一种基于光催化的饮用水消毒装置及消毒工艺

摘要

本发明涉及一种基于光催化的饮用水消毒装置及消毒工艺，消毒装置包括筒体、筒体内部下端设置有支撑栅板，支撑栅板上方的筒体内填充有活性炭消毒剂，活性炭消毒剂上设置有压实栅板，光照组件包括多个灯管以及向多个灯管供电的配电装置，灯管的一端穿过筒体的侧壁置入活性炭消毒剂内，灯管的另一端置于筒体外部并与配电装置连接。本发明的消毒罐及消毒工艺用于饮用水的消毒，结构简单，成本低廉且占用空间小，消毒罐内填充有颗粒活性炭负载氮修饰纳米二氧化钛，具有高效分解NOM，高效、光谱杀菌能力。

说明书

技术领域

本发明涉及饮用水消毒技术领域，具体涉及一种基于光催化的饮用水消毒装置及消毒工艺。

背景技术

目前，水污染的加剧导致饮用水水源水呈微污染状态，自来水厂安全供水日益受到威胁。根据2011年我国环境公报，2011年，全国地表水总体为轻度污染。湖泊（水库）富营养化问题仍突出。长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西南诸河和内陆诸河十大水系监测的469个国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为61.0%、25.3%和13.7%。主要污染指标为化学需氧量、五日生化需氧量和总磷。2011年，全国环保重点城市年取水总量为227.3亿吨，服务人口1.63亿人，其中不达标水量为21.3亿吨，占9.4%。

在规模化供水系统中，消毒是最基本的处理工艺，其目的就是保证用户安全用水。氯化消毒是目前最广泛、最经济、也最成熟的消毒工艺。但是水源水中天然有机物（NOM）、有机物、溴化物和碘化物等可与氯发生取代或加成反应，生成各种卤代物，也叫消毒副产物（DBPs）。这些消毒副产物包括三卤甲烷（THMs）、氯酚、卤乙酸（HAAs）、二氯乙酸（DCA）、三氯乙酸（TCA）等，具有很强的致癌风险，有的还会引起人们的肝中毒、神经中毒和代谢紊乱等危害。而新兴消毒副产物，包括卤代胺、卤代酸、醛类、卤代酰胺、三溴吡咯、碘代酸、碘代烷烃和碘代呋喃酮等，在饮用水处理中日益受到关注。随着多种消毒剂的单独或联合使用，越来越多的DBPs在饮用水中被检测出来，过去30年的研究已经认定出了饮用水中的600多种DBP。

减少饮用水消毒副产物的途径主要有两点，首先是降低水源水中天然有机物含量，也就是对DBPs前体物的控制；其次是在保证饮用水安全的前提下氯消毒工艺的改进。由于天然有机物组成复杂性，传统自来水厂的混凝、过滤加氯化消毒工艺，很难去除水中剩余NOM，其出水中DOM浓度往往达到5mg/L。为降低有机物含量，采取前端臭氧预氧化、末端粉末活性炭、生物活性炭吸附和膜过滤技术等综合措施。活性炭对有机物的去除主要靠其巨大的比表面积和发达的空隙吸附，是完善常规水处理工艺，去除水中有机污染物最成熟有效的方法之一，但存在反冲洗耗能高，再生费用高等缺点，且受NOM分子量的影响，活性炭的吸附效率偏低。臭氧利用其强氧化性，会使水中大分子有机物转化为小分子有机物，改变其分子结构形态，但由于天然有机物（NOM）的存在，会消耗大量臭氧，并且臭氧氧化处理溶解性有机物（DOC）的极限是1mg/L，再增加臭氧投加量会使处理费用大大增长，很不经济。并且臭氧只是将大分子有机物氧化成中间产物，中间产物分子量减少了，但是数量和种类都增加了，尤其是生成的中间产物如醛、酮和酸类化合物，包括甲醛和溴酸盐均为可能致癌物，其危害性正处于研究阶段。为此，开发具有广谱、高效、持续消毒功能，且能降低生活消毒副产物给用户带来健康风险的消毒装置，来保护居民用水健康，具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种基于光催化的饮用水消毒装置及消毒工艺，成本低廉，占用空间小，且具有广谱、高效、持续杀菌消毒能力。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种基于光催化的饮用水消毒装置，包括上下端均封闭的筒体、设置在筒体内的光照组件以及填充在筒体内的活性炭消毒剂，所述筒体内部下端设置有支撑栅板，且支撑栅板与筒体底部之间形成进水腔，支撑栅板上方的筒体内填充有活性炭消毒剂，活性炭消毒剂上设置有压实栅板，压实栅板与筒体上端之间形成出水腔，所述光照组件包括多个灯管以及向多个灯管供电的配电装置，灯管的一端穿过筒体的侧壁置入活性炭消毒剂内，灯管的另一端置于筒体外部并与配电装置连接。

作为本发明一种基于光催化的饮用水消毒装置的进一步改进：所述活性炭消毒剂通过以下方法制备得到：

1）、取0.1mol/L硝酸水溶液和乙醇按5:1的体积比混合得到溶液A，再向溶液A中加入乙酰丙酮，乙酰丙酮和乙醇的体积比为1:5，搅拌至完全溶解得溶液B；再向溶液B中加入钛酸四丁酯，钛酸四丁酯和乙醇的体积比为1:2，搅拌至完全溶解得溶液C；

2）、取颗粒活性炭加入到溶液C中，超声分散均匀后得溶液D，向溶液D中加入沉淀剂尿素，溶解完全后得溶液E；

所述颗粒活性炭的加入量与步骤1）中0.1mol/L硝酸水溶液的质量比为1~2:10；

所述尿素的加入量与步骤1）中0.1mol/L硝酸水溶液的质量比为2~5；

3）、将溶液E转移到反应釜中，经水热反应得到水热合成产物F；

4）、将水热合成产物F经过滤、洗涤、烘干、隔绝空气加热后得活性炭消毒剂。

作为本发明一种基于光催化的饮用水消毒装置的进一步改进：所述筒体的上端侧壁设置有与出水腔连通的出水管，筒体的下端侧壁设置有与进水腔连通的进水管。

作为本发明一种基于光催化的饮用水消毒装置的进一步改进：所述筒体的进水腔内设置有与进水管连接的布水管，布水管上沿其长度方向均匀分布有出水孔。

作为本发明一种基于光催化的饮用水消毒装置的进一步改进：所述灯管穿过筒体侧壁处通过防水翼环密封。

采用上述消毒装置进行饮用水消毒的工艺，具体为：将自来水厂砂滤池处理过的水泵入消毒装置中，消毒装置处理过的水进入清水池，清水池设置有加氯机，经加氯处理过的水经泵提升进入管网，进而输送至用户家中。

有益效果

1、本发明的消毒罐及消毒工艺用于饮用水的消毒，结构简单，成本低廉且占用空间小，消毒罐内填充有活性炭消毒剂（颗粒活性炭负载氮修饰纳米二氧化钛），具有高效分解NOM，高效、光谱杀菌能力；

2、本发明的消毒罐及消毒工艺，在消毒同时，利用氮修饰纳米二氧化钛表面的催化剂与水接触时产生的羟基化作用，在光照情况下，TiO₂催化剂产生电子-空穴对，羟基化电位高于半导体的价带电位，空穴在扩散过程中首先被表面羟基俘获，从而产生大量的羟基自由基。这些羟基自由基氧化自来水中难降解有机物，成为CO₂和水，从而减少出水中NOM浓度，减少了消毒副产物生成前体量，有利于减少消毒副产物的量，达到自来水用水安全性的目的；

3、本发明的消毒罐及消毒工艺，为减少运行中能量消耗和TiO₂催化剂的老化速度，采用波长为260-3000nm波长偏紫外光和可见光作为光源；另外，紫外光和可见光光源不作为消毒剂使用，只作为催化剂使用，使得能耗进一步降低。

附图说明

图1为本发明饮用水消毒装置的内部结构示意图；

图2为本发明饮用水消毒工艺的流程示意图；

图中标记：1、筒体，2、活性炭消毒剂，3、支撑栅板，4、压实栅板，5、灯管，6、配电装置，7、出水管，8、进水管，9、布水管，10、防水翼环。

具体实施方式

如图所示：一种基于光催化的饮用水消毒装置，包括上下端均封闭的筒体1、设置在筒体1内的光照组件以及填充在筒体1内的活性炭消毒剂2，所述筒体1内部下端设置有支撑栅板3，且支撑栅板3与筒体1底部之间形成进水腔，筒体1的下端侧壁设置有与进水腔连通的进水管8，支撑栅板3上方的筒体1内填充有活性炭消毒剂2，活性炭消毒剂2上设置有压实栅板4，压实栅板4与筒体1上端之间形成出水腔，筒体1的上端侧壁设置有与出水腔连通的出水管7，筒体1的进水腔内设置有与进水管8连接的布水管9，布水管9上沿其长度方向均匀分布有出水孔，所述光照组件包括多个灯管5以及向多个灯管5供电的配电装置6，灯管5的一端穿过筒体1的侧壁置入活性炭消毒剂2内，灯管5的另一端置于筒体1外部并与配电装置6连接，灯管5穿过筒体1侧壁处通过防水翼环10密封。

活性炭消毒剂通过以下方法制备得到：

1）、取0.1mol/L硝酸水溶液和乙醇按5:1的体积比混合得到溶液A，再向溶液A中加入乙酰丙酮，乙酰丙酮和乙醇的体积比为1:5，搅拌至完全溶解得溶液B；再向溶液B中加入钛酸四丁酯，钛酸四丁酯和乙醇的体积比为1:2，搅拌至完全溶解得溶液C；

2）、取颗粒活性炭加入到溶液C中，超声分散均匀后得溶液D，向溶液D中加入沉淀剂尿素，溶解完全后得溶液E；

所述颗粒活性炭的加入量与步骤1）中0.1mol/L硝酸水溶液的质量比为1~2:10；

所述尿素的加入量与步骤1）中0.1mol/L硝酸水溶液的质量比为2~5；

3）、将溶液E转移到反应釜中，经水热反应得到水热合成产物F；

4）、将水热合成产物F经过滤、洗涤、烘干、隔绝空气加热后得活性炭消毒剂。

所述步骤3）中，水热反应釜的填充度为70～80%，水热反应温度为120℃，水热反应时间为12h，水热反应完成后自然冷却至室温。

所述步骤4）中过滤采用抽滤的方式，洗涤剂为去离子水，烘干温度为70～90℃，加热温度为400～500℃。

本发明消毒装置中填充的消毒材料密度为650kg/m³，在罐体中填充密度为85%，在上升流作用下，从重力作用下的相互挤压状态转为漂浮状态，利用其很大的比表面积，在可见光催化作用下，持续杀菌消毒。

利用本发明的消毒装置进行饮用水消毒的工艺，具体为：将自来水厂砂滤池处理过的水泵入消毒装置中，消毒装置处理过的水进入清水池，清水池设置有加氯机，经加氯处理过的水经泵提升进入管网，进而输送至用户家中，保持到用户家里即管网末梢自来水中余氯0.03mg/L。该消毒工艺在消毒装置后接清水池，向清水池中加氯，每方自来水中加氯量为0.5g，比一般城市自来水厂投加量的3~4g，减少氯投加量8倍。本发明减少氯的投加量，也就减少了氯消毒副产物的产生量。经过本发明装置处理，自来水出水中菌落总数<100CFU/ml，CODMn<1mg/L，ICH3<1μg/L，BrCH3<0.001μg/L，浊度<0.1NTU

本发明基于光催化的消毒装置及消毒工艺利用氮修饰纳米二氧化钛表面的催化剂与水接触时产生的羟基化作用，该催化剂附着于颗粒活性炭表面，在光照情况下，TiO₂催化剂产生电子-空穴对，羟基化电位高于半导体的价带电位，空穴在扩散过程中首先被表面羟基俘获，从而产生大量的羟基自由基。这些羟基自由基攻击细菌细胞壁、细胞膜和其它细胞结构，达到消弱其组织结构，杀死细菌的目的；该羟基自由基还氧化自来水中难降解有机物，成为CO₂和水，从而减少出水中NOM浓度，减少了消毒副产物生成前体量，有利于减少消毒副产物的量，达到自来水用水安全性的目的。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，因此，尽管本说明书参照上述的具体实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。