專利名稱：確定飲用水強化混凝處理中溶解性有機物最大去除率、混凝劑投藥量及出水pH值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飲用水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種確定飲用水強化混凝處理中溶解性有機物最大去除率、混凝劑投藥量及出水pH值的方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著飲用水污染的加劇和對消毒副產(chǎn)物的認識，有機污染物的去除已成為當前國內(nèi)外飲用水處理中突出的問題。眾所周知，飲用水處理中DOM的去除是一個重要課題，這不僅是因為DOM復雜的構(gòu)成，而且因為DOM的存在所帶來的一些問題，比如造成飲用水的色度和臭味，支持細菌再生長，與氯消毒劑反應從而降低其濃度，與氯反應產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(如三鹵甲烷、鹵乙酸和其他含氯有機物)，以及與金屬離子絡合從而增加混凝劑的用量。混凝是飲用水處理工藝中得到廣泛應用的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而混凝技術(shù)的研究在環(huán)境科學領(lǐng)域也具有十分重要的地位。隨著人們對消毒副產(chǎn)物及有機污染物的認識，混凝的目的逐漸從濁度的去除轉(zhuǎn)移到水體中有機物的最大去除，有機物去除研究成為當前混凝領(lǐng)域研究的熱點。強化混凝，指水處理常規(guī)混凝處理過程中，在保證濁度去除效果的前提下，通過提高混凝劑的投加量來實現(xiàn)有機物(相應的也即DBPs前驅(qū)物)最大去除的工藝過程。其已被美國環(huán)保局在消毒副產(chǎn)物規(guī)則(D/DBPR)第一階段列為DOM去除的最可行技術(shù)。近些年來，大量DOM表征技術(shù)被提出，樹脂吸附作為化學分級的一項有效技術(shù)被廣泛應用于DOM化學性質(zhì)的表征中。通常采用XAD-8 (或DAX-8)和XAD-4這兩種樹脂，將DOM分級成憎水性和親水性兩類分級組分，即通常所說的腐殖質(zhì)/非腐殖質(zhì)分布。對DOM強化混凝去除過程的定量描述一直是飲用水混凝處理領(lǐng)域的一個重要目標，近些年來，已有一些針對DOM強化混凝去除模型的研究工作被報道，提出了一些經(jīng)驗和半經(jīng)驗模型，這些模型的建立或者基于沒有理論基礎(chǔ)的回歸分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)，或者基于一定的理論基礎(chǔ)，如Langmuir吸附等溫式。但是，這些模型大多是針對有人工pH值調(diào)控的強化混凝工藝，而我國飲用水廠和國外大部分飲用水廠中強化混凝工藝均未進行人工PH值調(diào)控，針對此類強化混凝工藝的模型鮮有報道。此外，這些模型大多只是預測DOM的去除率，對于投藥量和PH值的預測模型也鮮有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種確定飲用水強化混凝處理中溶解性有機物最大去除率、混凝劑投藥量及出水PH值的方法。本發(fā)明提供的確定飲用水處理中溶解性有機物最大去除率、混凝劑投藥量及出水pH值的方法，可包括如下步驟(I)取原水水樣；檢測原水水樣的溶解性有機物含量，以溶解性有機碳(DOC)計，即DOCci ;檢測原水水樣的堿度，即Alkalinityci ;檢測原水水樣的pH值，即PHci ;檢測原水水樣中強憎水性物質(zhì)(SHoM)在溶解性有機物(DOM)中所占的百分比，即SHoM% ；(2)通過模型甲得到原水分別經(jīng)四種混凝劑強化混凝處理后達到的溶解性有機物最大去除率；通過模型乙得到達到溶解性有機物最大去除率時所述混凝劑的投藥量；通過模型丙得到達到溶解性有機物最大去除率時的出水PH值；所述四種混凝劑為FeCl3、Al2(SO4)3、聚合氯化鋁(PACl)和高效聚合氯化鋁(HPAC)；所述模型甲由如下式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)和式(1-4)組成DOM Removal %FeCl3 = Aal + Bal x SHoM%(I-I);DOM Removal %Al2(S04)3 = Abl + Bbl x SHoM%(1-2);
DOM Removal % PAC1 = Acl+Bcl X SHoM% (1-3)；DOM Removal % HPAC = Adl+Bdl X SHoM% (1-4) ； DOM Removal %FeCl3為原水經(jīng)FeCl3處理后達到的溶解性有機物最大去除率；DOM Removal %Al2(So4)3為原水經(jīng)Al2 (SO4) 3處理后達到的溶解性有機物最大去除率；D0M Removal % PAC1為原水經(jīng)聚合氯化鋁處理后達到的溶解性有機物最大去除率；D0M Removals HPA。為原水經(jīng)高效聚合氯化鋁處理后達到的溶解性有機物最大去除率；所述模型乙由如下式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)和式(2-4)組成DosageFeCl3 =(2-1)；A4a X (I - exp(- B4a X DOC0 x (Aal + Bal x SHoM%)x Alkalinity0))DosageAl2(S04)3 =(2-2)；A4b x (I — exp(— B4b x DOC0 x (Abl + Bbl x SHoM%)x Alkalinity0))DosagePAC1 = A4cX (I -exp (-B4c X DOC0 X (Acl+Bcl X SHoM % ))) (2-3)；DosageHPAC = A4dX (I-exp (-B4dXDOC0X (Adl+BdlXSHoM% ))) (2-4)；DosageFeGl3為達到溶解性有機物最大去除率時FeCi3的投藥量；DosageAl2⑶4)3為達到溶解性有機物最大去除率時Al2 (So4) 3的投藥量；DosagePAC1為達到溶解性有機物最大去除率時聚合氯化鋁的投藥量；DosageHPAC為達到溶解性有機物最大去除率時高效聚合氯化鋁的投藥量；所述模型丙由如下式(3-1)、式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)組成pHFeC1 =Ada+Bda X Inf-Alkalimty0-_1(3_1);
3^DOC0 X (Aal + Bal X SHoM%)J
”_ , (Alkalinity。)0、P Ai2(SO4)3 - * + db x n D0C0 x (Abl + Bbl x SHoM%)y，pHPAC1 = Adc+BdcX In (Alkalinity0XpH0) (3-3)；
rnnocn nH - A +R vAri AlkalinityQ xpHQ(3_4).
L0029」 PHhpac - Add +Bdd xln ——— y- —A/r0/\^，
Iv DOC0 x (Adl + Bdl x SHoM%)JpHFeCl3為采用FeCl3達到溶解性有機物最大去除率時的出水pH值；PHA12(SQ4)3為采用Al2 (SO4) 3達到溶解性有機物最大去除率時的出水PH值；PHpac1為采用聚合氯化鋁達到溶解性有機物最大去除率時的出水pH值；PHhpac為采用高效聚合氯化鋁達到溶解性有機物最大去除率時的出水pH值；
Aal = 0. 073，Bal = I. 045，Abl = -0. 034，Bbl = 0. 946，Acl = -0. 106，Bcl = 0. 945，Adl=-0. 089，Bdl = 0. 920 ；A4a = 5. 503，B4a = 0. 009，A4b = 4. 298，B4b = 0. 015，A4c = 3. 854，B4c = 0. 791, A4d = 3. 100,B4d = 0. 863 ；Ada = 2. 959,Bda = 0. 765, Adb = 3. 875,Bdb = 0. 573，Adc = 3. 926，Bdc = 0. 565，Add = 4. 865，Bdd = 0. 359。所述強憎水性物質(zhì)為憎水堿、憎水中性有機物和憎水酸。所述SHoM% =憎水堿占溶解性有機物的百分比+憎水中性有機物占溶解性有機物的百分比+憎水酸占溶解性有機物的百分比。所述憎水堿占溶解性有機物的百分比、所述憎水中性有機物占溶解性有機物的百分比和所述憎水酸占溶解性有機物的百分比具體可通過如下方法檢測得到(I)檢測原水水樣的溶解性有機物含量，以溶解性有機碳計，即DOCtl ；(2)將350mL原水水樣過0. 45 y m濾膜后直接通過IOmL XAD-8樹脂，收集過柱后 的水樣，檢測溶解性有機碳含量，即DOC1 ；(3)用IOOmL 0. Imol T1H3PO4水溶液沖洗步驟⑵的XAD-8樹脂，收集過柱后的水樣，檢測溶解性有機碳含量，即DOC2 ;所述H3PO4水溶液的溶解性有機碳含量為DOCp ；(4)將步驟⑵收集的水樣酸化至pH為2，再通過步驟⑶的XAD-8樹脂，收集過柱后的水樣，檢測溶解性有機碳含量，即DOC3 ；憎水堿占溶解性有機物的百分比=(DOC2-DOCp)/3. 5/DOC0X 100% ；憎水中性有機物占溶解性有機物的百分比=[(DOC0-DOC1) -(DOC2-DOCp) /3. 5]/DOC0X 100% ；憎水酸占溶解性有機物的百分比=(DOC1-DOC3) /DOC0X 100%。所述聚合氯化鋁可為任何市售產(chǎn)品，如北京萬水凈水劑有限公司的產(chǎn)品，北京萬水凈水劑有限公司的聚合氯化鋁的商品編號為1001(其Al2O3含量> 10%，鹽基度^60%)o所述高效聚合氯化鋁為北京萬水凈水劑有限公司的商品編號為0012的產(chǎn)品。所述的方法可用于飲用水處理。所述飲用水處理可為飲用水混凝處理。所述飲用水混凝處理具體可為飲用水強化混凝處理。首先，對原水水質(zhì)進行一系列表征(檢測原水溶解性有機碳、堿度、pH值三個常規(guī)指標，以及對原水DOM進行化學分級，得到DOM各個化學分級組分的百分率)。然后，將原水水質(zhì)表征的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入三套預測模型，通過計算分別預測出原水經(jīng)過四種混凝劑的強化混凝處理后可達到的DOM最大去除率，以及所需的混凝劑投藥量和出水pH值。本發(fā)明提供的方法適用于無人為PH值調(diào)控的飲用水強化混凝處理工藝。


圖I為本發(fā)明提供的方法(D0M強化混凝去除模型)的流程示意圖。圖2為DOM化學分級操作裝置示意圖。圖3為DOM化學分級操作流程示意圖。
具體實施例方式以下的實施例便于更好地理解本發(fā)明，但并不限定本發(fā)明。下述實施例中的實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實施例中所用的試驗材料，如無特殊說明，均為自常規(guī)生化試劑商店購買得到的。以下實施例中的定量試驗，均設(shè)置三次重復實驗，結(jié)果取平均值。DOC即溶解性有機碳(dissolved organic carbon)。DOM即溶解性有機物(dissolvedorganic matter)。DOM 的含量以 DOC 計。本發(fā)明的步驟如下(流程示意圖參見圖I)(I)取原水水樣，檢測其DOC含量(DOCtl)、堿度(Alkalinity。)和pH值(pH0)。DOC含量(單位為mg/L)、堿度(單位為mg/L，以CaCO3計)、pH值的檢測方法 均采用《水和廢水檢測分析方法第四版》中的標準方法。(2)水體DOM按照連續(xù)性分布被分級為憎水堿(hydrophobic bases, HoB)、憎水中性有機物(hydrophobic neutrals, HoN)、憎水酸(hydrophobic acids, HoA)、弱憎水酸(weakly hydrophobic acids, WHoA)和親水性有機物(hydrophilic matters, HiM) 5 個組分。通過如下步驟對原水水樣的DOM進行化學分級(樹脂吸附法；DOM化學分級操作裝置參見圖2，操作流程參見圖3)，得到憎水堿含量、憎水中性有機物含量、憎水酸含量、弱憎水酸含量和親水性有機物含量①350mL原水水樣過0. 45 y m濾膜后直接通過IOmL XAD-8樹脂(調(diào)整過柱速度不高于15BV IT1)，收集過柱后的水樣，檢測DOC含量(DOC1)；②用IOOmL 0. Imol .L1H3PO4水溶液(D0C含量為DOCp)沖洗步驟①的XAD-8樹脂，收集過柱后的水樣，檢測DOC含量(DOC2)；③將步驟①收集的水樣酸化至pH為2，再通過步驟②的XAD-8樹脂，收集過柱后的水樣，檢測DOC含量(DOC3)；④將步驟③收集的水樣立即過IOmL XAD-4樹脂，收集過柱后的水樣，檢測DOC含量(DOC4)。憎水堿含量=(DOC2-DOCp)/3.5，憎水堿占 DOM 的百分比=(DOC2-DOCp) /3. 5/DOC0X 100%。憎水中性有機物含量=(Docq-Doc1)-(Doc2-Docp)/^. 5，憎水中性有機物占dom的百分比=[(DOC0-DOC1) - (DOC2-DOCp) /3. 5] /DOC0X 100 %。憎水酸含量=DOC1-DOC3,憎水酸占DOM 的百分比=(DOC1-DOC3) /DOC0 X 100 %。弱憎水酸含量=DOC3-DOC4,弱憎水酸占DOM的百分比=(DOC3-DOC4) /DOC0X 100%。親水性有機物含量=DOC4,親水性有機物占DOM的百分比=D0C4/D0C0 X 100 %。強憎水性物質(zhì)(SHoM)的含量為HoN、HoB和HoA三種組分含量之和。SHoM在DOM中所占的百分比(SHoM% ) = HoN占DOM的百分比+HoB占DOM的百分比+HoA占DOM的百分比。(3)通過模型甲得到原水分別經(jīng)四種混凝劑強化混凝處理后達到的DOM最大去除率(單位為％);通過模型乙得到DOM達到最大去除率時所述混凝劑的投藥量(單位為X10_4mol/L);通過模型丙得到DOM達到最大去除率時的出水pH值；所述四種混凝劑為FeCl3、Al2 (SO4)3、聚合氯化鋁(PACl)和高效聚合氯化鋁(HPAC)。其中PACl和HPAC均由北京萬水凈水劑有限公司制造，PACl的商品編號為1001(其Al2O3含量彡10%，鹽基度彡60% )，HPAC的商品編號為0012。所述模型甲由如下式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)和式(1-4)組成
DOM Removal %FeCl3 = Aal + Bal x SHoM%(1~1)；DOM Removal %Al2(S04)3 = Abl + Bbl x SHoM%(1-2);DOM Removal % PAC1 = Acl+Bcl X SHoM% (1-3)；DOM Removal % HPAC = Adl+Bdl X SHoM% (1-4)；DOM Removal %_3為原水經(jīng)FeCl3處理后達到的DOM最大去除率；DOM Removal %Al2(So4)3為原水經(jīng)Al2 (SO4) 3處理后達到的DOM最大去除率；DOM Removal % PAC1為原水經(jīng)PACl處理后達到的DOM最大去除率；DOM Removal % HPAC為原水經(jīng)HPAC處理后達到的DOM最大去除率；Aal、Bal、Abl、Bbl、Acl、Bcl、Adl 和 Bdl 均為吊數(shù)。Aal = 0. 073，Bal = I. 045，Abl = —0. 034，Bbl = 0.946，Acl = -0. 106，Bcl = 0. 945，Adl = -0. 089，Bdl = 0. 920。所述模型乙由如下式(2_1)、式(2_2)、式(2_3)和式(2_4)組成Dosage FeCl3 =(2-1);A4a x (I - exp(- B4a x DOC0 x (Aal + Bal x SHoM%)x Alkalinity0))DosageAl2(SQ4)3 =(2-2)；A4b x (I — exp(— B4b x DOC0 x (Abl + Bbl x SHoM%)x Alkalinity0))DosagePAC1 = A4cX (I -exp (-B4c X DOC0 X (Acl+Bcl X SHoM % ))) (2-3)；DosageHPAC = A4dX (I-exp (-B4dXDOC0X (Adl+BdlXSHoM% ))) (2-4)；DosageFeCl3為達到DOM最大去除率時FeCl3的投藥量；DosageAl2(SQ4)3為達到D0M最大去除率時Al2 (SO4) 3的投藥量；DosagePAC1為達到DOM最大去除率時PACl的投藥量；DosageHPAC為達到DOM最大去除率時HPAC的投藥量；A4a、B4a、A4b、B4b、A4c、B4c、A4d 和 B4d 均為吊數(shù)。A4a = 5. 503，B4a = 0. 009，A4b = 4. 298，B4b = 0.015，A4c = 3. 854，B4c = 0. 791，A4d = 3. 100，B4d = 0. 863。所述模型丙由如下式(3-1)、式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)組成 pHFeC1 =Ada+Bda X Inf-Alkalimty0-_1(3_1);
3^DOC0 X (Aal + Bal X SHoM%)J
t1 (Alkalinity。)/00、PhAI2(SO4)3 - db + Bdb X n DOCo x (Am + Bm x SHoM%)y’pHPAC1 = Adc+BdcX In (Alkalinity0XpH0) (3-3)；
rnncnlnH -A +R vAri Alkalinity Q x pH Q(3_4).
L0093」PHhpac — Add + Bdd x In ——— 7- ~ CTT，
Iv DOC0 x (Adl + Bdl x SHoM%)JpHFeCl3為采用FeCl3達到DOM最大去除率時的出水pH值；PHAl2(scW3為采用Al2 (SO4) 3達到DOM最大去除率時的出水pH值；PHpac1為采用PACl達到DOM最大去除率時的出水pH值；PHhpac為采用HPAC達到DOM最大去除率時的出水pH值；Ada、Bda、Adb、Bdb、Adc、Bdc、Add 和 Bdd 均為常數(shù)。Ada = 2. 959, Bda = 0. 765, Adb = 3. 875,Bdb = 0.573，Adc = 3. 926，Bdc = 0. 565，Add = 4. 865，Bdd = 0. 359。實施例I、應用本發(fā)明的方法確定松花江原水的強化混凝處理結(jié)果
實施對象松花江流域中哈爾濱松花江原水。一、模型預測結(jié)果(I)原水表征結(jié)果為=DOC0 為 3. 90mg/L, Alkalinity。為 75mg/L，pH。為 8. 01。(2)原水DOM化學分級結(jié)果為HoB、HoN、HoA、WHoA和HiM在總DOM中所占百分率分別為 2%、12%、47%、14%和 25%，則 SHoM%^ 61%。(3)三個模型的預測結(jié)果見表I。表I哈爾濱松花江原水的模型預測結(jié)果
權(quán)利要求
1.確定飲用水處理中溶解性有機物最大去除率、混凝劑投藥量及出水PH值的方法，包括如下步驟 (1)取原水水樣；檢測原水水樣的溶解性有機物含量，以溶解性有機碳計，即DOCtl;檢測原水水樣的堿度，即Alkalinityci ;檢測原水水樣的pH值，即PHtl ;檢測原水水樣中強憎水性物質(zhì)在溶解性有機物中所占的百分比，即SHoM% ； (2)通過模型甲得到原水分別經(jīng)四種混凝劑強化混凝處理后達到的溶解性有機物最大去除率；通過模型乙得到達到溶解性有機物最大去除率時所述混凝劑的投藥量；通過模型丙得到達到溶解性有機物最大去除率時的出水PH值；所述四種混凝劑為FeCl3、Al2 (SO4) 3、聚合氯化鋁和高效聚合氯化鋁； 所述模型甲由如下式(H)、式(1-2)、式(1-3)和式(1-4)組成 DOM Removal %FeCl3 =Aal +Bal x SHoM%(1-1)； DOM Removal %Al2(SQ4)3 = Abl + Bbl x SHoM%(1~2)；DOM Removal % PAC1 = Acl+Bcl X SHoM% (1-3)；DOM Removal % HPAC = Adl+Bdl X SHoM% (1-4)； DOM Removal %^13為原水經(jīng)FeCi3處理后達到的溶解性有機物最大去除率； DOM Removal %^(3。413為原水經(jīng)Al2 (SO4) 3處理后達到的溶解性有機物最大去除率； DOM Removal % PAC1為原水經(jīng)聚合氯化鋁處理后達到的溶解性有機物最大去除率； DOMRemoval % HPAC為原水經(jīng)高效聚合氯化鋁處理后達到的溶解性有機物最大去除率； 所述模型乙由如下式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)和式(2-4)組成Dosage FeCl3 =(2-1)；A4a x (l - exp(- B4a x DOC0 x (Aal + Bal x SHoM%)x Alkalinity0))DosageAl2(S04)3 =(2-2)；A4b x (I — exp(- B4b x DOC0 x (Abl + Bbl x SHoM%) x Alkalinity0))DosagePAC1 = A4cX (I-exp (-B4cXDOC0X (Acl+BclXSHoM% ))) (2-3)；DosageHPAC = A4dX (I -exp (-B4d X DOC0 X (Adl+Bdl X SHoM % ))) (2-4)； DosageMl3為達到溶解性有機物最大去除率時FeCl3的投藥量； DosageAl2(SQ4h為達到溶解性有機物最大去除率時Al2 (SO4)3的投藥量； DosagePAC1為達到溶解性有機物最大去除率時聚合氯化鋁的投藥量； DosageHPAC為達到溶解性有機物最大去除率時高效聚合氯化鋁的投藥量； 所述模型丙由如下式(3-1)、式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)組成
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述SHoM%=憎水堿占溶解性有機物的百分比+憎水中性有機物占溶解性有機物的百分比+憎水酸占溶解性有機物的百分比。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述憎水堿占溶解性有機物的百分比、所述憎水中性有機物占溶解性有機物的百分比和所述憎水酸占溶解性有機物的百分比是通過如下方法檢測得到的 (1)檢測原水水樣的溶解性有機物含量，以溶解性有機碳計，即DOCtl； (2)將350mL原水水樣過0.45 y m濾膜后直接通過IOmL XAD-8樹脂，收集過柱后的水樣，檢測溶解性有機碳含量，即DOC1 ； (3)用IOOmL0. Imol ^r1H3PO4水溶液沖洗步驟⑵的XAD-8樹脂，收集過柱后的水樣，檢測溶解性有機碳含量，即DOC2 ;所述H3PO4水溶液的溶解性有機碳含量為DOCp ； (4)將步驟(2)收集的水樣酸化至pH為2，再通過步驟(3)的XAD-8樹脂，收集過柱后的水樣，檢測溶解性有機碳含量，即DOC3 ； 憎水堿占溶解性有機物的百分比=(DOC2-DOCp)/3. 5/DOC。X 100% ； 憎水中性有機物占溶解性有機物的百分比=[(DOC0-DOC1) - (DOC2-DOCp) /3. 5] /DOC0X 100% ； 憎水酸占溶解性有機物的百分比=(DOC1-DOC3) /DOC0 X 100 %。
4.權(quán)利要求I至3中任一所述的方法在飲用水處理中的應用。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述飲用水處理為飲用水混凝處理。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述飲用水混凝處理為飲用水強化混凝處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種確定飲用水強化混凝處理中溶解性有機物(DOM)最大去除率、混凝劑投藥量及出水pH值的方法。首先，對原水水質(zhì)進行一系列表征(檢測原水溶解性有機碳、堿度、pH值三個常規(guī)指標，以及對原水DOM進行化學分級，得到DOM各個化學分級組分的百分率)。然后，將原水水質(zhì)表征的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入三套預測模型，通過計算分別預測出原水經(jīng)過四種混凝劑的強化混凝處理后可達到的DOM最大去除率，以及所需的混凝劑投藥量和出水pH值。本發(fā)明提供的方法適用于無人為pH值調(diào)控的飲用水強化混凝處理工藝。
文檔編號C02F1/52GK102774979SQ20111011964
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者王東升, 解建坤, 陳禹 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京萬水凈水劑有限公司