一种低消毒副产物生成的自来水厂清水池

1.本实用新型属于水处理技术领域，涉及一种低消毒副产物生成的自来水厂清水池。


背景技术：

2.紫外消毒因其良好的杀菌灭活性能，特别是针对耐氯微生物(如贾第虫和隐孢子虫等)，且不产生高毒性消毒副产物等优点，越来越多地被应用于自来水厂消毒处理。当前常用的紫外光源为低压和中压紫外汞灯，受灯管外形和安装等限制，目前水厂通常将紫外消毒反应器置于氯(胺)消毒之前，即采用先紫外后氯(胺)顺序消毒。近年来，随着半导体发光二极管(led)行业的迅速发展，紫外led(uv
‑
led)作为一种新型紫外光源，开始在消毒领域得到快速推广和应用。与传统低压和中压汞灯相比，uv
‑
led具有如下明显优势：1)uv
‑
led可在生产时调整半导体材料成分比例，制成任意特定单波长灯珠，而传统紫外汞灯波长固定不可调；2)uv
‑
led可实现连续/脉冲不同发光模式，且无需预热，即开即用；3)uv
‑
led不含汞等重金属污染元素，安全环保；4)uv
‑
led灯珠体积很小，通常小于1cm2，应用安装更加多样。鉴于uv
‑
led以上优点，其有望在自来水厂得到更加灵活的应用。
3.自来水厂清水池是供水流程的重要单元，其兼具调节水量和消毒剂接触反应的重要作用。作为消毒剂接触反应的主要单元，自来水厂清水池水力停留时间通常在半小时以上，因此其容积往往较大。考虑到清水池中含有较高浓度氯消毒剂，若能将紫外辐照应用于清水池中，则可激发其中的自由氯产生强氧化性羟基自由基等活性物质，原位形成紫外/氯高级氧化反应，不仅可强化消毒效能，而且有望削减部分高致毒性消毒副产物生成。然而，传统紫外汞灯为玻璃灯管，体积较大难以安装，且其中含有高毒性的重金属汞，安全性也难以保障。
4.如中国专利cn109293098a公开了一种采用uv
‑
led光源控制饮用水中消毒副产物生成的方法，其具体为：(1)在自然饮用水中加入硫酸或氢氧化钠，调节饮用水的ph为弱碱性，然后加入自由氯，搅拌均匀得到混合溶液；(2)将混合溶液置于波长为270～280nm的uv
‑
led灯光下照射，直至处理完成。该专利虽然公开了采用270
‑
280nm的uv
‑
led与自由氯联用控制消毒副产物，但是，其并未具体考虑在如工程中的实际应用改进等，使得难以直接用于自来水厂清水池等实际工程中。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是为了提供一种低消毒副产物生成的自来水厂清水池，进一步强化消毒剂在清水池中的消毒效能，并最大限度削减控制出水中的消毒副产物浓度，提升出厂水水质安全。
6.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本实用新型的技术方案之一提供了一种低消毒副产物生成的自来水厂清水池，其特征在于，包括清水池体，以及沿其进水流动方向布置的若干上下交错的导流挡板，在导流
挡板上还设有uv
‑
led光源。
8.进一步的，所述uv
‑
led光源的波长为270
‑
280nm。
9.进一步的，所述uv
‑
led光源的波长为275nm。
10.进一步的，所述导流挡板设有至少8块。
11.更进一步的，沿清水池体进水流动方向，所述uv
‑
led光源布置在除第一块、第二块导流挡板以外的其余导流挡板上。
12.进一步的，所述uv
‑
led光源布置在导流挡板上迎向水流的一侧。
13.进一步的，所述导流挡板设有8块。
14.进一步的，所述uv
‑
led光源所处区域的流速为0.05
‑
0.1m/s。
15.进一步的，所述uv
‑
led光源外表面还加装有一层隔水层。更进一步的，所述隔水层为石英层。
16.本实用新型的技术方案之二提供了一种提高自来水清水池消毒处理效果的方法，将特定波长的uv
‑
led光源布置在添加有氯消毒剂的自来水清水池中，即完成。
17.进一步的，所述uv
‑
led光源的波长为270
‑
280nm，此优选波长具有更好的总菌落数灭活效能和更低的氯消毒剂消耗量。
18.进一步的，所述uv
‑
led光源的波长为275nm。
19.进一步的，所述自来水清水池中沿其进水流动方向还布置有若干上下交错的导流挡板。
20.更进一步的，所述导流挡板设有至少8块。
21.更进一步的，所述uv
‑
led光源布置在导流挡板上。优选的，所述uv
‑
led光源布置在导流挡板上迎向水流的一侧。
22.更进一步的，所述uv
‑
led光源布置在处于流速为0.05
‑
0.1m/s区域的导流挡板上，可保证在该水力条件下，uv
‑
led/氯相互作用，出水中消毒副产物生成量降低。
23.进一步的，所述uv
‑
led光源外表面还加装有一层将其与水隔开的石英材质隔水层。
24.进一步的，所述自来水清水池的水力停留时间在1h以上。
25.本实用新型以特定波长的uv
‑
led为光源，布设于自来水厂清水池内壁，可在保障微生物高效灭活的同时，大幅削减出厂水中消毒副产物生成量，同时最大限度降低水中次氯酸钠消耗，简单可行，具有很好的工程应用价值。
26.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
27.1)不额外增加大型设备或水处理构筑物，充分利用清水池内部空间，将外形极小的uv
‑
led直接安装与清水池内壁，改造工程量小，成本低，易实现。
28.2)充分利用清水池中高浓度氯消毒剂，原位形成高级氧化反应，削减部分高毒性消毒副产物生成，同时也可对水中其他难降解微污染物起到强化去除作用。
附图说明
29.图1为结合有紫外led的自来水清水池的结构示意图。
30.图2为清水池中水力学状态示意图。
31.图3为不同波长紫外对滤后水中总菌落数的灭活效果对比。
32.图4为不同波长uv
‑
led对清水池中氯消毒剂的消耗对比。
33.图5为不同水力流速下消毒副产物的生成对比。
34.图6为设计不同有导流挡板数量的清水池水力学状态示意图。
35.图7为不同水力停留时间下消毒副产物的生成对比。
36.图中标记说明：
37.1为清水池体，2为导流挡板，3为uv
‑
led光源，4为隔水层，5为进水口，6为出水口。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
39.实施例1：
40.如图1所示为uv
‑
led在清水池体1中安装后所形成的处理装置示意图，包括清水池体1，沿清水池体1的进水流动方向布置的若干上下交错的导流挡板2(优选设置成4块以上)，并使得清水池体1内形成呈s型弯曲的波浪形流道，然后，在导流挡板2上布置有uv
‑
led光源3，优选布置在迎着导流挡板2上迎着水流的一侧，同时，为提高处理效果，减少出水中消毒副产物的生成量，uv
‑
led光源3布置在位于0.05
‑
0.1m/s流速区域的导流挡板2上，清水池体1的进水口5设置在下部，出水口6设置在上部。清水池体1的总水力停留时间在1小时以上。
41.清水池体1中水力学状态采用cfd技术进行流速模拟，清水池体1内部设计如图2所示，沿进水方向第一和第二廊道内水流状态较为复杂，缺少足够的稳定流速区域，因此本发明规定将uv
‑
led光源设置于第三及后续水流较为稳定的廊道内。而将内部导流挡板2数量设定在8个及以上，才能形成后续水流速度在0.05
‑
0.1m/s且较为稳定的廊道。
42.图1和图2案例所示的清水池体1长76m，宽35.1m，池深4m，池内设8块导流挡板2，将池体分为9个廊道，第一个进水廊道宽12m，其余廊道宽8m，导流挡板2厚度相对池体长度很小，此处忽略不计。进出水管管径1000mm，进水口5流速1.2m/s。清水池体1总水力停留时间为3.15小时。uv
‑
led波长为275nm，布设在第3至第8廊道右侧导流挡板2壁上，所处区域水力流速为0.05
‑
0.1m/s。uv
‑
led灯珠(即uv
‑
led光源3)外侧设置石英材质的隔水层4，确保电路不浸水。灯珠数量可根据实际工程需要合理配置。
43.实施例2：
44.采用如实施例1的处理装置，以某自来水厂砂滤池出水为研究对象，基本水质参数为：ph＝7.6，浊度＝0.389，溶解性有机碳(doc)＝1.8mg/l，总氮(tn)＝1.3mg/l，uv
254
＝0.03cm
‑1，总菌落数＝3.98
×
103cfu/ml。采用不同波长紫外灯进行照射，波长分别为254nm(低压汞灯)、265nm(uv
‑
led)和275nm(uv
‑
led)，紫外剂量均控制为3mj/cm2。
45.由图3结果可知，265和275nm的uv
‑
led灯对滤后水中总菌落的灭活效果为1.4log，而254nm低压汞灯的灭活效果为1.1log，即265和275nm的uv
‑
led新型光源的杀菌效果要优于传统254nm低压紫外汞灯，证明本实用新型所选用光源具有合理性。
46.实施例3：
47.采用如实施例1的处理装置，以某自来水厂砂滤池出水为研究对象，基本水质参数
同实施例2。向该水样中投加1mg/l(以cl2计)的次氯酸钠消毒剂，控制水力流速为0.06m/s(等效g值为2.1s
‑1)，采用265和275nm两种不同波长uv
‑
led对其进行紫外辐照，控制紫外光照强度为135μw/cm2，在0、15、30、60和120min反应时间处取样分析余氯浓度，计算氯耗量，结果如图4所示。
48.由实施例2可知265和275nmuv
‑
led对滤后水中总菌落数灭活效果相似，均为1.4log，但从图4所示氯耗量来看，275nm的uv
‑
led氯耗量更小，且在停留时间为1小时以上时，优势更为明显。
49.本实用新型中将uv
‑
led用于清水池中，一方面是为了提升杀菌消毒效果，另一方面是削减部分高毒性消毒副产物，但同时也要尽可能保证投加的次氯酸钠消毒剂不被过多的光解消耗。因此本实用新型建议选用波长为270
‑
280nm的uv
‑
led，在降低氯耗方面具有明显优势。
50.实施例4：
51.采用如实施例1的处理装置，以某自来水厂砂滤池出水为研究对象，基本水质参数同实施例2。向该水样中投加1mg/l(以cl2计)的次氯酸钠消毒剂，控制水力流速为0、0.06和0.40m/s(等效g值分别为0、2.1和16.4s
‑1)，采用275nm波长uv
‑
led对其进行紫外辐照，控制紫外光照强度为135μw/cm2，控制反应时间为30min，对反应后水中常规的三卤甲烷类(thms)和新兴高致毒性含氮消毒副产物(n
‑
dbps)进行浓度测定，结果如图5所示。
52.如图5可知，共有四种thms被检出，包括三氯甲烷(tcm)、二氯一溴甲烷(bdcm)、一氯二溴甲烷(dbcm)和三溴甲烷(tbm)；共有四种n
‑
dbps被检出，包括三氯硝基甲烷(tcnm)、二氯乙腈(dcan)、溴氯乙腈(bcan)和二溴乙腈(dban)。从消毒副产物总量来看，当流速高于0.06m/s时，在含有氯消毒剂的清水池中应用275nm波长uv
‑
led进行照射(即uv
‑
led/氯组合)，比单独氯消毒出水中的消毒副产物总量更低，且流速越快浓度越低。但考虑到清水池的设计标准，流速过大，在保障停留时间的基础上则池体过大，不够经济实用，且实际清水池中往往很难出现大片高流速区域。
53.综合考虑，本实用新型建议将270
‑
280nm的uv
‑
led布设于0.05
‑
0.1m/s流速区域，即可取得良好的消毒副产物削减效果。
54.兼具消毒功能的清水池，为保障消毒接触时间，通常需在清水池内部设置导流挡板从而形成多个廊道，但导流挡板的数量设计将影响本发明中与uv
‑
led的联用效果。如图6所示为其他尺寸数据相同仅导流挡板数量不同的三种清水池设计方案，其中图6(a)为实施例1
‑
3中所用方案，其导流挡板数为8，图6(b)中导流挡板数为6，图6(c)中导流挡板数为18。对比可知，三种方案中，只有图6(a)和(c)中出现大片流速稳定在0.05
‑
0.1m/s区域，适合uv
‑
led布设，而图6(b)因为导流挡板数不足，导致廊道内流速普遍低于0.02m/s，根据图5结果可知，将uv
‑
led布设于流速低于0.02m/s区域消毒副产物生成风险较高，因此清水池内导流挡板设置应不少于8块。
55.实施例5：
56.采用如实施例1的处理装置，以某自来水厂砂滤池出水为研究对象，基本水质参数同实施例2。向该水样中投加1mg/l(以cl2计)的次氯酸钠消毒剂，控制水力流速为0.06m/s(等效g值为2.1s
‑1)，采用275nm波长uv
‑
led对其进行紫外辐照，控制紫外光照强度为135μw/cm2，控制反应时间为0.5、1和2h，对反应后水中常规的三卤甲烷类(thms)和新兴高致毒性
含氮消毒副产物(n
‑
dbps)进行浓度测定，结果如图7所示。
57.由图7结果可知，延长水力停留时间，即增加水力停留时间，uv
‑
led/氯组合应用可进一步降低thms和n
‑
dbps生成量，特别是毒性更强的n
‑
dbps在停留时间延长至1h以上时，生成量接近0μg/l；而对于单独氯消毒而言，延长水力停留时间，thms总量有略微下降趋势，但毒性更强的n
‑
dbps却呈现明显上升。
58.因此，本实用新型建议采用270
‑
280nm的uv
‑
led应用于含氯消毒剂清水池中时，总水力停留时间需控制在1h以上可达到较好的消毒副产物削减效果。
59.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。