活性炭与超滤组合工艺深度处理饮用水
超滤膜过滤饮用水深度净化工艺是近年发展起来的一种新兴工艺，其显著优点是能有效去除水中的病原菌(如贾第虫孢囊、隐孢子虫卵囊和大肠杆菌)。超滤膜对有机物的去除率取决于原水水质和膜孔的大小，在较大的范围内变化。在超滤膜的应用过程中，最重要的是膜阻塞和膜污染问题。水中的有机物、无机物、悬浮固体颗粒、微生物和胶体物质等在膜表面和膜孔内累积将破坏膜的运行性能，并极大地缩短膜的使用寿命。活性炭与超滤膜的组合系统克服了单用任何一种处理手段时的弱点，如活性炭出水中常常含有一定量的细菌而影响出水的水质，超滤膜则存在膜阻塞和膜污染的问题。在组合系统中，利用活性炭对进水进行必要的前处理，如去除水中大部分的浊度、各种类型的有机化合物和色度［1、2］，这些物质的去除为后续的膜过滤提供了必要的保障，从而缓解了膜阻塞和膜污染问题，延长了膜的使用寿命。用膜进行后处理有效地解决了出水中含有一定量细菌的问题，保障了出水水质。
1 试验材料及方法
中试处理工艺流程如图1所示，该工艺系统主要由GAC滤罐和淹没式UF膜单元组成。
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2 试验结果及讨论
2.1 对浊度的去除
由于原水是北京第三水厂处理后的出水，该中试系统进水的浊度相当低，一般为0.3～0.8NTU(冬季基本上维持在0.3 NTU)。经活性炭吸附和超滤膜过滤后，出水的浊度＜0.1 NTU，在HACH2100P浊度仪的检测限之外(见图2)。
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2.2 对有机物的去除
2.2.1 高锰酸盐指数
系统对高锰酸盐指数的去除效果见图3～5。活性炭对高锰酸盐指数的去除率为10%～60%，其中两个最低点是由于系统出现故障而停运造成的。再次启动时没有进行反冲洗，致使活性炭表面吸附的有机物逆向析出于水中，导致出水表现出较高的高锰酸盐指数。在系统正常运行时，高锰酸盐指数的去除率逐渐趋于稳定(20%左右)，这一结果与在其他生产工艺中的结果类似［3、4］。
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在该工艺中选用的活性炭是RCT14×40型，比表面积为850m2/g。定量测定活性炭的孔径分布为：中孔容积0.053cm3/g，微孔容积0.366cm3/g，故中孔容积比普通ZJ-15型炭(0.04cm3/g)大。在液相吸附中发挥吸附作用的主要是中孔这种过渡孔，其容积的增大势必使RCT14×40型炭对水中分子质量处于中间值、分子表观尺寸居中的有机污染物的吸附能力增强。活性炭出水中主要含大分子质量和小分子质量的有机污染物，而UF膜的孔径在0.03～0.1μm，这对大分子质量的有机污染物截留作用较强，对小分子质量的有机污染物基本上没有去除作用。所以UF膜对高锰酸盐指数的去除率始终维持较低的水平，最高也仅有25%，在运行平稳后基本维持在10%左右。
2.2.2 UV254
北京第三水厂的水源水是密云水库的水，其水质的主要特点是含有一定量的腐殖酸和富敏酸，溶解性的腐殖酸和富敏酸的分子质量分别为500～10000 u，这类物质很难被常规工艺 完全去除(对总有机污染物的去除率一般在30%左右［5］，且氯化后形成各种形式的有机氯化物)。对于溶解性的腐殖酸、富敏酸到目前为止还没有专用的参数来表征它们的浓度。国际上通用的手段是用UV在254 nm处的吸光度来确定溶解性的腐殖酸、富敏酸和相应的消毒副产物的变化情况。本研究中对UV254的测定结果如图6、7所示。
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由图6、7可见，活性炭和UF膜对UV254的去除率平均值分别为20%和40%，UF膜对UV254的去除率远高于对高锰酸盐指数的去除率。UF膜对UV254去除的有效性和高去除率在国外的研究中也得到了证实，如LoTan 和Gary L.Amy等人的报告中介绍膜对于UV254表示的腐殖酸总有机碳有近50%的去除率。对高锰酸盐指数与UV254比值的变化关系进行对比，发现进水为1.9，出水为3.1，表明该系统对三致物质及其前质的去除与高锰酸盐指数的去除无正相关性。
2.2.3 GC/MS分析
采用GC/MS分析测定了水中有机污染物的分子量分布，结果如图8～10所示。
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原水的有机污 染物分子质量在10 000～500 u之间，共检出19种烷烃、1种炔烃、1种烯烃和17种酯类(其中苯酸酯占6种)；经活性炭吸附后约61.6%的有机污染物被去除；经UF膜过滤后有26.5%的有机污染物被去除；有些有机物虽然没被100%去除(如所有的苯酸酯在活性炭出水和UF膜出水中均被检出)，但其浓度比进水明显降低；总谱峰面积从进水的4752919减少到活性炭出水的1826441和UF膜出水的1342992(如表1所示)。
2.2.4 大肠杆菌膜对水中病毒和病原微生物的去除主要依 赖于膜的孔径［6～8］。研究表明，最小的脊髓灰质炎病毒的直径为28 nm，宽0. 5μm，长2μm，而一般给水系统中的细菌大小是脊髓灰质炎病毒的几倍到数百倍，因此用孔径为0.03～0.1μm的超滤膜进行截留去除是毫无问题的，研究结果也证实了这一点，即在整个水厂正常运行期间出水中始终未检出大肠杆菌。
3 结论
在北京燕山石化总厂饮用水深度净化现场进行的研究结果表明，该系统能有效地去除水中的高锰酸盐指数、UV254和大肠杆菌，尤其是对腐殖酸和富敏酸以及相应的消毒副产物都有较高和稳定的去除效果。活性炭与UF膜组合系统对浊度的去除效果显著。当进水浊度在0.3～1 NTU变化时，出水浊度＜0.1 NTU或经常小于仪器的检测限。组合系统中活 性炭对高锰酸盐指数的去除率在20%左右，UF膜对高锰酸盐指数的去除率在10%左右，并且受进水水质的影响比较显著。组合系统对UV254的去除率较高，活性炭对UV254的去除率在20%左右，UF膜对UV254的去除率在40%左右。这在一定程度上表明，膜对腐殖酸、富敏酸和与之相应的消毒副产物的去除率较高，即膜是一种去除水中三致物质及其前质的较有效手段之一，而且这一去除率与高锰酸盐指数的去除率呈正相关。GC/MS分析结果显示，经活性炭吸附后约61.6%的有机污染物被去除，经UF膜过滤后有26.5%的有机污染物被去除，对烷烃有机污染物的去除率较高，有些有机物虽然没被1 00%去除(如苯酸酯在活性炭和UF膜出水中均被检出)，但其浓度比进水明显降低，总谱峰面积从进水的4752919减少到活性炭出水的1826441和UF膜出水的1342992。选用孔径为0.03～0.1μm的超滤膜，利用截留能完全去除水中细菌和致病原生动物，在整个水厂正常运行期间的出水中始终未检出大肠杆菌。
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