臭氧活性炭工藝對有機物去除效果分析

孫 婷 徐 慧

（濟南水務(wù)集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

近些年來，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染的加重，導(dǎo)致黃河水污染日趨嚴(yán)重，原水中氮磷物質(zhì)、有機物含量高[1]。若采用常規(guī)飲用水處理工藝，只能去除原水中的懸浮物、膠體和細(xì)菌，而不能去除水中的有機物，不能解決日益嚴(yán)重的藻類、嗅味等很多問題。因此，濟南市水廠引入臭氧活性炭深度處理工藝，該工藝的作用機理是臭氧先對大分子有機物進行氧化分解，活性炭吸附去除化合物或臭氧化副產(chǎn)物，提高處理強度，有效處理微污染水源[2-3]。

濟南市某水廠引黃河水作為水源，水廠除傳統(tǒng)水處理工藝外，同時采用臭氧活性炭高級氧化深度處理工藝。通過對各個工藝處CODMn、TOC、UV254、嗅味物質(zhì)二甲基異坎醇和土臭素含量的測試，掌握其含量變化的整體走勢得出深度處理工藝對有機物的去除效果。選擇夏天最熱的8—10月份進行試驗，此時氣候高溫高濕，微生物繁殖，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，導(dǎo)致水中有機物增多，是驗證臭氧活性炭工藝對有機物去除效果的最佳時間。除此之外，針對臭氧活性活性炭的消毒副產(chǎn)物進行測試，跟蹤了水處理過程中的溴酸鹽和前驅(qū)體溴離子含量。

1 實驗概況及過程方法

1.1 水廠概況

該水廠設(shè)計規(guī)模為10萬t/d，凈水工藝流程：進場原水+高密度沉淀池+臭氧接觸池+活性炭濾池+V型砂濾池+出廠水。臭氧接觸池設(shè)計處理規(guī)模10萬m3/d，分2格。臭氧設(shè)計最大投加量2.5 mg/L，設(shè)計停留時間約16min，接觸池分3段， 分段曝氣量分別為50%，25%，25%，采用密閉對流接觸方式，在接觸池下部采用微孔曝氣，臭氧上向流，水流下向流。活性炭分為單排布置，平面尺寸42.60m×16.55 m，結(jié)構(gòu)高度為8.05 m，采用上向流形式，設(shè)計處理規(guī)模10萬m3/d，分6格，單格有效過濾面積65m2，濾速11.2 m/h ，活性炭濾料層厚2.5 m，活性炭濾池采用單獨氣反沖洗。

1.2 實驗過程

2020年8—10月，平均每隔10 d，在進場原水、高密度沉淀池后、臭氧接觸池后、活性炭濾池后、V型砂濾池后、出廠水處進行采樣，分別檢測CODMn、TOC、UV254、嗅味物質(zhì)二甲基異坎醇和土臭素，針對其含量變化走勢，確定臭氧活性炭對有機物去除效果。同時檢測進場原水溴離子含量，測定臭氧消毒副產(chǎn)物溴酸鹽的走勢。

1.3 實驗方法

CODMn采用 GB/T 5750.7-2006 酸性高錳酸鉀滴定法測定；UV254采用紫外分光光度儀（TU-1950 PERSEE）測定；TOC采用儀器分析儀（TOC -V CPH SHIMADZU）測定；嗅味物質(zhì)二甲基異坎醇和土臭素采用固相萃取（Auto SPE-06plus Reeko）前處理，結(jié)合氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS GC：Trace 1300 Thermo Scientific， MS：ISQ Thermo Scientific）測定。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 對總有機碳（TOC）的去除效果分析

TOC是以碳的含量表示水中有機物的總量。進場原水中的TOC含量在3.03 mg/L～3.15 mg/L（如圖1所示）。圖1顯示TOC在臭氧活性炭池階段的去除效果較為明顯，主要原因是有機物經(jīng)臭氧被分解為小分子，后被活性炭吸附，使總有機碳含量下降[3]，出廠水中TOC的含量下降至1.27mg/L～1.47mg/L，去除率51.8%～59.5%，僅在活性炭階段，去除率已達(dá)36.1%～44.1%。但砂濾池出水TOC比活性炭池出水TOC含量要高，分析原因推測應(yīng)該是砂濾池含有的有機物溶解到水中，同時加氯消毒時因氯的氧化作用也降解了部分溶解性有機碳。

圖1 2020年8月-10月濟南市某水廠各質(zhì)控點TOC折線圖

2.2 對UV254的去除效果分析

UV254是水中一些有機物在254nm波長紫外光下的吸光度，表征芳香族化合物和具有共轆雙鍵的有機化合物含量，主要代表憎水性有機物和大分子有機物[4]。進場原水中UV254的含量在0.013mg/L～0.029mg/L（如圖2所示）。從圖2分析，在臭氧階段和活性炭池階段的去除效果最為顯著，這是由于臭氧氧化分解大分子，使懸浮物被分解，吸光度下降。然后被活性炭池吸附，使UV254的去除率得到顯著提升，出廠水中UV254的含量下降至0.006mg/L～0.013mg/L，UV254最終去除率為30.8%～65.2%，僅在臭氧活性炭階段去除率已達(dá)到46.2%～62.1%，可見臭氧活性炭池階段對UV254的去除效果最明顯。

圖2 2020年8月-10月濟南市某水廠各質(zhì)控點UV254折線圖

2.3 對CODMn的去除效果分析

CODMn反映的是受有機污染物和還原性無機物質(zhì)污染程度的綜合指標(biāo)。從圖3看出，CODMn從進廠開始，在各工藝階段都有減少，這與之前研究的結(jié)論是相似的[5]。1）由于混凝沉淀去除一部分藻類和有機物。2）進入臭氧接觸池后，由于臭氧的強氧化作用，能夠破壞水中具有不飽和鍵和芳香結(jié)構(gòu)的有機物，提高了有機物的可生化性和可吸附性[3]，配合活性炭的吸附作用又去除一部分有機物。3）當(dāng)進入砂濾池，再次過濾掉一部分有機物。經(jīng)過水處理各個階段，使CODMn去除率最高達(dá)71.4%。

圖3 2020年8月-10月濟南市某水廠各質(zhì)控點CODMn折線圖

2.4 對嗅味物質(zhì)（二甲基異莰醇、土臭素）的去除效果分析

由于夏季高溫高濕，工業(yè)廢物排放造成水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水中藻類生長，產(chǎn)生嗅味物質(zhì)。二甲基異莰醇和土臭素是造成飲用水中嗅味問題的常見化合物，它們均為飽和環(huán)叔醇類物質(zhì)，具有氧化抗性。氯、二氧化氯和高錳酸鉀等常見氧化劑對去除這2種嗅味化合物基本無效。在這樣的背景下，深度處理工藝高級氧化對大分子難降解有機物特有的高反應(yīng)速度和非選擇性的優(yōu)勢，使其去除效果良好[6]。該文針對嗅味物質(zhì)二甲基異莰醇和土臭素同時進行了為期2個月的跟蹤測試。

圖4顯示，該水廠進場原水的二甲基異坎醇的含量（10.396 ng/L～98.2 ng/L）是超出國家標(biāo)準(zhǔn)的（10 ng/L），但是在出廠水時，均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。由圖4可得，二甲基異坎醇的含量在進入臭氧活性炭時出現(xiàn)大幅度減少，這是由于臭氧的氧化能力極強，它破壞有機污染物的分子結(jié)構(gòu)，改變污染物的性質(zhì)，配合粉末活性炭利用其巨大的比表面積對水中二甲基異坎醇進行有效的吸附，達(dá)到良好的去除嗅味物質(zhì)二甲基異莰醇的效果，這最終使二甲基異莰醇的去除率高達(dá)98.0%。

圖4 2020年8月-10月濟南市某水廠各質(zhì)控點二甲基異莰醇折線圖

圖5顯示，進場原水中土臭素的含量即在國家標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)（10 ng/L），經(jīng)過整個水處理工藝階段，土臭素含量呈下降趨勢，最高去除率達(dá)到49.3%。經(jīng)過該實驗，發(fā)現(xiàn)該水廠臭氧活性炭砂濾池工藝對土臭素的去除不如對二甲基異莰醇的去除效果好，這可能是由于進場原水中土臭素含量不高造成的。

圖5 2020年8月-10月濟南市某水廠各質(zhì)控點土臭素折線圖

2.5 對消毒副產(chǎn)物的檢測

對全質(zhì)控過程的消毒副產(chǎn)物溴酸鹽及其前驅(qū)體溴離子進行檢測，發(fā)現(xiàn)溴酸鹽在整個水處理工藝中均無超標(biāo)現(xiàn)象（小于0.005 mg/L）。這是由于該水廠進場原水的溴離子含量在0.063 mg/L～0.085 mg/L（表1），眾所周知，溴離子濃度是影響臭氧化過程中溴酸鹽生成的重要因素，且存在一個臨界濃度，低于此濃度時，溴酸鹽的生成量低于儀器的檢測限（5 g/L），而這個臨界濃度隨水質(zhì)不同而變化；當(dāng)要保證一定的剩余消毒臭氧量時，溴離子的臨界濃度為0.18 mg/L[7-8]，同樣從理論上分析，進場原水的溴離子含量低于溴酸鹽超標(biāo)的臨界值，無生成溴酸鹽的風(fēng)險。

表1 2020年8月-10月濟南市某水廠進場原水溴離子含量

3 結(jié)論

該文在臭氧活性炭深度處理工藝的研究中，主要探討了其對有機物的去除效果及去除原理，臭氧的強氧化性將大分子有機物氧化成小分子結(jié)構(gòu)，利用活性炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和砂濾池的過濾能力，對水中小分子進行吸附，促進了工藝對水中有機污染物的去除效果，不僅針對通常指標(biāo)TOC、UV254和CODMn進行跟蹤監(jiān)測，還針對濟南市水源特有嗅味污染物二甲基異莰醇和土臭素進行檢測。實驗為期2個月，進行了6組平行實驗，避免了實驗的偶然性和突發(fā)性，增強了深度處理工藝對黃河水的污染物的去除能力及效果。除此之外，整個水處理過程沒有產(chǎn)生致癌物溴酸鹽。這說明臭氧活性炭深度處理工藝的引進，在一定程度上解決了有機物增多的突出問題，解決了用戶為之困擾的嗅味增多等問題，解決了濟南市日益增長的水質(zhì)問題，是符合水處理發(fā)展正向規(guī)律的，為日后水廠運行提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。