评估臭氧生物活性炭工艺中溴酸盐生成情况分析

刘芳蕾,张 冬,吕锡武(1.东南大学能源与环境学院,江苏 南京 210096；2.南京市自来水总公司,江苏 南京 210002)

        为合理评估应用臭氧生物活性炭工艺中溴酸盐的生成情况,提出既能保证出水水质又能降低溴酸盐超标风险的方案.进行了小试与中试试验,系统地从原水水质和工艺参数两个方面入手,研究水质因素、初始溴离子浓度和臭氧氧化条件等对溴酸盐生成的影响,同时分析生物活性炭对溴酸盐的去除能力.结果表明:高初始溴离子浓度水平和臭氧接触程度(Ct 值)促使更多BrOx-生成.在相同Ct 值条件下,升高臭氧投加浓度可使溴酸盐生成量增高200%左右.以长江南京段江心洲夹江下游原水进行臭氧生物活性炭深度处理不会产生溴酸盐超标风险.生物活性炭(BAC)对于溴酸盐去除效果并不明显.运用臭氧生物活性炭工艺进行深度处理时,工艺中应着重注意控制溴酸盐在臭氧化过程中的生成而非依靠后续生物活性炭将其去除.

        目前,随着公众对饮用水水质要求的提高,以去除水中微污染有机物为目标的饮用水深度净化技术,得到了深入研究和广泛应用.其中臭氧生物活性炭工艺既能去除水中的有机物、氨氮、无机还原性物质、色度、浑浊度,又能有效降低出水致突变活性,而受到广泛关注.然而,应用臭氧生物活性炭工艺处理含溴(Br-)原水时会产生溴酸盐(BrOa-).溴酸盐生成机理可以分为臭氧分子

氧化反应和羟基自由基氧化反应两类反应及以下三个途径:直接氧化途径(Br-→OBr-/HOBr→BrO2-→BrO3-)、直接—间接氧化途径(Br-→OBr-/HOBr→BrO⋅→BrO2-→BrO3-)和间接— 直接氧化途径(Br→Br⋅→BrO⋅→BrO2-→BrO3-).

        溴酸盐被国际癌症研究机构定为2B级潜在致癌物,动物试验确认其有致癌性,微生物试验发现其具有致突变性,并可能具有DNA 和染色体水平遗传毒性.美国环保局(USEPA)规定饮用水中溴酸盐的很高允许浓度为10μg/L,我国《生活饮用水卫生标准》中溴酸盐限值为10μg/L.研究表明,在臭氧化过程中,大约20%的Br-转化为BrOa-.原水Br-浓度大于35μg/L时,应用臭氧生物活性炭工艺BrOa-存在超标风险.而在我国很多城市水源水中Br-浓度大于50μg/L,黄河水中Br-浓度高达200μg/L.因此,臭氧生物活性炭工艺运行前,进行BrOa-生成风险的评估显得尤为重要.BrOa-酸盐一旦形成,通常需要外加紫外线或者投加还原性离子的方法将其去除,这将极大提高制水成本.可见,控制溴酸盐应结合原水水质和工艺两个方面分析评估BrOa-生成的可能性,在深度处理的同时合理调整工艺参数,及时采取相应措施保证出水水质并削减溴酸盐的生成.

结论

1 初始Br-浓度和臭氧接触程度都明显影响着BrO3-的生成,高初始Br-浓度水平和臭氧接触程度(Ct 值)促使更多BrO3-生成.Ct<10[(mg×min)/L]时,BrO3-生成速率较高且随反应进行逐渐升高;Ct>10[(mg⋅min)/L]时,BrO3-生成速率逐渐降低;Ct=40[(mg⋅min)/L]之后,BrO3-生成速率已很小可认为反应结束.

2 相同的臭氧接触水平(Ct 值)下,减少臭氧投加浓度ρ[mg/(L·min)]、延长反应时间t有利于减少BrO3-的生成.保持相同的Ct 值,臭氧投加浓度由0.16mg/(L·min)升高至0.85mg/(L·min),溴酸盐生成量可升高200%.高溴区域可以采用多点投加臭氧法减小BrO3-超标的风险.

3 原水水质差异影响反应氧化结果,预臭氧接触柱内为天然水体,水中杂质较多;后臭氧接触柱内为经过处理的砂滤出水,水中杂质较少.相同的臭氧投加量下,后臭氧工序中溶液剩余臭氧浓度C 要明显高于预臭氧工序,相对于预臭氧工序来说更易产生BrO3-.

4 生物活性炭BAC 对BrO3-有一定的去除作用,但效果并不明显,数值上来看GAC对于BrO3-的去除能力是BAC的百倍以上.一旦在投加臭氧的环节生成依靠BAC滤柱很难将其去除.运用臭氧生物活性炭工艺进行深度处理时,应着重控制BrO3-在臭氧化过程中的生成而非依靠后续生物活性炭将其去除.