含藻水中消毒副产物前体物控制技术研究

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蓝藻水华是湖泊富营养化导致的突出问题。藻类有机物(AOM)成分复杂多样,是消毒副产物(DBPs)的重要前体物,并且难以通过传统“混凝-沉淀-砂滤”工艺去除。考虑到富营养化水源地具有较高量的藻细胞和AOM,需要采取高效物化技术开展针对性去除,以保障饮用水的安全性。本文对含藻水中典型DBPs前体物进行特征分析,探究含藻水中氯化DBPs的生成规律。在此基础上,进一步研究了Mn(Ⅶ)和Mn(Ⅶ)/Fe(Ⅱ)预处理协同混凝去除含藻水中DBPs前体物(包括藻细胞和AOM)的效果;最后,构建了预氧化+常规工艺+原位臭氧-陶瓷膜过滤(O3-CMF)饮用水深度处理工艺,并分析了运行过程中DBPs的变化特征和前体物去除机制。主要研究结果如下:(1)蓝藻的胞外有机物(EOM)和胞内有机物(IOM)物化特征具有显著差异。三维荧光光谱分析显示,EOM中腐殖酸类物质和类溶解性微生物代谢产物(SMPs)组分占比较多,分别为56.06%和25.38%;IOM中占比较多的则是类芳香族蛋白物质(AP)和SMPs,分别为39.29%和38.92%,这也是EOM具有更高的特定紫外吸光度(SUVA)的原因。液相色谱-有机碳-有机氮检测器(LC-OCD-OND)分析显示,EOM中DBPs的前体物主要有生物聚合物和腐殖质类物质(HS),总占比达到35.50%;IOM中则是以腐殖质降解产物为主,占比为41.13%。加氯消毒后EOM与IOM产生的DBPs均以含碳消毒副产物(C-DBPs)为主,并且IOM具有更高的消毒副产物生成势(DBPFP)。其中,IOM与EOM中分子量(MW)小于1 k Da的物质都具有较高的C-DBPs的生成量。IOM由于含有较高比例的AP,其含氮消毒副产物生成潜能(N-DBPFP)是EOM的2.06倍。EOM与IOM的SUVA值均与三卤甲烷生成潜能(THMFPs)具有显著的相关性,但与C-DBP生成潜能(C-DBPFP)无良好的相关性。EOM的溶解性有机氮(DON)与N-DBPFPs具有良好的相关性,而IOM中却并未发现类似现象。EOM与IOM的DON(在生物聚合物和HS中)都与N-DBPFPs具有良好的相关性。总体而言,C-DBPs与水体中总有机碳(TOC)性质相关,N-DBPs的生成量则更多的受水体中DON影响。(2)采用高锰酸钾(KMnO4)预氧化强化聚合氯化铝(PAC)混凝效果,提高含藻水中的藻细胞和AOM去除效果。KMnO4投加量为1.0 mg·L-1条件下,取得TOC去除率为39.91%,C-DBPs去除率为42.01%的最优效果。然而,过量的KMnO4投加会破坏藻细胞,导致IOM释放,增加水体加氯消毒过程中N-DBPs形成风险。当KMnO4投加量增加至2.0 mg·L-1,出水消毒后典型的N-DBPs卤代乙腈浓度增加了211.64%。进一步采用还原性Fe(Ⅱ)缓解KMnO4对藻细胞的氧化作用,建立KMnO4+硫酸亚铁(Fe SO4)+PAC组合预氧化工艺可以有效降低水体中DBPs前体物的含量。在最优预氧化-混凝条件下(KMnO4 1.0 mg·L-1,Fe SO4 2.7 mg·L-1和PAC 12.0 mg·L-1),C-DBPs和N-DBPs去除率为46.40%和30.14%。(3)为了进一步降低含藻水中DBPs的前体物,构建了预氧化+常规工艺+原位O3-CMF的长流程工艺。O3-CMF对饮用水中TOC、DON、SUVA以及AP等荧光组分均具有良好的去除效果,并且O3-CMF对C-DBPs前体物的去除率由砂滤出水的33.05%提升至64.66%,对N-DBPs前体物的去除率由33.47%提升至56.63%。除了CMF本身的截留作用,O3的氧化作用也对TOC具有一定矿化作用,有利于DBPs前体物的有效去除。值得注意的是,O3氧化也导致小分子有机物增加,陶瓷膜难以截留,使得O3-CMF出水中卤代酮和三卤硝基甲烷生成量分别上升了169.57%和84.36%。
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