饮用水突发挥发性卤代烷烃类有机物污染时的曝气吹脱法

摘要

一种饮用水突发卤代烷烃类有机物污染时的曝气吹脱方法，属于水处理领域，其特征是：该方法是在水中铺设鼓风曝气系统，通过曝气使得挥发性有机物从水相转移至气相中去除，本发明可以应对饮用水相关水质标准中规定的三氯甲烷、二溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、1，2-二氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷等挥发性有机污染物；可以应对超标浓度高达5倍左右的挥发性有机污染物；设备、操作简单，运行成本不高，不会影响自来水厂产水量，便于水厂应用；可高效、安全、经济的实现水源水挥发性有机污染物超标时的城市供水，也可应用于工业水处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种处理水中挥发性有机物的方法，尤其是开发应对水中挥发性卤代烷烃类 有机物突发污染事故的曝气吹脱方法，属于水处理领域。

背景技术

由于饮用水水源水质标准要求其中的污染物不得超过一定限值，因此饮用水处理通常并 不需要对挥发性有机物进行处理。但是当饮用水水源受到含有大量挥发性有机污染物的污水 污染时，城市供水企业就不得不面临处理含有超标挥发性有机物的难题。

目前饮用水行业通常采用的处理方法包括以下几种：

(1)物理方法

A吸附法

吸附法利用多孔介质，如活性炭、树脂等来吸附水中的挥发性有机物，使有机物吸附于 固体表面，从而达到分离的目的。此方法的缺点是吸附剂，例如活性炭等不适合吸附小分子 挥发性有机物，去除效率不高。

B萃取法

萃取法利用和水不相溶的有机溶剂萃取水中的挥发性有机物。该技术只能萃取非极性有 机物，对极性有机物的去除效果不理想。另外，该方法需要向水中加入有机溶剂，残留的有 机物本身就对人体有巨大危害，只能用在废水处理方面，不能作为饮用水的处理技术。

C膜处理法

利用超滤、纳滤或反渗透等膜过程可以去有效除水体挥发性有机物。该方法虽然效率较 高，无二次污染，能较好地净化被污染的水源水，但是存在者浓差极化和膜污染问题，并且 膜设备造价较高，设备安装和操作较为复杂，在发生水源水突发污染事件时也不能立即投入 使用，因而限制了其在应急领域的实际应用。

D超声波法

利用超声波降解水中的挥发性污染物是一种新技术，主要利用超声波空化产生的局部高 温高压和强烈的冲击力来降解水中有机物。该方法使用条件温和、速度快、适用范围广，但 是技术不成熟，设备要求较高，造价也较难承受。

(2)化学氧化法

化学氧化法先利用电、辐照、催化剂、氧化剂等产生自由基，再利用自由基氧化分解水 中的有机物。氧化法包括化学氧化法、电化学氧化法、湿式催化氧化、光催化氧化、超临界 氧化等等。这些方法有的需要高温高压等特殊条件，有的需要特殊设备，有的原料需要现场 制备，有的造价太高，均不适合作为饮用水受到挥发性有机物污染时的首选应急处理技术。

(3)生化法

生化处理主要利用微生物的新陈代谢来降解挥发性有机物。但是，利用微生物来降解挥 发性有机物在给水应急处理领域不适用。生化反应一般所需时间较长，不适宜于挥发性有机 物突发污染的应急处理。另外，受到挥发性有机物污染的饮用水水源营养物质较少，微生物 无法得到充分营养，不能大量繁殖，无法达到良好的去除效果。

曝气吹脱法属于物理方法，主要是将大量空气或者其他气体通入水体，增加水相和气相 的接触面，利用挥发性有机物在水相和气相的浓度差异将其从水相转移至气相而去除。目前 曝气吹脱法主要用于以下方面：

(1)吹脱技术净化地下水石油污染；

(2)吹脱法处理氨氮废水；

(3)吹脱法去除含硫化氢废水。

曝气吹脱法应用于以上方面，主要是采用设有填料和机械鼓风装置的专业吹脱塔，其属 于永久性设施，移动便携性较弱，构建费用高，不适用于水源突发性污染应急处理。

经检索中国国家知识产权局专利数据库，发现与本申请相关的专利申请公开文件2项， 均为哈尔滨工业大学申请，分别是吹脱与粉末炭吸附联合去除原水中氯苯的方法(申请号 200910306573.6)和吹脱与粉末炭吸附联合去除原水中乙苯的方法(申请号200910306585.9)， 本专利与其差异性在于：

(1)哈尔滨工业大学方法是去除乙苯和氯苯，本方法是去除挥发性卤代烷烃类有机物， 两者针对的目标污染物不同，处理所需要的技术参数不同，申请的权利要求也不同；

(2)哈尔滨工业大学方法使用的是吹脱与粉末炭吸附联合方法，较为昂贵；本方法充分 发挥吹脱技术的潜力，不需要与粉末炭联合，更具实用性；

(3)哈尔滨工业大学方法只给出了气水比、气泡直径大小，没有给出气水比与去除效率 之间的相关关系，本申请根据大量的试验数据，开发了曝气吹脱的数学模型，从理论上给出 了两者之间的相关关系，具有很强的创新性。

综上所述，应对挥发性卤代烷烃类突发污染事故的应急处理技术研究尚未见报道，也没 有与本申请内容相同的专利和论文。

发明内容

本发明的目的在于提供应对水中超标挥发性卤代烷烃类有机污染物的曝气吹脱处理方 法，以实现在水源水突发性污染时，经济、安全、高效确保城市供水行业正常供水，以解决 目前的饮用水处理工艺无法应对水源水挥发性卤代烷烃类有机污染物超标的情况。

本发明的特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)构建一个当饮用水突发挥发性卤代烷烃类有机物污染时用的曝气吹脱系统；

在岸边设置鼓风机，在该鼓风机的气流输出端设置一个曝气流量计，以测定曝气流量， 单位为L/min，L为升的单位；

在水面下沿水的流动方向上，布置与鼓风机出口相连通的一级、二级或三级曝气吹脱软 管，彼此间的间隔是均匀设定的，各曝气吹脱软管的微气孔产生的气泡直径为2mm～3mm， 铺设位置距离水面高度为50cm～100cm，使用锚栓和浮子固定在水中，深度大于气水间的相 平衡高度h^*；

在主控室设置一个计算机，并予以初始化，设置以下参数：

所述挥发性卤代烷烃类中各种不同游击污染物，包括三氯甲烷、二溴一氯甲烷、一溴二 氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、1，2-二 氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷等12种挥发性有机污染物，在目标浓度下所需要的 气水比以及对应的相平衡高度h^*；

步骤(2)用布置在曝气区域前的流速计来测定流速，并根据不同的流速分别按以下步骤 处理：

步骤(2.1)当水的流速低于0.1米/秒是，只铺设一级曝气吹脱软管，在曝气吹脱过程中 的污染物浓度按下式计算：

$\frac{C}{C_0}=e^{-G·q},$其中：

C——吹脱t时间后的污染物浓度，单位为mg/L，t为设定值，单位min，

C₀——吹脱之前的污染物初始浓度，单位为mg/L，

q——气水比，q＝Q_气t/V_水，无量纲，其中：

Q_气——所述鼓风机的曝气流量，单位为L/min，

V_水——所述曝气吹脱软管所在区域至上方液面的水体体积，单位为L，

G——曝气吹脱系数，无量纲，按下式计算：

$G=\left(\begin{array}{cc}H& h\ge h*\\ \lambda ·H& h<h*,0<\lambda <1\end{array}\right),$其中：

H——亨利常数，无量纲，

h^*——相平衡高度，随物种种类不同有所差别，

λ——在低于气水间相平衡高度时的修正系数，

h——实际曝气吹脱软管距离液面的深度；

步骤(2.2)当水的流速高于0.1米/秒时，该曝气吹脱过程中的污染物浓度按照下式计算：

采用一级曝气吹脱软管时，

$C_1=C_0\frac{1}{1+\mathrm{Gq}}[1+\mathrm{Gq}·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}],$其中：

t，G，q，C₀的定义如步骤(2.1)，无量纲，

式中C₁——所述一级曝气吹脱软管出水的浓度，单位mg/L，

Θ——水流经所述一级曝气吹脱软管上方所在区域的水力停留时间，单位min；

采用二级曝气吹脱软管时，

$C_2=C_0\frac{1}{{(1+\mathrm{Gq})}^2}[1+(1+\mathrm{Gq})·\mathrm{Gq}·\frac{t}{\Theta }·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}$

$+(2+\mathrm{Gq})·\mathrm{Gq}·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}],$其中：

t，G，q，C₀的定义如步骤(2.1)，无量纲，

C₂——采用二级曝气吹脱软管出水的浓度，单位mg/L，

Θ——水流经所述每一级曝气吹脱软管上方所在区域的水力停留时间，单位min；

采用三级曝气吹脱软管时，

$C_3=C_0\frac{1}{{(1+\mathrm{Gq})}^3}[1+\frac{1}{2}(1+\mathrm{Gq})·{\left(\frac{t}{\Theta }\right)}^2·\mathrm{Gq}·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}$

$+\frac{1}{2}(1+\mathrm{Gq})·{\left(\frac{t}{\Theta }\right)}^2·{\left(\mathrm{Gq}\right)}^2·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}+2(1+\mathrm{Gq})·\mathrm{Gq}·\frac{t}{\Theta }·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}$

$+(1+\mathrm{Gq})·{\left(\mathrm{Gq}\right)}^2·\frac{t}{\Theta }·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}+\mathrm{Gq}·(3+3\mathrm{Gq}+{\left(\mathrm{Gq}\right)}^2)·e^{-(1+\mathrm{Gq})\frac{t}{\Theta }}],$其中：

t，G，q，C₀的定义如步骤(2.1)，无量纲，

C₃——三级曝气吹脱管出水浓度，单位mg/L，

Θ——水流经所述每一级曝气吹脱软管上方所在区域的水力停留时间，单位min。

本发明提出的饮用水突发挥发性卤代烷烃类有机物污染时的曝气吹脱法，具有以下优点：

(1)已有试验结果表明可以有效应对饮用水相关水质标准中规定的三氯甲烷、二溴一氯 甲烷、一溴二氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯 乙烯、1，2-二氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷12种挥发性有机污染物；

(2)在气水比为15的情况下，可以将超标浓度5倍左右的三氯甲烷等9种挥发性有机 污染物去除到饮用水相关标准以内；

(3)设备、操作简单，运行成本不高，不会影响自来水厂产水量，便于水厂应用；

(4)可高效、安全、经济的实现水源水挥发性有机污染物超标时的城市供水，也可应用 于工业水处理。

本发明的运行效果：

实验室配水试验表明，针对超标浓度5-10倍的挥发性有机污染物，通过曝气吹脱可以有 效地降低其污染浓度，达到标准限值。

对三氯甲烷、二溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、1，1-二氯乙烯、1，2- 二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、1，2-二氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷等挥发性有 机污染物的试验也表明，气水比q是应对水中超标挥发性有机污染物的关键参数。应对这些 污染物的曝气吹脱处理方法中，其有效的q值如图1～图12所示。

附图说明

图1三氯甲烷的曝气吹脱去除效果。

图2二溴一氯甲烷的曝气吹脱去除效果。

图3一溴二氯甲烷的曝气吹脱去除效果。

图4四氯化碳的曝气吹脱去除效果。

图5三溴甲烷的曝气吹脱去除效果。

图61，1-二氯乙烯的曝气吹脱去除效果。

图71，2-二氯乙烯的曝气吹脱去除效果。

图8三氯乙烯的曝气吹脱去除效果。

图9四氯乙烯的曝气吹脱去除效果。

图101，2-二氯乙烷的曝气吹脱去除效果。

图111，1，1-三氯乙烷的曝气吹脱去除效果。

图121，1，2-三氯乙烷的曝气吹脱去除效果。

图13河道引水渠曝气装置实施方式：

(1.鼓风机；2.曝气软管；3.密封软管；4.挡水围隔)。

图14湖库型曝气装置实施方式一：

(1.鼓风机；2.曝气软管；3.密封软管；4.挡水围隔；5.围栏)。

图15湖库型曝气装置实施方式二：

(1.鼓风机；2.曝气软管；3.密封软管；4.挡水围隔)。

图16饮用水突发挥发性卤代烷烃类有机物污染时的曝气吹脱法实施步骤。

具体实施方式

饮用水突发挥发性卤代烷烃类有机物污染时的曝气吹脱法适用于河道引水渠和湖库等不 同类型的取水环境，针对不同类型的取水环境应采取不同的实施方式。

(1)针对河道引水渠取水环境实施方式：

针对河道引水渠，饮用水突发挥发性卤代烷烃类有机物污染时的曝气吹脱法实施方式为： 曝气装置应在引水渠取水口前方实施。若河道引水渠水深深度小于相应物质的相平衡高度h^*， 则直接在引水渠底部铺设曝气软管，但不可直接接触水底，至少高出10cm，以免引起水底沉 积物上浮影响水质；若河道引水渠水深深度大于相应物质的相平衡高度h^*，则在距离水面h^*处布置曝气软管，曝气软管下设置挡水围隔，以引导水流从曝气软管上方通过。曝气软管通 过浮标悬浮于水中，挡水围隔通过铅垂物沉于水中。实际实施中应根据相应物质的吹脱特性， 合理调节曝气流量，有效去除污染物，保障饮用水源水质安全。例如，该方法在处理三氯甲 烷超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水比为5.75，去除80％时需要的 气水比为13.35，去除90％时需要的气水比为19.09，三氯甲烷的相平衡高度h^*小于50cm。

(2)针对湖库型取水环境实施方式：

针对湖库型水库，饮用水突发挥发性卤代烷烃类有机物污染时的曝气吹脱法实施方式为： 曝气装置应在取水口前方实施。

方案一：根据湖库型取水环境，在取水口两边设置围栏，引导水流从围栏构成的进水口 通过流入取水口，于进水口处设置曝气装置。若湖库水深深度小于相应物质的相平衡高度h^*， 则直接在湖库底部铺设曝气软管，但不可直接接触水底，以免引起水底沉积物上浮影响水质； 若湖库水深深度大于相应物质的相平衡高度h^*，则在距离水面h^*处布置曝气软管，曝气软管 下设置挡水围隔，以引导水流从曝气软管上方通过。曝气软管通过浮标悬浮于水中，挡水围 隔通过铅垂物沉于水中。实际实施中应根据相应物质的吹脱特性，合理调节曝气流量，有效 去除污染物，保障饮用水源水质安全。例如，该方法在处理二溴一氯甲烷超标的水时，采用 曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水比为19.47，去除80％时需要的气水比为45.21，去 除90％时需要的气水比为64.68，二溴一氯甲烷的相平衡高度h^*小于10cm。

方案二：根据湖库型取水环境，在取水口四周设置曝气装置。若湖库水深深度小于相应 物质的相平衡高度h^*，则直接在湖库底部铺设曝气软管，但不可直接接触水底，以免引起水 底沉积物上浮影响水质；若湖库水深深度大于相应物质的相平衡高度h^*，则在距离水面h^*处布置曝气软管，曝气软管下设置挡水围隔，以引导水流从曝气软管上方通过。曝气软管通 过浮标悬浮于水中，挡水围隔通过铅垂物沉于水中。实际实施中应根据相应物质的吹脱特性， 合理调节曝气流量，有效去除污染物，保障饮用水源水质安全。例如，该方法在处理一溴二 氯甲烷超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水比为9.23，去除80％时需 要的气水比为21.43，去除90％时需要的气水比为30.66，一溴二氯甲烷的相平衡高度h^*小于 50cm。

(3)针对各种挥发性卤代烷烃的实施效果

该方法在处理四氯化碳超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水比为 1.05，去除80％时需要的气水比为2.43，去除90％时需要的气水比为3.47，四氯化碳的相平 衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理三溴甲烷超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水比为 29.56，去除80％时需要的气水比为68.64，去除90％时需要的气水比为98.20，三溴甲烷的相 平衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理1，1-二氯乙烯超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水 比为1.56，去除80％时需要的气水比为2.63，去除90％时需要的气水比为5.19，1，1-二氯乙 烯的相平衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理1，2-二氯乙烯超标的水时，采用曝气吹脱法处理，时去除50％时需要的气 水比为2.72，去除80％时需要的气水比为6.32，去除90％时需要的气水比为9.04，1，2-二氯 乙烯的相平衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理三氯乙烯超标的水时，采用曝气吹脱法处理，时去除50％时需要的气水比 为2.11，去除80％时需要的气水比为4.90，去除90％时需要的气水比为7.01，三氯乙烯的相 平衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理四氯乙烯超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水比为 1.56，去除80％时需要的气水比为3.62，去除90％时需要的气水比为5.17，四氯乙烯的相平 衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理1，2-二氯乙烷超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气水 比为1.07，去除80％时需要的气水比为2.50，去除90％时需要的气水比为3.57，1，2-二氯乙 烷的相平衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理1，1，1-三氯乙烷超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气 水比为1.51，去除80％时需要的气水比为3.50，去除90％时需要的气水比为5.00，1，1，1-三氯 乙烷的相平衡高度h^*小于50cm。

该方法在处理1，1，2-三氯乙烷超标的水时，采用曝气吹脱法处理，去除50％时需要的气 水比为1.07，去除80％时需要的气水比为2.48，去除90％时需要的气水比为3.55，1，1，2-三氯 乙烷的相平衡高度h^*小于50cm。