DOM原位分离技术的开发与其在饮用水净化新工艺评价中的应用

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溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)广泛存在于饮用水源水中,DOM的存在对饮用水处理产生较大影响,如DOM能够降低氧化剂、消毒剂等有效性,削弱净水效果,并且会与消毒剂反应生成三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物,威胁饮用水安全。因此了解DOM的性质一直是保障饮用水安全最重要的研究课题之一。DOM的构成复杂,且不同水源水的DOM结构和组成有着较大差异,这又恰恰影响了它的反应性和去除效率。为了能够设计和运行饮用水处理工艺以达到对DOM最佳去除效果,需要了解实际饮用水处理工艺中DOM的去除特性,以及通过消毒副产物生成潜力评价该工艺对保障用水安全的有效性。近年来树脂分级法被广泛用于不同来源DOM分级分离,通过使用XAD-8或DAX-8串联XAD-4树脂可将DOM分为疏水酸性(hydrophobic acid,HPOA)、疏水中性(hydrophobic neutral,HPON)、过渡亲水酸性(transphilic acid,TPIA)、过渡亲水中性(transphilic neutral,TPIN)和亲水性(hydrophilic,HI)五种组分。但对于实际水体而言,树脂分级需要运输及储存大量水样,期间细菌、藻类等微生物滋生会导致分析结果失真。因此在本研究中,首先开发了基于原位分离技术的DOM分级装置,并将其运用到实际水体的DOM分级中。其次,评价了混凝、沉淀、过滤、臭氧-生物活性炭、消毒的传统饮用水工艺流程和生物接触氧化预处理、混凝、沉淀、离子交换树脂、过滤、消毒的饮用水新型工艺流程的净水效果,探究了各工艺对DOM的去除特性和作用机理,以及卤乙酸、三卤甲烷等消毒副产物生成潜力,为实际饮用水处理的设计和优化提供理论支持。主要研究内容和结论如下:(1)基于DOM原位分离技术的树脂分级装置的设计开发。选取苏旺尼河DOM和通榆河DOM为目标物,测试优化原位分离技术实际应用效果。该技术能够替代传统方法,各组分溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)误差在5%以内,紫外可见吸收和三维荧光光谱的与传统分级方式出峰一致。此外发现分级结果受流速影响,高流速下HPOA的DOC较低流速下降12.2%。不同水源地DOM组成不同,苏旺尼河DOM中HPOA含量最高,DOC占51.4%,三维荧光光谱中类富里酸和类腐殖酸区域特征峰明显,而通榆河DOM中HPOA的仅占13.7%,三维荧光光谱中Ⅱ类芳香族蛋白质特征峰明显。(2)饮用水净化新工艺对DOM去除的原位分离研究。选取以通榆河为主要水源的盐城市大丰区二水厂(传统工艺流程)、通榆河水厂(新工艺流程)为实验对象,对各工艺中DOM去除特性进行研究。两水厂水源水DOM中HPON(27.5%、27.2%)、TPIN(28.5%、27.2%)和HI(21.0%、24.9%)占比较多,HPOA(14.8%、10.4%)含量较少。二水厂中混凝、沉淀对DOM的去除率较低,主要对HPOA(29.3%)、HPON(16.2%)有一定去除,臭氧-生物活性炭工艺对HI(34.8%)去除效果较好,但由于生物代谢物的产生,TPIA含量升高且TPIN仅有2.4%的去除率。通榆河水厂中采用生物接触氧化预处理,对HI(35.0%)有较好去除效果,而在此工艺中增多的TPIA、TPIN在后续混凝工艺中得到去除。离子交换树脂对TPIA、HI进一步去除,去除率分别达到45.5%和38.1%,提高了出水水质。(3)各工艺出水中消毒副产物生成潜力探究。卤乙酸和三卤甲烷生成潜力与DOM含量及组成有关,卤乙酸主要与Ⅱ类芳香族蛋白质有关,三卤甲烷的生成与高分子量的有机物有关,HI对含溴副产物的生成起到了主要贡献。以生物接触氧化预处理、离子交换树脂深度处理为核心的饮用水净化新工艺不仅有效降低了DOM含量,更降低了出水中消毒副产物的含量,对卤乙酸和三卤甲烷去除率分别达到82.4%和72.9%,而旧工艺仅为51.7%和32.6%。总体而言,混凝沉淀对HPOA有一定去除。生物法能够去除难以被混凝去除的HI,但会生物代谢产物会导致TPIA、TPIN的增加。前置生物法则可通过后续混凝沉淀将增加的部分去除,有效降低水体DOC和消毒副产物的生成。
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