CN112777677A - 一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，包括以下步骤：向含有嗅味物质的水中加入消毒剂溶液，然后进行紫外光辐照，经过一段时间反应后取样分析得到水中嗅味物质的降解效果。嗅味物质为2‑甲基异莰醇或土臭素，消毒剂为氯胺溶液，紫外光照的辐照强度为1.42～4.26×10‑6Einstein·L‑1·S‑1。本发明的方法操作简单，效果显著，使用安全，环境友好。在常温条件下短时间内可达到较好的降解效果，在中性、酸性或碱性条件下均有良好的降解作用。该技术无需额外增加其他设备和药剂，操作简单，可以实现对水中嗅味物质的高效降解，同时可以发挥紫外和氯胺联合消毒的协同性。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术应用领域，更具体地说涉及一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法。
背景技术
目前，饮用水嗅味问题是全世界研究者普遍关注的热点问题。2-甲基异莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)是由特定的微生物产生的次生代谢产物，是饮用水水源中最为常见的致土霉味物质。当它们的含量在10ng/L以上时就会产生令人不悦的异味，影响水的感官指标和可饮性，引起消费者对饮用水安全性的担忧和顾虑。因此，去除这两种典型的致嗅物质对提高饮用水水质具有重要意义。
国内外学者进行了大量关于饮用水中2-MIB和GSM去除技术研究，其中主要有以下几种方法：常规处理工艺(混凝、沉淀、过滤)、吸附法、化学氧化法及生物处理等方法。
一般情况下，混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺对2-MIB和GSM的去除效果比较差；粉末活性炭(PAC)吸附是目前去除水中2-MIB和GSM最常用的方法，但自然水体中存在的天然有机物大大降低了活性炭对2-MIB和GSM的吸附能力，为达到预期目标需要投加大量的PAC，大大增加了供水企业的处理成本；氯、二氧化氯、高锰酸钾等常见氧化剂对2-MIB和GSM几乎不产生去除作用，还可能会杀死藻细胞，使藻细胞内部的2-MIB和GSM释放到水中，进而导致更严重的嗅味；生物处理法与其它方法相比，具有成本低，不需添加化学物质，不产生新污染等优点，但在技术实际应用上尚待进一步研究。
为解决饮用水中2-MIB和GSM的嗅味问题，高级氧化工艺成为研究的热点，因为此工艺产生的高活性的自由基可以高效降解饮用水中的嗅味物质。例如UV/H2O2，UV/TiO2，O3/H2O2等。然而，这些独立的高级氧化工艺需要新建单独的水处理构筑物并需要持续添加额外药剂，这增加了供水企业的运行负担，使高级氧化工艺的推广应用受到限制。针对独立的高级氧化工艺这一缺点，优化耦合饮用水厂现有工艺使之成为高级氧化体系，成为饮用水处理工艺发展的新趋势之一。
目前主要的供水企业和新建饮用水厂采用氯胺或紫外线作为主要消毒方式。然而，氯胺的氧化能力较弱，与2-MIB和GSM的反应活性较低，难以去除饮用水中2-MIB和GSM；紫外消毒过程中，紫外线照射的强度也难以降解水中的2-MIB和GSM。虽然有研究表明真空紫外可以降解2-MIB和GSM，但由于水分子对真空紫外具有较强吸收作用，因此真空紫外在水层中穿透厚度有限，大量的活性物种在比较有限的空间内生成，自复合猝灭的比例较大，影响了真空紫外的效率并限制了真空紫外在实际生产中的应用。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，无需添加额外的设备和药剂，操作简单，同时可以发挥紫外和氯胺联合消毒的协同性，可以实现对水中嗅味物质的高效降解。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，包括以下步骤：
第一步，在紫外灯照射的条件下向含有嗅味物质的水中加入消毒剂溶液；
第二步，持续紫外灯照射直至嗅味物质降解至饮用水水质标准规定的限值以下。
优先地，所述氯胺溶液由次氯酸钠和硫酸铵或次氯酸钠和氯化铵配制而成。
由上述任一方案优选地是，所述消毒剂为氯胺溶液，所述氯胺溶液的浓度为0.014×10-3mol/L～0.07×10-3mol/L。
由上述任一方案优选地是，所述氯胺溶液的浓度为0.025×10-3mol/L。
由上述任一方案优选地是，所述紫外光照的辐照强度为1.42～4.26×10- 6Einstein·L-1·S-1,所述反应的时间为0.5～15min。
由上述任一方案优选地是，所述紫外光照的辐照强度为1.42×10-6Einstein·L-1·S-1，所述反应的时间为5min。
由上述任一方案优选地是，该方法反应pH值为5～9。
一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法的应用，该方法应用于降解水中2-甲基异莰醇和/或土臭素。
优先地，所述2-甲基异莰醇和/或所述土臭素的浓度为10～150ng/L。
本发明的有益效果为：
耦合紫外消毒与氯胺消毒(即氯胺消毒后的水通过紫外设备)，则不仅可以达到消毒的目的，水中的氯胺还可以被紫外线激活生成自由基，形成高级氧化体系(即紫外/氯胺(UV/NH2Cl)高级氧化体系)，进而实现对2-MIB和GSM的高效去除。
本发明的方法相比其他高级氧化法，具有操作简单，适用pH范围广等优点，在降解水中嗅味物质的同时，还可以降解其他有机物。
本发明的方法在水中照射紫外光，激发氯胺溶液产生高活性的自由基，这些自由基不仅短时间内就可以高效降解水中的嗅味物质，而且还可以提高杀菌和消毒效果。
本发明的方法在常温条件下反应，且不需要投加其他活化剂的情况下即可高效降解水中的嗅味物质。
本发明的方法中次氯酸钠、硫酸铵及氯化铵溶液都为水厂日常消毒所使用的溶液，无需额外购买药剂，易于储存和运输，使用方便；紫外光照射操作简单，易于在实际应用中推广和运用。
在紫外光的照射下，将消毒剂溶液投入到待降解水体中，在常温条件下短时间内可达到较好的降解效果，在中性、酸性或碱性条件下均有良好的降解作用。
本发明的方法环境友好，操作简单，无需额外增加其他设备和药剂，可以实现对水中嗅味物质的高效降解，使用时，可以在水厂常规工艺前、也可以在水厂常规工艺后利用该除嗅味方法对水体进行除嗅，这样既保证了嗅味物质的有效去除，同时也发挥了紫外和氯胺联合消毒的协同性，整体操作简便。
附图说明
图1是本发明实施例用内标法制作的用来测量2-MIB的标准曲线，其内标物质为2-异丁基-3-甲氧基呲嗪(IBMP)；
图2是本发明实施例用内标法制作的用来测量GSM的标准曲线，其内标物质为2-异丁基-3-甲氧基呲嗪(IBMP)；
图3是本发明实施例的采用紫外光和消毒剂联用降解纯水中嗅味物质的效果示意图；
图4是不同UV辐照下，UV/NH2Cl对2-MIB的降解情况；
图5是不同UV辐照下，UV/NH2Cl对GSM的降解情况；
图6不同氯氨浓度下，UV/NH2Cl对2-MIB的降解情况；
图7不同氯胺浓度下，UV/NH2Cl对GSM的降解情况；
图8不同pH值条件下，UV/NH2Cl对2-MIB的降解情况；
图9不同pH值条件下，UV/NH2Cl对GSM的降解情况。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
1、一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，包括以下步骤：
第一步，在紫外灯照射的条件下向含有嗅味物质的水中加入消毒剂溶液；
第二步，持续紫外灯照射直至嗅味物质降解至我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定的限值以下。
该方法反应pH值为5～9，采用磷酸缓冲溶液调节。
所述消毒剂为氯胺溶液，所述氯胺溶液的浓度为0.014×10-3mol/L～0.07×10- 3mol/L；优选地，所述氯胺溶液的浓度为0.025×10-3mol/L，所述氯胺溶液由次氯酸钠和硫酸铵或次氯酸钠和氯化铵配制而成。
所述紫外光照的辐照强度为1.42～4.26×10-6Einstein·L-1·S-1，所述反应的时间为0.5～15min；优选地，所述紫外光照的辐照强度为1.42×10-6Einstein·L-1·S-1，所述反应的时间为5min。
2、紫外与氯胺溶液联用降解纯水中的嗅味物质方案的验证实验
以下表格中的平均降解效果为三次平行试验的平均结果。
(1)取4个装有2.50g NaCl的20mL CTC专用样品瓶，用超纯水分别配制质量浓度为10，50，100，和200ng/L的嗅味物质的标准溶液10ml，然后加入20μl浓度为10mg/L的内标物(2-异丁基-3-甲氧基呲嗪(IBMP))，用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用仪(GC-MS：GasChromatography-Mass Spectrometer)测量，以目标物与内标物峰面积的比值为横坐标、目标物的浓度为纵坐标，绘制标准工作曲线，如图1和图2所示。
图1为本发明实施例用内标法制作的用来测量2-MIB的标准曲线，横坐标为A2-MIB/AIBMP，表示的是该物质在GC-MS测量的峰面积的比值，其纵坐标为C2-MIB，表示的是配制的2-MIB的浓度，其测得的数据趋势线的拟合方程是y＝7.2903x+1.4483，其中线性系数为R2＝0.9995，可以满足测量需要。
图2为本发明实施例用内标法制作的用来测量GSM的标准曲线，横坐标为AGSM/AIBMP，其纵坐标为C2-MIB，其测得的数据趋势线的拟合方程是y＝51.747x-0.6113，其中线性系数为R2＝0.9995，可以满足测量需要。
(2)用纯水配置氯胺浓度为0.07mM、嗅味物质浓度为100～150ng/L的500ml混合溶液，用PBS缓冲溶液调整溶液pH为7，将配好的嗅味物质溶液加入到装有紫外灯管的反应器中，紫外灯光照射为4.26×10-6Einstein·L-1·S-1，分别在时间为0.5、1、1.5、2、3、5min时，取10ml样品加入已经装有2.5g NaCl的CTC专用样品瓶中，再加入100μl浓度为0.1M的硫代硫酸钠作为淬灭剂，以及20μl浓度为10mg/L的IBMP。
(3)将取好样的样品瓶，在GC-MS上用内标法分别测量出IBMP和2-MIB的不同时间的浓度，其反应时间内嗅味物质降解效果如表1所示。
其降解效果随时间变化如图3所示，图3为本发明实施例的采用紫外与消毒剂联用降解水中2-MIB的效果示意图。对GSM降解的实验方法同上。
图3中C表示剩余浓度(ng/L)，C0表示初始浓度(ng/L)，其纵坐标为剩余浓度与初始浓度的比值，以此来反应降解效果。
表1反应时间内嗅味物质降解效果
| 时间(min) | 2-MIB平均降解效果 | GSM平均降解效果 |
| 0 | 0 | 0 |
| 0.5 | 26.45％ | 36.94％ |
| 1 | 38.91％ | 51.26％ |
| 1.5 | 53.14％ | 61.80％ |
| 2 | 61.57％ | 71.80％ |
| 3 | 71.41％ | 81.35％ |
| 5 | 80.00％ | 85.59％ |
综上，紫外与消毒剂(氯胺溶液)联用可降解纯水中的嗅味物质，且UV/NH2Cl高级氧化体系反应原理如下：
NH2Cl+hv→·NH2+·Cl
HOCl/OCl-+hv→·OH+·Cl
·Cl+OH-/H2O→ClOH·-→Cl-+·OH
紫外与氯胺联用可以利用其产生高活性的自由基(·Cl、·OH、·NH2等)高效降解水中难降解的2-MIB和GSM，可以降低水中的嗅味，其降解率高达80％以上，可以有效净化水质。
3、紫外与氯胺溶液联用降解纯水中的嗅味物质，UV辐照条件的确定
用纯水分别配置NH2Cl溶液浓度为0.07mM，嗅味物质浓度为60～80ng/L的500ml混合溶液，用PBS缓冲溶液调整溶液pH为7，将配好的嗅味物质溶液加入到装有紫外灯管的反应器中，紫外辐射强度分别为1.42×10-6、2.84×10-6、4.26×10-6Einstein·L-1·S-1，分别在时间为0、1、3、5、8、10min时，取10ml样品加入已经装有2.50gNaCl的CTC专用样品瓶中，再加入100μl浓度为0.1M的硫代硫酸钠作为淬灭剂，以及20μl浓度为10mg/L的IBMP。其反应时间内嗅味物质降解效果如图4和图5所示。
不同UV辐照下，UV/NH2Cl高级氧化工艺对2-MIB和GSM都有很好的去除，随着辐照强度的增加，2-MIB和GSM去除率都呈现升高的趋势，三种不同紫外辐照条件下，反应10min后，2-MIB和GSM去除率分别为77.7％和86.8％、83.6％和90.4％、87.0％和97.8％。1.42×10-6Einstein·L-1·S-1条件下，2-MIB和GSM有较高的去除率，从节能角度考虑，优选低量程的光强。
4、紫外与氯胺溶液联用降解纯水中的嗅味物质，氯胺浓度条件的确定
用纯水分别配置氯胺浓度为0.007mM、0.014mM、0.025mM、0.05mM、0.07mM、0.1mM，嗅味物质浓度为60～80ng/L的500ml混合溶液，为了最大限度节能，采用紫外灯光辐照强度为1.42×10-6Einstein·L-1·S-1，进行嗅味物质降解实验，其他实验方法与UV辐射条件的确定实验相同。其反应时间内嗅味物质降解效果如图6和图7所示。
从节能角度考虑，选择较低的UV辐照强度(1.42×10-6Einstein·L-1·S-1)，进行嗅味物质降解实验。
在氯胺浓度小于0.014mM时，持续反应10min后2-MIB和GSM的去除率依然较低，出水不能满足饮用水规定的标准，故小于0.014mM的氯胺浓度不适合在实际生产中应用；氯胺浓度大于0.07mM时，持续反应10min后2-MIB和GSM的去除率较0.07mM时要低，说明增加氯胺浓度并没有提高2-MIB和GSM的去除率，且在实际生产中氯胺浓度投量过高会产生大量消毒副产物并造成不必要的浪费，故大于0.07mM的氯胺浓度也不适合在实际生产中应用。
在0.014×10-3mol/L-0.07×10-3mol/L之间的不同氯胺浓度下，UV/NH2Cl高级氧化工艺对2-MIB和GSM都有很好的去除，0.025mM NH2Cl条件下，UV/NH2Cl对2-MIB和GSM去除效果最优，反应10min后2-MIB和GSM的去除率分别达到92.2％和92.8％，几乎将2-MIB和GSM全部去除，故选择0.025mM为NH2Cl的最优浓度。
在水厂实际运行中，水厂进水2-MIB和GSM的浓度一般不会超过30ng/L，因此去除率达到70％以上时，出水2-MIB和GSM可以满足我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的标准限值。0.025mM NH2Cl条件下，反应5min后，UV/NH2Cl对2-MIB和GSM的去除率分别达到74.0％和83.9％，且此时水中还剩余一定浓度的NH2Cl，可以满足后续消毒工艺的需要。故选择0.025mM为NH2Cl的最优浓度，5min为最优反应时间，即出水浓度达到我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的标准限值，且此时紫外照射时长较短，提高了经济效益。
5、紫外与氯胺溶液联用降解纯水中的嗅味物质，pH值条件的确定
用纯水配置氯胺浓度为0.025mM，嗅味物质浓度为60～80ng/L的三组500ml混合溶液，用磷酸缓冲溶液调节pH分别为5、7、9，进行嗅味物质降解实验，其他实验方法与氯胺浓度条件的确定实验相同。其反应时间内嗅味物质降解效果如图8和图9所示。
pH＝5条件下，UV/NH2Cl高级氧化工艺对2-MIB和GSM的去除最好，而pH＝7和9的条件下，UV/NH2Cl高级氧化工艺对2-MIB和GSM也有很高的去除，因此，不同pH范围下，UV/NH2Cl高级氧化工艺对2-MIB和GSM均有很好的去除。
实施例1
根据上述纯水实验确定的最优实验条件，在紫外辐射强度为1.42×10- 6Einstein·L-1·S-1、氯胺浓度为0.025mM、pH为7的条件下，进行UV/NH2Cl高级氧化工艺对实际水源中嗅味物质去除实验。用长江水水源配置嗅味物质浓度为100～150ng/L的500ml混合溶液，将配好的嗅味物质溶液加入到装有紫外灯管的反应器中，分别在时间为0、1、2、5、10、15min时，取10ml样品加入已经装有2.50gNaCl的CTC专用样品瓶中，再加入100μl浓度为0.1M的硫代硫酸钠作为淬灭剂，以及20μl浓度为10mg/L的IBMP，进行嗅味物质的降解实验，其反应时间内嗅味物质降解效果如表2所示。
表2反应时间内长江水中嗅味物质降解效果
| 时间(min) | 2-MIB平均降解效果 | GSM平均降解效果 |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 19.81％ | 24.07％ |
| 2 | 30.76％ | 38.09％ |
| 5 | 51.30％ | 61.17％ |
| 10 | 61.63％ | 71.89％ |
| 15 | 66.84％ | 76.75％ |
本实施例是紫外与消毒剂(氯胺溶液)联用降解长江水中的嗅味物质，紫外与氯胺联用可以有效降解长江水中难降解的2-MIB和GSM，紫外/氯胺耦合工艺可以作为实际水源中嗅味物质去除的预处理工艺，但实际水源长江水中存在的天然有机物会降低UV/NH2Cl高级氧化工艺对嗅味物质的去除效果。
实施例2
在紫外辐射强度为1.42×10-6Einstein·L-1·S-1、氯胺浓度为0.025mM、pH为7的条件下，用经混凝+沉淀+过滤中试装置处理后的滦河水(滦河水中存在2-MIB)配置嗅味物质浓度为100～150ng/L的500ml混合溶液，其他实验方法与实施例1相同，进行滦河水中嗅味物质的降解实验，其反应时间内嗅味物质降解效果如表3所示。
表3反应时间内滦河水嗅味物质降解效果
| 时间(min) | 2-MIB平均降解效果 |
| 0 | 0 |
| 1 | 9.56％ |
| 2 | 16.44％ |
| 5 | 44.36％ |
| 10 | 71.32％ |
| 15 | 81.64％ |
本实施例是紫外与消毒剂(氯胺溶液)联用降解经混凝+沉淀+过滤中试装置处理后的滦河水出水，紫外与氯胺联用可以有效降解经混凝+沉淀+过滤中试装置处理后的滦河水出水中难降解的2-MIB，可以看出滦河水经水厂常规工艺处理后，深度处理采用紫外/氯胺耦合工艺，对滦河水中的嗅味物质有很好的去除，因此UV/NH2Cl高级氧化工艺可以作为水厂深度处理工艺进一步净化实际水体的水质，具有一定的应用前景。
以上对本发明的两个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，在紫外灯照射的条件下向含有嗅味物质的水中加入消毒剂溶液；
第二步，持续紫外灯照射直至嗅味物质降解至我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定的限值以下。
2.根据权利要求1所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，其特征在于：所述氯胺溶液由次氯酸钠和硫酸铵或次氯酸钠和氯化铵配制而成。
3.根据权利要求2所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，其特征在于：所述消毒剂为氯胺溶液，所述氯胺溶液的浓度为0.014×10-3mol/L～0.07×10-3mol/L。
4.根据权利要求3所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，其特征在于：所述氯胺溶液的浓度为0.025×10-3mol/L。
5.根据权利要求1所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，其特征在于：所述紫外光照的辐照强度为1.42～4.26×10-6Einstein·L-1·S-1，所述反应的时间为0.5～15min。
6.根据权利要求5所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，其特征在于：所述紫外光照的辐照强度为1.42×10-6Einstein·L-1·S-1，所述反应的时间为5min。
7.根据权利要求1所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法，其特征在于：该方法反应pH值为5～9。
8.一种如权利要求1-7任一所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法的应用，其特征在于：该方法应用于降解水中2-甲基异莰醇和/或土臭素。
9.据权利要求8所述的基于消毒技术降解水中嗅味物质的方法的应用，其特征在于：所述2-甲基异莰醇和/或所述土臭素的浓度为10～150ng/L。
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2020
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