評估臭氧生物活性炭工藝中溴酸鹽生成情況分析

劉芳蕾,張 冬,呂錫武(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210096；2.南京市自來水總公司,江蘇 南京 210002)

        為合理評估應(yīng)用臭氧生物活性炭工藝中溴酸鹽的生成情況,提出既能保證出水水質(zhì)又能降低溴酸鹽超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的方案.進(jìn)行了小試與中試試驗(yàn),系統(tǒng)地從原水水質(zhì)和工藝參數(shù)兩個(gè)方面入手,研究水質(zhì)因素、初始溴離子濃度和臭氧氧化條件等對溴酸鹽生成的影響,同時(shí)分析生物活性炭對溴酸鹽的去除能力.結(jié)果表明:高初始溴離子濃度水平和臭氧接觸程度(Ct 值)促使更多BrOx-生成.在相同Ct 值條件下,升高臭氧投加濃度可使溴酸鹽生成量增高200%左右.以長江南京段江心洲夾江下游原水進(jìn)行臭氧生物活性炭深度處理不會(huì)產(chǎn)生溴酸鹽超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn).生物活性炭(BAC)對于溴酸鹽去除效果并不明顯.運(yùn)用臭氧生物活性炭工藝進(jìn)行深度處理時(shí),工藝中應(yīng)著重注意控制溴酸鹽在臭氧化過程中的生成而非依靠后續(xù)生物活性炭將其去除.

        目前,隨著公眾對飲用水水質(zhì)要求的提高,以去除水中微污染有機(jī)物為目標(biāo)的飲用水深度凈化技術(shù),得到了深入研究和廣泛應(yīng)用.其中臭氧生物活性炭工藝既能去除水中的有機(jī)物、氨氮、無機(jī)還原性物質(zhì)、色度、渾濁度,又能有效降低出水致突變活性,而受到廣泛關(guān)注.然而,應(yīng)用臭氧生物活性炭工藝處理含溴(Br-)原水時(shí)會(huì)產(chǎn)生溴酸鹽(BrOa-).溴酸鹽生成機(jī)理可以分為臭氧分子

氧化反應(yīng)和羥基自由基氧化反應(yīng)兩類反應(yīng)及以下三個(gè)途徑:直接氧化途徑(Br-→OBr-/HOBr→BrO2-→BrO3-)、直接—間接氧化途徑(Br-→OBr-/HOBr→BrO⋅→BrO2-→BrO3-)和間接— 直接氧化途徑(Br→Br⋅→BrO⋅→BrO2-→BrO3-).

        溴酸鹽被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)定為2B級潛在致癌物,動(dòng)物試驗(yàn)確認(rèn)其有致癌性,微生物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其具有致突變性,并可能具有DNA 和染色體水平遺傳毒性.美國環(huán)保局(USEPA)規(guī)定飲用水中溴酸鹽的很高允許濃度為10μg/L,我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中溴酸鹽限值為10μg/L.研究表明,在臭氧化過程中,大約20%的Br-轉(zhuǎn)化為BrOa-.原水Br-濃度大于35μg/L時(shí),應(yīng)用臭氧生物活性炭工藝BrOa-存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn).而在我國很多城市水源水中Br-濃度大于50μg/L,黃河水中Br-濃度高達(dá)200μg/L.因此,臭氧生物活性炭工藝運(yùn)行前,進(jìn)行BrOa-生成風(fēng)險(xiǎn)的評估顯得尤為重要.BrOa-酸鹽一旦形成,通常需要外加紫外線或者投加還原性離子的方法將其去除,這將極大提高制水成本.可見,控制溴酸鹽應(yīng)結(jié)合原水水質(zhì)和工藝兩個(gè)方面分析評估BrOa-生成的可能性,在深度處理的同時(shí)合理調(diào)整工藝參數(shù),及時(shí)采取相應(yīng)措施保證出水水質(zhì)并削減溴酸鹽的生成.

結(jié)論

1 初始Br-濃度和臭氧接觸程度都明顯影響著BrO3-的生成,高初始Br-濃度水平和臭氧接觸程度(Ct 值)促使更多BrO3-生成.Ct<10[(mg×min)/L]時(shí),BrO3-生成速率較高且隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸升高;Ct>10[(mg⋅min)/L]時(shí),BrO3-生成速率逐漸降低;Ct=40[(mg⋅min)/L]之后,BrO3-生成速率已很小可認(rèn)為反應(yīng)結(jié)束.

2 相同的臭氧接觸水平(Ct 值)下,減少臭氧投加濃度ρ[mg/(L·min)]、延長反應(yīng)時(shí)間t有利于減少BrO3-的生成.保持相同的Ct 值,臭氧投加濃度由0.16mg/(L·min)升高至0.85mg/(L·min),溴酸鹽生成量可升高200%.高溴區(qū)域可以采用多點(diǎn)投加臭氧法減小BrO3-超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn).

3 原水水質(zhì)差異影響反應(yīng)氧化結(jié)果,預(yù)臭氧接觸柱內(nèi)為天然水體,水中雜質(zhì)較多;后臭氧接觸柱內(nèi)為經(jīng)過處理的砂濾出水,水中雜質(zhì)較少.相同的臭氧投加量下,后臭氧工序中溶液剩余臭氧濃度C 要明顯高于預(yù)臭氧工序,相對于預(yù)臭氧工序來說更易產(chǎn)生BrO3-.

4 生物活性炭BAC 對BrO3-有一定的去除作用,但效果并不明顯,數(shù)值上來看GAC對于BrO3-的去除能力是BAC的百倍以上.一旦在投加臭氧的環(huán)節(jié)生成依靠BAC濾柱很難將其去除.運(yùn)用臭氧生物活性炭工藝進(jìn)行深度處理時(shí),應(yīng)著重控制BrO3-在臭氧化過程中的生成而非依靠后續(xù)生物活性炭將其去除.