專利名稱：利用活性炭吸附與電化學氧化組合去除飲用水中藻毒素的工藝與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用活性炭吸附與電化學氧化組合去除飲用水中藻毒素的工藝與裝置，屬于水處理應用領域。該工藝與裝置首先利用活性炭類吸附劑吸附去除水中藻毒素的伴隨有機物，消除產生氯化副產物的先質，再利用電化學氧化直接將水中已經存在的氯離子原位轉化成活性氯混合氧化劑，快速同時降解去除水中全部藻毒素，最后再利用活性炭吸附去除藻毒素的降解產物，使水質得到完全凈化。
背景技術：
微囊藻毒素(MC)是由淡水藍綠藻產生的最常見的一類縮氨酸肝毒素，它們通過抑制蛋白質磷酸酶的活性產生強烈的促肝癌作用。它們大部分存在于藻細胞內，當細胞破裂或衰老時釋放進入水中，易于引起動物或家畜中毒，人類飲用含MC的水，將在肝、腎、肺等器官積累，最終導致肝溢血、肝癌等疾病。絕大多數微囊藻毒素的最小致死劑量LD50通常報道為50-500μg kg-1(mouse，i.p.)。出于對MC促腫瘤作用的考慮，世界衛生組織(WHO)推薦水中藻毒素的的最高暴露濃度不高于1.0μg/L。
藻毒素根據其存在狀態不同可分為胞內藻毒素和胞外藻毒素。由于胞內藻毒素存在于藻細胞內，其去除實質上是除藻，而且和人們健康最為密切的是水中溶解態的胞外藻毒素，所以，下述藻毒素的去除均針對水中溶解態的胞外藻毒素的去除。
早在20多年前人們就開始研究探索合適的藻毒素去除方法，但許多藻毒素去除的先進技術直到最近幾年才得到應用和評價。
微囊藻毒素具有特殊的縮氨酸環狀結構，化學上很穩定，許多處理工藝對它們只有有限的去除率。據報道它們可以在沸水中保持許多小時；傳統的絮凝沉淀水處理工藝對之無效。
活性炭吸附技術是藻毒素去除早期研究的主要著眼點，直到現在，活性炭吸附技術的一些細節問題還在研究。顆粒活性炭和粉末活性炭是水處理中去除痕量有機物常用的兩類活性炭材料。顆粒活性炭常用于動態柱狀反應器，粉末活性炭通常在絮凝或過濾前直接投加，常用的投加劑量范圍是1～100mg/L。Falconer等人用了高達1000mg/L的活性炭投加量研究了粉末活性炭對藻毒素的去除效果，發現粉末活性炭只能去除一小部分藻毒素，要想有較高的去除率活性炭投加量至少需達到50000mg/L。許多水廠雖然花費巨資建造了顆粒活性炭濾床，但顆粒活性炭對藻毒素的吸附容量很小，藻毒素很快就可以穿透濾床，這就要求大大縮短活性炭濾床的再生周期，而活性炭濾床的再生費用又很高。總體來說，使用活性炭去除藻毒素代價高，去除效果會隨著處理通量增加而減退，而且，一旦被吸附的藻毒素在某一條件下脫附，則將會產生更嚴重的污染。
反滲透等物理處理方法也存在成本高，處理不徹底等問題。生物處理由于反應時間往往要滯后幾小時甚至幾天，且操作條件較嚴格，限制了其廣泛應用。化學處理法得到較廣泛的研究。臭氧、高錳酸鉀、高鐵、紫外線、TiO2光催化等對去除藻毒素的效果較好，但許多細節工作還需進一步深入研究。
目前實際普遍使用的去除藻毒素的方法是加氯法。加氯法需要另外往水中投加化學物質，且水中氯氣量在大于0.5mg/L的條件下也需30min甚至更長的接觸反應時間。而且，加氯法還存在氯瓶的運輸與存儲等安全問題。
盡管人們對許多去除藻毒素的方法進行了研究，但關于利用活性炭吸附與電化學氧化組合去除飲用水中藻毒素的工藝與裝置還未見報道。
發明內容
發明目的通過活性炭吸附與電化學氧化組合工藝與裝置在不投加外來化學物質的條件下，直接使水中常見的氯離子原位轉化成活性氯，快速、徹底、安全地去除飲用水中的藻毒素。
技術方案該工藝與裝置利用活性炭吸附作為電化學氧化處理的前處理單元和后處理單元。在前處理單元，水中包括NOM在內的藻毒素伴隨有機物和少量藻毒素被活性炭吸附得到去除；在中間處理單元，通過控制電流強度、反應時間等反應條件使藻毒素得到完全氧化去除；在后處理單元，藻毒素的降解產物被活性炭吸附得到去除，從而實現了對飲用水中藻毒素的快速、高效、方便、完全的氧化去除。
本發明的特點1.本發明的工藝與裝置通過活性炭吸附的前處理工藝，阻止了可能消耗活性氯又可能產生氧化副產物的藻毒素伴隨有機物進入電化學氧化處理單元，提高了藻毒素氧化效率，也提高了氧化的安全性。
2.本發明的工藝與裝置可直接將水中已經存在的氯離子轉化為活性氯氧化降解藻毒素，不必再往水中添加氯氣等其它的化學物質。
3.本發明的工藝與裝置通過直接調節電流強度改變活性氯的瞬時濃度，實現對飲用水中藻毒素的氧化去除，操作非常方便。
4.利用本發明的工藝與裝置降解水中微囊藻毒素，帶有負電的毒素分子會向氧化劑濃度高的陽極區遷移從而被快速氧化，所以氧化去除速度快，效率高，降解完全。
5.利用本裝置降解水中微囊藻毒素，由于活性氯在線產生，在線使用，省去了氯的儲存運輸等環節，且較低電流下就可完成反應，所以運行費也較低；6.本發明的工藝與裝置通過活性炭吸附的后處理，阻止了藻毒素的降解產物通過出水口進入用戶，進一步提高了藻毒素處理的安全性。
7.本發明的工藝與裝置由于使用電作能源，設備體積小，安裝使用方便，所以可以用于水廠水源水、市政供水、野戰車供水、流動人口供水、家庭飲用水等水中的藻毒素及類似有機物的去除，使用范圍廣，市場空間大。
本發明涉及的工藝與裝置如附圖所示。裝置從功能上主要由活性炭前處理單元3、電化學氧化單元2、活性炭后處理單元1三大部分組成。裝置從結構上由進水口12、泄水口13、配水室9、承托濾網8、活性炭填料11、陽極7、陰極6、直流電源5、陰極支撐10、出水口4組成。兩個活性炭處理單元構造相同，結構上可以互換。活性炭填料11的作用在于吸附去除易被活性炭類物質吸附的非極性有機物，承托濾網8的作用在于均勻布水、固定活性炭和簡單過濾。陽極7和陰極6的作用在于產生活性氧化劑。陰極支撐10的作用在于固定陰陽極的相對位置，便于安裝和工作。
本發明方法具體實施步驟如下1.關閉泄水口13，打開進水口12和出水口4，使含有一定濃度藻毒素的原水按一定流量進入裝置；2.打開電源5，調節極板間電流強度開始反應，電流強度范圍為40～240mA；3.調節進水口12和出水口4處的閥門控制反應時間為1～10分鐘。
4.在進水口12和出水口4處取樣測定藻毒素的濃度。
5.使用結束后，關閉進水口12，打開泄水口13，排空余水。
實施例實施例1.對不同藻毒素濃度的原水的處理用高純水配制含有不同濃度藻毒素的水溶液，在以下條件下進行處理藻毒素濃度MCRR 12.58、6.29、3.14mg/L，MCLR 8.29、4.15、2.07mg/L反應時間10分鐘
NaCl初始濃度為1.85mmol/LpH＝7.00電流強度I＝240mA處理前后，藻毒素濃度變化如表1所示。
表1 對不同濃度藻毒素的去除
由實施例1可以看出，本發明的工藝與裝置對不同濃度的藻毒素均可得到完全去除。
實施例2.不同電流強度條件對藻毒素的去除的影響用一定藻毒素濃度的原水，分別在以下條件下進行電化學處理電流強度I＝40、80、240mA藻毒素濃度MCRR 6.29mg/L，MCLR 4.15mg/L反應時間10分鐘NaCl初始濃度1.85mmol/LpH＝7.00處理前后藻毒素濃度變化如表2所示。
表3 不同電流強度條件下藻毒素的去除
由實施例2可以看出，80～240mA電流強度，可完全去除藻毒素。
實施例3.不同反應時間對藻毒素的去除的影響用一定藻毒素濃度的原水，分別在以下條件下進行電化學處理反應時間1分鐘，5分鐘，10分鐘電流強度I＝240mA藻毒素濃度MCRR 6.29mg/L，MCLR4.15mg/LNaCl初始濃度1.85mmol/LpH＝7.00
處理前后藻毒素濃度變化如表3所示。
表3 不同反應時間下藻毒素的去除
由實施例3可以看出，反應時間為5分鐘以上時，藻毒素可完全去除。
權利要求
1.利用活性炭吸附與電化學氧化組合原位快速同時去除飲用水中藻毒素的工藝與裝置包括，首先利用活性炭吸附去除藻毒素的伴隨有機物和少量藻毒素，再利用電化學氧化直接將水中已經存在的氯離子原位轉化成活性氯混合氧化劑，快速同時降解去除水中全部藻毒素，最后再利用活性炭吸附去除藻毒素的降解產物，使水質得到完全凈化。
2.按照權利要求1所述工藝與裝置，其特征在于該工藝與裝置功能上由活性炭吸附前處理單元、電化學氧化中間處理單元和活性炭吸附后處理單元三大部分組成。
3.按照權利要求1所述工藝與裝置，其特征在于利用活性炭纖維、顆粒活性炭等類似吸附吸附劑吸附作為電化學氧化的前處理工序去除天然有機物(NOM)等藻毒素的伴隨有機物，使可能產生氯化副產物的有機質在氯化前被去除。
4.按照權利要求1所述工藝與裝置，其特征在于利用活性炭纖維、顆粒活性炭等類似吸附吸附劑吸附作為電化學氧化的后處理工序去除藻毒素的降解產物，使藻毒素降解產物在出水口前被去除。
5.按照權利要求1所述工藝與裝置，其特征在于使用形穩陽極原位產生活性氯氧化去除水中藻毒素。
6.按照權利要求1所述工藝與裝置，其特征在于利用交流整流直流電源和直接利用直流電作電源通過控制電流強度、反應時間、氯離子濃度等氧化去除水中藻毒素。
7.按照權利要求1所述工藝與裝置，其特征在于利用該裝置去除水中不同濃度的多種藻毒素及藻毒素的伴隨有機物。
8.按照權利要求1所述工藝與裝置，其特征在于利用該裝置去除水廠水源水、市政供水、野戰車供水、流動人口供水、家庭飲用水等水中的藻毒素及藻毒素的伴隨有機物。
全文摘要
本發明公開了一種利用活性炭吸附與電化學氧化組合原位快速同時去除飲用水中藻毒素的工藝與裝置，屬于水處理應用領域。該工藝與裝置首先利用活性炭吸附去除水中的藻毒素的伴隨有機物和少量藻毒素，再利用電化學氧化直接將水中已經存在的氯離子原位轉化成活性氯混合氧化劑，快速同時降解去除水中全部藻毒素，最后再利用活性炭吸附去除藻毒素的降解產物，使水質得到完全凈化。利用本發明的裝置凈化水質，不必再往水中添加氯氣等其它化學物質，且操作方便，藻毒素及其它有機物去除速度快，效率高，設備一次性投資少，運行費低，使用范圍廣。
文檔編號C02F1/28GK1629084SQ20031012138
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月16日 優先權日2003年12月16日
發明者曲久輝, 史紅星, 劉會娟, 王愛民, 雷鵬舉 申請人:中國科學院生態環境研究中心