粉末活性炭在超滤净水厂的应用研究.docx

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粉末活性炭在超滤净水厂的应用研究

４

科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ

２０１２　　ＮＯ．０４

研　究　报　告

科技创新导报

粉末活性炭（ＰＡＣ）—超滤（ＵＦ）组合工艺被广泛的用于处理微污染水源水，超滤的物理截留能够对微生物和病毒达到１００％的去除率，同时粉末活性炭对嗅味物质，藻毒素，消毒副产物前驱物，农药都有很好的去除作用［１］。

但是这些研究的规模都局限在小试或者中试实验。

虽然小试和中试的实验结果能够在一定程度上对生产给予理论依据，但是，其结果一般与生产运行上存在一定的差距。

投炭量的不同是差异的直接

原因。

董秉直［２］

研究粉末活性炭－超滤组合工艺处理微污染水的投炭量为１０～４０ｍｇ／Ｌ，李星［３］得出的最佳投炭量为２～１０ｇ／Ｌ。

虽然处理的水质不同，但是很大的投炭量是无法在实际生产上实现的。

因此，本实验基于国内目前最大的浸没式超滤水厂——东营南郊净水厂已有的１０×１０５ｍ３／ｄ的超滤装置（共１２格，取其中１格即膜面积为１．２５×１０５ｍ２），进行了最佳投炭量的生产研究。

１　实验方法

１．１常规指标分析方法

实验采用的水质分析方法为国家环保局水与废水检测分析方法，具体方法见表１。

１．２粉末活性炭孔径分布

粉末活性炭孔径特征采用ＡＳＡＰ２０２０Ｍ全自动比表面积及孔隙度分析仪在７７Ｋ温度下氮气吸附分析测定。

样品在９０℃温度下脱气，脱气压力升至５００μＨｇ／ｍｉｎ时进行样品分析。

ＡＳＡＰ２０２０Ｍ自带软件提供了分析样品的ＢＥＴ表面积（ＳＢＥＴ）、微孔表面积（Ｓｍｉｃ）、外表面积（Ｓｅｘｔ）、总孔容积（Ｖｔｏｔ）、微孔容积（Ｖｍｉｃ）、平均孔径（Ｄｍｅａｎ）和孔径分布（ＰＳＤ）。

ＳＢＥＴ是根据氮气的吸附等温线计算得出，Ｖｔｏｔ是在相对压力Ｐ／Ｐ０为０．９７３时

根据吸附在样品上氮气量计算而得，Ｓｍｉｃ、Ｓｅｘｔ和Ｖｍｉｃ是根据ｔ－ｐｌｏｔ法计算得出，Ｖｍｉｃ、Ｄｍｅａｎ和ＰＳＤ是由ＢＪＨ吸附模型计算得到［４］。

１．３粉末活性炭化学性质

Ｂｏｅｈｍ滴定法测定表面基团［５］。

１．４消毒副产物及其生成势的研究方法

消毒副产物生成势采用ＵＦＣ法，基本步骤是：

取待测水样，投加２ｍＬ　ｐＨ＝８硼酸缓冲溶液，再将水样加入在６只１００ｍＬ的玻璃瓶中，每个瓶中加７５ｍＬ。

．分别按公式：

ＴＯＣ×１．８，ＴＯＣ×２，ＴＯＣ×２．５的投加量投加配制好的ｐＨ＝８的次氯酸钠使用液，每个投加量加２瓶，添加水样至注满玻璃瓶，不留气泡，摇晃均匀。

在２０℃条件下培养２４ｈ后测定３种投加量下余氯情况，取其中余氯含量在１．０±０．４ｍｇ／Ｌ的水样做为测定样，以此投加量投加的另一瓶样测定消毒副产物。

消毒副产物采用气相色谱法测定，气相色谱仪为安捷伦ＧＣ６８９０Ｎ型。

ＴＨＭｓ测定方法：

检测器（ＥＣＤ）温度：

３４５℃；色谱柱：

ＨＰ５柱；进样口温度：

２５０℃。

三卤甲烷样品采集方法：

２５０ｍＬ顶空瓶采集水样至满瓶（不应有气泡），立即用垫有聚四氟乙烯薄膜的翻口胶塞盖上，带回实验室立即测定。

样品测定采用顶空进样气相色谱法检测。

ＨＡＡｓ测定方法：

检测器（ＥＣＤ）温度：

２５０℃；色谱柱：

ＨＰ５柱；进样口温度：

２５０℃。

卤乙酸样品采集：

先将５ｍｇ氯化铵晶体置于５０ｍＬ采样瓶中（含量为１００ｍｇ／Ｌ），取满水样。

自来水采集时先打开水龙关，使水流中不含有气泡，３～５ｍｉｎ后开始采集，盖好塞子，上下翻转振摇使晶体溶解，于２４ｈ内测定。

样品测定采用衍生化毛细管气相色谱法进行检测。

２　结果与讨论

消毒副产物（ＤＢＰｓ）如三卤甲烷（ＴＨＭ）、卤乙酸（ＨＡＡ）等属三致物质；饮用水中含量超标时对人体健康影响巨大。

而对消毒副产物（ＤＢＰｓ）前驱物的去除能有效减少饮用水中ＤＢＰｓ的形成。

因此，ＤＢＰｓ前驱物的有效去除是现代饮用水处理中最具挑战性的任务之一。

ＤＢＰｓ前驱物以天然有机物（ＮＯＭ）的形式存在于所有地表水中，而芳香类物质是ＤＢＰｓ最强的前驱物，所以粉末活性炭的应用弥补了单纯使用超滤工艺的不足

本实验投炭量分别为０，１，２，３，４ｍｇ／Ｌ，通过对比出水水质（ＤＯＣ，ＵＶ２５４），以及消毒副产物的前驱物的去除，获得最佳投炭量。

２．１粉末活性炭物理化学特性

ＰＡＣ的物理特征，尤其是孔径分布，是影响活性炭吸附性能的重要因素。

根据国际理论和应用化学学会（ＩＵＰＡＣ）的分类标准，活性炭孔径分为四种类型：

大孔（＞５０ｎｍ），中孔（２－５０ｎｍ），二级微孔（０．８８－２ｎｍ），一级微孔（＜０．８ｎｍ）［６］。

芳香类物质为小分子有机物其半径＜２ｎｍ，木质炭的微孔面积（Ｓｍｉｃ＝５６３）和微孔容积（Ｖｍｉｃ＝０．２２３）较发达，因此粉末活性炭主要通过微孔对其进行物理吸附。

在其通往微孔的过程中，ＰＡＣ的表面化学性质对其输送、排斥、吸附过程也是不容忽略的。

一个高极性的表面易于吸附高极性物质。

芳香类物质在表面上的化学吸附主要是通过π电子与表面正电荷基团的连接（π健为为缺电子基团提供电子），炭表面的极性含氧基团主要有：

羧基、羰基、羟基等，所以两者易于吸附在一起。

（如表２表３）

２．２粉末活性炭投加量对有机物的去除

由图１可知，随着粉末活性炭投加量的增加，出水ＵＶ２５４也相应的减少，当投加量大于２ｍｇ／Ｌ时，ＵＶ２５４下降趋势减缓。

ＵＶ２５４是表征水中芳香类有机物的重要指标，能作为消毒副产物前驱物的代表参数［７］

，ＵＶ２５４的减少表明水中部分芳香类有机物被粉末活性炭所吸附，当粉末活性炭投加量大于３ｍｇ／Ｌ，ＵＶ２５４并未减小，说明水质芳香类有机物已经基本被吸附，因此消毒副产物的前驱物也达到一定的去除（见２．３）。

（如图１）

溶解性有机碳（ＤＯＣ）是表征天然有机物（ＮＯＭ）的重要指标，而ＤＢＰｓ前驱物以天然有机物（ＮＯＭ）的形式存在于所有地表水

粉末活性炭在超滤净水厂的应用研究

郭爱玲１　　陈起２　　张萍１

（１．东营市自来水公司　　山东东营　　２５７４５２；　２．中国核电工程有限公司郑州分公司　　郑州　　４５００５２）

摘　要：

生产性试验与小试和中试存在一定的差异。

基于已有的超滤膜装置，通过不同的粉末活性炭投加量，比较了ＵＶ２５４、ＤＯＣ、ＳＵＶＡ，确定了粉末活性炭的最佳投加量：

２－３ｍｇ／Ｌ。

同时，比较了投加粉末活性炭后，水中消毒副产物及其生成势的变化，结果表明粉末活性炭对消毒副产物前驱物有较好的去除作用。

关键词：

粉末活性炭　　超滤　　消毒副产物中图分类号：

ＴＵ９９１．２文献标识码：

Ａ文章编号：

１６７４－０９８Ｘ（２０１２）０２（ａ）－０００４－０３

表１　常规指标分析方法

表３　粉末活性炭表面化学性质

检测项目　检测方法　检测仪器　

ｐＨ值　—　ＰＨＳ－３Ｃ精密酸度计　浊度　—　

哈希２１００Ｎ台式浊度仪　ＵＶ２５４　２５４ｎｍ波长下紫外吸光度　７５２型紫外可见分光光度计　ＴＯＣ　—　岛津ＴＯＣ测定仪　

表２　活性炭的孔结构特征

ＰＡＣ种类　ＳＢＥＴｍ２

／ｇ　Ｓｅｘｔｍ２／ｇ　Ｓｍｉｃｍ２／ｇ　Ｖｔｏｔｃｍ３／ｇ　Ｖｍｉｃｃｍ３／ｇ　Ｄｍｅａｎｎｍ　木质炭　

１１９０　

７２４　５６３　

０．８１２　

０．２２３　

３．３　

ＰＡＣ种类　羧基／ｍｍ　ｏｌ・Ｌ－１　内酯酸基　／ｍｍｏｌ・Ｌ－１　酚基／ｍｍｏ　ｌ・Ｌ－１　酸度／ｍｍｏ　ｌ・Ｌ－１　碱度／ｍｍｏ　ｌ・Ｌ－１　木质炭　

０　

０．０２９　０．１７７　０．２０６　０．５２３　

５

　科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ研　究　报　告

２０１２　　ＮＯ．０４

科技创新导报

　项目　０．５ｍｇ／Ｌ氯消毒　

１．０ｍｇ／Ｌ氯消毒　０．５ｍｇ／Ｌ氯胺消毒　１．０ｍｇ／Ｌ氯胺消毒　ＴＨＭｓ（μｇ／Ｌ）　７２．６　１１４．１　２８．２　４３．６　　ＵＦ　ＨＡＡｓ（μｇ／Ｌ）　１５．６　２２．８　１０．１　１９．３　ＴＨＭｓ（μｇ／Ｌ）　６０．２　１０６．９　２５．３　３９．１　　

ＰＡＣ＋ＵＦ　

ＨＡＡｓ（μｇ／Ｌ）　

１３．９　

１９．２　８．８　１５．９　

表５　ＵＦ和ＰＡＣ＋ＵＦ工艺出水的消毒副产物生成势

表４　ＵＦ和ＰＡＣ＋ＵＦ工艺出水不同消毒剂的ＤＢＰｓ的生成量

三氯甲烷（μｇ／Ｌ）　一溴二氯甲烷（μｇ／Ｌ）　二溴一氯甲烷（μｇ／Ｌ）　三溴甲烷（μｇ／Ｌ）　总和（μｇ／Ｌ）　ＵＦ　

０．８５６２　０．６４１５　０．７１３２　－－－－　２．２１０９　ＰＡＣ＋ＵＦ　

０．７４５６　

０．５９３８　０．６４８３　－－－－　１．９８７７　

０．０３０

ＵＶ２５４（ｃｍ

－１）

ＰＡＣ（ｍｇ／Ｌ）

图１　粉末活性炭投加量对ＵＶ２５４的去处效果的影响

图２　粉末活性炭投加量对ＤＯＣ的去除效果的影响

０

１

２

３

４

２．６０

２．６５２．７０２．７５２．８０２．８５２．９０２．９５３．００３．０５　ＤＯＣ

ＤＯＣ（ｍｇ／Ｌ）

ＰＡＣ（ｍｇ／Ｌ）

中，所以ＤＯＣ的去除，在一定程度上表明ＤＢＰｓ前驱物有的去除（随后将通过消毒副产物生成势表明ＤＢＰｓ前驱物的去除）。

当粉末活性炭浓度大于２ｍｇ／Ｌ时，ＤＯＣ浓度差不大于０．１ｍｇ／Ｌ，表明随着粉末活性炭投加量的增加，有机物减少逐渐趋于稳态即小分子有机物都已经被粉末活性炭所吸附。

ＤＯＣ的结果和ＵＶ２５４的结果相似。

（如图２）

比紫外吸光度（ＳＵＶＡ）是一个计算参

数，其值等于（ＵＶ２５４／ＤＯＣ）×１００，该参数表征了水中的腐殖含量，ＮＯＭ中的腐殖酸也是一类主要的ＤＢＰｓ前驱物。

当粉末活性炭投加量为３ｍｇ／Ｌ时，ＳＵＶＡ最低（１．３１），表明此时水中的腐植酸含量最低。

当粉末活性炭投加量继续增加时，ＳＵＶＡ变大，表明水中的芳香类有机物基本已经被吸附，而水中其它小分子天然有机物则继续被粉末活性炭吸附。

（如图３）

综合图１－图３的结果，最佳粉末活性炭的投加量应该是３ｍｇ／Ｌ（即对水质芳香类有机物到达最大吸附值），虽然增加粉末活性炭投加量能怎增加对小分子有机物的吸附，但效果不明显，而且粉末活性炭每增加１ｍｇ／Ｌ，都将给水厂增加相应的成本，所以，在具体的生产实践中，粉末活性炭投加量可以在２～３ｍｇ／Ｌ，或者根据水厂需要而定。

２．３消毒副产物及其生成势的研究

在确定最佳投炭量后，本实验测定了在粉末活性炭投加量为２ｍｇ／Ｌ下，不同消毒剂（氯和氯胺）分别投加量为０．５ｍｇ／Ｌ和１ｍｇ／Ｌ，观察ＵＦ和ＰＡＣ＋ＵＦ的消毒副产物（ＤＢＰｓ）。

同时分别对ＵＦ和ＰＡＣ＋ＵＦ进行了消毒副产物生成势的分析。

（如表４表５）

两种消毒剂，不同的投加量下，投加粉末活性炭的出水ＤＢＰｓ的生成量均小于不投加粉末活性炭。

表明粉末活性炭的投加较少了消毒副产物的生成。

ＰＡＣ＋ＵＦ工艺的各项消毒副产物生成势均小于超滤工艺，表明粉末活性炭对消毒副产物的前驱物有一定的吸附作用，这与董秉直等人的研究一致［２］。

３　结论

综合ＵＶ２５４和ＤＯＣ的结果可知，生产性粉末活性炭最佳投加量为２～３ｍｇ／Ｌ。

同时粉末活性炭吸附了水中的芳香类有机物，小分子天然有机物，还有腐植酸等消毒副产物的前驱物，从而减少了消毒副产物的生成。

因此，粉末活性炭在超滤水厂有广泛的应用空间。

参考文献

［１］王文清，高乃云，刘宏，等．粉末活性炭

在饮用水处理中应用的研究进展．四川环境．２００８．２７（５）：

８４～８７．

［２］董秉直，陈艳，高乃云，等．粉末活性炭－

超滤膜处理微污染原水试验研究．同济

（下转８页）

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研　究　报　告

科技创新导报

ＶＩＣＥ　ＬＥＴＴＥＲＳ，２００５　２６（６）ｐ：

３４８－３５０．［４］Ｋｈａｎ　Ｍ　Ａ，Ｈｕ　Ｘ，Ｔａｒａｋｊｉ　Ａ，ｅｔ　ａｌ．“ＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅ