颗粒活性炭吸附对预臭氧后微污染原水水质影响研究

1、颗粒活性炭吸附对预臭氧后微污染原水水质影响研究董斌,张永吉(同济大学长江水环境教育部重点实验室,上海200092摘要:在不同的预臭氧浓度条件下处理微污染原水,考察了颗粒活性炭(GAC吸附对处理后水样水质的影响。选择化学需氧量(COD Mn、溶解性有机碳(DOC、生物可降解溶解性有机碳(BDOC、UV254和氨氮(NH+4N含量及有机物分子量分布作为考察吸附效果的检测指标。结果表明,在静态吸附时间达到5天时,颗粒活性炭吸附曲线开始趋于平缓,吸附时间超过5天之后吸附趋于饱和;预臭氧含量为25mg/L时,颗粒活性炭对有机物的吸附效果最佳,对COD Mn、DOC、BDOC的去除率分别为532%,632

2、%和362%;在不同预臭氧处理条件下,颗粒活性炭对NH+4N的吸附效果并未表现出较大的差异,吸附去除率约为5%;颗粒活性炭优先吸附水中分子量10 kDa的有机物,其次为分子量1kDa的有机物。关键词:吸附;颗粒活性炭;预臭氧;有机物;分子量分布中图分类号:TU9912文献标志码:A文章编号:16739353(201401000704doi:103969/jissn16739353201401002Study on the adsorption effect of micro-polluted raw water qualityby granular activated carbon after

3、 preozonationDong Bin,Zhang Yongji(Key Laboratory of Yangtzeiver Water Environment,Ministry of Education,Tongji University,Shanghai200092,ChinaAbstract:Different preozonation concentrations were used to treat micro-polluted raw water,the influence of adsorption by granular activated carbon(GACon tre

4、ated water quality was investigatedThe adsorption effects of chemical oxygen demand(CODMn,dissolved organic carbon(DOC,biodegradable dissolved organic carbon(BDOC,UV254,NH+4N and molecular weight(MWdistribution of organic matter were selected as detection objectsThe results showed that GAC adsorptio

5、n curve gentlely inclined at5d of static adsorption time,and displayed adsorption saturation after more than5d of static adsorption timeGAC showed highest adsorption effect of organic matter with preozonation concentration of25mg/L when CODMn,DOC,BDOC adsorption removal rates were532%,632%and362%res

6、pectivelyAdsorption effect of NH+4N by GAC did not show big difference under different preozonation concentrations and the adsorption removal rate was about5%GAC had priority adsorption of MW10kDa organic matters,followed by MW1kDa organic mattersKey words:adsorption;GAC;preozonation;organic matter;

7、molecular weight distribution活性炭作为良好的吸附材料,广泛应用于工业生产中。活性炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积,对水中溶解的有机物,如天然有机物、苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力,而且对用生第8卷第1期2014年2月供水技术WATETECHNOLOGYVol8No1Feb2014物法及其他方法难以去除的有机物,如色度、臭味、表面活性物质、除草剂、合成染料、胺类化合物以及许多人工合成的有机化合物都有较好的去除效果12。臭氧是一种强氧化剂和消毒剂,其氧化能力约为氯的两倍。臭氧能氧化水中许多有机物和无机物,且与有机物作用后不产生卤代物,还可以控制藻类和所

8、产生的复合有机物的嗅味,促进微絮凝作用,脱色效果好,经消毒后水质观感、口感均极大改善。因此臭氧在饮用水深度处理中得到了广泛的应用,通常用于生物活性炭工艺的前处理环节3。笔者从物理吸附角度出发,探讨了颗粒活性炭吸附对预臭氧后微污染原水中天然有机物和氨氮浓度的影响以及有机物分子量分布的影响。1材料与方法1.1试验用水微污染原水取自同济大学三好污湖,原水水质如表1所示。可以看出,原水有机物含量略高,水质呈微弱碱性。表1原水水质Tab1aw water quality指标浊度/NTUDOC/(mg·L1NH+4N/(mg·L1UV254/cm1水温/pH数值141443087007

9、225731 1.2试验材料臭氧反应器由直径005m,有效高度07m,有效容积1374L的玻璃制成,底部采用曝气砂芯片进行曝气,颗粒活性炭的性能参数如表2所示。表2颗粒活性炭性能Tab2Properties of GAC指标堆积密度/(g·cm3碘值/(mg·g1粒度/目灰分/%水分/%数值045 05595012 243090 1.3试验方法量取等量的原水分别倒入1L的烧杯中,用10,15,20,25和30mg/L的5种浓度梯度的臭氧进行预处理,臭氧接触时间为10min,然后对处理后的原水进行高压灭菌处理,置入4冰箱中冷藏备用。试验开始时,准确称取5份20g的颗粒活性炭并

10、进行高压灭菌处理,分别投加到上述预处理后的原水中(GAC与原水的质量比为1500,将混合液置于磁力搅拌器上,转速为20r/min,间隔1天取样1次,及时进行水质分析。1.4分析方法UV254采用HACH D5000型分光光度计测定;CODMn、NH+4N采用标准方法测定4。溶解性有机碳(DOC采用Elementarliqui TOC型总有机碳分析仪测定。有机物分子量分布采用超滤膜法测定:待测水样经045m的微孔滤膜过滤,然后取等体积水样分别用30,10,5和1kDa的超滤膜平行过滤,测定过滤液的DOC。该试验中采用的过滤装置是磁力搅拌式超滤杯,有效容积为300mL,内设磁力搅拌子,过滤驱动压力

11、为01MPa。试验采用的超滤膜所截留的分子量分别为1,5,10和30kDa,直径为90mm,有效过滤面积为363cm2。水中生物可同化有机碳(BDOC采用刘文君简化的BDOC测定方法进行测定5:将待测水样用045m超滤膜进行过滤,并同时取水样测TOC,该值为DOC0(即初始DOC值;然后将接种液通过2m膜过滤,分别取滤液5mL加入500mL待测水样中,盖好盖后摇晃均匀;最后将加好接种液的水样放入恒温箱中,在20条件下培养3天,在第3天时取样,先经过045m超滤膜过滤然后测定TOC,该值即为DOC3,水样BDOC=DOC3DOC。2结果与讨论2.1颗粒活性炭吸附对原水有机物浓度的影响采用相同的原

12、水,当预臭氧含量分别为10, 15,20,25和30mg/L时,颗粒活性炭对原水中有机物的吸附去除情况如图1所示。从图1a可以看出,预臭氧过程对原水COD Mn 浓度有一定的影响,预臭氧浓度越高,原水COD Mn浓度越低。颗粒活性炭对COD Mn吸附大约在5天后趋于饱和,吸附效果达到总吸附效果的95%以上,5天后吸附基本保持平衡状态。当预臭氧含量由10mg/L升至30mg/L时,颗粒活性炭对原水CODMn 的饱和吸附去除率变化范围为345% 532%,预臭氧含量为25mg/L时颗粒活性炭对COD Mn的吸附去除率达到最大值532%。图1b反映了颗粒活性炭对DOC的吸附去除效果。预臭氧处理后颗粒

13、活性炭对DOC的吸附去除率升高,原因可能是DOC代表的是水中溶解性有机碳的浓度,DOC构成中小分子含量有机物成分较多,更易被活性炭吸附6。图1c反映了颗粒活性炭对BDOC的吸附去除第8卷第1期供水技术2014年2月效果。预臭氧过程对原水BDOC浓度的影响稍强,预臭氧含量增至25mg/L时,原水BDOC含量升高229%;预臭氧浓度继续升高时,水中BDOC含量降低,这可能是由于臭氧对BDOC的氧化作用所引起的。不同条件下,颗粒活性炭对原水BDOC的吸附去除率大约为35%左右,并未表现出较大差异。图1颗粒活性炭对有机物的吸附特性Fig1Adsorption of organic matters by

14、 GAC2.2颗粒活性炭吸附对原水UV254的影响采用相同的原水,预臭氧含量分别为10,15, 20,25和30mg/L时,颗粒活性炭对原水中UV254的吸附去除情况如图2所示。可以看出,预臭氧含量对原水UV254含量影响较大,预臭氧浓度越高,原水UV254含量越低,这可能是由于UV254反映的是水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含不饱和键的芳香族化合物的含量,UV254类物质富含电子基团,因此很容易被臭氧氧化。基于同样原理UV254类物质也易被颗粒活性炭吸附,图中颗粒活性炭对原水中UV254类物质的吸附均可达到100%,水中UV254含量越低,有效吸附时间越短。图2颗粒活性炭对UV254

15、的吸附特性Fig2Adsorption of UV254by GAC2.3颗粒活性炭吸附对原水NH+4N的影响采用相同的原水,预臭氧含量分别为10,15,20,25和30mg/L时,颗粒活性炭对原水中NH+4N的吸附去除情况如图3所示。图3颗粒活性炭对NH+4N的吸附特性Fig3Adsorption of NH+4N by GAC从图3可以看出,预臭氧过程及颗粒活性炭过程中NH+4N含量呈现出较强的稳定性。预臭氧处理并不能显著增加活性炭对氨氮的吸附效果,这可能是由于NH+4N的化学稳定性较强,氨与臭氧的反应很慢,在10min的臭氧接触时间里,臭氧无法有效地将NH+4N氧化。颗粒活性炭对NH+4

16、N的吸附效果主要来源于颗粒活性炭对水中大分子有机物的吸附作用,吸附去除率大约为10%,颗粒活性炭对水中游离的NH+4N几乎无任何物理吸附效果7。2.4颗粒活性炭吸附对有机物分子量分布的影响将试验水样有机物分子量分成5个区域,分别是1kDa,(1 5kDa,(5 10kDa,(10 30kDa 和30kDa,用滤膜分离不同分子量的水样并检测水样DOC浓度。预臭氧含量为25mg/L时,颗粒2014年2月董斌,等:颗粒活性炭吸附对预臭氧后微污染原水水质影响研究第8卷第1 期活性炭吸附对原水中有机物分子量分布的影响如图4所示。图4颗粒活性炭对原水中有机物分子量分布的影响Fig4Influence of

17、 GAC on organic matter molecularweight distribution of raw water从图4可以看出,随着时间的延长,分子量1 kDa的有机物对应的DOC百分比越来越高,可从15%升至20%;分子量10kDa的有机物对应的DOC百分比越来越少,可由38%降至16%。在相同条件下,颗粒活性炭优先对大分子有机物进行吸附,然后对小分子有机物进行吸附,大分子有机物的吸附和小分子有机物的吸附呈现出一种竞争的关系。由于大分子有机物上电位基团较多,吸附位点较多,因此造成在吸附过程中大分子的优势地位。由图4也可以看出,颗粒活性炭对NH+4N的吸附主要来源于颗粒活性炭对

18、水中大分子有机物的吸附作用。3结论颗粒活性炭对有机物的吸附在吸附时间达到5天时,吸附曲线开始趋于平缓,吸附时间超过5天之后活性炭吸附趋于饱和。预臭氧含量为25 mg/L时,颗粒活性炭对有机物的吸附效果最佳。预臭氧对水样中氨氮的吸附基本无强化作用,颗粒活性炭所吸附的氨氮主要来源于大分子有机物上负载的NH+4N。颗粒活性炭会优先吸附水样中分子量10kDa的有机物,其次是水样中分子量1kDa 的有机物。参考文献:1McKay G,Bino M J,Altamemi AThe adsorption ofvarious pollutants from aqueous solutions on to activatedcarbonJWateres,1985,19(4:4914952杜光智活性炭水处理技术的现状和发展J环境科学与技术,1990,48(1:20233王占金,于衍真臭氧生物活性炭工艺去除水源水中有机物的研究进展J江苏化工,2008,36(5:44国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会水和废水监测分析方法(第4版M北京:中国环境科学出版社,2002