CN103391899A - 一种由被污染的原水制备饮用水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由含有痕量物质的污染物的原水制备饮用水的方法，包括如下步骤：使铁化合物和任选的其它化合物与原水分离，使水与二价铁材料接触，在充气时共沉淀痕量物质，以及回收饮水。

Description

一种由被污染的原水制备饮用水的方法

本发明涉及由含有痕量物质的污染物的原水制备饮用水的方法。

地下水受污染物质的污染成为全世界的主要问题。一直以来在进行工业化耕作的地方，杀虫剂及其分解产物出现在地下水中是平常的，并且地下本身的天然构造可引起严重的污染情况。

因此，世界的大于3百万的地下水井中过量的砷的存在与受影响区域中的癌症以及一系列其它疾病和健康问题的增加的风险有关，在其中孟加拉国经常作为极度苦难的例子而被提及。

由于砷对健康的不利影响，WHO降低了饮水中砷的推荐限度至10μg/L，并且在许多工业化国家中该限度现在设定在5μg/L。然而，这导致许多供水***不能利用现有的方法来遵守这一限度，并且它们不得不关闭或者投资昂贵的净化设备。已发现，以合理的成本使砷的含量从通常遇到的20-35μg/l的水平下降至5μg/l以下是困难的工作。

一般来说，这个问题在接纳具有低含量的铁的地下水的供水***中是特别明显的。在被赋予富含铁化合物的水的供水***中，有时是很少这样的，因为当以常规的方式通过氧化（通常是充气）来处理水时，在某些环境下砷可以与氧化的铁化合物共沉淀，直到铁在砂滤器或沉淀盆（precipitation basin）中沉淀。然而，如果水中的铁含量不足以保证砷和其它痕量物质的期望的共沉淀，则不能通过水的常规氧化来除去砷，砷和其它痕量物质由于特定情况下在氧化后不与铁共沉淀-或者仅仅与铁不充分地共沉淀。

DE19745664A1公开了用于处理含砷的水的方法，其中水流过填充有含铁颗粒的反应器，所述颗粒通过混合沙子和铁粉末且然后在排除氧气的条件下烧制而产生。在反应器中，铁通过溶解于水中的氧气氧化，产生Fe(III)离子，所述离子与As一起形成难溶性砷酸铁。过量的Fe(III)离子作为氢氧化铁而沉淀，氢氧化铁通过吸附而结合As。因此，As结合到颗粒，其必须以合适的间隔从那里除去。当沉淀Fe(III)化合物时，使用的颗粒相对快速地附聚并且必须频繁地调换。颗粒的制备需要功和能量。而且，如果被处理的地下水缺乏氧气，则该方法需要在处理之前将额外的氧气供给到反应器。总之，已知的方法是工作密集的、复杂的且昂贵的。

US5951869描述了一种反应器，其中水用铁来处理，而同时供给氧气。该处理在具有铁粒子作为铁源的流化床中进行。然而，流化床的使用是昂贵的且繁琐的计划。

以上提及的方法共有如下共同的特征，铁处理伴随充气而发生，或者要求在一开始时水具有合适含量的氧气。因此，存在***被沉淀的氧化的铁化合物阻塞的增加的危险。

US2009/0020482在用于除去污染物痕量物质的方法的研发中标志出重大的进步。在此，在充气之前将待处理的水与含铁材料接触以便增加水中的铁含量且因此改善氧化后污染物的共沉淀。

然而，如以上所提到的，在某些环境下，当大量水平的铁固有地存在于待处理的水中时，痕量物质的污染物在充气时不与铁共沉淀。已发现在这种情况下，或者通过在充气之前使原水与含铁材料接触，不能使所述污染物的共沉淀达到满意的程度。

因此，自然地推断出，富含铁以及确保充气的概念对于从已经富含铁并且充气时仍然显示出痕量物质的弱的共沉淀的原水中除去砷和其它不期望的痕量物质来说是不可行的。

鉴于以上方面，本发明的目的是提供用于由含有痕量物质的污染物的原水生产饮水的方法，其中实现了有效且高效地除去污染至满意水平，而且还在由富含铁的原水开始，在向水充气之后痕量物质的污染物没有从该富含铁的原水中充分地共沉淀的情况下。而且，该方法应该是负担得起的、简单的且环境友好的。

为了满足这一目的，根据本发明，提供了用于由含有痕量物质的污染物的原水生产饮水的方法，所述方法包括以下步骤：使铁化合物和任选的其它化合物与原水分离；使水与含铁材料在低于大气压的氧分压下接触以便使水富含Fe(II)化合物；在氧化条件下在充气机中通过处理富含铁的水来共沉淀痕量物质的至少一部分；以及通过分离沉淀物来回收饮用水。

发明人惊奇地发现，首先清除铁然后加入铁的反直观的程序对实现痕量物质的污染物的一贯的除去是非常有效的，不论待处理的原水的组成。

根据发明人的发现，提供了便宜的且简单的方法，所述方法仅仅需要少的能量消耗并且不需要除含铁材料以外的外来的化学物质，且其中所述材料的纯化能力被完全利用。

优选地，铁化合物和任选的其它化合物与原水的初始分离在砂滤器中发生。另外或可选地，其它过滤器类型的使用以及收集容器中的沉降可被考虑。

根据本发明的优选的实施方案，含铁材料是铁矿石或金属铁，包括铁粒子、细铁粉或细铁屑，或者呈现出扩展的表面积的任何其它天然的含铁材料。可以以简单的且可靠的方式以可接受的成本通过利用这些含铁材料将Fe(II)化合物加到水中。锉屑和细铁屑是以来自切割机的锻烧的废铁的形式作为便宜的废品可获得的。

优选地，通过将水泵送到含铁材料的床上使原水在密闭容器中与所述含铁材料接触。贯穿本文本，“密闭容器”被理解为设有开口的容器，该开口用于待处理的水的入口和出口，但是在进行根据本发明的方法的过程中基本上不设置另外的开口。通过利用密闭容器，促进了低于大气压的氧分压的遵守，以便使Fe(III)化合物的过早沉淀降到最低。在与含铁材料接触之后，水可通过合适的开口离开床的底部。

有利地，绿锈层保持在含铁材料的表面上。

优先地，在氧化条件下通过，任选地从安装在充气机上面的含铁材料的床，将富含Fe(II)的水引到充气机的顶部来处理水，所述充气机包括板或一个或多个具有孔或槽的管，用于在处理过程开始时通过使水流动通过孔或槽而形成滴，及布置在所述板或管下面用于通过与其接触而使滴分开的装置，其中用于使滴分开的装置包括具有网状管壁的管形式的多个管状元件，所述管状元件被设置在若干平行的管状元件的水平层中，其以这样的方式堆叠使得一层中的管状元件的纵轴关于一个或多个相邻层中的管状元件的纵轴成角度地移位；及使水通过重力穿过所述设备（apparatus）到其底部。

优选地，充气机被装配为使得一层中的管状元件的纵轴关于一个或多个相邻层中的管状元件的纵轴以大约90°的角度成角度地移位。以这种方式，在充气机中产生用于发生滴分开的良好的整体条件。

根据优选的实施方案，通过在充气机中处理水而形成的沉淀物通过在收集容器中的沉降而与饮水分离。其后，如果需要的话，可将水引到例如砂滤器的一个或多个过滤器用于进一步纯化。然而，可能相关的是在铁化合物的沉淀和分离之后将水一次或多次返回用于与含铁材料重新接触，使得痕量物质的含量可进一步降低。可选地，为了增强的充气，水可从充气机的底部返回至其顶部。此外，空气，任选地富含氧气的空气，可通过通气管中的被动流或主动流被引到含有管状元件的充气机的部分。以这种方式，在充气机中所达到的氧化的程度可被进一步调节。主动供给氧气到充气机可被用作使水从充气机的底部返回到顶部的替代方案。

在可选的实施方案中，通过使在氧化条件下处理的水直接滴到开放的砂滤器上而不经过在收集容器中的任何中间沉降使沉淀物与饮水分离，沉淀物沉积在砂滤器的上表面上或者靠近砂滤器的上表面沉积。通过保证彻底的充气，在某些情况下可实现不期望的化合物的完全满意的絮凝，导致絮状物的形成，其积聚在砂滤器的表面上而不浸润该砂滤器，使得其可被容易地除去。

优选地，共沉淀的痕量物质包括砷和/或杀虫剂和/或诸如腐殖土的非挥发性有机碳（NVOC）。然而，其它痕量物质诸如铬、汞、MTBE（甲基叔丁基醚）及一系列非杀虫剂氯化烃也可被共沉淀。

在下文中，将参照非限制性的图来说明本发明的优选的实施方案。

图1图示了用于实施根据本发明的方法的设备（plant）的实施方案。

现在参照该图，所图示的设备的主要特征通过以下数字来参照：1是用于使铁化合物和任选的其它化合物与原水分离的分离器单元，然后所述原水被泵送到设备的顶部至滴水盘（drip tray）2；3是布置在穿孔的塑料盘4中的细铁屑的床；5是充气机的充气室；6是收集容器；7是用于将水引到砂滤器8的泵；9是纯净的饮水的出口；10是用于将被处理的水从收集容器6泵送到设备的顶部以便重复处理的泵。

现在将给出根据本发明的方法的优选的实施方案的整体描述。

一定量的富含铁的原水被接纳于分离器单元1中。这一实施方案中的分离器单元由密闭的、快速的砂滤器构成，该砂滤器由粗砂组成并显示出高流速。其通过反洗定期地清洁。可选地，基于其运作的生物过程并且取决于被称为“去污层（Schmutzdecke）”的生物体的凝胶状层在最高为几毫米的过滤器的细砂层中的形成，砂滤器可以是慢类型的。在这种情况下，过滤器将通过刮掉过滤器的顶层以暴露新砂的新层而再生。

不希望受特殊理论的束缚，认为通过在分离器单元中的处理赋予整个过程的非常显著的效果是由于以下事实，水摆脱了不能结合痕量物质的污染物的不活泼状态的铁化合物。当与含铁材料接触时原水饱含这样的不活泼化合物时，否则将从含铁材料中释放并且与污染物痕量物质一起沉淀的二价铁材料的作用的发挥将受到抑制。

对包含在原水中的铁的临时的不活泼性的可能的解释可以是其与腐殖土或其它有机物质的缔合；而且，铁可能是粒子的形式，这些粒子被细菌硬壳隔离。

水从分离器单元1被泵送到滴水盘2，其由此均匀地分布遍及大约10cm厚的细铁屑的床3，所述床被布置在穿孔的塑料盘4中。确定细铁屑的床的尺寸，以便保证用于与所存在的砷、杀虫剂及其它有害的痕量物质的有效地结合和共沉淀的铁化合物的必要摄取。细铁屑是作为机械加工的废品可获得的，并且在其使用之前经过煅烧用于除去剩余切削油。

为了在细铁屑的表面上保持绿锈层，接触细铁屑时原水中的氧气浓度保持在接近于1mg/L的稳定的水平，同时还监测水的相应的pH并保持接近于6.5的值。

据推测，在目前情况下形成的绿层是结合碳酸根离子的种类的绿锈。当在水介质的存在下发生腐蚀时，铁从溶解开始，且然后与水介质反应以形成氢氧化亚铁Fe(OH)₂，其中铁是二价的（Fe^II）。然后，这个化合物被转变为称为“绿锈”的绿颜色的产物，其仅仅在极低水平的氧气下是稳定的。这些绿锈同时含有二价的(Fe^II)和三价的(Fe^III)铁。在碳酸根存在下形成的绿锈的组成是[Fe^II ₄Fe^III ₂(OH)₁₂]²⁺[CO₃2H₂O]^2-。

在地下水中，砷以亚砷酸根(H₂As^IIIO₃ ^-)和/或砷酸根(HAs^VO₄ ^2-)存在。砷酸根的离子吸附到绿锈层中的–OH₂ ⁺基团，而亚砷酸根的离子显然地在将其氧化成砷酸根之前不能够如此进行。然而，绿锈还含有碳酸根阴离子CO₃ ^2-并且有证据表明所述碳酸根离子可以与亚砷酸根进行交换，然后使其按绿锈层的Fe^III的含量催化地转化成砷酸根。这可解释当利用绿锈时所发现的砷的非常有效的除去。

铁氧化的无机化能营养的细菌锈铁嘉利翁氏菌（Gallionella feruginea）保留在细铁屑上也是有价值的。其被证明是在污染物痕量物质的除去中是非常有用的，因为其以水铁矿的形式沉淀Fe氧化物，所述水铁矿是呈现出几百平方米每克的大表面积的纳米多孔的含水的三价铁氢氧化物矿物。除其高表面积体积比以外，水铁矿还具有高密度的诸如悬空键和空缺的局部缺陷，这些均给予其吸附包括砷的环境上重要的化学物质的高能力。

此外，为了以上所描述的绿锈和铁氧化的细菌的作用，极其重要的是，在原水处理开始时使不期望的铁化合物与原水分离。漏水的原水管道以及来自富有黄铁矿的地层的含水层可引起原水中存在的铁的过早的生物氧化，导致在根据本发明利用的含铁材料上形成赭石色的、黏滑的层且因此阻止其作用。

而且，初始分离处理可在维持过量的CaCO₃中具有有益效果，否则在原水中的低含量的CO₂的情况下，其将作为钝化层沉积在含铁材料上。

盘4设有例如具有3-4mm的直径的多个孔。水最终作为滴到达用于处理水的充气室5的顶部。通过重力，所述滴落下并撞击到具有相互以90°布置的管状元件的许多交替的层上，使得滴被分为小滴。小滴的形成导致相对于滴的体积的显著较大的滴的表面积，使得可发生增强的氧气的富集。调整具有管状元件的层的堆叠高度以便当通过充气装置落下时初始滴分割至少50-60倍并且优选地60-80倍，在这种情况下保证了高至95%的满意的氧饱和度。可选地，水可在诸如溅洒器、滴型片（drip-type sheet）、阶式曝气器的常规的装置中充气或通过在空气或氧气中喷吹来充气。

水的充气的小滴被送往收集容器6，其中氧化的铁化合物与共沉淀的痕量物质的污染物一起沉降。必要时沉降的材料可通过轻微的冲洗（lightflushing）从收集容器中除去。水通过泵7供应到砂滤器8以产生铁和痕量物质的进一步的沉淀，且最后从出口9取出饮水。然而，在许多其它情况下，在收集容器中的分离将是完全足够的，使得可省掉最终的砂滤。

定期地监测最终饮水产品中的砷和其它痕量物质的浓度，并且当向规定的限度增加时，细铁屑的床3与其下面的塑料盘4和上覆的滴水盘2作为整体的密闭的单元一起被更换。因此，该方法可由未经任何专门训练的人来操作并且在发展中国家以及工业化国家中是可用的。

实施例

将用于操作根据本发明的方法的设备安装于供水***，该供水***接纳了显示出高含量的砷（>20μg/L）和高含量的铁（>1mg/L）的原水，该供水***不能共沉淀砷，即，呈现出非常难以使砷满意地被除去的条件。

当接触细铁屑时，水中的氧气含量保持在1mg/L以下。在细铁屑上形成并保持绿锈层。在所述层形成的过程中，对通过初始分离器单元以及细铁屑之后的水中的铁含量进行一系列分析。首先，看到铁明显下降至约0.4mg/L，然后，在两个月期间该水平再次升高至大于1mg/L的水平。然而，现在水中的铁是另一种类型的，其能够共沉淀砷。这由在砂滤器中沉积并过滤之后所测量的水中的砷含量反映出来；所述含量从大于20μg/L的初始水平下降到小于5μg/L的规定限度值的水平。

Claims (7)

1.一种由含有痕量物质的污染物的原水制备饮用水的方法，所述方法包括以下步骤：

i.使铁化合物和任选的其它化合物与所述原水分离；

ii.使所述水与含铁材料在低于大气压的氧分压下接触以便使水富含Fe(II)化合物；

iii.在氧化条件下在充气机中通过处理富含铁的水来共沉淀所述痕量物质的至少一部分；以及

iv.通过分离沉淀物来回收饮用水。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤i.）中的所述分离在砂滤器中进行。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述含铁材料是铁矿石或金属铁，包括铁粒子、细铁粉或细铁屑，或者呈现出扩展的表面积的任何其它天然的含铁材料。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤ii.）中所述接触通过将所述水泵送到密闭容器中泵送到所述含铁材料的床来进行。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤iii.）中在氧化条件下在充气机中的所述处理通过，任选地从被封装在安装在所述充气机上面的容器中的含铁材料，将富含Fe(II)的水引到充气机的顶部来实现，所述充气机包括板或一个或多个具有孔或槽的管，用于在处理过程开始时通过使所述水流动通过所述孔或槽而形成滴，及用于通过与其接触而使所述滴分开的装置，所述装置布置在所述板或管的下面，其中用于使所述滴分开的所述装置包括具有网状管壁的管形式的多个管状元件，所述管状元件被设置在若干平行的管状元件的水平层中，其以这样的方式堆叠使得一层中的所述管状元件的纵轴关于一个或多个相邻层中的所述管状元件的纵轴成角度地移位；及使所述水通过重力穿过所述充气机到其底部。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤iv.）中通过在收集容器中沉降使所述沉淀物与饮水分离，任选地之后通过在砂滤器中处理所述水而进一步分离。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述共沉淀的痕量物质包括砷和/或杀虫剂和/或非挥发性有机碳（NVOC）。

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