申请日2017.03.09
公开(公告)日2017.07.04
IPC分类号C02F1/32; C02F1/52; C02F1/54; C02F1/72; C02F101/30
摘要
本发明适用于含藻类的饮用水、污水及景观水处理领域，具体是一种绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法。本发明针对富营养化水源水藻类污染、景观水水华爆发及污水处理厂藻类超标等现状，提出了一种将紫外技术和过氧化氢联合作用于含藻水，预氧化后加入亚铁盐、铝盐等强化混凝的高效除藻的方法。紫外线和过氧化氢降低藻细胞活性、增大了藻细胞比重使其易于沉降，预氧化阶段过剩的过氧化氢用于氧化后期加入的亚铁盐，在混凝阶段不断产生新生态的三价铁，从而发挥强絮凝作用。体系中存在的铁水络合物、铝盐、二价铁和三价铁盐水解产物等加速了絮体的形成和变大，强化了混凝过程。本发明主要应用于有藻类污染问题的饮用水源水、水处理厂及城市景观用水。
权利要求书
1.一种绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将紫外灯置于含有高藻水的装置中，加入过氧化氢，打开紫外灯开关，对含藻水进行预氧化30s～10min，然后关闭紫外灯;过氧化氢与藻细胞的比例为4.0～11.5毫克的氧化剂：104～109个藻细胞;
(2)向步骤(1)经过预氧化的含藻水中投加亚铁盐的水溶液并充分搅拌混合均匀，还原多余的过氧化氢，终止预氧化，同时亚铁盐氧化生成新生态三价铁;
(3)向步骤(1)经过预氧化处理的含藻水中投加铁盐、铝盐或有机絮凝剂的水溶液，充分搅拌混合均匀，使铁盐或铝盐与新生态的三价铁及新生成的铁水络合物等组成多混凝剂系统，助长絮体的形成和增大过程;再通过沉降、过滤，去除水中的藻细胞及由藻细胞内释放出的有机物，得到藻细胞及有机物含量较低的水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所投的过氧化氢与亚铁盐的摩尔比为1:1～5:1，亚铁盐与高藻水的比例为3.0～6.0毫克(以亚铁计)：105～×109个藻细胞。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的铁盐、铝盐或有机絮凝剂，与亚铁盐的摩尔比为0:1～1.5:1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的铁盐、铝盐或有机絮凝剂，与亚铁盐的摩尔比为0.5:1～1.5:1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的亚铁盐选自氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、聚合硝酸亚铁其中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铁盐选自低分子的硫酸铁、氯化铁、及高分子的聚合硫酸铁、聚磷硫酸铁和聚合氯化铁中的一种或几种;所述的铝盐选自硫酸铝、氯化铝、硝酸铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铝和聚合硝酸铝中的一种或几种;所述的有机絮凝剂选自聚二甲基二烯丙基氯化铵、壳聚糖和复合型生物絮凝剂。
说明书
一种绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及具体涉及预氧化强化混凝除藻的方法。
背景技术
水体富营养化引发的藻类水华现象增加了水体的治理和维护成本，为水的深度处理和景观水的日常维护带来重重障碍，而且使得水生态环境失衡，严重威胁到居民和其他生物的用水安全，成为水资源环境领域面临的重要挑战之一。据报道，在我国，包括滇池、太湖、巢湖在内的天然湖泊、城市供水水库以及武汉东湖、南京玄武湖等景观湖泊都出现了藻类水华现象，这为以湖泊和水库等作为水源地的诸多城市群的用水带来了很大压力，也为居民正常生活带来了困扰。在南方地区污水处理厂易发生滤池被藻类堵塞、出水藻类超标等问题，影响了污水处理厂的正常运行。
目前，国内外含藻水的处理方法主要包括物理、化学、生物三个方面：1)通过过滤、气浮、吸附等物理手段将藻类从水体中去除;2)利用氯、臭氧、高锰酸钾、高铁酸盐、双氧水等化学试剂预氧化后，加入铁盐、铝盐和黏土等无机混凝剂或投加有机高分子助凝剂除藻，或直接投加大量粘土;3)利用藻类病原菌、病毒或食藻的鱼类等生物手段来抑制和杀灭藻类。其中，传统过滤工艺的混凝剂投加量大、污泥产生量多，直接过滤易造成滤池堵塞或滤床穿透。被广泛应用的活性炭吸附除藻技术，去除效果较好，但用量大且易发生活性炭泄露等情况。高锰酸钾、臭氧等预氧化强化混凝除藻技术，能快速除藻且有效控制有毒副产物，但其药剂本身成本较高、预氧化时间均在10min以上，且水体中残留的锰离子易导致水体二次污染。高藻水需要投加大量粘土，操作简单且成本低廉，但可能引起水底沉积物累积，外来粘土还可能对当地的水生生物产生不利影响。另外，长期大量投加各类混凝剂会引发二次污染，不可避免地造成环境污染和生态失衡，既不科学也不经济。生物除藻成本投入低，且能够持续降低水体中的营养盐，从而在源头上控制藻类水华，但在技术上不成熟，实施起来有较大难度，且藻毒素能够通过食物链富集，可能通过食物链给人体带来潜在危害，因而其大力推广存在争议。因此，对于爆发水华的原生态水环境，要实现在去除藻细胞的同时达到以下四个目标：(1)不引进对原有生态系统可能产生潜在影响的生物;(2)将化学试剂的投加量降至最少以最大范围内降低其对水生环境的二次污染;(3)产生最少量的底泥沉积物以降低水体处理成本;(4)高效除藻，即在最短时间内达到最大的藻细胞去除率;(5)对藻源有机物，尤其是藻毒素等有较好的去除效果。
因此，开发一种安全、绿色、无污染且高效的除藻方法是目前工程应用中亟待解决的难点问题。本发明针对该问题，并考虑到传统的预氧化-混凝方法中存在的氧化时间长、混凝剂投加量大等问题，提出一种解决高藻水处理难题或有效应对突发性藻类爆发所导致的水质问题的新思路，即本发明所述的一种绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的新方法。
发明内容
本发明的目的是针对含高藻水的饮用水源、景观水和水处理厂，提供一种绿色无污染、高效且能在藻类爆发过程中持续使用的一种预氧化强化混凝去除藻细胞的方法，该方法在达到高效除藻的同时不会对水体产生二次污染。
本发明提出的绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法，具体步骤如下：
(1)将紫外灯置于含有高藻水的装置中，加入过氧化氢，打开紫外灯开关，对含藻水进行预氧化30s～10min，然后关闭紫外灯;过氧化氢与藻细胞的比例为4.0~11.5毫克的氧化剂：104~109个藻细胞;
(2)向步骤(1)经过预氧化的含藻水中投加亚铁盐的水溶液并充分搅拌混合均匀(一般可以是200~500r/min快速搅拌1~10min，40~100r/min慢速搅拌3~15min)，还原多余的过氧化氢，终止预氧化，同时亚铁盐氧化生成新生态三价铁;
(3)向步骤(1)经过预氧化处理的含藻水中投加铁盐、铝盐或有机絮凝剂的水溶液，充分搅拌混合均匀，铁盐或铝盐与新生态的三价铁及新生成的铁水络合物等组成多混凝剂系统，助长絮体的形成和增大过程，通过沉降、过滤，去除水中的藻细胞及由藻细胞内释放出的有机物，得到藻细胞及有机物含量较低的水。
本发明步骤(2)中，所投的过氧化氢与亚铁盐的摩尔比为1:1~5:1(即(1~5):1)，亚铁盐与高藻水的比例为3.0~6.0毫克(以亚铁计)：105~109个藻细胞。
本发明步骤(3)中，所述的铁盐、铝盐或有机絮凝剂与亚铁盐的摩尔比为0:1~1.5:1(即(0~1.5):1)，优选铁盐、铝盐或有机絮凝剂与亚铁盐的摩尔比为0.5:1~1.5:1。
本发明中，所述的亚铁盐可选自氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、聚合硝酸亚铁等其中的一种或几种。
本发明中，所述的铁盐可选自低分子的硫酸铁、氯化铁、及高分子的聚合硫酸铁(PFS)、聚磷硫酸铁(PPFS)和聚合氯化铁(PFC)等中的一种或几种;所述的铝盐可选自硫酸铝、氯化铝、硝酸铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铝和聚合硝酸铝等中的一种或几种;所述的有机絮凝剂可选自聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDM)、壳聚糖和复合型生物絮凝剂(CBF)等。
本发明中，步骤(1)中所述的紫外和过氧化氢的作用方式包括先紫外辐照后加入过氧化氢、先加入过氧化氢后紫外辐照以及二者同时作用。
本发明提出的绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法，其原理在于：利用C波段紫外光(Ultraviolet, UV-C)和过氧化氢联合作用，对藻细胞进行预氧化，灭活藻细胞并增大藻细胞比重;向经过预氧化的高藻水中加入混凝剂，搅拌混凝后藻细胞可直接从水中沉淀去除。UV-C是一种具有穿透力和杀伤力很强的光波辐射，过氧化氢的标准氧化还原电位高，二者同时作用于藻细胞时能直接构成藻细胞的氧化性损伤，并能降低藻细胞活性、增大藻细胞比重，使藻易于沉降。UV-C对部分过氧化氢有光分解作用，产生具有高级氧化能力的羟基自由基等物质，缩短了预氧化的时间，使得藻细胞氧化更高效，且能控制藻毒素的释放，降解有机物。加入二价铁盐后，预氧化作用停止，二价铁被逐渐氧化成三价铁，相对于一次投加的三价铁，新生态的三价铁具有更高的活性表面积;不断生成的三价铁较一次性投加的三价铁表现出更高的混凝效果，并且絮体粒径增大。再者，在该体系中产生的铁水络合物等沉降在细胞表面，起到了架桥的作用，提高了混凝效果。或根据需求加入铁盐、铝盐或有机混凝剂，可进一步提高藻细胞去除率。过氧化氢本身只含有氢和氧两种元素，分解后生成水和氧气，在使用过程中不会产生有毒有害的副产物;UV-C具有无污染、低成本、高效率且不改变水的成分等优势，两者联合预氧化强化混凝除藻能达到90%以上的藻细胞去除率，且大大减少了混凝剂的需求量，最终剩余的铁盐含量低于饮用水国家标准。
本发明针对湖泊、水库及景观用水中水华爆发引发的污染，提出了一种利用紫外辐照和过氧化氢共同预氧化后加入亚铁盐强化混凝的方法。紫外辐射与过氧化氢的联合作用使藻细胞活性降低的同时，藻细胞比重增大，易于沉降，加入亚铁盐终止预氧化过程，防止藻细胞过度氧化从而出现胞内有机物大量外泄等情况，同时，预氧化过程中被藻细胞消耗剩余的过氧化氢通过氧化亚铁盐，不断生成新生态的原位三价铁，连续生成的三价铁与体系中存在的铁水络合物等加剧了混凝过程中絮体的生成、凝聚和沉降，在压缩双电层、吸附、表面络合、架桥、卷扫和共沉降等多种作用下达到藻细胞的快速去除。
本发明中亚铁盐的加入终止了藻细胞内有机物的释放，新生成的三价铁盐还提高了藻细胞的去除率。
本发明中过氧化氢的加入不仅起到了联合紫外线对藻细胞预氧化的作用，还氧化了新加入的亚铁盐，使得有更强混凝效果的三价铁不断产生，强化了混凝过程。
本发明的绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法具有较好的除藻效果，在现场应用时，仅需在在现有的水处理厂的一级泵站出水管至水厂混合单元之间或者在水厂的混合单元设置预氧化装置，之后进入混凝沉淀、过滤等单元。对于场地有条件的水处理厂，可在一级泵站出水口新建预氧化装置，用于承载紫外灯管、加入过氧化氢，或者可直接在水处理厂现有的混合池中安装紫外灯管，发挥混合池原有功能的同时完成了预氧化功能，然后在原有的混凝单元加入亚铁盐及铁盐、铝盐等混凝剂的水溶液，依靠原有的沉淀池去除沉降的藻细胞，整个过程操作简单，无需额外复杂的流程。
本发明的绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法，所用的试剂和材料，均是水处理领域常用的，方法简单、成本较低。运用的紫外辐射本身无污染、高效率且低成本，过氧化氢在分解后生成的水和氧气不改变原水成分，没有二次污染，在高效除藻的同时达到了绿色无污染的目标。
本发明的绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法在去除水体中藻细胞的同时还可以通过混凝作用去除水体中的有机物。
本发明的绿色无污染的预氧化强化混凝高效除藻的方法，适用于去除饮用水源水、城市景观用水及水处理厂中不同程度的蓝藻水华，处理效果好，藻细胞去除率能达到90%~99%，过滤水中总铁盐含量≤过滤水中总mg/L，低于国家饮用水标准0.3mg/L。
具体实施方式
实施例1
经监测站检测，某供水厂水库发生富营养化污染，藻细胞浓度达到1000万个/ml，原水浊度为10NTU。水厂原采用絮凝剂为氯化铝，投加量为15mg/L，水华发生后将絮凝剂用量增加至25mg/L，效果仍不理想，表现为藻细胞去除率仅为72%。该水厂原有工艺流程为：原水，混合池混合，絮凝池絮凝，沉淀池沉淀 ，滤池滤过，通过清水池，进入管网系统。
采用本发明的方法对上述发生富营养化污染的水源进行强化除藻：
(1)将水厂原有的混合池安装若干50W紫外灯管，作为预氧化处理的装置。在混合池中加入过氧化氢。水力停留时间延长至5min。其中过氧化氢的投加量与藻细胞的比例为6.75毫克：109个藻细胞。
(2)在絮凝池中，加入硫酸亚铁，然后将原有的絮凝剂氯化铝的投加量减少至5mg/L。其中，所投的过氧化氢与亚铁盐的摩尔比为3:1，亚铁盐与高藻水的比例为7.0毫克(以亚铁计)：109个藻细胞。
(3)在沉淀池中沉降藻细胞后，去除率可达98%，经滤池过滤达标后进入管网系统。
实施例2：
某城市公园池塘景观用水在夏季发生水华，水体变绿，鱼虾等水生生物死亡，有异味，影响了附近居民的生活。经检测水中藻细胞浓度达到200万个/ml，浊度达到15NTU。
采用本发明方法对上述发生水华污染的景观用水进行快速除藻：
(1)将若干60W的紫外灯管安装在船底部，船体承载紫外发生器的同时起到搅拌作用，在池塘水中投加过氧化氢，两者共同作用5~10min。其中过氧化氢的投加量与藻细胞的比例为6.15毫克：109个藻细胞。
(2)在步骤(1)的基础上，投加硫酸亚铁及有机絮凝剂壳聚糖进行混凝。其中，所投的过氧化氢与亚铁盐的摩尔比为2:1，亚铁盐、有机絮凝剂壳聚糖与高藻水的比例为2.8 毫克(以亚铁计)：1毫克：109个藻细胞。
(3)在步骤(2)实行过程中，关闭船载紫外发生器的紫外灯开关，只将其作为搅拌仪使用，搅拌使得混凝剂与藻细胞混合均匀，搅拌时间为163～26min。
(4)静置沉降15min后，藻细胞去除率可达到90%以上，景观用水变澄清。
实施例3：
南方某一县城污水处理厂，本身配备有紫外线消毒池。但因沉淀池中污水具有较长的水力停留时间、较好的水生环境，在夏季出现藻类大量繁殖，漂浮在水面上无法沉降的现象，且滤池中出现泥球堵塞问题，导致出水中藻类不达标，监测发现藻细胞浓度达到50万个/mL,浊度为10NTU。
采用本发明的方法对上述污水处理厂进行整治：
(1)该县城污水处理厂场地宽阔，出水经消毒池中的紫外线消毒后后排放。利用紫外消毒池中的紫外灯管，并在消毒池中直接投加过氧化氢作为藻类处理的预氧化池。其中，设置水力停留时间为3min，过氧化氢的投加量与藻细胞的比例为5.0毫克：105个藻细胞。
(2)在步骤(1)的基础上，在紫外消毒池后面新建沉降池，在此投加亚铁盐作为混凝剂，其中，所投的过氧化氢与亚铁盐的摩尔比为1:1，亚铁盐与高藻水的比例为5.0毫克(以亚铁计)：108个藻细胞。含藻的污水在沉降池中沉降，去除率可达95%。沉降后的上清水直接排出。