摘 要:为了对不同水源水以针对性的强化工艺提高有机物去除率,以超滤膜法分析了长江下游段水源水经常规工艺及活性炭处理出水中溶解性有机物(DOC)的分子量(MW)分布,以有各工艺单元对有机物的去除效应。结果表明:长江水源水以小分子量的有机物为主(小于10 k Dalton的有机物占64.40%);常规工艺对大分子量有机物去除率很高,尤其对MV为10 k Dalton以上的有机物去除率达67%以上,但对小分子量有机物去除率很低。常规工艺对MW为1～10 k Dalton的有机物去除率仅为28%,而MW小于1 k Dalton的有机物反而增加了30%左右。经活性炭处理后,MW小于1 k Dalton的有机物去除率达84%;出水UV254值及SUVA值比滤后水分别下降25%和10%。
水源水中有毒污染物和饮用水净化消毒副产物均与水中溶解性有机物密切相关[1]。研究表明,Ames试验致突变物主要是由小分子量的有机物引起[2];消毒副产物(DBPs)中的主要是由分子量为10～0.5 k Dalton的有机物产生,而毒性更大的CHClBr2和CHBr3则是由分子量小于500 Dalton的有机物产生[3]。因此,针对水源水中有机物分子量分布特征,研究其在饮用水处理过程中的变化规律,有利于以针对性的强化工艺措施提高其去除效率。林毅、刘文君等人的研究表明[4],水源水的有机物分子量分布有很强的地域性;王占生等人的研究发现[5],不同的水处理工艺单元对不同分子量的有机物有不同的去除效能。长江是我国重要的饮用水水源地,其下游城市承载上游及本地污染,水中污染物成分复杂。有研究表明[5],常规工艺对溶解性有机物尤其是小分子量有机物的去除效率低,这使得出厂水的水质安全性降低。而活性炭深度处理工艺对小分子量有机物有良好的去除效果,两者在去除不同分子量有机物方面有互补作用。本文以长江下游城市的长江水源水和饮用水常规净化工艺与活性炭深度处理为研究对象,探讨了在水处理过程中有机物分子量分布规律的变化,并考察了各工艺单元对有机物的去除效能。
1 试验条件及方法
1.1 工艺流程及进水水质
本试验在南京某水厂进行。水厂采用混凝、沉淀、过滤、消毒的常规工艺。混凝剂采用聚合氯化铝(冬季采用聚合氯化铝复合药剂),混凝剂投加量为13～16 mg/L。水厂的工艺流程与试验流程,如图1所示。
活性炭滤柱进水为水厂砂滤池出水。滤柱为内径100 mm的有机玻璃柱,柱高1.8 m,炭层高1.1m,下设100 mm砂滤层,空床接触时间为20 min。滤料采用ZJ-15型柱状颗粒活性炭,粒径0.8～1.5mm。
试验期间长江水源水水质情况如表1所示。
1.2 测定方法及检测手段
采用超滤膜法测定水样的有机物分子量分布,即采用截留不同分子量的超滤膜过滤水样,测定透过水样的总有机炭(TOC),得到水中有机物分子量的区间分布[5]。膜过滤采用平行法,即水样先通过0.45μm的微滤膜,得到水中DOC含量;再分别通过截留分子量为100、10、3、1、0.5 k Dalton的超滤膜,测定滤过液的TOC及UV254,各分子量区间的有机物用差减法得到。
仪器分别采用PL、YC系列超滤膜及超滤杯、analytikjenaAG MultiN/C2100TOC测定仪(误差2%)、尤尼科UV-2600型紫外可见分光光度计等。
2 结果与讨论
2.1 水源水中有机物分子量分布
南京长江水源水中TOC含量在2.85～3.34mg/L,平均为3.15 mg/L,其中,DOC含量占80%以上,溶解性有机物分子量分布如图2所示。
由图2可见,水源水中有机物分子量在10 kDalton以下的约占总量60%以上,其中分子量小于3 k Dalton的有机物占40%。因此,长江下游段水源水以小分子量有机物为主。
2.2 各工艺单元对不同分子量区间DOC去除效能
常规工艺和活性炭深度处理出水中DOC分子量分布的变化如图3所示。
原水中主要以溶解性有机物为主,DOC为2.86mg/L,占TOC的82.52%,经过常规工艺处理后,出水DOC降低至2.14mg/L,DOC总去除率仅为25%左右,其中沉淀后去除率达20%以上。再经活性炭深度处理后,DOC的去除率大幅提高,总去除率达45.71%。
各处理单元对不同分子量有机物的去除作用如图4所示。沉淀对大分子量有机物有很好的去除作用,其对分子量(MV)>1 k Dalton的有机物均有比较好的去除效果;对MV为10～3 k Dalton的有机物去除率较小,原因可能是原水中该分子量范围的有机物含量较低(仅占10%);而MV<1 k Dalton的有机物含量不减反而表现为增加,原因是部分被大分子有机物或其他无机胶体吸附的小分子有机物在混凝沉淀过程中由于大分子有机物或胶体与金属离子络合作用而释放出来所至[5]。
砂滤可进一步去除水中大分子量有机物,而小分子量有机物因亲水性较高,不易形成较大絮体,难以沉淀和被滤料截留下来,故其含量有所增加。另外
在水力剪切作用或者竞争吸附的作用下,小分子量有机物从滤料表面的脱附也是其增加的原因。氯消毒后,DOC总去除率仅增加4.29%。主要对MV为10～3 k Dalton的有机物有较好去除作用,而滤后水中MV为10 k Dalton以上的有机物含量很少,消毒去除作用不明显;而MV为3～1 k Dal-ton的有机物大幅增加97.55%,即是氯消毒将MV为10～3 k Dalton的有机物氧化成较小分子量有机物的结果。
砂滤后水经过活性炭柱过滤后,对MV为3 kDalton以下的有机物均表现为良好的去除作用。其中,MV为3～1 k Dalton的有机物由于活性炭的吸附作用去除;对MV为1 k Dalton以下的有机物也有良好的去除作用,这主要是由于活性炭上的微生物对小分子量的有机物有良好的降解作用; MV为3 k Dalton以上的有机物有所增加,其原因可能是由于活性炭上的微生物的代谢产物脱附到水中造成的。舒诗湖[6]等的研究也有类似结果。常规工艺及联用工艺对各分子量区间DOC的去除作用如表2所示。
由表2可以看出,常规工艺与活性炭的联用工艺对各分子量区间有机物均有良好的去除作用,总DOC的去除率也提高了近2倍。
常规工艺与活性炭的的联用工艺对各分子量区间的有机物均有良好的去除作用,总U的去除率由36.73%提高到了57.14%。该规律也与DOC的去除效果一致。
2.4 各工艺单元出水比紫外吸收值的变化
比紫外吸收值(SUVA)即U/DOC,代表单位有机炭的紫外吸收值,可以反映水中有机物的芳香构造化程度(芳香度)。高SUVA值表示水中含有大量不饱和键,与氯的反应活性高,三卤甲烷生成量也高[7]。各工艺单元对SUVA的去除效果如图7所示。
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可以看出,经常规工艺与活性炭处理后,SUVA值均有降低的表现。这说明每个处理单元都降低了产生卤代消毒副产物的风险。图7反映出,经常规工艺滤后水的SUVA值仅下降了12.60%,消毒过程产生卤代消毒副产物的风险较大;由图7(b)可见,经常规工艺与活性炭联用后, SUVA下降了20.73%,大大降低了产生消毒副产物的危险,即活性炭工艺对消毒副产物的产生有很好的抑止作用。同时,SUVA值的变化也验证了上述分子量分布变化的结论:消毒副产物主要由水中小分子量有机物引起[3]。长江原水经过常规工艺后,大分子量有机物(MV>3 k Dalton)均得到有效去除,而对MV在3 k Dalton以下的有机物不仅没有去除作用,反而使其含量增加,再经氯消毒,势必形成较多的卤代消毒副产物。活性炭对小分子量有机物去除效果好,表现为活性炭对SUVA值降低作用明显。活性炭深度处理弥补了常规工艺去除小分子量有机物上的不足,即经活性炭处理后,各分子量区间有机物均得到有效去除,能降低产生卤代消毒副产物的危险。
3 结 论
(1)夏季长江下游段水源水中以小分子量有机物为主。
(2)常规工艺对DOC和UV254的去除率分别为25.02%和36.73%,经过活性炭柱后,两者的去除率分别提高到45.71%和57.14%,常规工艺和活性炭深度处理对UV254的去除率均高于对DOC的去除率。
(3)常规处理工艺对大分子有机物的去除作用很明显,其中沉淀作用对MV大于1 k Dalton的有机物有很好的去除效果;活性炭对MV小于3 k Dal-ton的有机物有很好的处理效果,两者联用对有机物的去除作用表现为良好的互补性。
(4)原水经过常规工艺后SUVA值降低程度不大,增加活性炭处理后,可使SUVA值大幅降低,反映出活性炭对消毒副产物有良好的控制作用。
