一種去除飲用水中高氯酸鹽的方法
2023-07-31 01:12:56 3
專利名稱：一種去除飲用水中高氯酸鹽的方法
技術領域：
本發明屬於環境工程技術領域，涉及ー種去除飲用水中高氯酸鹽的方法及其反應器，具體是將硫自養高氯酸鹽還原過程和電化學氫自養高氯酸鹽還原過程相結合形成復三維電扱-生物膜反應器。
背景技術：
高氯酸鹽是ー種具有高度擴散性的持久性有毒汙染物，被廣泛地應用於火箭推進齊U、煙火製造和軍火エ業等領域，也作為添加劑應用於潤滑油、織物固定劑、電鍍液、鎂電池、汽車氣囊、公路安全閃光板、皮革加工、橡膠製造、染料與塗料生產。水體中高氯酸鹽主要來源於生產和使用高氯酸鹽エ廠的排放物和廢棄物。高氯酸鹽是屬於非揮發性、易溶於水的物質，在大多土壌和礦物質上的吸附能力很弱，一旦進入環境就會隨地下水和地表水快速擴散，從而造成大面積的地下水和地表水汙染。高氯酸鹽的化學性質非常穩定，不易分解，在一般環境條件下可長期穩定存在數十年。通過飲用水進入人體的高氯酸根的電荷和離子半徑與碘離子非常相近，與碘離子競爭進入人體的甲狀腺，造成甲狀腺功能失調，引起甲狀腺激素和三碘甲狀腺原氨酸合成量的減少，最終影響人體的發育，尤其是嬰兒的新陳代謝和中樞神經系統的發育，引起智力缺陷，嚴重時對骨髄、肌肉組織產生病變影響，誘發甲狀腺癌。自1997年以來，美國國家環保署(USEPA)先後在加州等42個州的地下水、地表水和飲用水中監測出了高氯酸鹽，並將其列入候補汙染物質表，規定安全濃度範圍為4-18 y g/L。高氯酸鹽造成的環境汙染和人體健康安全問題引起了國際研究者的高度重視。隨後，Coates等美國學者系統地分析了高氯酸鹽的危害及修復控制策略，從而引領了飲用水中高氯酸鹽控制技術的研究方向。目前，我國是煙花製造與消費、生產高氯酸鉀及氧化添加劑的大國，存在著潛在的高氯酸鹽汙染源。由於高氯酸鹽的高溶解性，傳統的給水處理工藝不能夠有效地去除飲用水中高氯酸鹽。因此，從保障飲用水安全的角度出發，研發高效、安全和經濟的飲用水中高氯酸鹽去除技術是非常有必要的。高氯酸鹽去除技術主要有離子交換法、膜分離法和生物還原法。離子交換法可有效地去除水中的高氯酸鹽，被廣泛地應用在飲用水中高氯酸鹽的去除。但是陰離子交換樹脂飽和後需要再生，產生高濃度的高氯酸鹽再生液，存在需要進ー步進行後續處理的問題。膜過濾法能有效地去除飲用水中的高氯酸鹽，但處理成本較高，且濃縮的高氯酸鹽廢水也需要進ー步處理。生物還原法是ー種經濟、有效和安全的高氯酸鹽去除技木。在生物還原法中，高氯酸鹽還原菌和電子供體是完成微生物還原高氯酸鹽的關鍵。大量研究表明，以醋酸鹽、こ醇、乳酸鹽等有機物作為電子供體可以有效地實現高氯酸鹽還原菌對高氯酸鹽的還原。但是，以有機物作為電子供體還原高氯酸鹽存在如下問題(I)作為電子供體的有機物持續供給，使反應器內微生物大量増殖，可造成出水的「微生物汙染」問題；(2)出水中未被微生物利用的有機物易造成配水管網中微生物増殖，並可產生有害的氯消毒副產物。為了解決上述問題，人們相繼成功地開展了以H2作為電子供體使化能自養高氯酸鹽還原菌還原高氯酸鹽的研究。但是，在氫氣作為電子供體過程中，存在著氫氣溶解度低、易爆炸、存儲和運輸困難的缺點，限制了該技術的大規模推廣應用。單質s°不僅具有不溶於水的特點，作為電子供體在還原過程中還能根據需要緩慢地釋放電子，且有易於維護和運行費用低的優點，是ー種高效、經濟的自養還原高氯酸鹽的無機電子供體。但以S°作為電子供體還原高氯酸鹽的過程中，由於發生了如下反應2. 87S°+3. 32H20+C104-+1. 85C02+0. 462HC03>0.462NH: —5. 69H++2. 87S0廣+CF+O. 462C5H702N,出水中會出現pH偏低和SO廣超標的問題；如果添加CaCO3調節pH值，又會出現出水硬度增大的問題。
發明內容
針對硫自養還原高氯酸鹽的過程存在著出水pH偏低和S042_超標的問題，本發明提供ー種復三維電扱-生物膜反應器去除飲用水中高氯酸鹽的方法及其反應器。其工作原理如下在ニ維電極生物膜反應器基礎上，在陰陽兩極之間添加單質s°和活性炭。單質s°作為電子供體和硫自養還原高氯酸鹽微生物的載體，活性炭作為氫自養還原高氯酸鹽微生物載體。硫自養高氯酸鹽還原菌利用單質S°提供的電子，將高氯酸鹽還原為Cr，並產生H+和so廣。每個活性炭顆粒相當於無數個微小的電極-生物膜反應器，電化學作用將產生的H+還原為H2,氫自養高氯酸鹽還原菌利用H2還原水中部分高氯酸鹽，有效地避免了出水pH偏低和SO/—超標的問題，從而形成ー種高效經濟、運行費用低的飲用水中高氯酸鹽去除エ藝。本發明的優點如下(I)在硫自養高氯酸鹽還原菌還原高氯酸鹽過程中產生的H+，通過電化學作用還原為H2，作為氫自養還原高氯酸鹽的電子供體，有效地避免了出水pH偏低的問題；(2)活性炭顆粒表面形成無數個微小的電極-生物膜反應器，利用H2作為電子供體，還原部分高氯酸鹽，有效地避免了出水so42_超標的問題；(3)反應器中的微生物均為以無機物作為電子供體和營養物質的自養菌，汙泥產生量小，便於維護管理；(4)單質S°和活性炭的價格低廉，且易於獲取。
為本發明的エ藝流程見附圖。原水池I中含有高氯酸鹽的原水由計量泵2抽升，通過進水ロ 3進入有硫/活性炭碳混合填料的填充柱4，同時接通電源8。進水中的高氯酸鹽在硫自養高氯酸鹽還原菌的作用下產生H+，其在正極7和陰極5的電化學作用下還原為H2，被填充柱4中碳顆粒表面吸附的氫自養高氯酸鹽還原菌利用來還原高氯酸鹽，經過處理後的水通過反應器出口 6排出。
具體實施例方式本發明採用技術方案的實施包括以下步驟(I)取城市汙水處理廠二次沉澱池的回流汙泥或厭氧汙泥，先去除汙泥中所含有的雜質，將其加入到含有較高濃度高氯酸鹽原水的批量培養裝置中，通過添加一定濃度的無機碳源、單質S°及無機營養物質，並定時向批量培養裝置中通入氫氣，對硫自養高氯酸還原菌和氫自養高氯酸鹽還原菌進行馴化富集。在培養和馴化過程中，定時監測批量培養裝置中高氯酸鹽、pH、Cl' S042_和氧化還原電位(ORP)在每個培養馴化周期的變化。當高氯酸鹽還原效果在不同周期穩定後，培養馴化過程結束。(2)將培養馴化好的硫自養和氫自養高氯酸鹽還原菌混合汙泥接種復三維電極-生物膜反應器。具體方法如下將含硫自養和氫自養高氯酸鹽還原菌混合汙泥與配水按照I : 5體積配比混合，建議配水中高氯酸鹽大於5mg/L。將泥水混合物通過蠕動泵注入反應器中，浸沒單質S°和活性炭顆粒濾料，使高氯酸鹽還原菌附著在濾料或滯留在濾料之間的空隙。浸泡72h後，開始小流量連續進水，連接電源進行掛膜，高氯酸鹽還原效率達到85%以上，掛膜工作完成。(3)復三維電扱-生物膜反應器汙泥接種完成後，含有高氯酸鹽的原水從原水池I由計量泵2和進水口 3進入有硫/活性炭碳混合填料的填充柱4。接通電源8，進水中的高氯酸鹽在硫自養高氯酸鹽還原菌的作用下產生H+，其在正極7和陰極5的電化學作用下還原為H2，並被填充柱4中碳顆粒表面吸附的氫自養高氯酸鹽還原菌利用還原高氯酸鹽，經過處理後的水通過反應器出口 6排出。以下面所述實施例對本發明進ー步說明。實例中所採用復三維電扱-生物膜反應器由不鏽鋼材料製成，以不鏽鋼筒作為反應器的陰極，石墨碳棒作為陽扱。其中，陰極的內徑、高和面積分別為7.5cm、30cm和706. 5cm2，陽極內徑、高和電極間距分別為35cm、2. 5cm和2. 5cm。本反應器空柱體積都為 I.324L。選用粒徑為2 4mm的硫顆粒和粒徑為I. 5 2. 5mm的活性炭顆粒混合之後作為反應器的介質填料，反應器中硫/活性炭碳顆粒體積比約為2 I。在電流強度為50mA和進水高氯酸鹽濃度為9. 3 14. 8mg/L的情況下，水力停留時間為6h，高氯酸鹽的去除率99. 9%以上，出水高氯酸酸鹽濃度在4-18 u g/L範圍內，出水pH的範圍為7. 72 8. 84。
權利要求
1.ー種去除飲用水中高氯酸鹽的方法，其特徵在於，在同一反應器內將硫自養高氯酸鹽還原過程和電化學氫自養高氯酸鹽還原過程相結合。
2.按照權利I要求所述的方法，其中，硫自養高氯酸鹽還原過程是以單質S°作為電子供體。
3.按照權利I要求所述的方法，其中，氫自養高氯酸鹽還原過程是以電化學產生的氫氣作為電子供體。
4.按照權利I所述的方法，其中，硫自養高氯酸鹽還原和電化學氫自養還原高氯酸鹽是採用單質S°顆粒和活性炭(或無煙煤)為填料的固定床來進行的，單質S°顆粒和活性炭二者的比例為3 : I 2 : I。
5.按照權利3所述的方法，其中，電化學氫自養還原高氯酸鹽是以石墨作為陽極，不鏽鋼板作為陰扱。
全文摘要
本發明提供了一種去除飲用水中高氯酸鹽的方法。在二維電極-生物膜反應器基礎上，在陰陽兩極之間添加單質S0和活性炭混合填料，形成復三維電極-生物膜反應器。硫自養還原高氯酸鹽過程是以單質S0作為電子供體，將高氯酸鹽還原為Cl-，並產生H+和SO42-。反應器內活性炭與電極之間的電化學反應將H+還原為H2，作為氫自養高氯酸鹽還原過程的電子供體，有效地解決了硫自養還原高氯酸鹽出水pH偏低和SO42-超標的問題。本發明是一種經濟高效、操作簡單的飲用水中高氯酸鹽去除方法。
文檔編號C02F1/46GK102616942SQ20121011186
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者高潔 申請人:高潔