趙　艷　朱光燦　石晶晶　王　衛(wèi)

(1東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)(2東南大學建筑設計研究院有限公司, 南京 210096)

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粉末活性炭吸附強化長距離輸水管道反應器凈水效能實驗研究

趙艷1朱光燦1石晶晶2王衛(wèi)1

(1東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)(2東南大學建筑設計研究院有限公司, 南京 210096)

模擬實際原水輸水管道,構建了長距離管道生物化學反應器,研究了粉末活性炭對管道中污染物的強化去除作用．結果表明:有機污染物的去除效率隨粉末活性炭投加量的增加而提高;當反應時間為8 h,粉末活性炭投加量為17 mg/L時,CODMn, TOC, DOC和UV254的去除率分別達到51.2%, 45.9%, 56.5%和70.6%,分別比未加粉末活性炭時提高了34.5%, 34.8%, 42.1%和57.0%;而粉末活性炭對藻類和氨氮的去除效果不明顯．同時,微囊藻毒素-LR、六氯苯和鄰苯二甲酸酯類物質的去除率分別達到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物的生成．因此,針對污染較嚴重的水源水或遇到突發(fā)污染事故時,向管道內投加粉末活性炭能有效促進污染物的去除．

原水;長距離管道生物化學反應器;粉末活性炭;微量有機污染物;消毒副產物

本文考察了粉末活性炭吸附對長距離輸水管道凈水效能的強化作用,分析了管道內污染物濃度隨反應時間和粉末活性炭投加量的變化規(guī)律,以及消毒副產物生成勢的變化規(guī)律．研究結果可為水廠強化原水中污染物的去除提供參考．

1　材料與方法

1.1實驗用水

以太湖貢湖灣水源水為實驗原水,原水經生物預處理中試裝置處理,出水作為本研究實驗進水,實驗期間進水水質如表1所示．

表1　LP-BCR進水水質

1.2實驗裝置與方法

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

圖1　長距離輸水管道反應器示意圖

表2　粉末活性炭性質

1.3分析方法

微囊藻毒素-LR(MC-LR)采用固相萃取-高效液相色譜法測定,測量儀器為高效液相色譜儀(Agilent1100,美國安捷倫科技有限公司),流動相為甲醇與0.05% TFA水溶液按52∶48的比例混合,流速為1 mL/min,檢測波長為238 nm,加樣量為20 μL,柱溫為40 ℃,MC-LR標準樣品購自美國Sigma公司,采用外標標準曲線確定待測水樣MC-LR濃度．六氯苯采用固相萃取-氣相色譜法測定,測量儀器為氣相色譜/質譜聯(lián)用儀(ITQ1100,德國Thermo Fisher公司),儀器測定條件參照文獻[5]．PAEs也采用固相萃取-氣相色譜法測定,測量儀器為氣相色譜/質譜聯(lián)用儀(ITQ1100,德國Thermo Fisher公司);色譜條件為采用高純氦氣載氣,進樣口溫度280 ℃;柱升溫程序為起始溫度50 ℃,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;進樣方式為無分流進樣;質譜條件為電子轟擊離子源(EI)、光電倍增器,離子掃描質量范圍(質荷比m/z)為50～650．消毒副產物生成勢采用加氯培養(yǎng)7 d后測定生成的三鹵甲烷來表征,所加氯為次氯酸鈉[6]．微量有機污染物檢出方法的靈敏度、精密度和準確度如表3所示．

表3　有機物的檢出限、精密度和回收率

2　結果與討論

2.1LP-BCR內污染物濃度變化規(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

水力停留時間為8 h時,管道內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,當粉末活性炭的投加量達到17 mg/L時,CODMn, TOC和DOC的去除率與未加粉末活性炭時相比大幅提高,分別達到了51.2%, 45.9%和56.5%,UV254的去除率相對較高,可以高達70.6%,此時這4種指標的去除率分別比未加粉末活性炭時提高了34.5%, 34.8%, 42.1%和57.0%．已有研究表明,粉末活性炭對原水中的有機污染物特別是分子量處于500～3 000[7]之間的有機物有較強的吸附能力,使CODMn等指標的去除率大幅增加．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．楊建強等[9]采用粉末活性炭吸附預處理吳淞江微污染水源水,對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,其對無機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對水中無機態(tài)的氨氮僅有微弱的吸附作用．粉末活性炭對藻類的吸附作用也不明顯,與未投加粉末活性炭時相比,反應器對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,LP-BCR內有機物的濃度及其去除率隨反應時間的變化趨勢．

從污染物濃度變化趨勢來看,CODMn, TOC, DOC和UV254在1 h內均出現(xiàn)明顯的下降,前1 h去除量遠大于后期,達到總去除量的30%～48%,這說明粉末活性炭能在短時間內吸附有機物,且粉末活性炭的快速吸附期是在反應的前1 h以內[10],后期有機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合的面積大、位點多,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

(a) CODMn

(b) TOC

(c) DOC

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

時間達到8 h時,UV254的去除率最高,達到了70.6%．

2.2LP-BCR內微量有機污染物變化規(guī)律

根據(jù)2.1節(jié)的實驗結果,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,進行微量有機污染物去除的實驗,水力停留時間為8 h．LP-BCR對各微量有機污染物的去除率如表4所示.

表4　LP-BCR對微量有機污染物的去除

與相同工況條件下未投加粉末活性炭的長距離管道內微量有機污染物的變化對比可知,粉末活性炭的投加使得3種微量有機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 的去除率可達到93%～98%．楚文海等[12]研究表明,當粉末活性炭的投加量達到40 mg/L時,六氯苯的去除率可達到98.97%,說明粉末活性炭投加量的進一步增加可以提高六氯苯的去除效果,Penalver等[13]也發(fā)現(xiàn)粉末活性炭能夠對PAEs實現(xiàn)較高的去除率．因此,對于在長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,可以通過粉末活性炭的投加來實現(xiàn)污染物的去除．安娜等[15]發(fā)現(xiàn)PAC對水中嗅味物質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,當粉末活性炭投加量為25 mg/L時,兩者的去除率分別為88.7%和95.3%,在實驗濃度范圍內,吸附等溫線符合修正的Freundlich 方程,吸附速率符合二級反應動力學模型．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,投加粉末活性炭是最常用、最有效和應用最廣泛的方式．根據(jù)太湖貢湖灣原水水質調查結果,夏季溫度高,有利于放線菌、藻類生長,產生大量2-MIB,最高時水中2-MIB質量濃度達到430.2 ng/L,遠遠高于其嗅閾值,并且藍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,這期間在長距離輸水管道中投加粉末活性炭能有效去除嗅味物質和微囊藻毒素,保障供水品質．

2.3粉末活性炭對氯消毒副產物生成勢的影響

進水條件相同,水力停留時間為8 h,在投加17 mg/L的粉末活性炭和不投加粉末活性炭時,考察長距離輸水管道反應器出水(分別為LP-BCR出水和LP-BR出水)的氯消毒副產物生成勢．出水加次氯酸鈉,測定生成的三鹵甲烷濃度．實驗結果見表5.

三鹵甲烷是飲用水氯消毒過程中氯與水中有機物反應所生成的主要揮發(fā)性鹵代烴類化合物．由表5可知,長距離管道反應器出水中三鹵甲烷類消毒副產物中檢出三氯甲烷、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,管道反應器出水的3種消毒副產物生成勢分別降低了73.2%,73.0%和65.2%．張峰[17]對污水處理后的尾水進行混凝、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物前體物被去除,其中吸附能夠減少84%的消毒副產物的生成量．Hanigan等[18]對污水處理廠二級出水進行粉末活性炭吸附處理,水中原N-二甲基亞硝胺生成勢為544 ng/L,發(fā)現(xiàn)當粉末投加量為75 mg/L時,N-二甲基亞硝胺生成勢去除率達到90%．因此粉末活性炭能有效吸附水中的消毒副產物前體物,抑制后續(xù)消毒過程中副產物的生成,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LP-BCR1.060.630.47未檢出2.16LP-BR3.952.331.35未檢出7.63

3　結論

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

2) 粉末活性炭在進行污染物的吸附過程中,反應開始1 h內為快速吸附期,之后吸附速率明顯下降．在LP-BCR內,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物前體物,抑制后續(xù)消毒過程中副產物的生成．

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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.

國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目(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.粉末活性炭吸附強化長距離輸水管道反應器凈水效能實驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(4):801-806.