臭氧活性炭深度处理工艺对饮用水中有机物去除特性研究
时间：[2014/2/13 11:00:15] 阅读数： 次
张雪,张璐,华伟,蒋福春 (苏州市自来水公司,江苏 苏州 521002)
摘要：在南方某x水厂的臭氧活性炭深度处理工艺的进出水监测分析，重点探讨了臭氧活性炭工艺对有机物的去除效果、对消毒副产物的抑制特性和有机物的去除机理。结果表明：臭氧活性炭对有机物具有较好的去除效果，其中臭氧工艺对codmn、toc、uv254平均去除效率分别为8.65%、3.18%和27.15%，活性碳工艺对codmn、toc、uv254平均去除效率分别为12%、11.82%和14.36%；臭氧活性炭深度工艺对uv254/doc的去除效率较高，平均去除效率为30.8%，占整体处理效率的50%以上，对消毒副产物的抑制效果较好；codmn、toc、uv254效率比平均值分别为0.45、0.21和0.71，臭氧与活性炭工艺对codmn去除贡献基本相当，臭氧工艺略占优势，toc主要依靠活性炭工艺降解，uv254主要是通过臭氧工艺进行分解。
关键词：饮用水；臭氧活性炭；微污染水
近年来，随着城市化的进程与工业化的发展，水源地污染尤其是有机物污染不断加剧，各类水质污染事件频频涌现。原水中有机物污染不但易引起三卤甲烷（thms）、卤乙酸（haas）等消毒副产物的生成，而且会导致出厂水中可同化有机碳（aoc）的增加，引起管网生物稳定性难题[1]。为了解决此类问题，保证优质供水水质，国内众多水司新增了臭氧活性炭深度处理工艺[2-9]。本文以南方某x水厂臭氧活性炭深度处理工艺的运行监测指标为基础，深入和详尽地分析和研究臭氧活性炭对有机物的实际去除效果和性能，以期为各大水司深度处理工艺的运行管理提供理论支持。
1 研究方法
1.1净水工艺和相关参数
x水厂一期设计供水能力为30万m3/d，水厂净水工艺流程如图1所示。目前供水主要集中在20～22万m3/d。臭氧—活性炭工艺自2008年3月开始正式投运，截止到目前为止运行状况良好。
1.2研究方法
1.2.1检测方法
研究过程中，厂内定期对活性炭滤池滤前、后主要水质指标进行跟踪化验，以评估臭氧活性炭工艺对有机物的处理效果。codmn和toc均采用生活饮用水标准检验方法检测[10]，uv254采用紫外分光光度法测定[11,12]，仪器采用thermo evolution 300紫外可见分光光度计。
1.2.2计算方法
为了直观地评价臭氧活性炭工艺中主臭氧接触池与活性炭滤池对有机物处理的贡献大小，设定了效率比指标，计算方法公式（1）。fo—臭氧工艺效率比；po—臭氧工艺去除效率，%；pt—臭氧活性炭工艺整体去除效率，%。当fo>0.5时，可以认为臭氧工艺对有机物去除的贡献大，反之是活性炭工艺的贡献大。
(1)
2 结果与讨论
2.1 对codmn的去除效果
高锰酸盐指数codmn反映的是受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标[10]，可以有效反映水中有机物污染程度。图2反映了臭氧与活性炭工艺对codmn的去除效率。由图2和图5可知，臭氧活性炭工艺总体去除效率在6.52~36.76%之间，平均去除效率为19.58%，其中臭氧工艺对codmn去除效率在0~22.06%，平均去除效率为8.65%。活性炭工艺对codmn去除效率在0~24.38%，平均去除效率为12%，比臭氧工艺高3.35%。
2.2 对toc的去除效果
toc是表征水体中有机物质总量的综合指标之一，代表了水体中所含有机物质的总量，直接反映了水体被有机物质污染的程度[10]。由图3和图5可知，臭氧活性炭工艺总体去除效率在4.96~25.77%之间，平均去除效率为14.6%，其中臭氧工艺去除效率在0.11~11.15%，平均去除效率为3.18%。活性炭工艺去除效率在2.73~18.83%，平均去除效率为11.82%，比臭氧工艺高8.64%。整个臭氧活性炭工艺对toc的去除主要是由活性炭工艺来完成的。
h
2.3 对uv254的去除效果
uv254是在254 nm的波长下的紫外吸光度[11,12]，表征芳香族化合物和具有共轭双键的有机化合物含量，主要代表憎水性有机物和大分子有机物，与消毒副产物的前体物有良好的相关性，因此uv254含量的降低可以很好地遏制后期消毒副产物的生成，uv254的去除现实意义重大。
图4反映了臭氧活性炭工艺对uv254的去除情况，由图4和图5可知，臭氧活性炭工艺总体去除效率在14.71~56.76%之间，平均去除效率为37.6%，其中臭氧工艺去除效率在8.82~54.05%，平均去除效率为27.15%。活性炭工艺去除效率在0~28%，平均去除效率为14.36%，比臭氧工艺低12.79%。整个臭氧活性炭工艺对uv254的去除主要是由臭氧工艺来完成的。
2.4 有机物去除效率比
表1为有机物去除效率比值，由表1可见，codmn效率比在0~1之间，平均值在0.45，可以认为臭氧工艺与活性炭工艺对codmn去除贡献基本相当，臭氧工艺略占优势。toc效率比在0.01~0.46之间，平均值为0.21，可以判定toc主要是依靠活性炭工艺得以降解。uv254效率比在0.38~1之间，平均值为0.71，基本可以认定uv254主要是通过臭氧工艺进行分解。
由图5可见，臭氧活性炭深度处理工艺对有机物各项指标去除效率的降序排列为uv254>codmn>toc，这与国内外水厂运行结果和众多研究者的结论相同[2]。codmn、uv254所表征有机物仅是toc中的一部分，codmn主要表征其中的还原性有机物，uv254是代表其中易吸收紫外线的芳香族化合物和具有共轭双键的有机化合物。在o3条件下codmn和uv254所表征的有机物极易发生氧化分解，尤其是极易被o3氧化的芳香族化合物和具有共轭双键有机化合物uv254。根据国内外学者的研究结论得知，o3很难将codmn和uv254所表征的有机物全部氧化分解成无机物，大部分大分子有机物被分解成小分子有机物，多数为结构形式和分子量范围内的变化，而有机物总量（toc）并未发生大变化，总量去除还需借助活性碳工艺。对于经过o3改良后的有机物，其分子量小，可生化性高，提高了活性碳的去除性能，因此工艺中o3对codmn和uv254分解作用明显，去除效率较高，而活性碳工艺toc降解作用大。
关于臭氧活性炭对有机物去除机理的研究对于整个工艺的设计和运行具有重要的指导意义，因此有必要对机理作进一步的研究。
表1 有机物去除效率比
|
时间 |
codmn |
toc |
uv254 |
时间 |
codmn |
toc |
uv254 |
|
2009-5-27 |
0.57 |
0.34 |
0.74 |
2009-12-3 |
0.24 |
0.05 |
0.55 |
|
2009-6-4 |
0.64 |
0.04 |
0.88 |
2009-12-17 |
0.57 |
0.38 |
0.58 |
|
2009-6-11 |
1.00 |
0.23 |
1.00 |
2010-1-7 |
1.00 |
0.46 |
0.56 |
|
2009-6-17 |
0.31 |
0.29 |
0.73 |
2010-3-4 |
0.33 |
0.01 |
0.60 |
|
2009-7-2 |
0.53 |
0.27 |
0.78 |
2010-6-29 |
0.61 |
0.29 |
0.78 |
|
2009-7-6 |
1.00 |
0.21 |
0.91 |
2010-7-6 |
0.14 |
0.21 |
0.79 |
|
2009-7-9 |
0.66 |
0.18 |
0.95 |
2010-7-13 |
0.20 |
0.26 |
0.64 |
|
2009-7-23 |
0.20 |
0.14 |
0.83 |
2010-8-10 |
0.37 |
0.08 |
0.60 |
|
2009-7-30 |
0.30 |
0.03 |
0.81 |
2010-9-14 |
0.60 |
0.39 |
0.67 |
|
2009-8-13 |
0.50 |
0.04 |
0.53 |
2010-11-2 |
0.13 |
0.15 |
0.58 |
|
2009-8-20 |
0.25 |
0.01 |
0.69 |
平均值 |
0.45 |
0.21 |
0.71 |
|
2009-9-3 |
0.34 |
0.43 |
0.80 |
最小值 |
0.00 |
0.01 |
0.38 |
|
2009-9-17 |
0.33 |
0.31 |
0.79 |
||||
|
2009-11-19 |
0.54 |
0.27 |
0.38 |
最大值 |
1.00 |
0.46 |
1.00 |
|
2009-11-26 |
0.00 |
0.28 |
0.60 |
2.5 消毒副产物形成潜力（dbpfp）评价
toc是水体中有机物质总量的综合指标之一，doc是toc中溶解性的有机物总量，关系到难以通过常规工艺去除的那部分有机物，而uv254则是toc主要是doc中芳香族化合物和具有共辘双键的有机化合物含量，与消毒副产物的前体物有良好的相关性，因此较多研究人员用uv254/doc表征消毒副产物形成潜力（dbpfp）[9,14,15]。
表2 uv254/doc的去除效果
tab.1 uv254 / doc removal by the o3-bac process
|
|
原水 |
出水 |
去除效率（%） |
|||
|
范围 |
均值 |
范围 |
均值 |
臭氧活性碳 |
总去除 |
|
|
x水厂 |
0.010~0.035 |
0.019 |
0.005~0.012 |
0.008 |
30.8 |
57.90 |
|
东江水[9] |
0.009~0.019 |
0.013 |
0.002~0.009 |
0.006 |
- |
53.85 |
注：由于现场未测doc，故表中x水厂用uv254/toc代替。
表2中为x水厂uv254/doc的去除效果与臭氧一活性炭深度处理东江水的应用文献中数据的对比，由表1可见，x水厂对uv254/doc去除效率较高，常规工艺 深度处理工艺的整体去除效率在53.61~65.65%之间，其中臭氧活性炭深度处理部分最高，平均去除效率为30.8%，占整体处理效率的50%以上，是整个处理工艺中的主要去除单元，对消毒副产物的抑制效果较好。同江东水处理效率相比，x水厂的uv254/doc处理效果更高，这可能是水质特性不同的缘故。
3 结论
（1）臭氧工艺对codmn平均去除效率为8.65%，，比活性碳工艺低3.35%，臭氧工艺与活性炭工艺对codmn去除贡献基本相当，臭氧工艺略占优势；
（2）臭氧工艺对toc平均去除效率为3.18%，比活性碳工艺低8.64%，对toc的去除主要是由活性炭工艺来完成的；
（3）臭氧工艺对uv254平均去除效率为27.15%，比活性碳工艺高12.79%，整个臭氧活性炭工艺对uv254的去除主要是由臭氧工艺来完成的；
（4）臭氧活性炭对uv254/doc平均去除效率为30.8%，占整体处理效率的50%以上，是整个处理工艺中的主要去除单元，对消毒副产物的抑制效果较好。
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作者简介：张雪，江苏扬州人，主要从事供水生产方面的研究，发表文章5篇。
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