臭氧的氧化作用对天然有机物吸附和生物降解的影响——活性炭膜生物反应器在生产饮用水中的应用外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

臭氧的氧化作用对天然有机物吸附和生物降解的影响——活性炭膜生物反应器在生产饮用水中的应用

关键字：溶解性有机物，饮用水的处理，臭氧，生物降解

摘要：目前对溶解性有机物（DOM）的立法更加严格，促使饮用水行业改进对溶解性有机物的去除，尤其是对溶解性有机碳含量高、浑浊度低的水进行去除。为了改善目前饮用水处理厂（DWTPS）采用的常规工艺，在Rennes饮用水处理厂的基础上研发出了一种含有流化活性炭的混合膜生物反应器。初步结果表明，残留的有机碳是不可生物降解组分的主要组成部分。为了提高整体效率，而在工艺中加入了预氧化步骤。用臭氧来破坏大分子并且提高工艺的生物降解能力。首先要进行实验室规模的实验，以优化必要的臭氧剂量，并通过可生物降解溶解性有机碳（BDOC）测量过程产量。其次，对活性炭吸附含有臭氧的水中的溶解性有机碳的吸附量进行定量分析。整个过程在Rennes（法国）水处理厂的一个试验装置中进行了现场试验。实验室规模的实验证实，臭氧氧化提高了可生物降解溶解性有机碳的含量，降低了溶解性有机物的芳香性，产生了小尺寸的有机化合物。吸附试验得出活性炭居然会先去除BDOC的结论。最后，试验装置的结果显示，从原水中额外去除了溶解有机碳（从0.10 到0.15mg/L）。

1.引言

从公共卫生的角度来看，饮用水处理厂（DWTP）中的溶解性有机碳（DOC）会引起公共卫生的警惕，因为它会诱发消毒副产物（DBPS）的形成，并增强配水系统中的生物活性。这导致了新的欧洲法令（法令2000/60/EC，2000年10月，官方条例L 327，1–72）将于2003年生效，该指令将2mg C/L 一级的规定由强烈建议但非强制性的质量限制提升到更严格的饮用水限值，例如当前农药和硝酸盐的限值。此外，Jiang（2003）提到的一些技术缺陷，如膜污染，可能会对全局处理效率造成极大的损害。

1.1去除有机物的方法

目前，混凝-絮凝工艺对于去除诸如腐植酸等高分子量的溶解有机物和胶体有机物是有效的，但根据Matilanen等人的研究，对于较小尺寸的溶解有机物和胶体有机物的去除效果仍然有限（2002）。因此，改进现有的工艺，尤其是在去除溶解有机物时是最重要的。

活性炭以其去除各种溶解化合物的能力而闻名。Newcombe（1999）研究了pH和天然有机物（NOM）浓度对活性炭去除溶解有机物的影响。该作者观察到，在较低的pH值下，当静电相互作用最小化时，吸附主要由孔隙填充机制引起。在这些条件下，主要参数是活性炭的孔容分布。在较高的酸碱度下，天然有机物会呈现出显著的负电荷，这些负电荷会以多种方式影响吸附现象。对于低表面浓度的吸附物，天然有机物与活性炭表面之间存在直接的静电吸附。对于较高的表面浓度，吸附主要为范德华现象（活性炭表面与天然有机物之间具有吸引力的质量相互作用，具有疏水作用）。Yuasa（1997）强调活性炭对低分子量（MW）组分具有较高的吸附系数。

实验表明，高臭氧剂量（1.5g O3/g C）可以改变溶解性有机碳的疏水/亲水分布。Croue（1996）表明臭氧可以减少难降解溶解性有机碳（RDOC），即不可生物降解性有机碳，使其比例下降至原水DOC的36.5%。这一现象对只含1g O3/g C臭氧的水非常重要，而对于高达3g O3/g C的水臭氧浓度，亲水速率与应用的臭氧浓度成正比。通常用来氧化的臭氧剂量比分子量高出10000 Da，而过多的用来氧化的臭氧剂量的分子量在5000到10000 Da之间。两种工艺均产生平均分子量低于300Da的DOC。此外，臭氧的氧化会导致254 nm范围内25%到85%的紫外线吸收率下降。工业应用（0.5g O3/g DOC）通常导致紫外吸收率和DOC分别降低40%和8%。这表明，臭氧还针对NOM分子呈现芳香结构。事实上，臭氧优先破坏双键和芳香环，产生含有羰基或羧基功能的较小化合物，这些化合物不吸收波长为254 nm的辐射，但产生如De Laat等人所述的原水极性和酸度（1991）。此外，他们的实验报告，可生物降解性溶解有机碳（BDOC）可在臭氧氧化过程中显著产生。当臭氧浓度较高时，这种BDOC的产生更为明显。在某些情况下，BDOC浓度可增加到55%。臭氧的氧化不能显著改变DOC，这意味着，正如Chiang等人所观察到的那样，不太可能会发生矿化（2002）。

基于所有这些原因，在生物处理、活性炭吸附和预臭氧氧化的基础上，一种新的混合工艺被用于改进位于法国Rennes饮用水的天然有机物去除。本研究的第一步包括进行实验室规模试验，以量化水样的可生物降解度，并确定哪些部分的DOC、BDOC或难降解DOC（RDOC）更容易被活性炭吸附。

2.实验布置和分析方法

为了模拟预臭氧化，对“Le Meu”河的原水进行了实验。这条河为生产饮用水的Rennes水处理厂供水。使用氯化铁和硫酸铵的混合物以60g/m3的浓度和5.8的ph值凝结水样。然后水沉淀，砂过滤，氯化。沉淀步骤后，从Rennes的DWTP中提取水样。测量DOC、DBOC和紫外线吸收率（254 nm），并使用尺寸排阻色谱法来表征（DOC分析）（SEC-DOC）。试验期间的水质特征为：pH值为6.3至6.8，总有机碳（TOC）浓度为2.3至3.2mg C/L，DOC浓度为2.1至3.1mg C/ L，波长为254nm的紫外吸收率为0.06至0.03 /cm，浑浊度为2.1至3.8FTU，高锰酸盐氧化性为4.0至6.8mg O2/L。

2.1 DOC/BDOC分析

DOC分析是通过TOC分析仪O.I.分析WinTOC 1010模型实现的，该模型在100℃下让有机碳被过硫酸钠氧化，并对产生的二氧化碳进行红外检测。该DOC仪器的灵敏度低于0.1 mg/L。

BDOC被定义为可以被异养微生物利用和去除的DOC部分。本研究中使用的方法是对AFNOR（法国官方的正常化生物体）T90-319标准的改编。将样品置于通风条件下，与适合于天然有机物的含砂微生物接触，这些微生物来自水处理厂的沉淀池。将砂子中的颗粒有机碳（POC）清理干净，并与400毫升水样接触，烧瓶在黑暗中保存8天。

2.2 UV分析

紫外线吸收率与天然有机物的芳香性质有关。使用Varian Cary探针50分光光度计和1 cm石英电池进行测量。分析波长为254nm。首先用0.45mm注射管的过滤器过滤样品以去除POC。根据DOC和紫外线分析，可以推断出特定的紫外线吸收率。

2.3 SEC–DOC/SEC–UV分析

为了表征溶于原水或砂滤水中的化合物的分子大小差异对工艺效率的影响，采用体积排除液相色谱法对样品进行分析。该装置由一个分离模块Waters 2695 Alliance和一个Waters 2487紫外线检测器（在2个波长同时检测）组成。根据所考虑的分子大小范围，使用了两个分离柱。

对每个水样进行3次SEC–DOC和SEC–UV分析，以确认紫外线吸收强度曲线和DOC浓度曲线。

SEC-DOC分析由Anjou Recher-che分析中心进行分析，所用色谱柱的分离范围为0.5-30kDa。必须强调的是，SEC-DOC和SEC-UV给出了DOC浓度和紫外线吸收的定性曲线。

2.4臭氧氧化系统

图1显示了臭氧化实验室的实验设置。该系统由一台LABO LO Trailigaz臭氧发生器和一台5.2升容量的玻璃反应器组成。臭氧通过多孔板注入反应器底部，而水则以逆流的形式分布在塔顶。臭氧产量可达到15g/stdm3。入口臭氧浓度由Trailigaz型臭氧分析仪给出。气体出口臭氧浓度采用碘量法测定（标准化委员会IOA，1989年）。本研究中使用的臭氧速率表示为每克DOC的臭氧克数（0.3–0.6g O3/g DOC）。水臭氧浓度由Bader和Hoigneacute;（1981）开发的Carmin Indigo法测定。

图1—臭氧氧化装置

2.5 NOM吸附等温线

吸附等温线测定的部分是由Picasorb 16粉末活性炭（PAC）作用的，称为Picasorb MP23。将浓度为0、1、2、5、20、40、60、80和100mg/L的活性炭引入装有5.5L NOM溶液的玻璃容器中，震荡3天。使用迷你亲水膜（Sartorius，0.45mm）采集并过滤样品。

表1—溶解性有机物在亲水性（HPI）、转亲性（TPI）和疏水性（HPO）之间的DOC分配

2.6试验装置

图2显示了位于Rennes的DWTP中的导向装置。它由三个相同的反应器组成，每一个反应器都有0.93平方米的浸入式中空纤维膜（Zenon-Zeeweed-10）和流化活性炭表面积。除第一列（左端）外，每列均采用沉淀水，第一列（左端）采用臭氧沉淀水。目的是比较3个膜生物反应器（MBR）在相同操作条件下，在相同初始水质下，有或无预臭氧处理性能。每个塔的体积为14 L。对于3个塔，过滤速度为25L/h，每10分钟在40L/h进行一次反冲，持续30s。每2小时添加一次新鲜PAC，同时进行一次净化。注入空气进行氧化，并保持悬浮液的流速为0.3stdm3/h。在纤维周围引入0.5stdm3/h的额外流量，以避免堵塞。通过测量入口/出口臭氧化空气浓度以及溶解臭氧残留量，使用气泡柱结合硫代硫酸盐淬火控制臭氧氧化，以确定和调整每毫克DOC有效消耗臭氧的量。

图2—试验装置的照片（3个MBR）

3. 结果和讨论

3.1臭氧对天然有机物的影响

图3显示了沉淀水和臭氧化沉淀水的SEC-UV色谱图。三个化合物组，对应于三个峰。据Chin等人（1994）和Wong等人（2002年），第一个峰可能代表含芳香族的腐殖物质，具有较高的SUVA。这些分子将负责水的颜色。第二个峰对应于一组芳香族化合物，代表水中天然有机物（属于腐殖质，也属于富里酸物质）的嗜温部分。最后一个峰由低分子量分子组成，预计与碳水化合物、酮、醛或醇相对应。这似乎可以通过0.6g O3/g DOC剂量的效应

图3—Rennes的沉淀水经臭氧氧化前后的sec-uv色谱图

（色谱柱：1–20 kDa，lambda;=260nm，比率=0.6g O3/g DOC）

图4—Rennes的沉淀水经臭氧氧化前后的sec-uv色谱图

（色谱柱：0.5–30 kDa，臭氧比率=0.6g O3/g DOC）

得到证实：与峰值强度成比例的臭氧氧化对两个“重”组的影响更大，这两个“重”组含有腐植酸。对3个不同的化合物组进行了臭氧氧化后水样的低峰面积观测：含芳香族的腐殖物质峰面积平均下降8%，含腐殖和黄腐质的反式部分峰面积平均下降20%，低分子量分子的最后峰面积平均下降20%。平均下降13%。水样的紫外吸收峰分布是可重复的，并且这种紫外吸收峰分布对于不同类型的水基质是可比较的。这是预期的结果，因为众所周知臭氧对这些大分子，包括芳香族有很强的反应性。

图4显示了沉淀水和臭氧化沉淀水的SEC-DOC色谱图。臭氧氧化后的值略高。这可能是由于De Laat等人观察到的POC转化为DOC所致。（1991）。臭氧不会导致大多数化合物完全矿化，因此初始DOC浓度只会轻微降低，但臭氧也有助于通过降低POC的疏水性来溶解POC。因此，臭氧氧化的水的溶解氧含量增加。在沉淀水色谱图上没有出现峰，但保留时间较长。这样的DOC峰对应于小的有机氧化副产物，没有明显的紫外吸收率，但应该是高度可生物降解的。Yavich等人也对此进行了描述。（2004）。水基质的溶解氧浓度峰值曲线是可重复的，并可与不同类型的水基质进行比较。

3.2臭氧剂量的重要性

使用臭氧的主要目的是增加可生物降解有机碳的数量。为了确定最佳剂量，采用了增加的臭氧/DOC的比率。

如图5所示，随着臭氧剂量的增加，DOC含量的变化很小，甚至可能没有变化。在讨论这些值之前，需要强调的是，对于不同类型的水基质，尽管分析材料会导致图5中的重叠误差条，但DOC浓度和水基质的紫外吸收曲线是可重复和可比较的。可确认高达0.7g O3/g DOC的少量增加，这证实了SEC-DOC分析之前所观察到的结果（图4），随后是高剂量的少量减少。更大的臭氧剂量还没有被证实减少，超出了本研究的范围，而集中在工业

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21217]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word