCS。其中TCS降解曲线呈现出一级反应的特征,参数见表2。表2TCS不同初始浓度下联合工艺降解TCS曲线一级动力学参数ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>5pH值对TCS去除率的影响试验中取1L初始浓度为200μg/L的TCS溶液,设置超声波功率为600W,投加3mg/L的氯胺溶液,调整溶液pH值,考察溶液pH值对去除率的影响,结果见图6。由图6可知,TCS去除率随pH值升高而升高。pH值为6.7时,TCS去除率为72.0%。pH值为7.2、8.7及9.4时,TCS去除率分别为76.9%、83.5%、92.4%。当pH值为10.7时,反应结束后溶液中TCS的浓度已低于检测限。试验表明:TCS去除率随pH值升高而升高。这可能是由于水溶液中氯胺发生酸催化效应导致氯胺生成二氯胺,其反应可表达为式(2)(3)(4)Valentinexa0Rxa0L,Jafvertxa0Cxa0T,Generalxa0Acidxa0Catalysisxa0ofxa0Monochloraminexa0Disproportionatlon[J],Environ.Scl.Technol.1088,22,691-696;Vikeslandxa0Pxa0J,Greyshockxa0Axa0E,Triclosanxa0Reactivityxa0inxa0Chloraminatedxa0Waters[J],Environ.Sci.Technol.2006,40,2615-2622)。部分氯胺转化为二氯胺,氯胺浓度下降导致TCS的去除率下降。ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>NH₃Cl⁺+NH₂Cl→NHCl₂+NH₃+H⁺xa0xa0(3)NH₂Cl+NH₂Cl→NHCl₂(4)6自由离子捕获剂对去除率的影响试验中取1L初始浓度为200μg/L的TCS溶液,设置超声波功率为600w,投加3mg/L的氯胺溶液,以TBA模拟自由基捕获剂,考察自由基捕获剂对去除率的影响,结果见图7。由图7可知,TCS降解率随TBA浓度上升而下降。投加TBA0.001、0.01、0.05和0.1mol/L时,TCS的去除率为70.3%、41.0%、27.8%和20.0%。随着自由基捕获剂浓度升高,TCS降解率反而下降。自由基捕获剂常用于确认反应存在自由基反应,如果投加自由基捕获剂而导致化学降解率下降就表明该反应过程包含自由基参与降解(Songxa0W,Cruzxa0Axa0A,Reinxa0K,O’Sheaxa0Kxa0E,Ultrasonicallyxa0inducedxa0degradationxa0ofxa0microcystin-LRxa0and-RR:identificationxa0ofxa0products,effectxa0ofxa0pH,formationxa0andxa0destructionxa0ofxa0peroxides[J],Environ.Sci.Technol.2006,40(12):3941–3946)。试验表明联用工艺降解TCS反应过程中有自由基参与降解。超声波处理器与氯胺联用工艺可以有效的去除水中TCS,超声波处理器输出功率与氯胺浓度对TCS的去除率呈正相关关系。水中离子强度对联用工艺有微促进作用。其中在中性条件下,超声波处理器输出功率为600w,投加5mg/L氯胺溶液时,运行超声波处理器120min后TCS去除率达到90.8%。试验表明:超声波与氯胺联用具有协同效应,对TCS有很好的去除效果。