活性炭與超濾組合工藝深度處理飲用水
超濾膜過濾飲用水深度凈化工藝是近年發(fā)展起來的一種新興工藝，其顯著優(yōu)點是能有效去除水中的病原菌(如賈第蟲孢囊、隱孢子蟲卵囊和大腸桿菌)。超濾膜對有機(jī)物的去除率取決于原水水質(zhì)和膜孔的大小，在較大的范圍內(nèi)變化。在超濾膜的應(yīng)用過程中，最重要的是膜阻塞和膜污染問題。水中的有機(jī)物、無機(jī)物、懸浮固體顆粒、微生物和膠體物質(zhì)等在膜表面和膜孔內(nèi)累積將破壞膜的運行性能，并極大地縮短膜的使用壽命；钚蕴颗c超濾膜的組合系統(tǒng)克服了單用任何一種處理手段時的弱點，如活性炭出水中常常含有一定量的細(xì)菌而影響出水的水質(zhì)，超濾膜則存在膜阻塞和膜污染的問題。在組合系統(tǒng)中，利用活性炭對進(jìn)水進(jìn)行必要的前處理，如去除水中大部分的濁度、各種類型的有機(jī)化合物和色度［1、2］，這些物質(zhì)的去除為后續(xù)的膜過濾提供了必要的保障，從而緩解了膜阻塞和膜污染問題，延長了膜的使用壽命。用膜進(jìn)行后處理有效地解決了出水中含有一定量細(xì)菌的問題，保障了出水水質(zhì)。
1 試驗材料及方法
中試處理工藝流程如圖1所示，該工藝系統(tǒng)主要由GAC濾罐和淹沒式UF膜單元組成。
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2 試驗結(jié)果及討論
2.1 對濁度的去除
由于原水是北京第三水廠處理后的出水，該中試系統(tǒng)進(jìn)水的濁度相當(dāng)?shù)，一般?.3～0.8NTU(冬季基本上維持在0.3 NTU)。經(jīng)活性炭吸附和超濾膜過濾后，出水的濁度＜0.1 NTU，在HACH2100P濁度儀的檢測限之外(見圖2)。
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2.2 對有機(jī)物的去除
2.2.1 高錳酸鹽指數(shù)
系統(tǒng)對高錳酸鹽指數(shù)的去除效果見圖3～5；钚蕴繉Ω咤i酸鹽指數(shù)的去除率為10%～60%，其中兩個最低點是由于系統(tǒng)出現(xiàn)故障而停運造成的。再次啟動時沒有進(jìn)行反沖洗，致使活性炭表面吸附的有機(jī)物逆向析出于水中，導(dǎo)致出水表現(xiàn)出較高的高錳酸鹽指數(shù)。在系統(tǒng)正常運行時，高錳酸鹽指數(shù)的去除率逐漸趨于穩(wěn)定(20%左右)，這一結(jié)果與在其他生產(chǎn)工藝中的結(jié)果類似［3、4］。
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在該工藝中選用的活性炭是RCT14×40型，比表面積為850m2/g。定量測定活性炭的孔徑分布為：中孔容積0.053cm3/g，微孔容積0.366cm3/g，故中孔容積比普通ZJ-15型炭(0.04cm3/g)大。在液相吸附中發(fā)揮吸附作用的主要是中孔這種過渡孔，其容積的增大勢必使RCT14×40型炭對水中分子質(zhì)量處于中間值、分子表觀尺寸居中的有機(jī)污染物的吸附能力增強(qiáng)。活性炭出水中主要含大分子質(zhì)量和小分子質(zhì)量的有機(jī)污染物，而UF膜的孔徑在0.03～0.1μm，這對大分子質(zhì)量的有機(jī)污染物截留作用較強(qiáng)，對小分子質(zhì)量的有機(jī)污染物基本上沒有去除作用。所以UF膜對高錳酸鹽指數(shù)的去除率始終維持較低的水平，最高也僅有25%，在運行平穩(wěn)后基本維持在10%左右。
2.2.2 UV254
北京第三水廠的水源水是密云水庫的水，其水質(zhì)的主要特點是含有一定量的腐殖酸和富敏酸，溶解性的腐殖酸和富敏酸的分子質(zhì)量分別為500～10000 u，這類物質(zhì)很難被常規(guī)工藝 完全去除(對總有機(jī)污染物的去除率一般在30%左右［5］，且氯化后形成各種形式的有機(jī)氯化物)。對于溶解性的腐殖酸、富敏酸到目前為止還沒有專用的參數(shù)來表征它們的濃度。國際上通用的手段是用UV在254 nm處的吸光度來確定溶解性的腐殖酸、富敏酸和相應(yīng)的消毒副產(chǎn)物的變化情況。本研究中對UV254的測定結(jié)果如圖6、7所示。
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由圖6、7可見，活性炭和UF膜對UV254的去除率平均值分別為20%和40%，UF膜對UV254的去除率遠(yuǎn)高于對高錳酸鹽指數(shù)的去除率。UF膜對UV254去除的有效性和高去除率在國外的研究中也得到了證實，如LoTan 和Gary L.Amy等人的報告中介紹膜對于UV254表示的腐殖酸總有機(jī)碳有近50%的去除率。對高錳酸鹽指數(shù)與UV254比值的變化關(guān)系進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水為1.9，出水為3.1，表明該系統(tǒng)對三致物質(zhì)及其前質(zhì)的去除與高錳酸鹽指數(shù)的去除無正相關(guān)性。
2.2.3 GC/MS分析
采用GC/MS分析測定了水中有機(jī)污染物的分子量分布，結(jié)果如圖8～10所示。
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原水的有機(jī)污 染物分子質(zhì)量在10 000～500 u之間，共檢出19種烷烴、1種炔烴、1種烯烴和17種酯類(其中苯酸酯占6種)；經(jīng)活性炭吸附后約61.6%的有機(jī)污染物被去除；經(jīng)UF膜過濾后有26.5%的有機(jī)污染物被去除；有些有機(jī)物雖然沒被100%去除(如所有的苯酸酯在活性炭出水和UF膜出水中均被檢出)，但其濃度比進(jìn)水明顯降低；總譜峰面積從進(jìn)水的4752919減少到活性炭出水的1826441和UF膜出水的1342992(如表1所示)。
2.2.4 大腸桿菌膜對水中病毒和病原微生物的去除主要依 賴于膜的孔徑［6～8］。研究表明，最小的脊髓灰質(zhì)炎病毒的直徑為28 nm，寬0. 5μm，長2μm，而一般給水系統(tǒng)中的細(xì)菌大小是脊髓灰質(zhì)炎病毒的幾倍到數(shù)百倍，因此用孔徑為0.03～0.1μm的超濾膜進(jìn)行截留去除是毫無問題的，研究結(jié)果也證實了這一點，即在整個水廠正常運行期間出水中始終未檢出大腸桿菌。
3 結(jié)論
在北京燕山石化總廠飲用水深度凈化現(xiàn)場進(jìn)行的研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地去除水中的高錳酸鹽指數(shù)、UV254和大腸桿菌，尤其是對腐殖酸和富敏酸以及相應(yīng)的消毒副產(chǎn)物都有較高和穩(wěn)定的去除效果。活性炭與UF膜組合系統(tǒng)對濁度的去除效果顯著。當(dāng)進(jìn)水濁度在0.3～1 NTU變化時，出水濁度＜0.1 NTU或經(jīng)常小于儀器的檢測限。組合系統(tǒng)中活 性炭對高錳酸鹽指數(shù)的去除率在20%左右，UF膜對高錳酸鹽指數(shù)的去除率在10%左右，并且受進(jìn)水水質(zhì)的影響比較顯著。組合系統(tǒng)對UV254的去除率較高，活性炭對UV254的去除率在20%左右，UF膜對UV254的去除率在40%左右。這在一定程度上表明，膜對腐殖酸、富敏酸和與之相應(yīng)的消毒副產(chǎn)物的去除率較高，即膜是一種去除水中三致物質(zhì)及其前質(zhì)的較有效手段之一，而且這一去除率與高錳酸鹽指數(shù)的去除率呈正相關(guān)。GC/MS分析結(jié)果顯示，經(jīng)活性炭吸附后約61.6%的有機(jī)污染物被去除，經(jīng)UF膜過濾后有26.5%的有機(jī)污染物被去除，對烷烴有機(jī)污染物的去除率較高，有些有機(jī)物雖然沒被1 00%去除(如苯酸酯在活性炭和UF膜出水中均被檢出)，但其濃度比進(jìn)水明顯降低，總譜峰面積從進(jìn)水的4752919減少到活性炭出水的1826441和UF膜出水的1342992。選用孔徑為0.03～0.1μm的超濾膜，利用截留能完全去除水中細(xì)菌和致病原生動物，在整個水廠正常運行期間的出水中始終未檢出大腸桿菌。
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