趙　艷　朱光燦　石晶晶　王　衛(wèi)

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 南京 210096)

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粉末活性炭吸附強(qiáng)化長(zhǎng)距離輸水管道反應(yīng)器凈水效能實(shí)驗(yàn)研究

趙艷1朱光燦1石晶晶2王衛(wèi)1

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 南京 210096)

模擬實(shí)際原水輸水管道,構(gòu)建了長(zhǎng)距離管道生物化學(xué)反應(yīng)器,研究了粉末活性炭對(duì)管道中污染物的強(qiáng)化去除作用．結(jié)果表明:有機(jī)污染物的去除效率隨粉末活性炭投加量的增加而提高;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為8 h,粉末活性炭投加量為17 mg/L時(shí),CODMn, TOC, DOC和UV254的去除率分別達(dá)到51.2%, 45.9%, 56.5%和70.6%,分別比未加粉末活性炭時(shí)提高了34.5%, 34.8%, 42.1%和57.0%;而粉末活性炭對(duì)藻類和氨氮的去除效果不明顯．同時(shí),微囊藻毒素-LR、六氯苯和鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)的去除率分別達(dá)到61.1%, 42.1%和49.0%,提高了49.3%, 31.4%和31.2%．粉末活性炭能夠有效抑制消毒副產(chǎn)物的生成．因此,針對(duì)污染較嚴(yán)重的水源水或遇到突發(fā)污染事故時(shí),向管道內(nèi)投加粉末活性炭能有效促進(jìn)污染物的去除．

原水;長(zhǎng)距離管道生物化學(xué)反應(yīng)器;粉末活性炭;微量有機(jī)污染物;消毒副產(chǎn)物

本文考察了粉末活性炭吸附對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道凈水效能的強(qiáng)化作用,分析了管道內(nèi)污染物濃度隨反應(yīng)時(shí)間和粉末活性炭投加量的變化規(guī)律,以及消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)的變化規(guī)律．研究結(jié)果可為水廠強(qiáng)化原水中污染物的去除提供參考．

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)用水

以太湖貢湖灣水源水為實(shí)驗(yàn)原水,原水經(jīng)生物預(yù)處理中試裝置處理,出水作為本研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)水,實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)如表1所示．

表1　LP-BCR進(jìn)水水質(zhì)

1.2實(shí)驗(yàn)裝置與方法

長(zhǎng)距離管道反應(yīng)器如圖1所示,采用DN100 mm的UPVC管(長(zhǎng)550 m),管道始端安裝管道提升泵,同時(shí)采用部分回流的方式來保證水流在管道內(nèi)的停留時(shí)間,出水進(jìn)入后續(xù)處理工藝．

圖1　長(zhǎng)距離輸水管道反應(yīng)器示意圖

表2　粉末活性炭性質(zhì)

1.3分析方法

微囊藻毒素-LR(MC-LR)采用固相萃取-高效液相色譜法測(cè)定,測(cè)量?jī)x器為高效液相色譜儀(Agilent1100,美國(guó)安捷倫科技有限公司),流動(dòng)相為甲醇與0.05% TFA水溶液按52∶48的比例混合,流速為1 mL/min,檢測(cè)波長(zhǎng)為238 nm,加樣量為20 μL,柱溫為40 ℃,MC-LR標(biāo)準(zhǔn)樣品購(gòu)自美國(guó)Sigma公司,采用外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定待測(cè)水樣MC-LR濃度．六氯苯采用固相萃取-氣相色譜法測(cè)定,測(cè)量?jī)x器為氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(ITQ1100,德國(guó)Thermo Fisher公司),儀器測(cè)定條件參照文獻(xiàn)[5]．PAEs也采用固相萃取-氣相色譜法測(cè)定,測(cè)量?jī)x器為氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(ITQ1100,德國(guó)Thermo Fisher公司);色譜條件為采用高純氦氣載氣,進(jìn)樣口溫度280 ℃;柱升溫程序?yàn)槠鹗紲囟?0 ℃,保留2 min,以25 ℃/min速度升到150 ℃,接著以10 ℃/min升至240 ℃,保留1 min,然后以5 ℃/min升至280 ℃,保留3 min;進(jìn)樣方式為無分流進(jìn)樣;質(zhì)譜條件為電子轟擊離子源(EI)、光電倍增器,離子掃描質(zhì)量范圍(質(zhì)荷比m/z)為50～650．消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)采用加氯培養(yǎng)7 d后測(cè)定生成的三鹵甲烷來表征,所加氯為次氯酸鈉[6]．微量有機(jī)污染物檢出方法的靈敏度、精密度和準(zhǔn)確度如表3所示．

表3　有機(jī)物的檢出限、精密度和回收率

2　結(jié)果與討論

2.1LP-BCR內(nèi)污染物濃度變化規(guī)律

2.1.1污染物去除率隨粉末活性炭投加量的變化規(guī)律

水力停留時(shí)間為8 h時(shí),管道內(nèi)各污染物的去除率隨粉末活性炭投加量的變化規(guī)律如圖2所示．

結(jié)果表明,除氨氮外,其他污染物的去除率隨粉末活性炭投加量的增加逐漸上升,當(dāng)粉末活性炭的投加量達(dá)到17 mg/L時(shí),CODMn, TOC和DOC的去除率與未加粉末活性炭時(shí)相比大幅提高,分別達(dá)到了51.2%, 45.9%和56.5%,UV254的去除率相對(duì)較高,可以高達(dá)70.6%,此時(shí)這4種指標(biāo)的去除率分別比未加粉末活性炭時(shí)提高了34.5%, 34.8%, 42.1%和57.0%．已有研究表明,粉末活性炭對(duì)原水中的有機(jī)污染物特別是分子量處于500～3 000[7]之間的有機(jī)物有較強(qiáng)的吸附能力,使CODMn等指標(biāo)的去除率大幅增加．范瑾初[8]提出的PAC與硅藻土聯(lián)用技術(shù)能使飲用水中CODMn和TOC去除40%以上,UV254吸光值降低70%以上．圖2還表明，粉末活性炭對(duì)氨氮的吸附作用較弱,氨氮的去除率隨粉末活性炭投加量的增加變化不明顯．楊建強(qiáng)等[9]采用粉末活性炭吸附預(yù)處理吳淞江微污染水源水,對(duì)氨氮的去除率也只有4.58%．這是由于粉末活性炭是一種非極性的吸附材料,其對(duì)無機(jī)離子的吸附基本依靠靜電吸附作用,粉末活性炭表面的帶電基團(tuán)對(duì)水中無機(jī)態(tài)的氨氮僅有微弱的吸附作用．粉末活性炭對(duì)藻類的吸附作用也不明顯,與未投加粉末活性炭時(shí)相比,反應(yīng)器對(duì)藻類的去除率僅提高了12.9%．

2.1.2污染物濃度和去除率隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖3顯示了在粉末活性炭投加量為17 mg/L時(shí),LP-BCR內(nèi)有機(jī)物的濃度及其去除率隨反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)．

從污染物濃度變化趨勢(shì)來看,CODMn, TOC, DOC和UV254在1 h內(nèi)均出現(xiàn)明顯的下降,前1 h去除量遠(yuǎn)大于后期,達(dá)到總?cè)コ康?0%～48%,這說明粉末活性炭能在短時(shí)間內(nèi)吸附有機(jī)物,且粉末活性炭的快速吸附期是在反應(yīng)的前1 h以內(nèi)[10],后期有機(jī)物的去除率仍然繼續(xù)升高,但吸附速率下降,原因是初期污染物與活性炭結(jié)合的面積大、位點(diǎn)多,吸附速率快,隨后活性炭漸漸接近飽和,吸附速率下降,后期污染物的降解依靠粉末活性炭的吸附和微生物的降解共同完成．另外, 反應(yīng)

(a) CODMn

(b) TOC

(c) DOC

(d) UV254圖3　CODMn, TOC, DOC和UV254隨時(shí)間的變化

時(shí)間達(dá)到8 h時(shí),UV254的去除率最高,達(dá)到了70.6%．

2.2LP-BCR內(nèi)微量有機(jī)污染物變化規(guī)律

根據(jù)2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在污染物去除效果較好的粉末活性炭投加量(17 mg/L)條件下,進(jìn)行微量有機(jī)污染物去除的實(shí)驗(yàn),水力停留時(shí)間為8 h．LP-BCR對(duì)各微量有機(jī)污染物的去除率如表4所示.

表4　LP-BCR對(duì)微量有機(jī)污染物的去除

與相同工況條件下未投加粉末活性炭的長(zhǎng)距離管道內(nèi)微量有機(jī)污染物的變化對(duì)比可知,粉末活性炭的投加使得3種微量有機(jī)污染物的去除率分別提高了49.3%,31.4%和31.2%．Campinas 等[11]采用PAC/UF 聯(lián)合工藝,加入10 mg/L PAC 處理20 μg/L MC-LR,MC-LR 的去除率可達(dá)到93%～98%．楚文海等[12]研究表明,當(dāng)粉末活性炭的投加量達(dá)到40 mg/L時(shí),六氯苯的去除率可達(dá)到98.97%,說明粉末活性炭投加量的進(jìn)一步增加可以提高六氯苯的去除效果,Penalver等[13]也發(fā)現(xiàn)粉末活性炭能夠?qū)AEs實(shí)現(xiàn)較高的去除率．因此,對(duì)于在長(zhǎng)距離輸水管道中僅通過微生物降解作用無法有效去除的難降解微量有機(jī)污染物,可以通過投加粉末活性炭的方式提高其去除效果．另外,研究表明[14],粉末活性炭對(duì)原水中重金屬離子也具有明顯的吸附作用,因此在原水突發(fā)重金屬離子污染時(shí),可以通過粉末活性炭的投加來實(shí)現(xiàn)污染物的去除．安娜等[15]發(fā)現(xiàn)PAC對(duì)水中嗅味物質(zhì)2-甲氧基-3-異丙基吡嗪(IPMP)和2-甲氧基-3-異丁基吡嗪(IBMP)吸附效果較好,當(dāng)粉末活性炭投加量為25 mg/L時(shí),兩者的去除率分別為88.7%和95.3%,在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi),吸附等溫線符合修正的Freundlich 方程,吸附速率符合二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型．Srinivasan等[16]指出在水源突發(fā)土臭素和2-MIB這2種臭味污染時(shí),投加粉末活性炭是最常用、最有效和應(yīng)用最廣泛的方式．根據(jù)太湖貢湖灣原水水質(zhì)調(diào)查結(jié)果,夏季溫度高,有利于放線菌、藻類生長(zhǎng),產(chǎn)生大量2-MIB,最高時(shí)水中2-MIB質(zhì)量濃度達(dá)到430.2 ng/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其嗅閾值,并且藍(lán)藻死后釋放出微囊藻毒素-LR,6—10月水中微囊藻毒素-LR濃度上升,這期間在長(zhǎng)距離輸水管道中投加粉末活性炭能有效去除嗅味物質(zhì)和微囊藻毒素,保障供水品質(zhì)．

2.3粉末活性炭對(duì)氯消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)的影響

進(jìn)水條件相同,水力停留時(shí)間為8 h,在投加17 mg/L的粉末活性炭和不投加粉末活性炭時(shí),考察長(zhǎng)距離輸水管道反應(yīng)器出水(分別為L(zhǎng)P-BCR出水和LP-BR出水)的氯消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)．出水加次氯酸鈉,測(cè)定生成的三鹵甲烷濃度．實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5.

三鹵甲烷是飲用水氯消毒過程中氯與水中有機(jī)物反應(yīng)所生成的主要揮發(fā)性鹵代烴類化合物．由表5可知,長(zhǎng)距離管道反應(yīng)器出水中三鹵甲烷類消毒副產(chǎn)物中檢出三氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷,未檢出三溴甲烷;三鹵甲烷類氯消毒副產(chǎn)物前體物以三氯甲烷的前體物為主,其次為一溴二氯甲烷的前體物,二溴一氯甲烷的前體物最少,投加粉末活性炭后,管道反應(yīng)器出水的3種消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)分別降低了73.2%,73.0%和65.2%．張峰[17]對(duì)污水處理后的尾水進(jìn)行混凝、粉末活性炭吸附深度處理后,發(fā)現(xiàn)大部分三鹵甲烷消毒副產(chǎn)物前體物被去除,其中吸附能夠減少84%的消毒副產(chǎn)物的生成量．Hanigan等[18]對(duì)污水處理廠二級(jí)出水進(jìn)行粉末活性炭吸附處理,水中原N-二甲基亞硝胺生成勢(shì)為544 ng/L,發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉末投加量為75 mg/L時(shí),N-二甲基亞硝胺生成勢(shì)去除率達(dá)到90%．因此粉末活性炭能有效吸附水中的消毒副產(chǎn)物前體物,抑制后續(xù)消毒過程中副產(chǎn)物的生成,提高了供水安全性．

表5LP-BCR和LP-BR出水三鹵甲烷質(zhì)量濃度 μg/L

出水三氯甲烷一溴二氯甲烷二溴一氯甲烷三溴甲烷總計(jì)LP-BCR1.060.630.47未檢出2.16LP-BR3.952.331.35未檢出7.63

3　結(jié)論

1) 當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為8 h,粉末活性炭投加量為17 mg/L時(shí),LP-BCR對(duì)CODMn, TOC, DOC和UV254的去除率與LP-BR相比顯著提高,分別達(dá)到了51.2%, 45.9%, 56.5%和70.6%;粉末活性炭對(duì)藻細(xì)胞和氨氮的吸附作用并不明顯．LP-BCR對(duì)微囊藻毒素-LR、六氯苯和鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)的去除率分別達(dá)到61.1%, 42.1%和49.0%．因此,對(duì)于污染較重的水源水以及突發(fā)有機(jī)污染事件,向管道內(nèi)投加粉末活性炭可以起到較好的強(qiáng)化處理作用．

2) 粉末活性炭在進(jìn)行污染物的吸附過程中,反應(yīng)開始1 h內(nèi)為快速吸附期,之后吸附速率明顯下降．在LP-BCR內(nèi),后期污染物的降解依靠粉末活性炭的吸附和微生物的降解共同完成．

3) 在輸水管道中投加粉末活性炭能夠有效吸附去除水中的消毒副產(chǎn)物前體物,抑制后續(xù)消毒過程中副產(chǎn)物的生成．

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Experimental study on purification efficiency of powder activated carbon adsorption enhanced long-distance water delivery pipeline reactor

Zhao Yan1Zhu Guangcan1Shi Jingjing2Wang Wei1

(1School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Architects & Engineers Co., Ltd., Southeast University, Nanjing 210096, China)

raw water; long-distance pipeline biochemical reactor; powder activated carbon; trace organic pollutant; disinfection by-product

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.021

2016-01-08.作者簡(jiǎn)介: 趙艷(1991—),女,碩士生;朱光燦(聯(lián)系人),男,博士,研究員, gc-zhu@seu.edu.cn.

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX07403-001).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.021.

X524

A

1001-0505(2016)04-0801-06

引用本文: 趙艷,朱光燦,石晶晶，等.粉末活性炭吸附強(qiáng)化長(zhǎng)距離輸水管道反應(yīng)器凈水效能實(shí)驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(4):801-806.