城市给水厂沉淀池排泥水UV/H2O2处理回用技术研究

侯兵伟，王德民，林 涛

（1.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098）

0 引言

城市饮用水处理厂沉淀池排泥水的回用是实施节水的必要途径和有效措施。据了解，全国净水厂对生产废水处理回用比例不足5%，即绝大部分水厂均直接进行排放，不仅严重浪费水资源，且对受纳水

体造成严重污染[1]。因此，实施净水厂生产废水的再利用是经济社会和供水企业自身发展需求的必然要

求。由于排泥水中富集大量的有机物，特别是含氮污染物，致使回流到工艺后在后续的消毒过程中可能生成较多的卤代乙酰胺类含氮消毒副产物。

二氯乙酰胺由于含有硝基（-NO2）、氰基（-CN）等特殊官能团，其致癌性或诱变性远比一些常规监控的消毒副产物高很多[2-7]。CHEN B Y 等[4]毒理学研究结果表明，卤代乙酰胺（HAcAms）的遗传毒性为卤乙酸（HAAs）的19 倍，细胞毒性为HAAs 的99 倍。含氮消毒副产物因其高毒性，引起国内外的广泛关注[3]。CHU W H 等[8]通过对水体中有机物进行组分分离，研究不同特性有机物的卤代乙酰胺生成潜能。发现亲水性有机物中的大部分有机物属于蛋白芳香类有机物和溶解性微生物代谢物，消毒时形成的含氮副产物浓度最高。CHU W H 等[9]的研究结果表明，相对分子质量< 1 kDa 的有机物组分占有机物的比例最高，相对分子质量< 1 kDa 和> 10 kDa 组分的二氯乙酰胺生成势（DcAcAmFP），对二氯乙酰胺的贡献率最高，即该组分为二氯乙酰胺的主要前体物质。

高级氧化法具有氧化能力强、选择性小、反应速度快和反应彻底等优点，高级氧化法产生强氧化性的羟基自由基（·OH），可将难降解有机物氧化成低毒或无毒的有机物质[8]。对难降解有机污染物具有较好的去除效果[10-12]。DWYER J 等[10]发现紫外线/过硫酸盐组合氧化法（UV/PS）可以有效去除水中二氯乙酰胺（HAcAms）的前体物，显著降低卤代乙酰胺的生成势，同时起到消毒作用。H2O2通过UV 光激发产生的·OH 的强氧化能力改变了原水中有机物的分子质量分布和化学性质，可将其中不易被活性炭吸附去除的有机物氧化降解为容易被吸附的有机物，提高整个系统的有机物去除率。

卤代乙酰胺的主要前体物为亲水性小分子量含氮有机物。因此，可通过去除卤代乙酰胺的前体物含氮有机物达到降低卤代乙酰胺生成势的目的。综合比较以上针对于水体中溶解性含氮有机物（DON）的控制技术，高级氧化技术表现出较高的控制效率，本文选择UV/H2O2氧化工艺处理沉淀池排泥水，探索最佳投加比例，以期降低其二氯乙酰胺生成势，达到安全回用的目的。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 主要仪器及试剂

UV-9100 型紫外可见分光光度计（南京荣华科学器材有限公司），H2O2（体积分数为30%，南京荣华科学器材有限公司），气相色谱仪 （安捷伦7890B型），NaOH（南京荣华科学器材有限公司），pH 计（南京荣华科学器材有限公司），HP-5 毛细管柱（30 mm×0.25 mm×0.1 μm）。

1.1.2 试验水样

试验水样均取自某水处理厂，处理工艺见图1，平流沉淀池排泥工艺的主要运行参数见表1。采取水样后在2 h 内运送至实验室进行水质监测，除颗粒数和浊度直接进行检测外，其余项目检测需对水样进行预处理，预处理方法为水样通过滤径为0.45 μm 的微孔滤膜去除颗粒物杂质，不能及时检测的水样，放置冰箱内保存。

图1 南方某水厂净水工艺流程

表1 沉淀池主要参数

1.2 实验方法

1.2.1 UV/H2O2组合氧化实验

将置于静止搅拌结晶盘之上的低压汞灯组成的平行光束装置用于UV/H2O2预处理排泥水的研究。紫外光为低压紫外光发射系统，UV 波长为254 nm。为得到最佳的处理效果，UV/H2O2试验中UV 照射强度设定分别为0，100，200，300，400，600，800，1 000 mJ/cm2；H2O2的反应时间为30 min，H2O2质量浓度分别为0，10，20，30，40，50 mg/L。排泥水经高级氧化工艺处理后进行氯消毒实验测定二氯乙酰胺生成势。UV/H2O2组合氧化实验装置见图2。

图2 UV/H2O2 组合氧化实验装置示意

1.2.2 检测方法

在排泥水总三卤甲烷生成势测定实验中，经计算设定氯质量浓度为28 mg/L，氯反应时间大于24 h。前处理采用乙酸乙酯进行液液萃取，具体操作步骤见文献[13]。检测仪器采用气相色谱与微型电子捕获检测器结合进行检测。采用微型取样器抽取2 μL样品进样，样品中的二氯乙酰胺由毛细管柱分离。升温过程如下：初始阶段，炉内温度设置为80 ℃，保持5 min 后再以40 ℃/min 升高至150 ℃后保持1 min。二氯乙酰胺的出峰时间在5.63 min 左右。采用液液萃取-气相色谱-微电子捕获检测器检测二氯乙酰胺。氯消毒充分反应后的水样，通过乙酸乙酯液液萃取、定容后，经气相色谱仪检测。

2 结果与讨论

2.1 沉淀池排泥水水质特性

原水及沉淀池各时段排泥水水质各指标值见表2。由表2 可知，沉淀池沿池长方向上各段排泥水中的有机物指标整体呈现出一定的变化规律，即随着排泥过程的进行有机物指标除UV254 外均不断降低。但排泥水末端的有机物含量还是要高于相应原水。排泥水中的有机物含量高，导致消毒过程中生成较多的消毒副产物。沉淀池各时段排泥水无机氮中主要成分为氨氮，亚硝酸盐氮含量较低，无机氮整体上随着排泥的进行污染物浓度呈缓慢降低的趋势。沉淀池排泥水中的DON 基本无变化，但高于在原水中的浓度。DON 是本研究关注的重点，DON 值较高导致排泥水具有较高的硝氮消毒副产物生成势（THMFPs）。

2.2 不同反应体系对排泥水的处理效果

（1）单一紫外UV 光照射下，辐射强度分别为0，100，200，300，400，600，800，1 000 mJ/cm2，沉淀池排泥水中DON 浓度及DCAcAmFP 变化情况见图3。

表2 原水及沉淀池各工段排泥水水质 mg·L-1

图3 不同UV 辐射强度下排泥水中DON 浓度和DCAcAmFP 变化

由图3 可知，单一紫外UV 光照射对排泥水中DON 和DCAcAmFP 的控制效果并不好，UV 辐射强度为600 mJ/cm2时去除率较高，分别为12.5% 和22.6%。DCAcAmFP 的控制效果优于DON，这是因为紫外光UV 照射下会断裂DON 结构中的化学键或者官能团的性质，从而降低DCAcAmFP。该结果与PLEWA M J 等的研究结果相一致[5]。研究表明[6]，紫外光照射下会改变有机物的化学结构，致使随后消毒过程中形成更高的消毒副产物（如THMs），主要原因在于试验中使用的紫外光为波长范围较宽的中压紫外灯，而低压紫外光不会出现上述情况。本研究中使用的紫外光为低压紫外光发射系统。UV 波长为254 nm，即发射光的波长范围较窄。该波长下的紫外光仅能通过水的光解作用形成羟基自由基矿化水中的部分有机物[9]。由于DON 的种类多样性、结构复杂性，对于排泥水中DON 和DCAcAmFP 的去除，单一紫外光UV 辐射光降解难以达到目的。

（2）单一H2O2条件下，不同投加量对排泥水中DON 及DCAcAmFP 的去除效果见图4。

图4 不同H2O2 投加量下排泥水中DON 浓度及DCAcAmFP 变化

分析图4 可知，单一H2O2处理过程对排泥水中的DON 和DCAcAmFP 的控制效果与单一UV 光照时相似，去除效果仍不理想，且随着投加量的增加整体去除效率先高后低。当H2O2质量浓度高于30 mg/L 时，对DON 和DCAcAmFP 的控制效果较好。但考虑到投加H2O2会改变水体的酸碱性，为使排泥水的DON 浓度和DCAcAmFP 降低又不显著改变其自身理化特性，因此，H2O2质量浓度设定为30 mg/L 为最适值。H2O2的氧化机理为产生氧化性极强的·OH，对含有C-C 键的有机物具有良好的降解作用。二氯乙酰胺的主要前体物为含氮有机物（DON），而DON 中蛋白质和氨基酸类均含有较多可被H2O2降解的化学结构，因此，只要能激发H2O2产生较多的·OH，就能有效控制沉淀池排泥水中的 DON 和DCAcAmFP。然而，单一H2O2条件下难以产生较多的·OH。因此需要有相应的触发剂，紫外光辐射是最佳选择。

（3）UV 辐射强度为600 mJ/cm2，H2O2质量浓度为30 mg/L 时UV/H2O2组合氧化工艺对于排泥水中DON 及DCAcAmFP 的去除效果与单一UV、单一H2O2去除效果对比情况见表3。

表3 3 种氧化工艺对排泥水中DON 及DCAcAmFP的控制效果对比

分析表3 可知，UV/H2O2组合氧化工艺对排泥水中DON 及DCAcAmFP 有很好的控制效果，去除效率分别达到62.5%和67.3%，处理后的DON 和含氮消毒副产物均能达到安全回用水平。UV/H2O2组合氧化工艺对有机物和总三卤甲烷的控制效果较好。UV/H2O2组合氧化工艺中，UV 的作用主要有2点：①UV 光照射能够断裂DON 结构中的化学键或者官能团、改变二氯乙酰胺前体物的化学结构；②UV 作为H2O2的触发剂，使H2O2产生更多的·OH，·OH能氧化二氯乙酰胺前体物，改变其化学性质，使其在氯消毒过程中无法与消毒剂反应形成二氯乙酰胺，达到减量控制二氯乙酰胺生成势的目的。

2.3 排泥水回用

不同回用比例下排泥水混合液的含氮污染物变化见图5。分析图5 可知，经UV/H2O2氧化处理后的排泥水按照一定比例与原水混合后，当回用比例≤50%时，含氮污染物的浓度接近原水的对应值；当回用比例＞50%时，含氮污染物的浓度显著升高，远远高于无回用时的对照组。研究结果证实，经过处理后的排泥水可按50%的比例回流到原水中。

图5 不同回用比例下排泥水混合液的含氮污染物变化

为进一步研究排泥水回流混合水中的潜在危害，选取一类典型的含氮消毒副产物卤代乙酰胺（HAcAms）生成势进行试验，比较原水与不同回用比例下HAcAms 的浓度，实验结果见表4。分析表4可知，当回用比例大于50%时，HAcAms 生成潜能显著升高，且高于无回用时的对照组。较高浓度的消毒副产物潜能会对回用过程造成极大威胁，无法达到回用安全的目的。因此，控制回用比例在20%以下，可达到保护水资源和降低实际运行成本的目的。

表4 氯消毒过程中各类卤代乙酰胺（HAcAms）质量浓度 ng·L-1

3 结论

UV/H2O2氧化工艺对排泥水中 DON 及DCAcAmFP 有较好的去除效果，当UV 光照射强度为600 mJ/cm2，H2O2质量浓度为30mg/L 时，去除率可分别达到62.5%和67.3%，使处理后的DON 及DCAcAmFP 值低于相应原水中的值。当反冲洗水直接回用比例小于50%时，混合水样中有机物含量小于无回用时的相应值；回用比例大于50%时，消毒副产物生成潜能显著升高，且远高于无回用时。实验证明，UV/H2O2高级氧化工艺能达到减量控制二氯乙酰胺生成势的目的，保障沉淀池排泥水的安全回用（回用比例小于50%），能够达到节约用水和保护环境的双重作用。