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确定饮用水强化混凝处理中溶解性有机物最大去除率、混凝剂投药量及出水pH值的方法

摘要

本发明公开了一种确定饮用水强化混凝处理中溶解性有机物(DOM)最大去除率、混凝剂投药量及出水pH值的方法。首先,对原水水质进行一系列表征(检测原水溶解性有机碳、碱度、pH值三个常规指标,以及对原水DOM进行化学分级,得到DOM各个化学分级组分的百分率)。然后,将原水水质表征的相关数据输入三套预测模型,通过计算分别预测出原水经过四种混凝剂的强化混凝处理后可达到的DOM最大去除率,以及所需的混凝剂投药量和出水pH值。本发明提供的方法适用于无人为pH值调控的饮用水强化混凝处理工艺。

著录项

  • 公开/公告号CN102774979A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2012-11-14

    原文格式PDF

  • 申请/专利号CN201110119644.9

  • 发明设计人 王东升;解建坤;陈禹;

    申请日2011-05-10

  • 分类号C02F9/04(20060101);C02F1/52(20060101);G01N33/18(20060101);

  • 代理机构11245 北京纪凯知识产权代理有限公司;

  • 代理人关畅

  • 地址 100085 北京市海淀区双清路18号

  • 入库时间 2023-12-18 07:11:56

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2013-11-27

    授权

    授权

  • 2013-01-02

    实质审查的生效 IPC(主分类):C02F9/04 申请日:20110510

    实质审查的生效

  • 2012-11-14

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明属于饮用水处理技术领域,涉及一种确定饮用水强化混凝处理中溶解性有机物最大去除率、混凝剂投药量及出水pH值的方法。 

背景技术

近年来,随着饮用水污染的加剧和对消毒副产物的认识,有机污染物的去除已成为当前国内外饮用水处理中突出的问题。众所周知,饮用水处理中DOM的去除是一个重要课题,这不仅是因为DOM复杂的构成,而且因为DOM的存在所带来的一些问题,比如:造成饮用水的色度和臭味,支持细菌再生长,与氯消毒剂反应从而降低其浓度,与氯反应产生消毒副产物(如三卤甲烷、卤乙酸和其他含氯有机物),以及与金属离子络合从而增加混凝剂的用量。 

混凝是饮用水处理工艺中得到广泛应用的最关键环节之一,而混凝技术的研究在环境科学领域也具有十分重要的地位。随着人们对消毒副产物及有机污染物的认识,混凝的目的逐渐从浊度的去除转移到水体中有机物的最大去除,有机物去除研究成为当前混凝领域研究的热点。强化混凝,指水处理常规混凝处理过程中,在保证浊度去除效果的前提下,通过提高混凝剂的投加量来实现有机物(相应的也即DBPs前驱物)最大去除的工艺过程。其已被美国环保局在消毒副产物规则(D/DBPR)第一阶段列为DOM去除的最可行技术。 

近些年来,大量DOM表征技术被提出,树脂吸附作为化学分级的一项有效技术被广泛应用于DOM化学性质的表征中。通常采用XAD-8(或DAX-8)和XAD-4这两种树脂,将DOM分级成憎水性和亲水性两类分级组分,即通常所说的腐殖质/非腐殖质分布。 

对DOM强化混凝去除过程的定量描述一直是饮用水混凝处理领域的一个重要目标,近些年来,已有一些针对DOM强化混凝去除模型的研究工作被报道,提出了一些经验和半经验模型,这些模型的建立或者基于没有理论基础的回归分析和人工神经网络(ANN),或者基于一定的理论基础,如Langmuir吸附等温式。但是,这些模型大多是针对有人工pH值调控的强化混凝工艺,而我国饮用水厂和国外大部分饮用水厂中强化混凝工艺均未进行人工pH值调控,针对此类强化混凝工艺的模型鲜有报道。此外,这些模型大多只是预测DOM的去除率,对于投药量和pH值的预测模型也鲜有报道。 

发明内容

本发明的目的是提供一种确定饮用水强化混凝处理中溶解性有机物最大去除率、混凝剂投药量及出水pH值的方法。 

本发明提供的确定饮用水处理中溶解性有机物最大去除率、混凝剂投药量及出水pH值的方法,可包括如下步骤: 

(1)取原水水样;检测原水水样的溶解性有机物含量,以溶解性有机碳(DOC)计,即DOC0;检测原水水样的碱度,即Alkalinity0;检测原水水样的pH值,即pH0;检测原水水样中强憎水性物质(SHoM)在溶解性有机物(DOM)中所占的百分比,即SHoM%; 

(2)通过模型甲得到原水分别经四种混凝剂强化混凝处理后达到的溶解性有机物最大去除率;通过模型乙得到达到溶解性有机物最大去除率时所述混凝剂的投药量;通过模型丙得到达到溶解性有机物最大去除率时的出水pH值;所述四种混凝剂为FeCl3、Al2(SO4)3、聚合氯化铝(PACl)和高效聚合氯化铝(HPAC); 

所述模型甲由如下式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)和式(1-4)组成: 

DOM>%FeCl3=Aa1+Ba1×SHoM%---(1-1);

DOM>%Al2(SO4)3=Ab1+Bb1×SHoM%---(1-2);

DOM Removal%PACl=Ac1+Bc1×SHoM%    (1-3); 

DOM Removal%HPAC=Ad1+Bd1×SHoM%    (1-4); 为原水经FeCl3处理后达到的溶解性有机物最大去除率; 为原水经Al2(SO4)3处理后达到的溶解性有机物最大去除率;DOM Removal%PACl为原水经聚合氯化铝处理后达到的溶解性有机物最大去除率;DOM Removal%HPAC为原水经高效聚合氯化铝处理后达到的溶解性有机物最大去除率;所述模型乙由如下式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)和式(2-4)组成: 

DosageFeCl3=(2-1);

A4a×(1-exp(-B4a×DOC0×(Aa1+Ba1×SHoM%)×Alkalinity0))

DosageAl2(SO4)3=(2-2);

A4b×(1-exp(-B4b×DOC0×(Ab1+Bb1×SHoM%)×Alkalinity0))

DosagePACl=A4c×(1-exp(-B4c×DOC0×(Ac1+Bc1×SHoM%)))    (2-3); 

DosageHPAC=A4d×(1-exp(-B4d×DOC0×(Ad1+Bd1×SHoM%)))    (2-4); 

为达到溶解性有机物最大去除率时FeCl3的投药量; 

为达到溶解性有机物最大去除率时Al2(SO4)3的投药量; 

DosagePACl为达到溶解性有机物最大去除率时聚合氯化铝的投药量; 

DosageHPAC为达到溶解性有机物最大去除率时高效聚合氯化铝的投药量; 

所述模型丙由如下式(3-1)、式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)组成: 

pHFeCl3=Ada+Bda×ln(Alkalinity0DOC0×(Aa1+Ba1×SHoM%))---(3-1);

pHAl2(SO4)3=Adb+Bdb×ln(Alkalinity0DOC0×(Ab1+Bb1×SHoM%))---(3-2);

pHPACl=Adc+Bdc×ln(Alkalinity0×pH0)    (3-3); 

pHHPAC=Add+Bdd×ln(Alkalinity0×pH0DOC0×(Ad1+Bd1×SHoM%))---(3-4);

为采用FeCl3达到溶解性有机物最大去除率时的出水pH值; 

为采用Al2(SO4)3达到溶解性有机物最大去除率时的出水pH值; 

pHPACl为采用聚合氯化铝达到溶解性有机物最大去除率时的出水pH值; 

pHHPAC为采用高效聚合氯化铝达到溶解性有机物最大去除率时的出水pH值; 

Aa1=0.073,Ba1=1.045,Ab1=-0.034,Bb1=0.946,Ac1=-0.106,Bc1=0.945,Ad1=-0.089,Bd1=0.920;A4a=5.503,B4a=0.009,A4b=4.298,B4b=0.015,A4c=3.854,B4c=0.791,A4d=3.100,B4d=0.863;Ada=2.959,Bda=0.765,Adb=3.875,Bdb=0.573,Adc=3.926,Bdc=0.565,Add=4.865,Bdd=0.359。 

所述强憎水性物质为憎水碱、憎水中性有机物和憎水酸。 

所述SHoM%=憎水碱占溶解性有机物的百分比+憎水中性有机物占溶解性有机物的百分比+憎水酸占溶解性有机物的百分比。 

所述憎水碱占溶解性有机物的百分比、所述憎水中性有机物占溶解性有机物的百分比和所述憎水酸占溶解性有机物的百分比具体可通过如下方法检测得到: 

(1)检测原水水样的溶解性有机物含量,以溶解性有机碳计,即DOC0; 

(2)将350mL原水水样过0.45μm滤膜后直接通过10mL XAD-8树脂,收集过柱后的水样,检测溶解性有机碳含量,即DOC1; 

(3)用100mL 0.1mol·L-1H3PO4水溶液冲洗步骤(2)的XAD-8树脂,收集过柱后的水样,检测溶解性有机碳含量,即DOC2;所述H3PO4水溶液的溶解性有机碳含量为DOCp; 

(4)将步骤(2)收集的水样酸化至pH为2,再通过步骤(3)的XAD-8树脂,收集过柱后的水样,检测溶解性有机碳含量,即DOC3; 

憎水碱占溶解性有机物的百分比=(DOC2-DOCp)/3.5/DOC0×100%; 

憎水中性有机物占溶解性有机物的百分比=[(DOC0-DOC1)-(DOC2-DOCp)/3.5]/DOC0×100%; 

憎水酸占溶解性有机物的百分比=(DOC1-DOC3)/DOC0×100%。 

所述聚合氯化铝可为任何市售产品,如北京万水净水剂有限公司的产品,北京万水净水剂有限公司的聚合氯化铝的商品编号为1001(其Al2O3含量≥10%,盐基度≥60%)。所述高效聚合氯化铝为北京万水净水剂有限公司的商品编号为0012的产品。 

所述的方法可用于饮用水处理。所述饮用水处理可为饮用水混凝处理。所述饮用水混凝处理具体可为饮用水强化混凝处理。 

首先,对原水水质进行一系列表征(检测原水溶解性有机碳、碱度、pH值三个常规指标,以及对原水DOM进行化学分级,得到DOM各个化学分级组分的百分率)。然后,将原水水质表征的相关数据输入三套预测模型,通过计算分别预测出原水经过四种混凝剂的强化混凝处理后可达到的DOM最大去除率,以及所需的混凝剂投药量和出水pH值。本发明提供的方法适用于无人为pH值调控的饮用水强化混凝处理工艺。 

附图说明

图1为本发明提供的方法(DOM强化混凝去除模型)的流程示意图。 

图2为DOM化学分级操作装置示意图。 

图3为DOM化学分级操作流程示意图。 

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本发明,但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料,如无特殊说明,均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验,均设置三次重复实验,结果取平均值。DOC即溶解性有机碳(dissolved organic carbon)。DOM即溶解性有机物(dissolved organic matter)。DOM的含量以DOC计。 

本发明的步骤如下(流程示意图参见图1): 

(1)取原水水样,检测其DOC含量(DOC0)、碱度(Alkalinity0)和pH值(pH0)。 

DOC含量(单位为mg/L)、碱度(单位为mg/L,以CaCO3计)、pH值的检测方法均 采用《水和废水检测分析方法第四版》中的标准方法。 

(2)水体DOM按照连续性分布被分级为憎水碱(hydrophobic bases,HoB)、憎水中性有机物(hydrophobic neutrals,HoN)、憎水酸(hydrophobic acids,HoA)、弱憎水酸(weakly hydrophobic acids,WHoA)和亲水性有机物(hydrophilic matters,HiM)5个组分。通过如下步骤对原水水样的DOM进行化学分级(树脂吸附法;DOM化学分级操作装置参见图2,操作流程参见图3),得到憎水碱含量、憎水中性有机物含量、憎水酸含量、弱憎水酸含量和亲水性有机物含量: 

①350mL原水水样过0.45μm滤膜后直接通过10mL XAD-8树脂(调整过柱速度不高于15BV·h-1),收集过柱后的水样,检测DOC含量(DOC1); 

②用100mL 0.1mol·L-1H3PO4水溶液(DOC含量为DOCp)冲洗步骤①的XAD-8树脂,收集过柱后的水样,检测DOC含量(DOC2); 

③将步骤①收集的水样酸化至pH为2,再通过步骤②的XAD-8树脂,收集过柱后的水样,检测DOC含量(DOC3); 

④将步骤③收集的水样立即过10mL XAD-4树脂,收集过柱后的水样,检测DOC含量(DOC4)。 

憎水碱含量=(DOC2-DOCp)/3.5,憎水碱占DOM的百分比=(DOC2-DOCp)/3.5/DOC0×100%。 

憎水中性有机物含量=(DOC0-DOC1)-(DOC2-DOCp)/3.5,憎水中性有机物占DOM的百分比=[(DOC0-DOC1)-(DOC2-DOCp)/3.5]/DOC0×100%。 

憎水酸含量=DOC1-DOC3,憎水酸占DOM的百分比=(DOC1-DOC3)/DOC0×100%。 

弱憎水酸含量=DOC3-DOC4,弱憎水酸占DOM的百分比=(DOC3-DOC4)/DOC0×100%。 

亲水性有机物含量=DOC4,亲水性有机物占DOM的百分比=DOC4/DOC0×100%。 

强憎水性物质(SHoM)的含量为HoN、HoB和HoA三种组分含量之和。SHoM在DOM中所占的百分比(SHoM%)=HoN占DOM的百分比+HoB占DOM的百分比+HoA占DOM的百分比。 

(3)通过模型甲得到原水分别经四种混凝剂强化混凝处理后达到的DOM最大去除率(单位为%);通过模型乙得到DOM达到最大去除率时所述混凝剂的投药量(单位为×10-4mol/L);通过模型丙得到DOM达到最大去除率时的出水pH值;所述四种混凝剂为FeCl3、Al2(SO4)3、聚合氯化铝(PACl)和高效聚合氯化铝(HPAC)。其中PACl和HPAC均由北京万水净水剂有限公司制造,PACl的商品编号为1001(其Al2O3含量≥10%,盐基度≥60%),HPAC的商品编号为0012。 

所述模型甲由如下式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)和式(1-4)组成: 

DOM>%FeCl3=Aa1+Ba1×SHoM%---(1-1);

DOM>%Al2(SO4)3=Ab1+Bb1×SHoM%---(1-2);

DOM Removal%PACl=Ac1+Bc1×SHoM%    (1-3); 

DOM Removal%HPAC=Ad1+Bd1×SHoM%    (1-4); 

为原水经FeCl3处理后达到的DOM最大去除率; 

为原水经Al2(SO4)3处理后达到的DOM最大去除率; 

DOM Removal%PACl为原水经PACl处理后达到的DOM最大去除率; 

DOM Removal%HPAC为原水经HPAC处理后达到的DOM最大去除率; 

Aa1、Ba1、Ab1、Bb1、Ac1、Bc1、Ad1和Bd1均为常数。Aa1=0.073,Ba1=1.045,Ab1=-0.034,Bb1=0.946,Ac1=-0.106,Bc1=0.945,Ad1=-0.089,Bd1=0.920。 

所述模型乙由如下式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)和式(2-4)组成: 

DosageFeCl3=(2-1);

A4a×(1-exp(-B4a×DOC0×(Aa1+Ba1×SHoM%)×Alkalinity0))

DosageAl2(SO4)3=(2-2);

A4b×(1-exp(-B4b×DOC0×(Ab1+Bb1×SHoM%)×Alkalinity0))

DosagePACl=A4c×(1-exp(-B4c×DOC0×(Ac1+Bc1×SHoM%)))    (2-3); 

DosageHPAC=A4d×(1-exp(-B4d×DOC0×(Ad1+Bd1×SHoM%)))    (2-4); 

为达到DOM最大去除率时FeCl3的投药量; 

为达到DOM最大去除率时Al2(SO4)3的投药量; 

DosagePACl为达到DOM最大去除率时PACl的投药量; 

DosageHPAC为达到DOM最大去除率时HPAC的投药量; 

A4a、B4a、A4b、B4b、A4c、B4c、A4d和B4d均为常数。A4a=5.503,B4a=0.009,A4b=4.298,B4b=0.015,A4c=3.854,B4c=0.791,A4d=3.100,B4d=0.863。 

所述模型丙由如下式(3-1)、式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)组成: 

pHFeCl3=Ada+Bda×ln(Alkalinity0DOC0×(Aa1+Ba1×SHoM%))---(3-1);

pHAl2(SO4)3=Adb+Bdb×ln(Alkalinity0DOC0×(Ab1+Bb1×SHoM%))---(3-2);

pHPACl=Adc+Bdc×ln(Alkalinity0×pH0)    (3-3); 

pHHPAC=Add+Bdd×ln(Alkalinity0×pH0DOC0×(Ad1+Bd1×SHoM%))---(3-4);

为采用FeCl3达到DOM最大去除率时的出水pH值; 

为采用Al2(SO4)3达到DOM最大去除率时的出水pH值; 

pHPACl为采用PACl达到DOM最大去除率时的出水pH值; 

pHHPAC为采用HPAC达到DOM最大去除率时的出水pH值; 

Ada、Bda、Adb、Bdb、Adc、Bdc、Add和Bdd均为常数。Ada=2.959,Bda=0.765,Adb=3.875,Bdb=0.573,Adc=3.926,Bdc=0.565,Add=4.865,Bdd=0.359。 

实施例1、应用本发明的方法确定松花江原水的强化混凝处理结果 

实施对象:松花江流域中哈尔滨松花江原水。 

一、模型预测结果 

(1)原水表征结果为:DOC0为3.90mg/L,Alkalinity0为75mg/L,pH0为8.01。 

(2)原水DOM化学分级结果为:HoB、HoN、HoA、WHoA和HiM在总DOM中所占百分率分别为2%、12%、47%、14%和25%,则SHoM%为61%。 

(3)三个模型的预测结果见表1。 

表1  哈尔滨松花江原水的模型预测结果 

二、实验结果 

四种混凝剂为FeCl3、Al2(SO4)3、聚合氯化铝(PACl)和高效聚合氯化铝(HPAC),分别采用四种混凝剂进行强化混凝实验:取500mL原水水样置于烧杯,采用可编程控制的四联混凝搅拌仪进行强化混凝实验,混凝程序为:250rpm的转速快搅30s,将水样搅拌均匀,然后采用微量加样枪加入不同投药量的四种混凝剂,接下来是250rpm的转速快搅2min,40rpm的转速慢搅15min,静置沉淀30min。沉淀结束时,从水面 下1cm处取样,测定pH值,并过0.45μm醋酸纤维膜,测定DOC。为了符合我国饮用水厂的实际操作条件,混凝实验没有人为调节水样pH值。DOM达到最大去除率的判断标准为:当投药量继续增加1×10-4mol/L(以Fe3+或Al3+计)而出水DOC的减少量小于0.1mg/L时,即认为DOM达到最大去除率,继续增加投药量仅能带来DOM的微量去除。 

四种混凝剂的强化混凝实验结果见表2、3、4和5。 

表2  哈尔滨松花江原水的FeCl3实验结果 

  FeCl3的投药量(×10-4mol/L)>  出水DOC(mg/L)> DOM去除率(%)>  出水pH值>  1.0>  2.76>  29>  7.2>  2.0>  1.99>  49>  6.8>  3.0>  1.44>  63>  6.4>  4.0>  1.15>  70>  5.9>  √4.5>  1.04>  73>  5.3>  5.0>  1.03>  74>  4.7>

表3  哈尔滨松花江原水的Al2(SO4)3实验结果 

  Al2(SO4)3的投药量(×10-4mol/L)>  出水DOC(mg/L)> DOM去除率(%)>  出水pH值>  1.0>  2.61>  33>  7.2>  2.0>  2.03>  48>  6.8>  3.0>  1.80>  54>  6.5>  √4.0>  1.67>  57>  6.2>  5.0>  1.64>  58>  5.7>

表4  哈尔滨松花江原水的PACl实验结果 

  PACl的投药量(×10-4mol/L)>  出水DOC(mg/L)> DOM去除率(%)>  出水pH值>  1.0>  2.61>  33>  7.7>  2.0>  2.18>  44>  7.6>  √3.0>  1.95>  50>  7.5>  4.0>  1.90>  51>  7.4>

表5  哈尔滨松花江原水的HPAC实验结果 

  HPAC的投药量(×10-4mol/L)>  出水DOC(mg/L)> DOM去除率(%)>  出水pH值>  1.0>  2.48>  36>  7.5>  2.0>  2.07>  46>  7.3>  √2.5>  1.94>  50>  7.2>  3.0>  1.94>  50>  7.1>

由表2、3、4和5可知,FeCl3、Al2(SO4)3、PACl和HPAC分别在投药量为4.5×10-4mol/L、4.0×10-4mol/L、3.0×10-4mol/L和2.5×10-4mol/L时达到各自的DOM最大去除率(如√所示),将四种混凝剂在上述四个投药量下实验得到的实际值与表1中模型预测方法得到的预测值进行比较,可以发现,通过本发明中的模型预测方法得 到的预测值与实际值之间非常接近。

实施例2、应用本发明的方法确定黄河原水的强化混凝处理结果 

实施对象:黄河流域中东营黄河原水。 

一、模型预测结果 

(1)原水表征结果为:DOC0为2.77mg/L,Alkalinity0为123mg/L,pH0值为8.29。 

(2)原水DOM化学分级结果为:HoB、HoN、HoA、WHoA和HiM在总DOM中所占百分率分别为4%、8%、35%、15%和38%,则SHoM%为47%。 

(3)三个模型的预测结果见表6。 

二、实验结果 

方法同实施例1的步骤二,结果见表6。 

表6  东营黄河原水强化混凝预测值和实际值的对比 

结果表明,通过本发明中的模型预测方法得到的预测值与实际值之间非常接近。 

实施例3、应用本发明的方法确定湘江原水的强化混凝处理结果 

实施对象:长江流域中长沙湘江原水。 

一、模型预测结果 

(1)原水表征结果为:DOC0为1.59mg/L,Alkalinity0为90mg/L,pH0值为7.93。 

(2)原水DOM化学分级结果为:HoB、HoN、HoA、WHoA和HiM在总DOM中所占百分率分别为4%、4%、24%、23%和45%,则SHoM%为32%。 

(3)三个模型的预测结果见表7。 

二、实验结果 

方法同实施例1的步骤二,结果见表7。 

表7  长沙湘江原水强化混凝预测值和实际值的对比 

结果表明,通过本发明中的模型预测方法得到的预测值与实际值之间非常接近。 

实施例4、应用本发明的方法确定西航道原水的强化混凝处理结果 

实施对象:珠江流域中广州西航道原水。 

一、模型预测结果 

(1)原水表征结果为:DOC0为3.27mg/L,Alkalinity0为60mg/L,pH0值为6.99。 

(2)原水DOM化学分级结果为:HoB、HoN、HoA、WHoA和HiM在总DOM中所占百分率分别为2%、11%、32%、23%和32%,则SHoM%为45%。 

(3)三个模型的预测结果见表8。 

二、实验结果 

方法同实施例1的步骤二,结果见表8。 

表8  广州西航道原水强化混凝预测值和实际值的对比 

结果表明,通过本发明中的模型预测方法得到的预测值与实际值之间非常接近。 

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