臭氧-生物活性炭组合工艺处理长江下游原水消毒副产物生成势研究.pdf

2023 年第 3 期 1 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水处理技术与设备臭氧-生物活性炭组合工艺处理长江下游原水消毒副产物生成势研究吉志一曹万春（中规院（北京）规划设计有限公司江苏分公司，江苏南京 210022）摘要：Z 市位于长江下游段，市区饮用水原水来源于长江。本文以 Z 市饮用水原水为研究对象，对比分析了各工艺流程出水的氯化消毒副产物生成势的去除规律并讨论增加长江下游段给水厂中臭氧-生物活性炭深度处理工艺的必要性。结果表明，原水中的溶解性有机物以小分子前体物为主，且以强疏水性成分为主，各工艺流程出水的消毒副产物生成势以 10kDa 的 DOC 值从 0.948mg/L下降到 0.410mg/L，去除率为 56.8%，而分子 量 1kDa 的 DOC 值 由 1.104mg/L 上 升 到1.384mg/L，增长了 25.4%，总 DOC 的值几乎没有变化，根据 Sathasivan 等人的研究发现，臭氧对于有机物的氧化，以分解和改变有机物存在形态为主，而不是完全矿化11。投加臭氧后，大量不溶于水的大分子有机物被氧化分解为小分子、易生物降解有机物，弥补了生物活性炭对大分子难降解物质去除能力差的缺点，另一方面臭氧使大分子转化为小分子，使可生物降解有机物增加，强化了生物活性炭的生物降解能力。由于臭氧工艺氧化分解部分大分子有机物，使得生物活性炭工艺的进水中有机物的主要集中于分子量 3kDa 的小分子有机物，生物活性炭工艺对于这部分有机物的去除率达到了 38.4%，有效弥补了常规工艺的不足。同时值得注意的是由于实验时间位于冬季，微生物活性较低，理论上夏季的处理效果应更为显著。但是在生物活性炭滤池出水中，分子量在 10kDa100kDa 的有机物明显增加，这些物质可能主要来自于炭床中微生物在内源呼吸过程中代谢的一些产物以及一些细菌死后细胞解体产生的物质，有待进一步研究。由表 2 可以看出，原水以及常规工艺出水中，以强疏水性有机物为主，分别占比 43.12%和 41.93%，经过臭氧氧化处理之后，疏水性物质被大量转化为亲水性物质，亲水性有机物浓度占比 36.65%。疏水性物质具有更高的 THMs生成潜能，因此臭氧氧化能有效减少 THMs 等消毒副产物的生成。从这个角度来说，为提供优质饮用水，Z 市添加臭氧-生物活性炭深度处理工艺是必要的，可有效弥补常规工艺对于疏水性有机物去除效率较低的不足，保障饮用水水质安全，提供优质饮用水。表 1水中可溶性有机物分子量的 UV254和 DOC 分布工艺阶段指标总值100kDa原水DOC（mg/L）3.4580.9840.8980.6280.6940.254UV254（cm-1）0.0610.0180.0150.0110.0120.005SUVA（L/（mg m）1.7641.8291.6701.7521.9111.969常规工艺出水DOC（mg/L）2.6021.1040.6940.3930.3010.109UV254（cm-1)0.0430.0140.0110.0100.0070.001SUVA(L/（mg m）1.6531.2681.5852.5382.3260.917臭氧工艺出水DOC（mg/L）2.5951.3840.7320.3090.0960.074UV254（cm-1）0.0280.0180.0060.0020.0010.001SUVA（L/（mg m）1.0791.3010.8200.6471.0421.351BAC 工艺出水DOC（mg/L）1.7200.7750.5280.0630.3090.045UV254（cm-1）0.0270.0110.0070.0010.0060.002SUVA(L/（mg m）1.5701.4191.5871.3262.0300.787*以上数据均为三次平行实验平均数据2023 年第 3 期 4 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水处理技术与设备2.2 深度处理过程中 DBPs 生成势的分子量分布规律对比实验中固定臭氧接触时间为 15min，臭氧投加量 2mg/L，臭氧三级投加比例为 6：2：2，进水水温 10.5 25.5，pH7.55 7.84，氨氮 0.09 0.021。净水过程中不同阶段的出水，使用超滤膜法进行过滤试验，分离后的水样进行消毒副产物的生成势培养实验，得到消毒副产物生成势随分子量变化的分布规律，分别见图 1、图 2。从消毒副产物生成势的生成量来看，整个净水过程中，分子量 3kDa 的小分子量有机物的副产物生成量占比较高，三卤甲烷生成势浓度分别为 115.23g/L、128.43g/L、131.05g/L 和 72.43g/L，占 比 66.34%、78.96%、91.84%和 78.01%；卤 乙 酸 生 成势 浓 度 分 别 为 126.41g/L、117.05g/L、127.36g/L、73.75g/L，占比63.06%、69.58%、84.94%和 76.90%，这也与分子量 100k 10k100k 3k10k1k3k0.5k1k100k 10k100k 3k10k1k3k0.5k1k0.5k0102030405060卤乙酸生成势(g/L)分子量区间(Da)原水 常规工艺出水 臭氧氧化工艺出水 BAC工艺出水图 3净水过程中卤乙酸生成势的分子量分布规律2023 年第 3 期 5 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水处理技术与设备该集中在分子量 HPITPI，其中 HPI 组分与 TPI 组分的水样产生的消毒副产物浓度基本相同，而 HPO 组分的水样，产生的消毒副产物生成势浓度最大，在四个阶段的出水中，分别占总消毒副产物生成势浓度的 63.14%、60.12%、57.78%和 57.59%，这是因为强疏水性有机物中腐殖酸含量较高，而腐殖酸是重要的消毒副产物前体物12，同时，这也与 DOC的组成规律基本一致。因此从控制消毒副产物生成的角度来说，Z 地区饮用水中重点去除的有机物主体应该是强疏水性有机物。HPO 组分的水样中，三卤甲烷生成势浓度与卤乙酸生成势浓度基本相同，三卤甲烷生成势浓度稍高。HPI 组分的水样中，三卤甲烷的生成量较高，浓度占比分别为 59.14%、61.23%、66.05%和 63.73%。而 TPI 组分的水样中，产生了较多的卤乙酸，四个阶段的浓度 占 比 分 别 为 79.85%、75.31%、74.02%和74.87%，同时可以看出，常规处理工艺对于TPI 组分的水样中消毒副产物前体物去除效果不是很明显，但是 BAC 工艺对于这部分水样的处理效果比较好，去除率达到了 60.72%，这也解释了深度处理过程中，卤乙酸的去除率要明显高于三卤甲烷的原因。常规处理工艺对HPOTPIHPIHPOTPIHPIHPOTPIHPIHPOTPIHPI020406080100120140消毒副产物生成势浓度(g/L)分级组分 三卤甲烷生成势 卤乙酸生成势原水常规工艺出水臭氧氧化工艺出水BAC工艺出水图 4 净水过程中亲疏水性组分氯化消毒副产物生成势分布规律（HPO：强疏水性有机物；TPI：弱疏水性有机物；HPI：亲水性有机物）2023 年第 3 期 6 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水处理技术与设备于三个组分的水样处理效果都不是特别明显，因此，针对 Z 市提供优质引用水的目标来说，采用深度处理工艺提高出水水质是必要的。3.结论Z 市饮用水原水中的有机物以小分子前体物为主，主要分布在 3kDa 的区间内，且强疏水性成分所占比例最高。普通工艺对于这一部分有机物的去除效果不甚理想，因此，可以通过臭氧-生物活性炭深度处理等方式有效去除水中小分子有机物，有效降低水中氯消毒生成的风险，提高出水水质，提供优质饮用水。净水过程各工艺阶段的出水中，均以3kDa 区间的小分子有机物的消毒副产物生成势生成浓度最大，从控制消毒副产物生成的角度来说，应作为 Z 市饮用水处理的控制主体。且存在分子量越小，生成浓度越大的趋势。各工艺阶段的出水中，均以强疏水性组分有机物所占比例最高，生成势浓度最大，占比在 60%左右。从控制消毒副产物生成的角度来说，应作为 Z 市饮用水处理的控制主体。参考文献：1 Zheng，D.N.，et al.，Effects of coagulation on the removal of natural organic matter，genotoxicity，and precursors to halogenated furanones.Water Research，2015，70：p.118 1292 Zhang，Y.，et al.，A review of different drinking water treatments for natural organic matter removal.Water Science and Technology-Water Supply，2015，15（3）：p.442 4553 Ribas，F.，et al.，Efficiency of various water treatment processes in the removal of biodegradable and refractory organic matter.Water Research，1997.31（3）：p.639 6494 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