一种去除饮用水中高氯酸盐的方法及工艺.pdf

本发明涉及的是一种去除饮用水中高氯酸盐的方法及工艺，饮用水中高氯酸盐从水流动通道由阴离子交换膜进入到外加营养盐和有机碳源的厌氧生物反应池，在厌氧生物作用下高氯酸盐被还原为氯离子和氧气。本发明对饮用水中高氯酸盐具有较好的去除效率，其中高氯酸盐去除率高达95％以上，出水中高氯酸盐浓度在安全浓度4-18μg/L范围内，且无“二次污染”和“微生物污染”的问题。

1.  一种去除饮用水中高氯酸盐的方法，其特征在于，将阴离子交换膜的唐南渗析过程与厌氧微生物还原高氯酸盐为Cl^-和O₂的过程相结合。

2.  按照权利要求1所述的方法，其中，以简单的醇类(如甲醇、乙醇)或可生降解的有机废水等碳源作为厌氧微生物还原高氯酸盐的电子供体。

3.  按照权利要求1所述的方法，其中，高氯酸盐通过阴离子交换膜的唐南渗析迁移过程以厌氧微生物还原高氯酸盐产生的Cl^-作为反向驱动离子。

4.  一种去除饮用水中高氯酸盐的工艺，其特征在于，它主要由原水池、进水泵、水流动通道、阴离子交换膜、污泥循环通道、污泥循环泵、厌氧生物反应池、搅拌装置、计量泵、脱氧剂水池、有机碳源供给池、营养盐供给池等组成。

5.  按照权利要求4所述的工艺，其特征在于，水流动池水流方向与厌氧生物反应池的污泥回流方向为同向或异向。

6.  按照权利要求4所述的工艺，其特征在于，厌氧生物反应池的类型为上流式厌氧生物反应器(UASB)、或折流式厌氧生物反应器(ABR)。

一种去除饮用水中高氯酸盐的方法及工艺
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及的是一种去除饮用水中高氯酸盐的方法及工艺。
背景技术
自1997年以来，美国国家环保局(EPA)先后在加州、内华达州和犹他州等14个州的饮用水中监测出了高氯酸盐后，高氯酸盐对环境污染的问题已经引起了世界各国环境科学家的广泛关注。由于饮用水中高氯酸盐可干扰甲状腺素的合成和分泌，从而影响了人体正常的新陈代谢，阻碍人体正常的生长和发育，因此，高氯酸盐已被美国国家环保局列入候补污染物质表，并确定饮用水中高氯酸盐的安全浓度范围为4-18μg/L。然而，由于高氯酸盐是一种非挥发性和高溶解性的有毒无机污染物，传统的给水处理工艺(混凝→沉淀→过滤→消毒)不能够有效地去除饮用水中高氯酸盐。因此，研制开发保障饮用水安全的、高效经济的高氯酸盐去除技术是非常有必要的。
到目前为止，常用高氯酸盐的处理技术主要有以下几种：活性炭吸附法、膜过滤法、离子交换法、厌氧生物法。在1997年，活性炭吸附技术首先用于去除饮用水中高氯酸盐的研究，但活性炭对高氯酸盐的吸附容量很小，限制了该技术的推广应用。膜过滤法可以有效地去除饮用水中的高氯酸盐，但处理后浓缩的高氯酸盐废水需要进行再处理或处置，且存在处理成本高的缺点。离子交换法可以去除水中的高氯酸盐，但在实际应用中仍然存在以下问题：①水中的许多其它阴离子(如高浓度的氯化物和硫酸盐)会与高氯酸根竞争吸附，从而使离子交换树脂的交换效率降低；②高氯酸盐对离子交换树脂存在着很强的亲和力，要用高浓度的盐才能使树脂再生；③存在着含有高浓度高氯酸盐的再生液处理、处置的问题。厌氧生物法是指在厌氧的条件下，通过厌氧微生物将高氯酸盐还原为氯化物，其还原机理为ClO₄^-→ClO₃^-→ClO₂^-→Cl^-+O₂。但是，现有的厌氧生物法在饮用水处理中存在以下缺点：①由于厌氧生物处理需要外加碳源和养分，未被微生物利用的具有溶解性的碳源和养分无法通过沉淀、过滤方法去除，易造成饮用水的“二次污染”，必须通过增加后续处理工艺才能满足饮用水水质的要求；②存在“微生物污染”的问题，如微生物毒素的释放和溶解性微生物代谢产物的产生，与加入的消毒剂反应，会生成消毒副产物，危害人体健康。因此，解决厌氧生物法去除饮用水中高氯酸盐存在的“二次污染”和“微生物污染”问题是亟待解决的难题。随着膜技术研究的快速发展，膜组件与生物反应器组合工艺开始在饮用水处理中得到广泛应用。其中，由于压差推动膜生物反应器能够通过膜组件(超滤、微滤和纳滤)截留全部微生物，基本上解决了饮用水中“微生物污染”的问题。但是，由于未被微生物利用的具有溶解性的外加碳源和养分及某些分子化合物(如溶解性的微生物代谢副产物、胞外物)不能够被膜组件截留，出水水质仍受到“二次污染”的影响。由此可见，微生物与待处理的饮用水直接接触是造成“二次污染”和“微生物污染”的潜在问题。
发明内容
针对现有去除饮用水中高氯酸盐的方法和工艺中存在的缺点，本发明提供一种新的去除饮用水中高氯酸盐的方法及工艺。其工作原理如下：通过离子交换膜的唐南渗析过程与厌氧生物反应器耦合，饮用水中ClO₄^-通过选择性阴离子交换膜进入到厌氧生物反应器，被厌氧微生物还原成无害产物Cl^-和O₂，产生的Cl^-作为反向驱动离子通过离子交换膜进入到饮用水中，确保了离子交换膜两侧的溶液维持电中性的状态。由于厌氧微生物反应器不断地还原唐南渗析运输过来的ClO₄^-，使离子交换膜两侧唐南平衡遭到破坏，增强了离子交换膜通过唐南渗析向厌氧生物反应器运输ClO₄^-的能力，提高了高氯酸盐去除效率。同时，厌氧生物反应器中产生的氧气，可通过除氧装置投加亚硫酸钠去除。
本发明的优点是，①在ClO₄^-被厌氧生物还原去除过程中，产生的Cl^-可直接地作为唐南渗析过程的反向驱动离子。②解决了生物法去除饮用水中高氯酸盐存在的“二次污染”和“微生物污染”问题。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。其中，1-原水池；2-进水泵；3-水流动通道；4-阴离子交换膜；5-污泥循环通道；6-污泥循环泵；7-厌氧生物反应池(UASB或ABR)；8-搅拌装置；9-计量泵；10-脱氧剂水池；11-计量泵；12-有机碳源供给泵；13-计量泵；14-营养盐供给池。
具体实施方式
本发明采用技术方案的实施包括以下步骤：
1、取高氯酸盐污染的河流、水库、湖泊的底泥及污水处理厂厌氧消化池的污泥，将其加入到含有较高浓度高氯酸盐原水的批量培养装置中，通过添加一定浓度的碳源和营养物质，对高氯酸盐还原菌进行驯化富集。在培养和驯化过程中，定时监测批量培养装置中高氯酸盐浓度和有机物浓度变化，待高氯酸盐被还原为Cl^-和O₂的效果稳定后，驯化结束。
2、如图1，本发明先将驯化好的厌氧污泥加入到厌氧生物反应池7中，开始工艺的正常运行。含有高氯酸盐的原水从原水池1通过进水泵2进入水流动通道3。水流动通道中的高氯酸盐通过阴离子交换膜4进入到污泥循环通道5，通过污泥循环泵6进入到厌氧生物反应池(UASB或ABR)7中，通过搅拌装置8与厌氧污泥充分接触发生高氯酸盐的还原反应，生成Cl^-和O₂。计量泵9将脱氧剂水池10中亚硫酸钠溶液注入厌氧生物反应池中，使其与O₂发生反应将其去除。同时，计量泵11定时将充足的有机物(甲醇或乙醇或生活污水)从碳源供给池12加入厌氧生物反应池7中，计量泵13定时将营养盐从营养供给池14加入到厌氧生物反应池。
以下面所述实施例对本发明进一步说明。
所采用原水中高氯酸盐氮浓度为104μg/L，水流动池和厌氧生物反应池的有效容积分别为63mL和117mL，阴离子交换膜的有效面积为90cm²，营养盐和有机物采用间歇方式添加，添加次数为每天5次，每次持续时间为2min，添加量为2.5mL/min。水流动池中水停留时间分别为5h和4h。经过图1所示工艺处理后水质如表1所示。
表1实施例处理前后的水质变化