凈化水用活性炭可有效去除水中的有機物

 飲用水中可生物降解有機物的去除和生物穩(wěn)定性的研究是近年來水處理領(lǐng)域的研究熱點。本文分析了飲用水中可生物降解有機物的特性，系統(tǒng)論述了凈水工藝對可生物降解有機物的去除機制與規(guī)律，并就制備生物穩(wěn)定性飲用水的工藝進行了探討，提出組合工藝是去除可生物降解有機物、制備生物穩(wěn)定水的有效途徑。

   有機污染物造成的飲用水水質(zhì)惡化是當(dāng)前水處理界普遍關(guān)注的問題。有機物中的“三致”及“三致”前體物質(zhì)、毒性物質(zhì)，將直接或間接地威脅人體健康；而上世紀(jì)80年代中期以來，飲用水中的可生物降解有機物引起的管網(wǎng)中細(xì)菌再生長，對給水管網(wǎng)和管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生危害逐漸成為新的研究熱點。

  當(dāng)出廠水中含有了一定量的有機物，細(xì)菌將附著于管網(wǎng)管壁，利用水中營養(yǎng)基質(zhì)生長而形成生物膜，誘發(fā)管壁腐蝕和結(jié)垢；生物膜的老化脫落會引起用戶水質(zhì)惡化，色度和濁度上升，造成二次污染；管壁結(jié)垢和腐蝕會降低管網(wǎng)的輸水能力，二級泵站動力消耗增加，甚至引起爆管等；而生物膜與管網(wǎng)水中病源微生物的滋生還會對飲用者的健康構(gòu)成直接的威脅 [1,2]。因此作為營養(yǎng)基質(zhì)的有機物存在于給水管網(wǎng)中，將給管網(wǎng)和管網(wǎng)水質(zhì)帶來嚴(yán)重影響，應(yīng)加以控制。

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1 飲用水中的可生物降解有機物

1.1 飲用水中有機物的分類

飲用水中有機物種類繁多，如作為上海飲用水*水源地的黃浦江中測出的有機物即達700種之多 [3]，這些有機物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、大小和性質(zhì)千差萬別，要分別測定每種有機物幾乎是不可能的。目前一般以水中的總有機碳（TOC）作為總有機物含量的替代參數(shù)；以溶解態(tài)有機碳（DOC）代表水中溶解性有機物的含量；DOC中可被細(xì)菌利用的部分為生物可降解溶解性有機碳（BDOC）；而BDOC中能被細(xì)菌直接合成細(xì)胞體的部分則被稱為可同化有機碳（AOC）。BDOC和AOC與異養(yǎng)細(xì)菌在給水管道中的生長密切相關(guān)，因而已成為可生物降解有機物對管網(wǎng)水質(zhì)危害影響研究的*和主要指標(biāo)。并且它們也是衡量水中可生物降解有機物既有聯(lián)系又有分別的兩個指標(biāo)：AOC是有機物中*易被細(xì)菌吸收，直接同化成細(xì)菌體的部分，是BDOC的一部分；BDOC是水中細(xì)菌和其他微生物新陳代謝的物質(zhì)和能量的來源，包括其同化作用和異化作用的消耗。它們的含量越低，細(xì)菌越不易生長繁殖。

1.2飲用水生物穩(wěn)定性

飲用水生物穩(wěn)定性是指飲用水中可生物降解有機物支持異養(yǎng)細(xì)菌生長的潛力，即當(dāng)有機物成為異養(yǎng)細(xì)菌生長的限制因素時，水中有機營養(yǎng)基質(zhì)支持細(xì)菌生長的*可能性。飲用水生物穩(wěn)定性高，則表明水中細(xì)菌生長所需的有機營養(yǎng)物含量低，細(xì)菌不易在其中生長。

管網(wǎng)水為貧營養(yǎng)環(huán)境，其中生長的細(xì)菌大多數(shù)是以有機物為營養(yǎng)基質(zhì)的異養(yǎng)菌。影響細(xì)菌在給水管網(wǎng)中生長的*主要因素有余氯、可生物降解有機物和溫度[4]。一般情況水溫大于15℃時異養(yǎng)菌才適宜生長，但水溫很難人為控制。出廠水通過加氯消毒并保持管網(wǎng)內(nèi)一定的余氯含量是目前普遍采用的消毒方法，但研究證實加氯只能在一定程度上控制細(xì)菌生長，并不能杜絕細(xì)菌生長；并且加氯量增加后，消毒副產(chǎn)物的量將大大增加，降低了飲用水的*性。而異養(yǎng)菌生長需依靠管網(wǎng)水中的可生物降解物質(zhì)，在給水管網(wǎng)貧營養(yǎng)環(huán)境下，一般認(rèn)為有機基質(zhì)的含量是影響其生長的主要因素，因此減少水中可生物降解有機物的含量將對控制異養(yǎng)細(xì)菌地生長起到?jīng)Q定性的作用。

因AOC和BDOC與管網(wǎng)水中異養(yǎng)菌生長潛力有較好的相關(guān)性[5]，研究者普遍以它們作為飲用水生物穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。Van Der Kooij在調(diào)查了20個水廠后認(rèn)為當(dāng)AOC<10μg乙酸碳/L時異養(yǎng)菌幾乎不能生長[6]，飲用水生物穩(wěn)定性很好。Lechevallier提出AOC濃度應(yīng)限制在50μg乙酸碳/L以保證水質(zhì)生物穩(wěn)定[7]；他對北美31個水廠的調(diào)查表明，當(dāng)AOC濃度低于100μg乙酸碳/L時，給水管網(wǎng)中大腸桿菌數(shù)大為減少[8]。因此研究者們目前一般認(rèn)為：在不加氯時，AOC<10μg乙酸碳/L的飲用水為生物穩(wěn)定水；在加氯時，AOC在50～100μg乙酸碳/L的飲用水為生物穩(wěn)定的飲用水。Joret研究認(rèn)為BDOC<0.10 mg/L時大腸桿菌不能在水中生長[9]。Volk等發(fā)現(xiàn)當(dāng)飲用水中BDOC值在20℃為0.15 mg/L，15℃為0.20mg/L時具有生物穩(wěn)定性[10]?？梢?，只有通過凈水工藝降低出廠水中AOC或BDOC的含量達到一定的限值，才能有效的控制管網(wǎng)中細(xì)菌的生長。

2 可生物降解有機物在凈水工藝中的去除機制與規(guī)律

2.1 常規(guī)工藝

現(xiàn)有水廠常規(guī)工藝一般由混凝、沉淀（澄清）、過濾和加氯消毒組成，大量研究表明常規(guī)工藝對水中有機物去除能力有限，主要對大分子量的有機物（腐殖質(zhì)、膠體物質(zhì)）去除較為有效；而對水中可生物降解有機物（BDOC與AOC）的去除率一般小于30%[11]，且波動較大，受源水水質(zhì)、水溫影響大。這是因為混凝劑易與憎水性強的大分子有機物螯合，發(fā)生電性中和與吸附架橋作用，使其*有效的去除；而小分子有機物親水性強，在水中接近于真溶液狀態(tài)存在，不易于混凝劑結(jié)合或被絮體吸附，故去除效果不佳。

此外，水源水中低腐殖質(zhì)含量和低DOC濃度，都是常規(guī)工藝對有機物去除效果差的原因[12]。Volk等人的研究發(fā)現(xiàn)[13]，低pH值下的強化混凝使DOC與BDOC的去除均*了改善, DOC與BDOC含量的減少可使得消毒過程中副產(chǎn)物生成量減少；但對AOC的去除沒有影響，這可能是因為AOC為小分子的非腐殖質(zhì)物質(zhì)組成。強化混凝以及強化過濾是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上進行改造，不用增加構(gòu)筑物，改造費用和運轉(zhuǎn)費用增加很少，是改善凈水處理效果的*為經(jīng)濟可行的方法。

2.2 生物處理

從AOC和BDOC的定義來看，它們代表的是細(xì)菌易利用分解的有機物，無疑生物處理是去除可生物降解有機物有效的單元處理工藝。目前給水生物處理技術(shù)主要采用生物膜的方法，其能直接降解小分子量親水性的有機物，利用胞外酶分解大分子量有機物，并對大分子有機物具有一定的生物吸附作用。經(jīng)生物處理后還能降低膠粒的Zeta電位，使膠粒更容易脫穩(wěn)。

Kooij 報道生物濾池出水可使AOC含量低于10μg乙酸碳/L[14]。Huck等報道運行70天煤砂雙層生物濾池出水AOC能達到低于50μg乙酸碳/L的水平[15]。有報道生物前處理可使AOC去除率達45%[16]。生物處理對可降解有機物的有效去除使得飲用水生物穩(wěn)定性大大提高，減少了消毒劑的用量以及細(xì)菌的再生長，因而已成為給水處理中倍受關(guān)注的工藝方法。

2.3 臭氧氧化

眾多研究證實，臭氧氧化將引起水中AOC和BDOC的增加，TOC卻會降低[17]。這是因為臭氧氧化水中的大分子有機物將會生成分子量減少的中間有機產(chǎn)物，這些產(chǎn)物成為異養(yǎng)菌的營養(yǎng)物，造成AOC和BDOC值的升高。有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)臭氧預(yù)氧化后，水中分子量<3000的低分子量有機物濃度增加了，而大分子量有機物的含量減少了[18]。這證明引起AOC和BDOC的主要為水中有機物中的小分子量部分。臭氧工藝雖然使水中可生物降解有機物的濃度增加，降低了水質(zhì)的生物穩(wěn)定性，但是臭氧對有機物的氧化分解強化了后續(xù)工藝，特別是生物處理工藝的處理能力；臭氧與生物處理聯(lián)用可有效消減有機物含量，使后續(xù)消毒需氯量減少，余氯維持較高水平，并保持較長時間。

2.4 活性炭吸附

活性炭吸附也是去除水中可降解有機物的有效單元工藝。其具有發(fā)達的細(xì)孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，有機物的很 性與分子大小是活性炭對有機物去除的主要影響因素。溶解度小、親水性差、很 性弱、分子不大的有機物較易被活性炭吸附。研究發(fā)現(xiàn)活性炭對中小分子量有機物具有了強吸附能力，因而對AOC和BDOC的有著良好去除作用?；钚蕴抗に嚾缗c臭氧聯(lián)用或長期使用形成生物碳后，生物降解作用將會使去除效果有進一步的提高。吳紅偉等發(fā)現(xiàn)新活性炭單元因其吸附作用對AOC的去除效果穩(wěn)定在30%左右，如和臭氧氧化聯(lián)用，去除效果能提高到50%以上[19]。

3 制備生物穩(wěn)定性飲用水*工藝的探討

生物穩(wěn)定性飲用水是指有機營養(yǎng)基質(zhì)含量低，在給水管網(wǎng)中不會引起異養(yǎng)菌再生長的飲用水。要制備生物穩(wěn)定性飲用水關(guān)鍵就是有效地去除飲用水中的可生物降解有機物的含量。

3.1 有機物分子量特性與凈水工藝的選擇

掌握不同分子量有機物在凈水工藝中的去除規(guī)律，有助于選擇合理工藝針對性去除可生物降解物質(zhì)，有機物分子量分布特性研究因而成為生物穩(wěn)定水制備技術(shù)研究中的*。

Hem等人研究發(fā)現(xiàn)，AOC主要由分子量小于1000的有機物組成，且只占TOC的較小部分；常規(guī)水廠工藝雖然可以去除大部分的TOC，但卻不能使AOC達到生物穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)[20]。羅曉鴻等對不同分子量有機物在凈水工藝中去除進行了系統(tǒng)的研究和評價，見表1[21]。

表1 各單元工藝對不同分子量有機物的去除能力　
有機物分子量區(qū)間  混凝沉淀 生物處理 活性炭吸附
10,000～100,000   有效去除 增加     部分去除
3,000～10,000     有效去除 部分減少   增加
1,000～3,000      部分去除 部分去除 有效去除
500～1,000        增加     部分去除 有效去除
＜500             基本無效 有效去除 部分去除

由表1可見,不同凈水單元工藝對有機物的去除，在分子量區(qū)間分布上表現(xiàn)出不同的特點：常規(guī)工藝對大分子量的有機物具有較好的除去效果，而對中小分子量有機物去除效果差；活性炭吸附較難去除大分子有機物，但可有效去除中小分子量有機物；而生物處理則是去除小分子量有機物*為有效的手段。各單元工藝都不具有對有機物廣譜的去除效果，只有根據(jù)水源水有機物分子量分布的特點，有針對性地選擇適宜的處理工藝，才能獲得滿意的處理效果。此外，各單元工藝間具有明顯的互補性，也為有機物的整體去除創(chuàng)造了條件。

3.2 單元凈水工藝的組合及其優(yōu)越性

當(dāng)前，水源普遍受到污染、源水水質(zhì)較差，靠單一工藝并不具有去除可降解有機物、獲取生物穩(wěn)定水的能力，而每種單元工藝都有其對有機物去除的特點，采用常規(guī)處理、生物處理、活性炭吸附相結(jié)合的組合工藝，充分發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢與工藝間的協(xié)同作用將是獲得生物穩(wěn)定性飲用水的有效途徑。組合工藝具有以下優(yōu)勢：

（1）有機物分子量特性研究證實，各單元工藝對不同分子量范圍的有機物去除具有互補關(guān)系。常規(guī)工藝對大分子有機物和膠體物質(zhì)，活性炭對中小憎水性有機物，生物處理對小分子親水性物質(zhì)均有較好的去除效果，合理組合各單元工藝，充分發(fā)揮其處理效能，消減有機物含量，是獲取生物穩(wěn)定水的根本途徑。

（2）各單元工藝間具有的相互促進作用，使組合工藝的整體處理效率大為提高。臭氧工藝對大分子有機物的氧化分解，使水質(zhì)可生物降解性提高，生物處理更易進行；常規(guī)工藝對大分子和膠體物質(zhì)的去除，減小了后續(xù)工藝負(fù)荷，增加了中小有機物在生物處理和活性炭吸附中的去除幾率；若生物工藝設(shè)在常規(guī)工藝之前，其出水膠粒的Zeta電位低、更易脫穩(wěn)，混凝劑投加量小，混凝效果好。各工藝在去除污染物的同時，也使污染物質(zhì)的性狀發(fā)生改變，有利于后續(xù)工藝去除效能的提高。

（3）組合工藝對有機物總量的有效去除，減少了加氯消毒過程引起的出廠水AOC和BDOC的增加與消毒劑的投加量，余氯保持時間長，生物穩(wěn)定性好。

各單元工藝在組合工藝中的位置與順序，則應(yīng)根據(jù)具體水源水，在分析其有機物濃度、有機物分子量分布特性的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的角度確定和選擇生物穩(wěn)定水制備的工藝。對于水質(zhì)好的水源水，采用常規(guī)處理結(jié)合活性炭吸附深度處理的工藝，即可取得較好的效果。對于微污染水源水，則應(yīng)采用常規(guī)處理、生物處理、活性炭吸附的相結(jié)合的工藝?；钚蕴课揭蚱涮幚砟芰?、無不良作用，一般作為處理工藝的*甲等，對整體水質(zhì)起控制作用。有機物含量和分子大小則直接影響到生物處理在工藝中位置：若小分子有機物含量高，可將生物處理置于常規(guī)處理之前；若大分子有機物和膠體物質(zhì)含量高，則應(yīng)將生物處理置于常規(guī)處理之后；生物處理中還可能出現(xiàn)微生物流失與生物膜脫落，對飲用水微生物*性產(chǎn)生影響，因而一般不適宜用作*終級的處理工藝，并應(yīng)在其后應(yīng)加過濾工藝。對于有機物含量較高的水源水還可在生物處理前配以臭氧氧化，以強化生物處理對有機物的去除作用。

3.3 消毒方式對飲用水生物穩(wěn)定性的影響

研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有的出廠水經(jīng)加氯消毒后，都會引起AOC與BDOC一定程度增加，生物穩(wěn)定性下降，對管網(wǎng)水質(zhì)，特別是消毒劑含量較低時產(chǎn)生不利的影響。常用消毒劑中，氯胺在控制生物膜生長方面比自由氯更為有效，這是因為自由氯反應(yīng)速度快，尚未進入生物膜內(nèi)部已反應(yīng)消耗殆盡；而氯胺較氯穩(wěn)定持久，對生物膜具有更強的附著和穿透能力，可深入生物膜使微生物失活。此外，采用氯胺后還可使消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量大為減少。但氯胺消毒會使嗅味變壞，大大影響了飲用水水質(zhì)和口感，對有機物含量已很 少的生物穩(wěn)定（優(yōu)良）飲用水采用氯胺消毒，顯然是不適宜和不需要的。

4 結(jié)語

提高飲用水水質(zhì)和水處理技術(shù)是促進經(jīng)濟發(fā)展和提升人民生活質(zhì)量的迫切需要，飲用水中可生物降解有機物的控制和生物穩(wěn)定水的制備技術(shù)因而成為國際上廣受關(guān)注的研究熱點。但其研究在國內(nèi)尚處于起步階段，因此深入地開展凈水工藝對可生物降解有機物去除機制與規(guī)律，生物穩(wěn)定水制備技術(shù)的研究具有著重要的理論意義和應(yīng)用前景。