臭氧活性炭工艺对有机物去除效果分析

孙 婷 徐 慧

（济南水务集团有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

近些年来，随着工业、农业和生活污染的加重，导致黄河水污染日趋严重，原水中氮磷物质、有机物含量高[1]。若采用常规饮用水处理工艺，只能去除原水中的悬浮物、胶体和细菌，而不能去除水中的有机物，不能解决日益严重的藻类、嗅味等很多问题。因此，济南市水厂引入臭氧活性炭深度处理工艺，该工艺的作用机理是臭氧先对大分子有机物进行氧化分解，活性炭吸附去除化合物或臭氧化副产物，提高处理强度，有效处理微污染水源[2-3]。

济南市某水厂引黄河水作为水源，水厂除传统水处理工艺外，同时采用臭氧活性炭高级氧化深度处理工艺。通过对各个工艺处CODMn、TOC、UV254、嗅味物质二甲基异坎醇和土臭素含量的测试，掌握其含量变化的整体走势得出深度处理工艺对有机物的去除效果。选择夏天最热的8—10月份进行试验，此时气候高温高湿，微生物繁殖，水体富营养化严重，导致水中有机物增多，是验证臭氧活性炭工艺对有机物去除效果的最佳时间。除此之外，针对臭氧活性活性炭的消毒副产物进行测试，跟踪了水处理过程中的溴酸盐和前驱体溴离子含量。

1 实验概况及过程方法

1.1 水厂概况

该水厂设计规模为10万t/d，净水工艺流程：进场原水+高密度沉淀池+臭氧接触池+活性炭滤池+V型砂滤池+出厂水。臭氧接触池设计处理规模10万m3/d，分2格。臭氧设计最大投加量2.5 mg/L，设计停留时间约16min，接触池分3段， 分段曝气量分别为50%，25%，25%，采用密闭对流接触方式，在接触池下部采用微孔曝气，臭氧上向流，水流下向流。活性炭分为单排布置，平面尺寸42.60m×16.55 m，结构高度为8.05 m，采用上向流形式，设计处理规模10万m3/d，分6格，单格有效过滤面积65m2，滤速11.2 m/h ，活性炭滤料层厚2.5 m，活性炭滤池采用单独气反冲洗。

1.2 实验过程

2020年8—10月，平均每隔10 d，在进场原水、高密度沉淀池后、臭氧接触池后、活性炭滤池后、V型砂滤池后、出厂水处进行采样，分别检测CODMn、TOC、UV254、嗅味物质二甲基异坎醇和土臭素，针对其含量变化走势，确定臭氧活性炭对有机物去除效果。同时检测进场原水溴离子含量，测定臭氧消毒副产物溴酸盐的走势。

1.3 实验方法

CODMn采用 GB/T 5750.7-2006 酸性高锰酸钾滴定法测定；UV254采用紫外分光光度仪（TU-1950 PERSEE）测定；TOC采用仪器分析仪（TOC -V CPH SHIMADZU）测定；嗅味物质二甲基异坎醇和土臭素采用固相萃取（Auto SPE-06plus Reeko）前处理，结合气相色谱/质谱联用仪（GC/MS GC：Trace 1300 Thermo Scientific， MS：ISQ Thermo Scientific）测定。

2 实验结果分析

2.1 对总有机碳（TOC）的去除效果分析

TOC是以碳的含量表示水中有机物的总量。进场原水中的TOC含量在3.03 mg/L～3.15 mg/L（如图1所示）。图1显示TOC在臭氧活性炭池阶段的去除效果较为明显，主要原因是有机物经臭氧被分解为小分子，后被活性炭吸附，使总有机碳含量下降[3]，出厂水中TOC的含量下降至1.27mg/L～1.47mg/L，去除率51.8%～59.5%，仅在活性炭阶段，去除率已达36.1%～44.1%。但砂滤池出水TOC比活性炭池出水TOC含量要高，分析原因推测应该是砂滤池含有的有机物溶解到水中，同时加氯消毒时因氯的氧化作用也降解了部分溶解性有机碳。

图1 2020年8月-10月济南市某水厂各质控点TOC折线图

2.2 对UV254的去除效果分析

UV254是水中一些有机物在254nm波长紫外光下的吸光度，表征芳香族化合物和具有共辘双键的有机化合物含量，主要代表憎水性有机物和大分子有机物[4]。进场原水中UV254的含量在0.013mg/L～0.029mg/L（如图2所示）。从图2分析，在臭氧阶段和活性炭池阶段的去除效果最为显著，这是由于臭氧氧化分解大分子，使悬浮物被分解，吸光度下降。然后被活性炭池吸附，使UV254的去除率得到显著提升，出厂水中UV254的含量下降至0.006mg/L～0.013mg/L，UV254最终去除率为30.8%～65.2%，仅在臭氧活性炭阶段去除率已达到46.2%～62.1%，可见臭氧活性炭池阶段对UV254的去除效果最明显。

图2 2020年8月-10月济南市某水厂各质控点UV254折线图

2.3 对CODMn的去除效果分析

CODMn反映的是受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标。从图3看出，CODMn从进厂开始，在各工艺阶段都有减少，这与之前研究的结论是相似的[5]。1）由于混凝沉淀去除一部分藻类和有机物。2）进入臭氧接触池后，由于臭氧的强氧化作用，能够破坏水中具有不饱和键和芳香结构的有机物，提高了有机物的可生化性和可吸附性[3]，配合活性炭的吸附作用又去除一部分有机物。3）当进入砂滤池，再次过滤掉一部分有机物。经过水处理各个阶段，使CODMn去除率最高达71.4%。

图3 2020年8月-10月济南市某水厂各质控点CODMn折线图

2.4 对嗅味物质（二甲基异莰醇、土臭素）的去除效果分析

由于夏季高温高湿，工业废物排放造成水体富营养化，导致水中藻类生长，产生嗅味物质。二甲基异莰醇和土臭素是造成饮用水中嗅味问题的常见化合物，它们均为饱和环叔醇类物质，具有氧化抗性。氯、二氧化氯和高锰酸钾等常见氧化剂对去除这2种嗅味化合物基本无效。在这样的背景下，深度处理工艺高级氧化对大分子难降解有机物特有的高反应速度和非选择性的优势，使其去除效果良好[6]。该文针对嗅味物质二甲基异莰醇和土臭素同时进行了为期2个月的跟踪测试。

图4显示，该水厂进场原水的二甲基异坎醇的含量（10.396 ng/L～98.2 ng/L）是超出国家标准的（10 ng/L），但是在出厂水时，均达到国家标准。由图4可得，二甲基异坎醇的含量在进入臭氧活性炭时出现大幅度减少，这是由于臭氧的氧化能力极强，它破坏有机污染物的分子结构，改变污染物的性质，配合粉末活性炭利用其巨大的比表面积对水中二甲基异坎醇进行有效的吸附，达到良好的去除嗅味物质二甲基异莰醇的效果，这最终使二甲基异莰醇的去除率高达98.0%。

图4 2020年8月-10月济南市某水厂各质控点二甲基异莰醇折线图

图5显示，进场原水中土臭素的含量即在国家标准之内（10 ng/L），经过整个水处理工艺阶段，土臭素含量呈下降趋势，最高去除率达到49.3%。经过该实验，发现该水厂臭氧活性炭砂滤池工艺对土臭素的去除不如对二甲基异莰醇的去除效果好，这可能是由于进场原水中土臭素含量不高造成的。

图5 2020年8月-10月济南市某水厂各质控点土臭素折线图

2.5 对消毒副产物的检测

对全质控过程的消毒副产物溴酸盐及其前驱体溴离子进行检测，发现溴酸盐在整个水处理工艺中均无超标现象（小于0.005 mg/L）。这是由于该水厂进场原水的溴离子含量在0.063 mg/L～0.085 mg/L（表1），众所周知，溴离子浓度是影响臭氧化过程中溴酸盐生成的重要因素，且存在一个临界浓度，低于此浓度时，溴酸盐的生成量低于仪器的检测限（5 g/L），而这个临界浓度随水质不同而变化；当要保证一定的剩余消毒臭氧量时，溴离子的临界浓度为0.18 mg/L[7-8]，同样从理论上分析，进场原水的溴离子含量低于溴酸盐超标的临界值，无生成溴酸盐的风险。

表1 2020年8月-10月济南市某水厂进场原水溴离子含量

3 结论

该文在臭氧活性炭深度处理工艺的研究中，主要探讨了其对有机物的去除效果及去除原理，臭氧的强氧化性将大分子有机物氧化成小分子结构，利用活性炭发达的孔隙结构和砂滤池的过滤能力，对水中小分子进行吸附，促进了工艺对水中有机污染物的去除效果，不仅针对通常指标TOC、UV254和CODMn进行跟踪监测，还针对济南市水源特有嗅味污染物二甲基异莰醇和土臭素进行检测。实验为期2个月，进行了6组平行实验，避免了实验的偶然性和突发性，增强了深度处理工艺对黄河水的污染物的去除能力及效果。除此之外，整个水处理过程没有产生致癌物溴酸盐。这说明臭氧活性炭深度处理工艺的引进，在一定程度上解决了有机物增多的突出问题，解决了用户为之困扰的嗅味增多等问题，解决了济南市日益增长的水质问题，是符合水处理发展正向规律的，为日后水厂运行提供技术和数据支持。