粉末活性炭吸附强化长距离输水管道反应器净水效能实验研究

赵　艳　朱光灿　石晶晶　王　卫

(1东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(2东南大学建筑设计研究院有限公司, 南京 210096)



粉末活性炭吸附强化长距离输水管道反应器净水效能实验研究

赵艳1朱光灿1石晶晶2王卫1

(1东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(2东南大学建筑设计研究院有限公司, 南京 210096)

模拟实际原水输水管道,构建了长距离管道生物化学反应器,研究了粉末活性炭对管道中污染物的强化去除作用．结果表明:有机污染物的去除效率随粉末活性炭投加量的增加而提高;当反应时间为8 h,粉末活性炭投加量为17 mg/L时,CODMn, TOC, DOC和UV254的去除率分别达到51.2%, 45.9%, 56.5%和70.6%,分别比未加粉末活性炭时提高了34.5%, 34.8%, 42.1%和57.0%;而粉末活性炭对藻类和氨氮的去除效果不明显．同时,微囊藻毒素-LR、六氯苯和邻苯二甲酸酯类物质的去除率分别达到61.1%, 42.1%和49.0%,提高了49.3%, 31.4%和31.2%．粉末活性炭能够有效抑制消毒副产物的生成．因此,针对污染较严重的水源水或遇到突发污染事故时,向管道内投加粉末活性炭能有效促进污染物的去除．

原水;长距离管道生物化学反应器;粉末活性炭;微量有机污染物;消毒副产物

本文考察了粉末活性炭吸附对长距离输水管道净水效能的强化作用,分析了管道内污染物浓度随反应时间和粉末活性炭投加量的变化规律,以及消毒副产物生成势的变化规律．研究结果可为水厂强化原水中污染物的去除提供参考．

1　材料与方法

1.1实验用水

以太湖贡湖湾水源水为实验原水,原水经生物预处理中试装置处理,出水作为本研究实验进水,实验期间进水水质如表1所示．

表1　LP-BCR进水水质

1.2实验装置与方法

长距离管道反应器如图1所示,采用DN100 mm的UPVC管(长550 m),管道始端安装管道提升泵,同时采用部分回流的方式来保证水流在管道内的停留时间,出水进入后续处理工艺．

图1　长距离输水管道反应器示意图

表2　粉末活性炭性质

1.3分析方法

微囊藻毒素-LR(MC-LR)采用固相萃取-高效液相色谱法测定,测量仪器为高效液相色谱仪(Agilent1100,美国安捷伦科技有限公司),流动相为甲醇与0.05% TFA水溶液按52∶48的比例混合,流速为1 mL/min,检测波长为238 nm,加样量为20 μL,柱温为40 ℃,MC-LR标准样品购自美国Sigma公司,采用外标标准曲线确定待测水样MC-LR浓度．六氯苯采用固相萃取-气相色谱法测定,测量仪器为气相色谱/质谱联用仪(ITQ1100,德国Thermo Fisher公司),仪器测定条件参照文献[5]．PAEs也采用固相萃取-气相色谱法测定,测量仪器为气相色谱/质谱联用仪(ITQ1100,德国Thermo Fisher公司);色谱条件为采用高纯氦气载气,进样口温度280 ℃;柱升温程序为起始温度50 ℃,保留2 min,以25 ℃/min速度升到150 ℃,接着以10 ℃/min升至240 ℃,保留1 min,然后以5 ℃/min升至280 ℃,保留3 min;进样方式为无分流进样;质谱条件为电子轰击离子源(EI)、光电倍增器,离子扫描质量范围(质荷比m/z)为50～650．消毒副产物生成势采用加氯培养7 d后测定生成的三卤甲烷来表征,所加氯为次氯酸钠[6]．微量有机污染物检出方法的灵敏度、精密度和准确度如表3所示．

表3　有机物的检出限、精密度和回收率

2　结果与讨论

2.1LP-BCR内污染物浓度变化规律

2.1.1污染物去除率随粉末活性炭投加量的变化规律

水力停留时间为8 h时,管道内各污染物的去除率随粉末活性炭投加量的变化规律如图2所示．

结果表明,除氨氮外,其他污染物的去除率随粉末活性炭投加量的增加逐渐上升,当粉末活性炭的投加量达到17 mg/L时,CODMn, TOC和DOC的去除率与未加粉末活性炭时相比大幅提高,分别达到了51.2%, 45.9%和56.5%,UV254的去除率相对较高,可以高达70.6%,此时这4种指标的去除率分别比未加粉末活性炭时提高了34.5%, 34.8%, 42.1%和57.0%．已有研究表明,粉末活性炭对原水中的有机污染物特别是分子量处于500～3 000[7]之间的有机物有较强的吸附能力,使CODMn等指标的去除率大幅增加．范瑾初[8]提出的PAC与硅藻土联用技术能使饮用水中CODMn和TOC去除40%以上,UV254吸光值降低70%以上．图2还表明，粉末活性炭对氨氮的吸附作用较弱,氨氮的去除率随粉末活性炭投加量的增加变化不明显．杨建强等[9]采用粉末活性炭吸附预处理吴淞江微污染水源水,对氨氮的去除率也只有4.58%．这是由于粉末活性炭是一种非极性的吸附材料,其对无机离子的吸附基本依靠静电吸附作用,粉末活性炭表面的带电基团对水中无机态的氨氮仅有微弱的吸附作用．粉末活性炭对藻类的吸附作用也不明显,与未投加粉末活性炭时相比,反应器对藻类的去除率仅提高了12.9%．

2.1.2污染物浓度和去除率随时间的变化规律

图3显示了在粉末活性炭投加量为17 mg/L时,LP-BCR内有机物的浓度及其去除率随反应时间的变化趋势．

从污染物浓度变化趋势来看,CODMn, TOC, DOC和UV254在1 h内均出现明显的下降,前1 h去除量远大于后期,达到总去除量的30%～48%,这说明粉末活性炭能在短时间内吸附有机物,且粉末活性炭的快速吸附期是在反应的前1 h以内[10],后期有机物的去除率仍然继续升高,但吸附速率下降,原因是初期污染物与活性炭结合的面积大、位点多,吸附速率快,随后活性炭渐渐接近饱和,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, 反应

(a) CODMn

(b) TOC

(c) DOC

(d) UV254图3　CODMn, TOC, DOC和UV254随时间的变化

时间达到8 h时,UV254的去除率最高,达到了70.6%．

2.2LP-BCR内微量有机污染物变化规律

根据2.1节的实验结果,在污染物去除效果较好的粉末活性炭投加量(17 mg/L)条件下,进行微量有机污染物去除的实验,水力停留时间为8 h．LP-BCR对各微量有机污染物的去除率如表4所示.

表4　LP-BCR对微量有机污染物的去除

与相同工况条件下未投加粉末活性炭的长距离管道内微量有机污染物的变化对比可知,粉末活性炭的投加使得3种微量有机污染物的去除率分别提高了49.3%,31.4%和31.2%．Campinas 等[11]采用PAC/UF 联合工艺,加入10 mg/L PAC 处理20 μg/L MC-LR,MC-LR 的去除率可达到93%～98%．楚文海等[12]研究表明,当粉末活性炭的投加量达到40 mg/L时,六氯苯的去除率可达到98.97%,说明粉末活性炭投加量的进一步增加可以提高六氯苯的去除效果,Penalver等[13]也发现粉末活性炭能够对PAEs实现较高的去除率．因此,对于在长距离输水管道中仅通过微生物降解作用无法有效去除的难降解微量有机污染物,可以通过投加粉末活性炭的方式提高其去除效果．另外,研究表明[14],粉末活性炭对原水中重金属离子也具有明显的吸附作用,因此在原水突发重金属离子污染时,可以通过粉末活性炭的投加来实现污染物的去除．安娜等[15]发现PAC对水中嗅味物质2-甲氧基-3-异丙基吡嗪(IPMP)和2-甲氧基-3-异丁基吡嗪(IBMP)吸附效果较好,当粉末活性炭投加量为25 mg/L时,两者的去除率分别为88.7%和95.3%,在实验浓度范围内,吸附等温线符合修正的Freundlich 方程,吸附速率符合二级反应动力学模型．Srinivasan等[16]指出在水源突发土臭素和2-MIB这2种臭味污染时,投加粉末活性炭是最常用、最有效和应用最广泛的方式．根据太湖贡湖湾原水水质调查结果,夏季温度高,有利于放线菌、藻类生长,产生大量2-MIB,最高时水中2-MIB质量浓度达到430.2 ng/L,远远高于其嗅阈值,并且蓝藻死后释放出微囊藻毒素-LR,6—10月水中微囊藻毒素-LR浓度上升,这期间在长距离输水管道中投加粉末活性炭能有效去除嗅味物质和微囊藻毒素,保障供水品质．

2.3粉末活性炭对氯消毒副产物生成势的影响

进水条件相同,水力停留时间为8 h,在投加17 mg/L的粉末活性炭和不投加粉末活性炭时,考察长距离输水管道反应器出水(分别为LP-BCR出水和LP-BR出水)的氯消毒副产物生成势．出水加次氯酸钠,测定生成的三卤甲烷浓度．实验结果见表5.

三卤甲烷是饮用水氯消毒过程中氯与水中有机物反应所生成的主要挥发性卤代烃类化合物．由表5可知,长距离管道反应器出水中三卤甲烷类消毒副产物中检出三氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷,未检出三溴甲烷;三卤甲烷类氯消毒副产物前体物以三氯甲烷的前体物为主,其次为一溴二氯甲烷的前体物,二溴一氯甲烷的前体物最少,投加粉末活性炭后,管道反应器出水的3种消毒副产物生成势分别降低了73.2%,73.0%和65.2%．张峰[17]对污水处理后的尾水进行混凝、粉末活性炭吸附深度处理后,发现大部分三卤甲烷消毒副产物前体物被去除,其中吸附能够减少84%的消毒副产物的生成量．Hanigan等[18]对污水处理厂二级出水进行粉末活性炭吸附处理,水中原N-二甲基亚硝胺生成势为544 ng/L,发现当粉末投加量为75 mg/L时,N-二甲基亚硝胺生成势去除率达到90%．因此粉末活性炭能有效吸附水中的消毒副产物前体物,抑制后续消毒过程中副产物的生成,提高了供水安全性．

表5LP-BCR和LP-BR出水三卤甲烷质量浓度 μg/L

出水三氯甲烷一溴二氯甲烷二溴一氯甲烷三溴甲烷总计LP-BCR1.060.630.47未检出2.16LP-BR3.952.331.35未检出7.63

3　结论

1) 当反应时间为8 h,粉末活性炭投加量为17 mg/L时,LP-BCR对CODMn, TOC, DOC和UV254的去除率与LP-BR相比显著提高,分别达到了51.2%, 45.9%, 56.5%和70.6%;粉末活性炭对藻细胞和氨氮的吸附作用并不明显．LP-BCR对微囊藻毒素-LR、六氯苯和邻苯二甲酸酯类物质的去除率分别达到61.1%, 42.1%和49.0%．因此,对于污染较重的水源水以及突发有机污染事件,向管道内投加粉末活性炭可以起到较好的强化处理作用．

2) 粉末活性炭在进行污染物的吸附过程中,反应开始1 h内为快速吸附期,之后吸附速率明显下降．在LP-BCR内,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) 在输水管道中投加粉末活性炭能够有效吸附去除水中的消毒副产物前体物,抑制后续消毒过程中副产物的生成．

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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.作者简介: 赵艳(1991—),女,硕士生;朱光灿(联系人),男,博士,研究员, gc-zhu@seu.edu.cn.

国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2012ZX07403-001).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.021.

X524

A

1001-0505(2016)04-0801-06

引用本文: 赵艳,朱光灿,石晶晶，等.粉末活性炭吸附强化长距离输水管道反应器净水效能实验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(4):801-806.