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1、同济大学 博士后学位论文 粉末活性炭强化去除黄浦江上游原水中有机污染物研究 姓名：王铮 申请学位级别：博士后 专业：市政工程 指导教师：高乃云;乐林生 20091101 摘要 摘要 本课题以黄浦江上游水源为原水的各水厂水质达标为研究目标，开展粉末活 性炭强化常规工艺及突发水质污染应急处理研究，通过粉末活性炭最佳炭种、最 佳投加量、最佳吸附时间等试验确定粉末活性炭应用的最佳工艺参数，并分析了 投加粉炭对后继净水系统的影响，建立了粉末活性炭对苯酚的吸附等温线以及吸 附动力学模型等，阐述粉末活性炭吸附机理，为选炭提供指导作用。 试验结果表明，粉末活性炭对黄浦江上游原水中有机污染物具有较好的吸附 去除
2、作用。通过炭种比选试验，从性价比、产量、炭源等因素综合分析，最终选 定竹质炭为最佳炭种，最佳投加量为1 0 1 5 m g L 左右。生产性试验表明，当原 水C O D M n 0 9 9 9 ) 。 2 3 2 3 加标回收率 当进行样品测定时，根据标准曲线求得的值除以浓缩倍数5 0 0 即为样品中苯 1 5 晰 枷 湖 瓣 黼 。 第2 章试验设备与研究方法 酚含量。为进一步验证所建立的苯酚测定方法的可靠性，根据美国E P A 所规定 的Q A 方法，进行加标回收率的测试。在实际水样中加入一定量已经浓度的标 准溶液，然后根据以上方法加入标准溶液后水样中苯酚浓度，按照以下公式计算 的结果即为
3、该浓度处的加标回收率。 R = C O L 0 止 ( 2 1 ) 。一S 式中tC s 为加标后根据加入苯酚和实际水样体积计算的苯酚浓度； C o 为加标前实际溶液中所测得的苯酚浓度； C d 为加标后水样所测得的苯酚浓度。 在加标回收率试验中，取苯酚三种浓度分别为0 0 6 m g L 、0 0 2 m g L 、0 0 1 m g L 作了加标回收率试验，结果见表2 6 。 表2 6 苯酚加标回收率 结果表明，加标回收率均在9 0 以上。 2 3 3 水中有机物分子量分布 本试验采用超滤膜法测定水中有机物分子量分布，所用超滤器为A m i c o n 公 司生产的氮气加压搅拌8 2 0
4、0 型，有效容积1 6 0 m L 。所用超滤膜采用美国M i l i p o r e 公司生产的A m i c o n 的Y M 系列，膜材质为改性醋酸纤维素，截留分子量为3 0 x 1 0 3 ， 1 0 x 1 0 3 ，3 x 1 0 3 ，3 0 x 1 0 3 ，l x l 0 3 ，5 0 0 D a 。超滤膜在使用前用超纯水过滤，直至 出水的U V 2 5 4 和超纯水相一致，然后浸泡在超纯水中，置于4 。C 的冰箱保存待用。 膜过滤采用平行法，即待测水样用0 4 5 9 m 玻璃纤维膜过滤后，出水分别通过截 留分子量为3 0 x 1 0 3 ，1 0 x 1 0 3 ，3 x
5、 1 0 3 ，3 0 x 1 0 3 ，1 x 1 0 3 ，5 0 0 D a 的超滤膜，测定滤 出液的D O C 和U V 2 5 4 。各分子量区间的有机物用差减法求得，膜过滤流程如图 2 5 所示。 1 6 第2 章试验设备与研究方法 图2 5 膜分离流程图 2 3 4 水中有机物亲疏水性分离方法 有机物的亲水疏水特性【3 粥4 】是指有机物和水的亲和能力，由于水是极性分 子，所以极性较强的有机物和有较强的亲和力，而极性较弱的有机物则和水的亲 和力较弱。有机物的机型是由其结构决定的，一般可电离的基团越多，其极性越 强。本研究利用水中有机物在不同树脂上吸附特性将水中有机物分成强疏水性、
6、 弱疏水性和亲水性等不同特性的有机物。采用树脂吸附法来分离有机物特性，采 用串联式分离顺序，如图2 6 所示，吸附树脂为A m b e r h i t e X A D 一8 和X A D - 4 柱， 保存在甲醇( H P L C 级) 中，放置在冰箱备用，使用前用超纯水浸泡4 h 。 1 3 ) 图2 7 亲疏水性分离示意图 将l g 树脂装入吸附柱压实，连接成图所示的流程。水样通过各吸附柱的流 1 7 第2 章试验设备与研究方法 速控制在3 - 5 m L m m 。04 5 “m 膜过滤后的水样，将p S 值调至2 0 ，通过X A D 一8 树腊吸附柱，吸附在X A D 一8 树脂的溶
7、解性有机物是强疏水性有机物，主要组成 是溶解态腐植酸( 富里酸和胡敏酸) 。吸附在X A D 一8 树脂有机物用p a = 1 3 的高 纯水洗脱。而通过X A D - 8 树脂吸附柱的水样，再通过X A D 4 树脂吸附柱，吸附 在X A D - 4 树脂的溶解性有机物，主要为弱疏水性有机物。通过X A D - 4 树脂的溶 解性有机物即为亲水性有机物。吸附在X A D - 4 树脂上的溶解性有机物同样用 州- 1 3 的高纯水洗脱，此时试验水样中溶解性有机物被分为强疏水性有机物、弱 琉水性有机物和亲水性有机物，亲水性有机物主要为非胡敏酸组分，如虽白质、 氨基酸和碳水化合物。 试验采用S P
8、 E 固相萃取装置( S U P E L C O 公司) 进行吸附柱清洗和有机物分 离，包括：V i s i p r e p T MD L1 2 孔多歧管固相萃取装置，大体积采样器，隔膜真空 泵，其设备实物和固相萃取吸附柱如下图所示。 图2 8 固相萃取( S P E ) 装置圈 圈2 9 固相萃取暖附柱实物匿 1 8 黎。、擎黪 黪 誉m 磬 第2 章试验设备与研究方法 2 4 试验设备及工艺流程 2 4 1 小试试验 小试试验采用六联混凝搅拌机进行烧杯试验，搅拌速度和时间根据中试和水 厂生产状况来确定，模拟实际水处理工艺分别进行P A C 预处理、预氯化( 预氧 化) 和混凝沉淀，原水取自
9、黄浦江上游原水。 先将一定质量的P A C 调成炭浆，分别在六联搅拌仪的六个搅拌杯放入1 L 原 水，然后准确加入不同浓度粉末活性炭并进行搅拌。预氯化( 预氧化) 反应时间 设定为2 0 m i n ，即P A C 吸附反应结束后，加入氧化剂反应2 0 m i n ，然后加入混凝 剂进行混凝沉淀反应。混凝试验程序为：先以2 5 0 r m i n 快速搅拌l m i n ，然后以 5 0 r m i n 慢速搅拌2 0 m i n ，最后静置沉淀3 0 m i n 。取上清液，用0 4 5 I _ t m 膜过滤， 弃去前3 0 m L ，再进行测定溶解性C O D M n 、U V 2 5
10、4 、D O C 的测定。 2 4 2 中试试验 图2 1 0 中试试验工艺流程图 中试工艺流程见图2 1 0 ，由进水水箱、机械搅拌澄清池、斜管沉淀池、砂滤 柱等组成。中试试验采用两平行系统，一套投加P A C ，另一套做空白对比试验。 设计进水流量为1 5 m 3 h 。进水水箱尺寸为1 1 m x1 1 m x3 6 m ，搅拌桨转速 为1 5 0 r m i n 。机械搅拌澄清池尺寸为2 0 m xO 8 m x3 2 m ，搅拌桨转速为9 0 r m i n ， 斜板宽度为1 0 m 。砂滤柱高2 7 m 、直径3 0 c m ，滤料采用粒径为0 5 - - 1 2 m m 的 石英
11、砂，厚度为8 0 c m ，滤速保持在7 0 m h 左右。 1 9 第3 章黄浦江上游原水水质特征及常规工艺处理效果研究 第3 章黄浦江上游原水水质特征及常规工艺处理效果研究 3 1 黄浦江上游原水水质特征 3 1 1 常规指标变化趋势分析 黄浦江上游原水按照地表水环境质量标准( G B 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 评价标准，目 前基本属于I 类阅。根据黄浦江原水水质污染特征及P A C 处理特性，本文重 点对耗氧量、浊度、温度、p H 等4 项指标的变化趋势进行分析。 1Z3456 7吕91 01 11 Z 月份 图3 1 黄浦江匕游松浦原水厂原水耗氧量月均变化 根据2 0 0 7
12、 年以前资料显示，黄浦江原水中耗氧量浓度1 9 9 8 年最低为5 0 0 m L ， 2 0 0 4 年、2 0 0 7 年最高，均为6 4 0 m L 。1 9 9 8 2 0 0 7 年十年期间，耗氧量呈缓慢增 加的趋势，季节性变化不明显。图3 1 为松浦原水厂原水C O D M n 2 0 0 8 年和2 0 0 9 年 月均变化曲线。2 0 0 8 年C O D M n 在5 5 m g L 6 3 m L 之间，2 0 0 9 年截止8 月份C O D M n 在5 7 m 舭2 m 叽之间，基本都在6 m g L 附近波动。 根据原水水温月均变化曲线可以看出，水温最低出现在1 月
13、份，最高在7 月 份。2 0 0 8 年全年水温在4 7 2 9 2 。C ，2 0 0 9 年前8 个月在4 5 2 8 9 。C 。水温变化趋 势相同，并且每年相差不大。2 0 0 8 年全年浊度在3 6 5 3 N T U ，2 0 0 9 年前8 个月浊 度在3 5 4 4 N T U 。 2 0 8 7 6 5 4 3 2 l 0 主凸ou 第3 章黄浦江上游原水水质特征及常规工艺处理效果研究 0 1 2 345 678 9 1 01 1 1 2 月份 图3 2 黄浦江匕游松浦原水厂原水水温月均变化 0123 45 678 9 1 01 11 2 月份 图3 3 黄浦江匕游松浦原水厂
14、原水浊度月均变化 8 7 5 7 盖6 5 6 S 5 5 0l2345 678 91 0 1 11 2 月份 图3 4 黄浦江匕游松浦原水厂原水p H 月均变化 根据2 0 0 8 年和2 0 0 9 年全年p H 值变化可知，p H 值变化范围不大，在7 2 7 6 范围内，属中性。 拈 巧 加 坫 加 5 O 赠簧 趵 加 0 巡彝 第3 章黄浦江上游原水水质特征及常规工艺处理效果研究 3 1 2 黄浦江原水有机物分子量分布特征 有机物分子量分布是研究水源水中有机物特性的重要手段，可为针对性地选 择有机物去除工艺提供依据和帮助。 本试验分别于2 0 0 8 年1 月和2 0 0 9 年6
15、 月采用超滤膜法对黄浦江上游原水中溶解 性有机物分子量分布进行测定。各分子量区间有机物的分布特性见图3 5 和图3 6 。 基 器 筮 姬 蓬 摹 器 丑 衄 遐 3 0 K1 0 K 3 0 K3 K 1 0 K1 K 3 K0 5 K I K 1 0 0 0 0 D a ) 有机物去除较为 有效，而对于低分子量有机物去除效果较差【3 7 。3 引。因此，常规净水工艺不能去除黄 浦江原水中有机物中主要的低分子量有机物，因此要想提高原水中有机物去除效 能，改善出水水质，需要采用能有效去除小分子量有机物的强化工艺。 综上所述，黄浦江上游原水水质基本为类，受季节变化影响明显，属微 污染水源水，总有
16、机物含量高、有机污染问题突出，有机物种类繁多，以低分子 量为主。 3 2 黄浦江上游原水常规处理工艺对原水中有机物去除能力研究 在2 0 0 9 年2 月“月在松浦原水厂进行中试试验，研究模拟水厂常规处理工艺 对黄浦江上游原水中有机物去除能力。 3 2 1 对D O C 的去除 6 0 5 0 4 0 米 3 0 * 稍 2 0 ： 1 0 0 图3 7 常规工艺对D O C 的去除效果曲线 根据试验期间所监测的黄浦江上游原水D O C 统计数据，原水D O C 浓度较高， 在5 5 m g L “9 m g L 左右，水中D O C 浓度在各工艺中呈现出逐步下降的趋势，混 凝沉淀对D O C 的去除率在1 3 - 2 6 之间。砂滤对D O C 的去除效果较差，远小于混 凝沉淀，主要是因为混凝沉淀和砂滤过程去除的
