[发明专利]一种去除饮用水中高氯酸盐的方法

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及一种去除饮用水中高氯酸盐的方法及其反应器，具体是将硫自养高氯酸盐还原过程和电化学氢自养高氯酸盐还原过程相结合形成复三维电极-生物膜反应器。

背景技术

高氯酸盐是一种具有高度扩散性的持久性有毒污染物，被广泛地应用于火箭推进剂、烟火制造和军火工业等领域，也作为添加剂应用于润滑油、织物固定剂、电镀液、镁电池、汽车气囊、公路安全闪光板、皮革加工、橡胶制造、染料与涂料生产。水体中高氯酸盐主要来源于生产和使用高氯酸盐工厂的排放物和废弃物。高氯酸盐是属于非挥发性、易溶于水的物质，在大多土壤和矿物质上的吸附能力很弱，一旦进入环境就会随地下水和地表水快速扩散，从而造成大面积的地下水和地表水污染。高氯酸盐的化学性质非常稳定，不易分解，在一般环境条件下可长期稳定存在数十年。通过饮用水进入人体的高氯酸根的电荷和离子半径与碘离子非常相近，与碘离子竞争进入人体的甲状腺，造成甲状腺功能失调，引起甲状腺激素和三碘甲状腺原氨酸合成量的减少，最终影响人体的发育，尤其是婴儿的新陈代谢和中枢神经系统的发育，引起智力缺陷，严重时对骨髓、肌肉组织产生病变影响，诱发甲状腺癌。

自1997年以来，美国国家环保署(USEPA)先后在加州等42个州的地下水、地表水和饮用水中监测出了高氯酸盐，并将其列入候补污染物质表，规定安全浓度范围为4-18μg/L。高氯酸盐造成的环境污染和人体健康安全问题引起了国际研究者的高度重视。随后，Coates等美国学者系统地分析了高氯酸盐的危害及修复控制策略，从而引领了饮用水中高氯酸盐控制技术的研究方向。目前，我国是烟花制造与消费、生产高氯酸钾及氧化添加剂的大国，存在着潜在的高氯酸盐污染源。由于高氯酸盐的高溶解性，传统的给水处理工艺不能够有效地去除饮用水中高氯酸盐。因此，从保障饮用水安全的角度出发，研发高效、安全和经济的饮用水中高氯酸盐去除技术是非常有必要的。

高氯酸盐去除技术主要有离子交换法、膜分离法和生物还原法。离子交换法可有效地去除水中的高氯酸盐，被广泛地应用在饮用水中高氯酸盐的去除。但是阴离子交换树脂饱和后需要再生，产生高浓度的高氯酸盐再生液，存在需要进一步进行后续处理的问题。膜过滤法能有效地去除饮用水中的高氯酸盐，但处理成本较高，且浓缩的高氯酸盐废水也需要进一步处理。生物还原法是一种经济、有效和安全的高氯酸盐去除技术。在生物还原法中，高氯酸盐还原菌和电子供体是完成微生物还原高氯酸盐的关键。大量研究表明，以醋酸盐、乙醇、乳酸盐等有机物作为电子供体可以有效地实现高氯酸盐还原菌对高氯酸盐的还原。但是，以有机物作为电子供体还原高氯酸盐存在如下问题：(1)作为电子供体的有机物持续供给，使反应器内微生物大量增殖，可造成出水的“微生物污染”问题；(2)出水中未被微生物利用的有机物易造成配水管网中微生物增殖，并可产生有害的氯消毒副产物。为了解决上述问题，人们相继成功地开展了以H₂作为电子供体使化能自养高氯酸盐还原菌还原高氯酸盐的研究。但是，在氢气作为电子供体过程中，存在着氢气溶解度低、易爆炸、存储和运输困难的缺点，限制了该技术的大规模推广应用。单质S⁰不仅具有不溶于水的特点，作为电子供体在还原过程中还能根据需要缓慢地释放电子，且有易于维护和运行费用低的优点，是一种高效、经济的自养还原高氯酸盐的无机电子供体。但以S⁰作为电子供体还原高氯酸盐的过程中，由于发生了如下反应：：2.87S⁰+3.32H₂O+ClO₄^-+1.85CO₂+0.462HCO₃^-+0.462NH₄⁺→5.69H⁺+2.87SO₄^2-+Cl^-+0.462C₅H₇O₂N，出水中会出现pH偏低和SO₄^2-超标的问题；如果添加CaCO₃调节pH值，又会出现出水硬度增大的问题。

发明内容