用于处理饮用水的方法和装置与流程

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  1.本公开总体上涉及用于处理饮用水的方法和装置，并且具体地，涉及在入水点和用水点将质量低于标准的预处理饮用水处理成可接受的质量。

  2.离开水处理设备的水可能具有低于标准的质量，或者水在配水网络中的下游可能受到污染。尽管如此，这种水在本文中被称为“预处理”水，通常含有一些游离氯。发达国家的市政饮用水通常以符合饮用水品质衡量准则的家用水平供应。在大多数其他几个国家，室内水龙头的水并不总是适合饮用。这可能是由于水的物理特性及矿物质、有机物和病原体的污染。因此，为进行家用水平的消毒，通常将水煮沸。将水煮沸消耗大量的能量。此外，一些病原体的破坏需要比通常煮沸更长的时间，并且增加了重金属污染和毒性。在煮沸过程中，溶解的氧被水蒸气替代，水蒸气使金属还原成毒性更强的形式。因此，水变得更具腐蚀性并且溶解水煮沸设备中的金属，从而提供了另一个潜在污染源。例如，如果水中存在砷，砷将从as(v)还原为剧毒as(iii)。

  3.为了去除其他污染物，能够最终靠各种类型的过滤器(例如污染物吸收材料和膜过滤单元)过滤水。煮沸消毒可以用反渗透分离病原体和紫外线照射消毒来替代。发达国家的本质不同之处在于，水处理设备和消费的人家庭之间的配水网络质量更佳，并且有必要进行复杂和定期的服务和维护。这导致饮用水的成本相比来说较高。随着城市人口的迅速增加和配水网络的老化，导致与维持水质相关的许多问题和配水成本的增加。配水网络造成的水损失通常高于20％。没有完全封闭的饮用水配水网络。管道爆裂是普遍的问题。尤其是在较年久的大城市，每年有几率发生数千起水管爆裂和泄漏。配水网络的成本远高于与之相连的水处理设备。为降低成本并减少配水网络所需的服务和维护量，更好的选择可能是通过供水网络分配品质衡量准则较低的水，并在接近用水点将其处理为的饮用水品质衡量准则：“用水点”可以是水用于饮用、烹饪、洗澡和/或其他目的的点。另一种处理选择是在入水点处理：“入水点”是水进入社区或社区结构的点，例如家庭、公寓楼、家庭社区、商业和机构建筑。

  4.管道爆裂、泄漏和供水中断可能会引起饮用水受到周围受污染的土壤和泄漏的污水管道的严重污染。当饮用水配水管无压力时，在泄漏点，来自周围环境的污染水进入水管。总体上，污染物的类型十分普遍并且对人体健康有害：病原体、重金属、有毒物质和可能会引起水产生令人不适的味道和气味的物质。此外，配水网络的管道和配件的腐蚀可使水中加入重金属。另一个问题是，在大多数情况下，配水网络的消毒剂残留物是氯。氯与水中溶解的有机物反应形成对人体健康有害的所谓消毒副产物(dbp)，其中许多是已知的致癌物。常见的消毒剂添加剂通常形成非期望的消毒副产物。消毒副产物受到监管并一定要进行监测，其浓度一定要保持低于可接受的最大污染物限度。许多消毒副产物没有绝对安全限度的阈值。此外，它们是单独监管的，并且多种消毒副产物和其他污染物共同作用的组合健康影响尚未得到很好的研究和理解。因此，多年来，随着对识别新健康风险的研究取得进展，卫生监督管理的机构慢慢的变多地降低最大污染物(包括dbp)限度。

  5.目前在入水点和用水点的水处理设备基于过滤和膜分离方法，辅以紫外线照射。对于入水点，处理系统的典型配置是一级或二级反渗透。典型方法如下所述。通过打开电动阀，市政供水中的水被释放到缓冲储罐中。然后将水泵送并通过砂滤器过滤，随后通过颗粒活性炭过滤器。颗粒活性炭过滤器用于去除可能会引起反渗透膜氧化变质的游离氯。活性炭过滤器还捕获一些重金属和溶解的有机物。此外，还有分辨率为10微米的串联筒式过滤器，用于保护膜免受微粒损坏。增压泵将水供至反渗透膜。最后使用紫外线照射对反渗透渗透水做消毒。可以向水中加入消毒剂以供安全储存和分配。还需要用于膜的化学清洁系统。单级反渗透的水效率通常为20％，而两级反渗透设施的效率可达到50％或更高。因此，大量的水作为反渗透浓缩液排放到下水道。虽然膜渗透物的浊度非常好，但浪费的原水成本很高，同时反渗透浓缩物中污染物的潜在成本也很高。除了供水的直接成本外，通常还要额外80％的水量费用，用于支付排入下水道的费用。监测颗粒活性炭过滤器的状况是困难的。当活性炭饱和时必须更换。通常，由于过滤器底部的水中没有残留的消毒剂，细菌菌落形成并导致水味道和水消毒问题。遗憾的是，反渗透还使水过度脱除矿物质，并去除对人体健康至关重要的元素，例如钙和镁。脱盐损害水的适口性。常使用再矿化，但其难度大且作用有限。

  6.小容量水处理设备是用水点的典型设备，通常安装在厨房中，用于处理饮用水和烹饪用水。有两种主要类型的用水点处理系统。最普遍的类型是基于使用单级反渗透膜；第二种是基于超滤膜的使用。使用超滤膜提高了水处理效率，但在去除病毒以及去除溶解的非期望或有毒元素和物质方面存在局限性。以下描述一种典型方法。通过打开电动阀，水可用于处理。然后水通过分辨率为40微米或更大的网状预过滤器。这是为了捕获由水垢物质、铁锈、沙子等组成的大颗粒。减压阀可以在预过滤器之后以保护水处理设备免受配水网络中的过压。较大系统中砂滤器的相应功能由聚丙烯或其他合成材料制造成的筒式过滤器承担，过滤分辨率为10微米或更高。在筒式过滤器的下游，有一个或两个活性炭过滤器。第一个是颗粒活性炭过滤器，过滤分辨率为约5微米，并且第二个是活性炭块过滤器，分辨率为约1微米。这些过滤器的目的与较大系统中的颗粒活性炭过滤器的目的相同。去除游离氯以保护反渗透膜，并吸附其他污染物，改善水质。除去氯后，细菌通常在第二个过滤器中生长。使用增压泵向反渗透膜单元供水。反渗透单元的流速小。气囊式液压蓄能器储存渗透液，以在需要时在短时间内输送更大的水量。蓄水器中的弹性膜是多孔的。细菌菌落在多孔材料中形成，并经常导致渗透水产生不良味道。在加压储罐的下游添加另一个活性炭过滤器，以纠正水的味道。该过滤器还可能包含掺入碳结构中的银颗粒，因此还提供了一些消毒作用，尽管注意到银本身在足够水平时可能是一种毒素。最终消毒通过紫外线.可以说，当使用当前设备处理市政管道水(mpw)时，最好的水质通过基于反渗透的设备获得。然而，这种设备存在许多缺点。首先，用水点和小容量入水点系统的用水效率接近20％。80％的水通过排放而被浪费。脱矿物质水不利于人体健康，并且味道也不佳。脱矿物质水通过溶解食物中的大量矿物质来改变用这种水烹饪的食物的味道，从而进一步影响营养。当前设备中的许多组件纠正了水质问题，但增加了新问题。然后，在第一个组件的下游添加另一个组件以纠正新问题。这导致生产水的复杂性和高成本。

  8.本技术人的澳大利亚专利申请号2016232986，其内容通过引用并入本文，涉及一种适用于处理水(例如地下水或地表水)的水处理方法，该水处理方法有预氧化步骤(a)和高级催化氧化步骤，该高级催化氧化步骤包括凝结步骤和凝结物的分离。在化学或生物

  需氧量很高的步骤(a)之前，需要用空气或氧气对水进行预氧化。该方法最近已由第三方专家根据“评价家用水处理方案：基于健康的目标和微生物性能品质衡量准则，who 2011”文件中包含的世界卫生组织指导和指南进行了消毒性能评估。在文件表1中，hwt技术的性能要求和“临时”、“保护”和“高度保护”的相关log10减少标准定义了三类病原体细菌、病毒和原生动物的log10去除要求。定义的最高级别是“高度保护”，并且发现该办法能够实现该级别所需的对数(log)减少。这是在没有一点特定消毒剂(例如氯、氯胺、臭氧或其他用于水消毒的消毒剂)的帮助下实现的。因此，由于成本和效率的考虑，该方法有效，但不太适合处理低于标准的水。

  9.鉴于上述，期望从先前水处理方法中识别用于处理水的新方法，其中先前水处理方法提供低于饮用水标准的质量的水。

  10.本说明书里面对任何先前出版物(或从其获得的信息)或任何已知事项的引用不是，也不应被视为承认或允许或任何形式的暗示，即先前出版物(或从其获得的信息)或已知事项构成本说明书所涉及的努力领域中的公知常识的一部分。

  11.本公开涉及适用于以有效且有成本效益的方式处理预处理的水的水处理方法和装置，其中该预处理的水的质量低于标准。

  12.在一方面，本公开提供了一种用于处理由先前水处理方法产生的水的方法，该方法有以下顺序步骤：

  13.(a)在第一容器中的第一氧化步骤，该第一氧化步骤包括使来自先前水处理方法的水与无机氧化盐接触有效氧化来自所述先前水处理方法的所述水中的一部分污染物的时间；

  14.(b)在第二容器中，使来自步骤(a)的水经历进一步的氧化步骤以氧化残留的可氧化污染物，所述氧化是催化氧化，其通过以下组合进行催化：

  16.(ii)固相催化剂，所述固相催化剂包含用于氧化残留的可氧化污染物的颗粒催化材料。

  17.在实施方案中，由先前处理方法产生的水满足以下条件中的一个或多个：

  浊度《30ntu(比浊法浊度单位(nephelometric turbidity unit))

  26.在实施方案中，来自该先前处理方法的水的浊度小于约20ntu，或小于约10ntu，或小于约5ntu，或小于约1ntu。在可选的实施方案中，来自该先前水处理方法的水的浊度为约0.05至约30ntu，或约0.1至约20ntu，或约0.1至约10ntu，或约0.1至约5ntu，或约0.1至约

  27.在实施方案中，来自该先前水处理方法的水的颜色小于约30pcu，或小于约20pcu，或小于约10pcu，或小于约5pcu，或小于约2pcu。在可选的实施方案中，来自该先前水处理方法的水的颜色为约1pcu至约20pcu，或约1pcu至约10pcu，或约1pcu至约10pcu，或约1pcu至约5pcu，或约0.5pcu至约5pcu。

  28.在实施方案中，来自该先前处理方法的水中的悬浮固体的量小于约9mg/l，或小于约8mg/l，或小于约7mg/l，或小于约6mg/l，或小于约5mg/l，或小于约4mg/l，或小于约3mg/l，或小于约2mg/l，或小于约1mg/l。在可选的实施方案中，来自该先前处理方法的水中的悬浮固体的量为约1mg/l至约10mg/l。

  29.在实施方案中，来自该先前处理方法的水中的总重金属小于约4mg/l，或小于约3mg/l，或小于约2mg/l，或小于约1mg/l，或小于约0.5mg/l。在可选的实施方案中，来自该先前水处理方法的重金属的量为约0.01mg/l至约5mg/l。

  30.重金属可以包含密度大于5g/cm3的一种或更多种金属。重金属的实例包括一种或更多种过渡金属。

  31.在实施方案中，来自该先前处理方法的水的化学需氧量小于约15mg/l，或小于约10mg/l，或小于约5mg/l。在可选的实施方案中，来自该先前处理方法的水的化学需氧量为约1mg/l至约20mg/l，或约1mg/l至约15mg/l，约1mg/l至约10mg/l，约1mg/l至约5mg/l

  32.在实施方案中，来自该先前水处理方法的水中的总有机碳小于约7mg/l，或小于约6mg/l，或小于约5mg/l。在可选的实施方案中，来自该先前水处理方法的水中的总有机碳为约1mg/l至约8mg/l，或约1mg/l至约7mg/l，或约1mg/l至约6mg/l，或约1mg/l至约5mg/l。

  33.在实施方案中，来自该先前水处理方法的水中的游离氯含量小于约5mg/l，或小于约3mg/l，或小于约2mg/l，或小于约1mg/l。在可选的实施方案中，来自该先前水处理方法的水中的游离氯含量为约1mg/l至约5mg/l，或约1mg/l至约4mg/l，或约1mg/l至约3mg/l，或约1mg/l至约2mg/l。

  34.在实施方案中，来自该先前水处理方法的水的游离氯含量为约0.1mg/l至约1mg/l，或约0.2mg/l至约1mg/l，或约0.3mg/l至约1mg/l，或约0.4mg/l至约1mg/l。

  35.在实施方案中，来自该先前水处理方法的水的浊度为《40pcu；来自该先前水处理方法的水中的悬浮固体为《10mg/l；来自该先前水处理方法的水中的总重金属为《5mg/l；来自该先前水处理方法的水的化学需氧量为《20mg/l；来自该先前水处理方法的水中的总有机碳为《8mg/l；并且来自该先前水处理方法的水中的游离氯为《5mg/l。

  36.在实施方案中，来自该先前水处理方法的水的浊度为《1pcu；来自该先前水处理方法的水中的悬浮固体为《5mg/l；来自该先前水处理方法的水中的总重金属为《1mg/l；来自该先前水处理方法的水的化学需氧量为《10mg/l；来自该先前水处理方法的水中的总有机碳《5mg/l；并且来自该先前水处理方法的水中的游离氯为《2mg/l。

  37.在本文公开的任一实施方案中，来自该先前水处理方法的水中的游离氯为约0.1mg/l至约1mg/l。

  38.由于来源于该先前水处理方法的水，例如市政管道饮用水，可能具有相比来说较低的化学需氧量(cod)和较低的悬浮固体含量，与氧气和空气的预氧合以及悬浮固体的絮凝、沉降和排放，因此能省去金属氢氧化物沉淀和硬度沉淀，从而节省资金和经营成本。特别是，

  可以通过避免消耗氧气或空气以及添加絮凝剂或专注于生成原位絮凝剂来降低经营成本。还可以如下所述地降低资金成本。

  39.此外，预处理的水通常含有游离的残留氯，用于维持配水网络中的消毒。因此，游离氯的存在通常是(但不是唯一地)水预处理的指标。其他参数，例如悬浮固体含量、ph(预期在6.5至8.5的范围内，典型地在弱碱性一侧以防止配水网络的腐蚀)等可用作水预处理的指标。游离氯在配水网络中与水中存在的有机物和/或配水网络中形成的细菌粘液发生反应，产生有毒的消毒副产物，并可能损害水的美观性方面：浊度、气味和味道。游离氯的水平可能从极低至低于每升1毫克变化。游离氯通常不大于1mg/l。这些水质问题通过此处所述的方法得到解决。鉴于步骤(a)的进水中的低cod和游离氯的存在，以及游离氯作为氧化剂的作用，在氧化步骤(a)之前用气体进行氧化基本上没有至没有益处，并且其在该方法中既不需要也不使用。

  40.尽管由于先前处理或预处理，在本公开的方法的进水中有几率存在游离氯，但常常要更多量的氧化剂用于在步骤(a)中与水接触，该步骤可被描述为调节步骤。理想地包含氧和催化金属元素(在本技术中例如锰、铁是理想地避免的)的水溶性氧化剂是优选的。高锰酸盐对于本技术而言是方便的氧化剂。方便地，还添加催化氧化步骤(b)中所需的金属催化剂锰的高锰酸钾在步骤(a)中用作氧化剂。调节或反应时间能通过所测量的有机物降解来关联。步骤(a)的持续时间可以少于60分钟，或少于30分钟，或少于20分钟，或少于10分钟。优选地为5至15分钟。

  41.通常在添加氧化剂之后可能需要增加ph值，因为步骤(a)中的有机物的氧化在低ph值下更有效。可能需要增加ph值以确保步骤(b)的有效进行。

  42.在一些实施方案中，步骤(a)中的无机氧化盐是金属高锰酸盐，优选地选自由高锰酸钾、高锰酸钠、高锰酸钡、高锰酸钙和高锰酸铝组成的组。

  43.在一些实施方案中，该方法还包括硫酸盐去除并且其中所述金属高锰酸盐选自高锰酸钡和高锰酸钙。

  44.在一些实施方案中，本公开的方法在环境温度和环境或接近环境压力下进行。

  45.在优选的实施方案中，所述无机氧化盐是高锰酸盐并且引入催化氧化步骤(b)的水由于存在残留的高锰酸盐而具有可见着色。

  46.在优选的实施方案中，来自催化氧化步骤(b)的经处理的水没有由于存在残留的高锰酸盐而导致的可见着色。

  47.在一些实施方案中在步骤(b)后向水中添加氯以对经处理的水进行消毒以供储存和分配。

  48.在一些实施方案中，颗粒催化材料的粒度为约100微米至2000微米，或约175微米至约1000微米，或约250微米至约400微米。

  49.在一些优选的实施方案中，步骤(b)在升流式反应器(upflow reactor)中进行。

  50.在一些实施方案中，可以在步骤(a)之后和步骤(b)之前添加另外的氧化剂，其中步骤(b)的催化方法分解氧化剂以释放氧气，从而导致剩余污染物的所需氧化和降解所需的接触时间最短。尽管可以再次使用高锰酸盐，但更合适的氧化剂包括既具有氧化作用又具有消毒作用的化合物，例如次氯酸盐，方便的是次氯酸钠或次氯酸钙。次氯酸钠的添加量取决于水中cod的性质。次氯酸钠可用于以低成本氧化cod的无机部分。这种氧化剂添加还

  旨在通过不允许氯与有机物的长时间反应来最小化消毒副产物浓度的向上增量。接触应在分钟而不是小时的量级。通过这种控制，方法本身将添加最少的有毒消毒副产物。与进一步添加高锰酸钾(可选的方案)相比，次氯酸钠和次氯酸钙是用于提高orp的成本较低的方法。次氯酸盐的最大剂量预期受到经处理的水中消毒副产物的目标水平的限制。然而，可以使用其他氧化剂如过氧化氢。

  51.该方法可以包括电化学参数，期望地氧化还原电位(orp)作为控制参数以监测在催化反应器中发生的有效催化高级氧化反应的发生，以减少消毒副产物。orp在催化氧化步骤(b)之前测量，优选地在步骤(a)之前测量，进行调整以实现目标orp(或其他电化学参数)。期望地，针对步骤(b)的水的处理具有约500mv氧化还原电位(orp)或更高的目标。如上所述，orp由原水中的游离氯和氧化剂添加物(例如高锰酸盐和次氯酸盐，后者通常比高锰酸盐便宜)贡献。然后需要平衡步骤(a)和(b)中的氧化剂添加物以达到目标orp，例如500mv或更高。这可能需要在使用时添加的高锰酸盐和使用时添加的次氯酸盐之间呈反比关系。也就是说，增加高锰酸盐的剂量应该使得减少次氯酸盐的剂量以在催化反应器之前实现期望的orp。该方法的控制系统可以方便地进行必要的orp调整，并有利于最大限度地减少消毒副产物的形成。如果必须严格控制消毒副产物水平，则可以避免使用次氯酸盐。可以用高锰酸钾代替。

  52.作为方法控制策略的一部分，orp值(或其他选定的电化学参数)可以使用基于实验测量的校准方便地转换为游离氯残留量。可选地，可以直接测量方法进水中的游离氯。然而，游离氯的测量更加困难并且需要更昂贵的仪器和仪器维护。然而，这对于更大容量的水处理设备而言可能是合理的。

  53.控制策略——连同用于催化氧化步骤(b)的容器(优选是床反应器)的设计，例如通过选择催化剂床体积——还控制高锰酸盐的添加以减少或避免产生的水由于存在残留的高锰酸盐而具有可见着色。如果ph与接近中性的目标值不同，则ph调整也可能构成控制策略的一部分，为进行调整使用合适的酸或碱——例如，但不限于盐酸和氢氧化钠。该步骤通常可以避免，因为在引入步骤(a)时，预处理的进水的ph通常在6.5至8.5的可接受ph范围内。

  54.可称为催化高级氧化的催化氧化步骤(b)期望地在床反应器中进行，如下文更详细描述，并且在通过下述方法去除污染物中具有抛光效果，该方法例如将剩余的铁和锰沉淀为氧化物或氢氧化物、以氧化物或氢氧化物的形式共沉淀重金属、降解溶解的有机物质、降解可能影响水味道的化学物质以及各种新关注的化学物质，以及病原体(例如大肠菌群)的失活和破坏；以及这些的组合。由于配水网络或初始水处理中的故障，可能引入任何这些危害。在催化氧化条件下，高反应性锰的自由基，例如锰基自由基(manganyl radical)，通过fenton型反应方案(尽管不完全相同，因为过氧化氢或臭氧在所述方法中不是必须使用的)与羟基离子一起产生方法。高锰酸盐的使用也将倾向于有利于形成足够的锰基自由基和羟基自由基以实现金属共沉淀和应该足以达到饮用水标准的其他污染物减少方法。高锰酸钾不稳定，在金属氧化物的表面歧化为mn(ii)和mn(iv)。背景研究表明，碱性条件相比于mn

  。中间反应复杂，并且在很短的时间内发生。在使用时，进入催化反应器床的水中需要存在未反应的高锰酸盐，以进行高级催化氧化方法。未反应高锰酸盐的存在方便地通过进入催化反应器的水的粉红色至紫色来指示。本技术人发现，为了有

  机物氧化和降解过程的效率，orp必须保持在高于400mv的高水平，如同在工业实践中使用fenton试剂时所指出的。该结果无需借助物理氧化方法(例如通过使用电晕放电或紫外线照射步骤)即可实现。此外，本技术人没有发现这种自由基稳定性是影响污染物去除的问题，因此不需要添加螯合剂，例如多胺和磷酸盐。

  55.未反应的高锰酸钾在催化氧化阶段被分解，锰以氢氧化锰和二氧化锰的形式沉淀，这通过控制剂量来防止处理水的颜色污染。

  56.催化高级氧化中高锰酸钾的添加量可以低至0.5mg/l，并且如果添加次氯酸盐后消毒副产物增加过多，或者水的美观特性不令人满意，则添加量可以增加。在催化反应器之前，建议的最低目标ph值为7。

  57.用于催化氧化的床反应器需要定期反洗(backwashing)以去除沉淀物。在反洗过程中期望添加消毒剂，优选次氯酸钠，但不限于该方法。

  58.来自催化氧化处理步骤(b)的水方便地用于储存或分配至用户，并在必要时添加消毒剂并调节ph值，以在目标ph值为7的情况下达到6.5至8.5的ph值范围。特别是由于催化氧化，消毒剂的添加不应导致任何明显的消毒副产物形成，这是由于大多数溶解的有机物通过该方法的步骤(a)和(b)先前降解。通过催化氧化处理的水含有极低量的消毒剂，甚至没有消毒剂。在分配之前添加的优选消毒剂是二氧化氯。较低程度优选地，可以使用次氯酸钠、次氯酸钙或氯气。催化反应器下游的有机物含量极低，并且未降解的物质具有更惰性(refractory)的性质，很少与氯反应形成消毒副产物。几乎不需要消毒剂，因为大部分能够反应以消耗消毒剂的物质已经被降解；然而，用于储存和分配的残留消毒剂进一步保证经处理的水不含病原体。

  59.如果在预处理的水中氨、硝酸盐或硬度物质呈现出问题，则可以包括去除这些污染物的步骤。离子交换是一种选择并且离子交换步骤(c)可以在如上所述的催化氧化步骤(b)之后，在配水网络的加入消毒剂之前进行。这是协同整合，因为供给到离子交换步骤的经处理的水含有极低且安全的氧化剂量(不需要专门的氯去除)、低水平的可生物降解有机物、经过良好的消毒和澄清。结果，离子交换树脂过滤器可以更有效且成本更低地运行。对于大型处理系统，可以使用其他去除氨、硝酸盐和硬度物质的方法。

  60.该方法可用于处理无论何种情况下低于标准的预处理水。然而，该方法适用于为消费者提供对水质的进一步保证，并且该方法还适用于当先前水处理设备的操作出现故障时以旁路为基础处理水。

  61.在另一方面，本公开提供了一种用于处理由先前水处理方法产生的水的装置，所述装置包括：

  62.(a)用于进行第一氧化步骤的至少一个第一容器，该第一氧化步骤包括使来自先前水处理方法的水与无机氧化盐接触有效氧化来自先前水处理方法的水中的一部分污染物的时间；

  63.(b)至少一个第二容器，用于使来自步骤(a)的水经历进一步的氧化步骤以氧化残留的可氧化污染物，所述氧化是催化氧化，其通过以下组合进行催化：

  65.(ii)固相催化剂，该固相催化剂包含用于氧化残留的可氧化污染物的颗粒催化材料。

  66.期望地，一个容器用于步骤(a)和(b)的每一个，从而允许更简单的设备设计和更低的成本。

  67.阶段(a)中的至少一个容器不需要被配置为沉降器，因为预处理水的沉淀反应不应产生大量泥状物，从而预处理通常消除悬浮固体的问题。串联罐通常适用于该容器，从而可以节省资金成本。

  68.催化氧化可以在一系列容器中进行，包括床反应器、柱式反应器或过滤床。阶段(b)中的至少一个容器方便地是床反应器。这种床将包括颗粒催化材料以进一步(即与催化金属离子和羟基自由基组合)催化该催化氧化方法。有利的催化材料是由二氧化硅或氧化铝负载的金属氧化物或金属氧化物混合物组成的颗粒，该金属氧化物选自由氧化锰(海绿石砂(green sand)等)、二氧化锰、铁氧化物、氧化铝、二氧化钛、钙钛矿和稀土氧化物组成的组。催化组分的最大含量为催化颗粒总重量的约10wt％。催化材料可以按层布置，可能与其他有助于从水中过滤氧化产物的材料组合。这种材料的实例包括硅砂和过滤煤(filter coal)。

  69.可以使用的其他催化剂包括沸石和导电催化材料，其中颗粒活性炭通常用作金属的载体。这种情况下的催化元素包括贵金属(铂、金、银和镍)和铜。

  70.在任何情况下，在催化氧化反应器中有效地使用溶液和固相形式的催化剂的组合。

  71.如上所提及的，选择颗粒催化剂床的体积以有效地实现催化氧化，同时控制高锰酸盐水平——结合控制高锰酸盐的添加——以减少或避免由于存在残留的高锰酸盐而导致产生的水的可见着色。

  72.如果有供水压力不足或不规则问题，该装置可以包括增压泵，如有需要，联接缓冲储罐。期望地，进水通过进水管引导至阶段(a)的至少一个容器，进水管可以连接至来自水处理设备的配水网络，该水处理设备定期或间歇性地出现经处理的水的水质问题。在间歇性水质问题的情况下，进水管可以在水质可接受时通过阀或阀系统关闭，并在出现水质问题时打开。

  73.该装置可以包括用于去除污染物(例如氨和硝酸盐)的分离阶段。出于此目的，优选离子交换阶段。

  75.本发明的水处理方法和装置实现对水进行有效的后处理，以补偿由无效的预处理或配水网络中的故障引起的水质问题，无论是由管道、容器还是其他方式形成。以这种方式，能够最终靠简化的流程和装置以高效率(包括95％及高于95％的效率)降低污染物水平。

  79.图2是根据本公开的另一个实施方案构造和操作的水处理装置的流程图。

  81.以下是为帮助本领域技术人员实施本公开而提供的本公开的详细描述。本领域普通技术人员可以在不背离本公开的精神或范围的情况下对本文描述的实施方案进行修改和变化。

  82.尽管与本文描述的那些相似或等同的任何方法和材料也可以用于本公开的实践或测试，但是现描述优选的方法和材料。

  83.还必须注意，如在说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一种/一个(a、an)”和“该(the)”包括复数指示物，除非另有说明。因此，例如，提及“高锰酸盐”可以包括多于一种高锰酸盐等。

  84.在整个本说明书中，使用术语“包括(comprises或comprising)”或在其上的语法变化应被视为指示存在所述特征、整数、步骤或组件/组分，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、组件/组分或未具体提及的组。

  85.包括以下定义以提供对说明书和权利要求的清晰一致的理解。如本文所用，所引用的术语具有以下含义。本说明书中使用的所有其他术语和短语具有本领域技术人员将理解的它们的普通含义。此类普通含义可以通过参考技术词典获得，例如hawley简明化学词典第14版，r.j.lewis，john wileysons，纽约市，纽约州，2001。

  86.除非特别说明或从上下文显而易见，如本文所用，术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的两个标准偏差内。“约”可以理解为规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另有明确说明，否则说明书和权利要求中提供的所有数值均可以用术语“约”修饰。

  87.本文提供的任何方法可以与本文提供的任何其他方法中的一个或更多个组合。

  88.本文提供的范围应理解为该范围内所有值的简写。例如，1至50的范围被理解为包括任何数值，数值的组合，或来自由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50组成的组的子范围。

  89.现将详细参考本公开的示例性实施方案。虽然将结合示例性实施方案来描述本公开，但是应当理解，并不旨在将本公开限制于那些实施方案。相反，它旨在涵盖可包括在如所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替代、修改和等同方案。

  90.图1所示的水处理装置或设备1的目的在于，在市政自来水的供给不频繁中断且压力维持在100kpa以上的情况下，对市政自来水进行处理。水处理装备1依靠市政管道水管线压力流过系统，该系统执行处理和辅助操作功能，例如下文描述的催化反应器的反洗。入水点水处理设备的共同点是手动阀10，其可以关闭以使设备与供水隔离以进行维修和维护。在该设备的正常操作期间，该阀10打开。

  91.接下来，阀10的下游是另一个常见部件，称为预过滤器。预过滤器50以过滤分辨率为40微米或更大、至多数百微米的不锈钢网提供。网的作用是保留来自配水网络的大固体颗粒，例如水垢和铁锈。预过滤器50的碗罩是干净的，因此可以看到相对少量的颗粒在过滤碗罩底部积聚。周期性地，手动阀40短时间打开以排出预过滤网30中积聚的泥状物。还可以将预过滤器50拆卸以清洗网。

  92.压力表20显示水处理设备1入口处的压力。该压力必须高于减压阀60下游的压力表70显示的压力。如图1所示，减压阀下游的设置压力为200kpa。如果市政管道供水压力低于200kpa，则减压阀60将完全打开，并且当没有进水流过时，压力表20和70显示的压力相同。同时，电磁阀90和100均关闭。

  93.压力开关80用于发出低于100kpa的低管线压力信号，在该低管线根本无法操作。一种这样的情况是供水中断时。电磁阀90打开以进行正常的水处理。流量通过孔板限流器120进行调节，并由于阀60控制的恒定压力而保持恒定。随着催化反应器320中的催化床积累沉淀物，水流速将逐渐降低。流量由流量计210监测。在低于标示设置的选定流速下，可以启动催化反应器320的反洗。还可以基于压力变送器190和压力变送器360测量的压力之间的压差来启动反洗。

  94.电磁阀100结合孔板限流器110，控制用于反洗催化反应器320的流量。在反洗方法过程中，电磁阀90关闭。流量计210监测并确认反洗流量。如果流量不在目标范围内，则相应地调整孔板110的尺寸。

  95.orp变送器130测量未经处理的市政供水的氧化还原电位(orp)，并将该值转换为进水或原水中的游离氯当量。例如，进水样品可以加标次氯酸钠，然后测量游离氯和orp，从而得出orp和游离氯之间的相关性，以供方法控制系统使用，该系统可以包括具有来自各种变送器(特别是orp变送器130)的输入的传统类型的电子控制单元，如本文所述。

  96.游离氯值140用于在控制系统的控制下作为对输入变送器信号的响应来计算由计量单元150添加的高锰酸钾的量和由计量单元230添加的次氯酸钠或次氯酸钙的量，如本文所述。高锰酸钾为催化反应器320提供催化金属锰，该催化反应器320进行有机和无机物质的部分氧化并为催化反应器320提供部分氧。

  97.由计量单元150计量的高锰酸钾的量取决于原水的orp水平(由orp变送器130测量)、水的cod和经处理的水中发现的消毒副产物的水平。为了减少氯与有机物反应的特定消毒副产物，必须增加高锰酸钾的剂量而必须减少次氯酸盐的剂量，在催化反应器320之前保持相同的orp。该orp值不小于400mv。如果最终水的ph值不在饮用水准则范围内，那么ph校正化学品(无论是酸还是碱)将通过计量单元160计量。这种情况很少发生。通常，预期不需要计量单元160。

  98.反应罐170具有10分钟的典型停留时间以实现大部分完成与高锰酸钾的氧化反应。反应罐170可以方便地是过滤器容器，其用于具有约260mm的粗硅砂小床的砂滤器。这将允许水以在反应罐170的截面上的均匀的速度分布上升。在反应罐170的顶部，有排气阀180。

  99.压力变送器190监测整个系统压力并与压力变送器360结合使用以确定催化反应器320上方的压差降。在设置的最大压差下，反洗操作由水处理设备1的控制系统触发。反洗通过从催化反应器320的底部向上引导水流来去除催化反应器320中积累的沉淀物。催化反应器320排出的水流向废液。该方法与砂滤器或混合介质过滤器相同。压力表200用于系统压力的可视指示和压力值的验证。压力表200和压力变送器190所指示的压力应该相同。水处理设备1在处理水时以20m/h的水速通过催化反应器320运行。随着沉淀在催化反应器床中的积累，该速度和相应的流量将降低。除了反洗通过控制系统进行的压差触发外，还设置了触发反洗的最小水流量值。流量计210用于流量监测。流量计210还用于监测由设备1处理的水量，并基于此，用于管理设备所需的操作和维护。

  100.取样阀220用于在添加氧供体化学品和反应罐170中允许的反应时间之后对水进行取样并评估水质参数。化学品计量单元230还用于在催化反应器320的反洗期间计量消毒剂，通常是次氯酸钠。次氯酸钠也用于提高orp。最大使用量由传统分析技术测量的消毒副产物水平决定。当达到消毒副产物的最大可接受限度时，可以通过增加氧供体化学品(例如

  101.催化反应器320包含颗粒金属氧化物催化剂床。典型的催化剂是铁氧化物、氧化锰(manganese oxides)、氧化铝和氧化钛，或金属氧化物的混合物。大多数此类氧化物被具有高酸性ph值和低orp缺氧水的水腐蚀。ph由仪器240监测，并且orp由仪器250监测，控制系统根据需要调节ph和orp以防止水因腐蚀而污染。进入催化反应器320的水需要足够高的orp，以使水处理方法有效地进行。orp小于400mv是不期望的。

  102.取样阀260用于对进入催化反应器320的水进行取样并验证对有效催化或高级氧化重要的主要水参数。这些是orp、ph、悬浮固体和需氧量。高级氧化反应器320具有降解有机材料的目的并且在保留悬浮固体和沉淀固体方面具有有限的能力。根据溶解氧提供的氧化能力和添加的氧化剂(高锰酸钾和次氯酸钠(如果需要严格控制三卤甲烷(thm)水平，其可以用高锰酸钾替换))提供的氧化能力检查水的需氧量。

  103.阀270和280控制通过催化反应器320的水流方向。在如图1所示的正常操作位置，水从上至下通过催化反应器320，水在催化反应器320内的催化床中经历催化氧化。

  104.在催化反应器320的底部，有带有槽的收集管，水通过这些槽进入并通过中心管上升并流出催化反应器320。为了反洗催化反应器床，阀270和280的位置改变。水通过阀280进入反应器，然后向下流过中心管并流出催化反应器320底部的收集管。此外，水向上流动，使催化床膨胀并夹带积聚在催化床中的悬浮固体。水离开催化反应器320并通过阀270，而反洗用过的水被引导至废液或泥状物增稠和脱水处理。视镜310用于观察用过的反洗水的浊度并调整反洗的维持的时间。取样阀290用于收集通过催化反应器320处理的水用于分析。

  105.催化反应器320下游的压力由压力表300视觉指示并由压力变送器360监测。ph变送器360监测催化反应器320输出端的ph值，如有需要，可通过计量单元160添加更多ph校正化学品(酸或碱)来校正ph，尽管在整个方法中预期ph值将保持在6.5-8.5的可接受范围。变送器340监测水电导率。电导率的大变化表明原水质量发生了变化，这在大多数情况下要控制系统调整水处理方法，或者表明化学品添加的偏差，控制系统可能将其检查为可能的化学品计量故障。

  106.化学品计量单元350用于添加消毒剂，为配水网络提供残留消毒剂，因为从催化反应器320流出的水中几乎没有消毒剂。优选的消毒剂是二氧化氯，因为二氧化氯的消毒能力不随用于饮用水的在ph范围6.5至8.5的ph增加而降低。

  107.不同的是，与ph 6.5相比，在ph 7.5下，氯消毒减少了约50％，并且随ph的进一步上升而迅速下降。与氯相比，二氧化氯对配水网络中的金属和材料的侵蚀性较小，显示出较低腐蚀风险。二氧化氯在水中产生的消毒副产物不具有致癌性，也不具有高毒性。向通过本文所述方法处理的水中添加二氧化氯主要产生氯酸盐。氯酸盐由添加在配水网络中残留的建议范围内的二氧化氯所产生的浓度未显示出任何显著毒性。因此，在许多国家，对饮用水中的氯酸盐没有监管限制。氯酸盐也是温和的消毒剂并随时间降解，其氯含量转化为氯化物。

  108.通过变送器370监测最终水中二氧化氯的浓度和消毒能力。可以在从取样阀380取样的水中测量精确的二氧化氯浓度。通过反洗方法，离开催化反应器320的部分水包含一定量的悬浮固体。这种含有水的悬浮固体通过阀390在几分钟内被引导到废液中。如果监测和控制管理系统确定水可能不符合质量标准并且不适合饮用，阀390还将引导水至废液。

  109.在正常操作模式下，阀390将水引导至最终水储罐400。设计和通过最终水储罐400的流量应使得在水进入配水网络以用作饮用水之前实现水的最小水力停留时间(hydraulic retention time)。基于病原体污染风险评估并与二氧化氯浓度相关来确定最终水储罐400中的保留时间，以达到最低必要的所谓的ct值。通过将消毒剂浓度(以mg/l计)乘以接触时间t(以分钟计)来计算ct值。

  110.最终水储罐400设有液位监测。在图1中，液位开关410确认罐400已满并停止水处理设备1。液位开关420确认罐400是空的并且通常具有保护配水泵(未示出)免于干转的功能。配水泵通过阀430与罐连接。

  111.参考图2，所示的水处理装置或设备1的方法流体图是针对市政管道供水中断和低压的情况，暂时降低到低于100kpa的情况，这是发展中国家的常见情况。

  112.在这种情况下，缓冲储罐570用于储存原水并且需要泵620来提供操作压力和流量。以类似于图1中描述的实施方案的方式，通过预过滤器540过滤供水以去除粗固体。通过手动阀510连接供水，并使用常闭电磁阀520打开或关闭供水。

  113.压力表530在预过滤器540之前提供压力的可视指示并且可以用于决定预过滤器540何时需要通过阀560排放沉淀物或需要清洁过滤网。指示的压力随着在预过滤器网550中积累的固体水平的增加而增加。液位开关580确认缓冲储存罐570何时充满并且随后设备控制系统关闭电磁阀520以防止罐溢流。液位开关590确认缓冲储罐570是空的并且防止泵620干转。

  114.手动阀610用于收集样品进行分析。泵620通过手动阀610与缓冲储罐570连接，手动阀610用于在泵620需要更换或维修时断开供水。运行水处理设备1所需的压力是低的。泵620通常是离心式的，其被选择为在不超过200kpa的压力下输送用于处理水的最大流量。另一个选择点是在约100至150kpa下反洗催化反应器860所需的流量。泵620的选择还取决于通过水处理设备1的管道的压降和将水输送到最终水储罐940的附加压头。

  115.压力表630提供整个系统压力的可视指示。orp发送器670具有与图1中的orp发送器130相同的功能。图2中的所有下游部件及其功能与图1相同。在功能方面，需要注意的一个区别是，当催化反应器860上的压降增加时，通过图2中设备1的流量将不减少。这是因为泵620是通过变速驱动器驱动的，并且泵速被自动调节以保持与压力无关的设置流量。流量由流量计750监测。因此，图2中所示装置的反洗操作的触发是通过压差或操作时间的设置点来完成的。图1中水处理设备1的反洗触发器可以另外设置在最小流量点。

  116.按照图2的方法流程图，orp变送器670间接监测供应至设备1的原水中的消毒剂水平，以允许对通过计量单元690和770计量的化学品进行关联和调整。取样阀680用于在任何化学品添加和处理之前对水进行取样并测量水参数。如有需要，计量单元700将计量ph校正化学品(酸或碱)。反应容器710实现通常10分钟的氧供体反应时间(例如，如图1的水处理设备1的高锰酸钾)。阀720是排气阀，用于从反应罐710的顶部排出空气和气体。压力变送器730监测催化反应器860之前的系统压力。该压力也由压力表740直观地指示。流量计750监测特定操作模式的水流量。

  117.取样阀760用于在催化反应器860上游最终添加次氯酸盐之前对经调节的水进行取样。调节水的重要参数ph值和orp由变送器780和790监测。最终调节的水能够最终靠取样阀800进行取样和测试。阀810和820在图2中显示为处于正常操作模式，并将改变位置以反洗

  催化反应器860。功能与图1中的相应部件相同。图1中的部件290至430具有与图2中的部件830至970相同的功能，并且如上文参考图1所述。

  118.根据本公开的方法操作的中试现场测试设备作为用于供应办公楼的入水点水处理装置而显示出以下能力。水美观性显著提高。在非正式的设盲味道测试中，无法区分经处理的水与优质瓶装水。尽管在分析时，市政管道供水总体质量良好，但下表提供了比较水质数据。

  化学需氧量(cod)按照美国公共卫生协会(apha)方法5220b测量。

  水的美观性有所改善。颜色、氨、总有机碳和cod降低，尽管通过包括离子交换步骤可以进一步减少氨。这与经处理的水的良好外观和味道一致。处理方法保留了氟化物，在经

  处理的水中测量的水平为0.23mg/l，对牙齿和骨骼健康有益。钙和镁对人体健康至关重要，并且没有被显著去除。这是该方法的有益方面，而不是如同反渗透那样不加选择地使水脱矿质。

  金属(例如铝、镉、铜和镍)的浓度下降。根据更严格的国家标准，镉以最大可接受限度存在于原水中。配水网络中的锡和锌增加，但与自来水中存在的任何健康问题的水平相差甚远。锰在该方法中用作催化金属，并在处理过程中添加。锰被认为是基本元素，但建议不超过0.050mg/l。

  在大多数国家，总三卤甲烷(thm)均有监管的最大限度。目前最低水平为0.080mg/l。经处理的水的测试数据显示总计为0.0376，这是安全限度。并非所有国家均将氯仿作为thm的单独组分进行监管。这是因为人们不认为氯仿如同其他thm那样构成健康风险。世界卫生组织饮用水指南规定氯仿的最大含量为0.300mg/l。这对于总thm限制更严格的许多国家而言过高。由于处理方法中添加次氯酸钠，因此添加少量氯仿，但添加量不显著。总体thm保持在较低水平也是因为作为配水网络残留物添加的消毒剂是二氧化氯，其已被证明产生较低水平的消毒副产物。

  如有需要，可以调整该方法以减少经处理的水中的thm。这能够最终靠完全消除次氯酸钠的添加来实现，仅在催化反应器320、860的反洗期间使用它。在为了维持合适orp的补偿中，增加高锰酸钾的添加量。

  添加二氧化氯作为消毒剂时，产生的消毒副产物是亚氯酸盐和氯酸盐。出于一些健康问题，亚氯酸盐应控制在低于0.7mg/l或根据特定国家标准。在一些国家，氯酸盐也受监管。仅氯酸盐增加，并且其限度低于任何国家标准。原水及自来水均未检出关注的病原菌。该方法的消毒性能符合who标准，并且添加二氧化氯是补充屏障，有助于确保经处理的水不含病原体，同时也为配水网络提供残留物。

  在整个申请中引用的所有参考文献以及公开的专利和专利申请的内容均通过引用并入本文。

  应当理解，本文描述的详细实例和实施方案仅出于说明性目的以示例的方式给出，决不被认为是对本公开的限制。有鉴于本发明的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员并且包括在本技术的精神和范围内并且被认为在所附权利要求的范围内。例如，能改变成分的相对量以优化期望效果，能添加另外的成分，和/或类似的成分可以替代一种或更多种所述的成分。与本公开的方法相关的其他有利特征和功能将由所附权利要求而显而易见。此外，本领域技术人员将认识到或能够仅使用常规实验来确定本文描述的本公开的特定实施方案的许多等同方案。这些等同方案旨在被以下权利要求所涵盖。

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