UV/H2O2高級(jí)氧化法去水中臭味物質(zhì)范文

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摘要:針對(duì)給水廠傳統(tǒng)工藝難以有效處理高藻、高臭味原水的問(wèn)題，采用中試探究了uv/h2o2高級(jí)氧化法對(duì)土臭素(GSM)和二甲基異冰片(2-MIB)這兩種典型臭味物質(zhì)的去除效能。結(jié)果表明，當(dāng)H2O2劑量為6mg/L、UV功率為2．0kW、進(jìn)水流量為2．9m3/h時(shí)，UV/H2O2系統(tǒng)對(duì)GSM和2-MIB的去除率最高可分別達(dá)到99．52%和99．26%，相應(yīng)濃度均可降至5ng/L以下，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)的要求;另外，對(duì)單位耗能參數(shù)(EEo)與H2O2投加劑量的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在去除水中臭味物質(zhì)時(shí)能耗較低。

關(guān)鍵詞:UV/H2O2高級(jí)氧化法;土臭素;二甲基異冰片;單位耗能參數(shù)(EEo)

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，污廢水排放量日益增加，部分飲用水水源不同程度地受到了污染，很多水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。大量繁殖的藻類在新陳代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臭味化合物，使水體散發(fā)出魚腥味、土霉味等難聞的氣味。然而，城市給水廠的傳統(tǒng)處理工藝對(duì)具有高藻、高臭味特征的原水難以有效處理，給生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響［1］。為了有效去除水中的臭味物質(zhì)，學(xué)者們進(jìn)行了一系列研究，現(xiàn)有的除臭技術(shù)主要分為物理吸附、化學(xué)氧化、生物降解等［2～4］，這些技術(shù)各有優(yōu)劣。近年來(lái)，高級(jí)氧化法作為一種新型的水處理技術(shù)而被廣泛關(guān)注。相關(guān)研究表明，UV/H2O2高級(jí)氧化技術(shù)對(duì)大部分難降解有機(jī)物均有明顯的去除效果，但目前針對(duì)該技術(shù)去除水中臭味物質(zhì)的研究報(bào)道尚不多見(jiàn)。為此，筆者進(jìn)行了UV/H2O2高級(jí)氧化技術(shù)深度去除水中土臭素(GSM)和二甲基異冰片(2-MIB)的中試研究，重點(diǎn)考察了流量、紫外線強(qiáng)度和H2O2投加量的影響，并對(duì)其能耗進(jìn)行了評(píng)估。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)進(jìn)水及試劑中試進(jìn)水

采用濟(jì)南市玉清水廠的砂濾池出水，其pH值為8．0，硬度(以CaCO3計(jì))為130mg/L，DOC為2．0mg/L，硝態(tài)氮為13．4mg/L，紫外線穿透率(UVT254)為92．2%。可知，進(jìn)水的紫外線穿透率較高，表明UV光電子在溶液中的傳遞效率較高;另外，進(jìn)水DOC含量較低，表明消耗•OH的有機(jī)物較少，即影響目標(biāo)污染物去除效果的干擾較小。試驗(yàn)采用30%的H2O2溶液，H2O2含量約為330mg/mL;GSM和2-MIB為分析純。2-MIB和GSM先溶于甲醇，配制成濃度為25mg/mL的溶液，再用水稀釋到一定濃度，通過(guò)計(jì)量泵進(jìn)行投加。

1.2工藝流程

中試處理流程見(jiàn)圖1。H2O2和GSM、2-MIB分別通過(guò)計(jì)量泵注射入管路系統(tǒng)，經(jīng)靜態(tài)混合器充分混合后進(jìn)入高級(jí)氧化反應(yīng)器。反應(yīng)過(guò)程中的流量測(cè)定由裝置前端的流量計(jì)完成，反應(yīng)前后所取樣品均經(jīng)過(guò)充分混合。高級(jí)氧化反應(yīng)系統(tǒng)采用TrojanUV-PhoxTM8AL20設(shè)備，由8根低壓高效汞燈組成，每根燈管的額定最大功率為250W，并且可以在60%～100%之間以2%的增量進(jìn)行調(diào)節(jié)(即總功率可以在1．2～2．0kW之間調(diào)節(jié))。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，通入水流，開(kāi)啟紫外設(shè)備到所需劑量并預(yù)熱15min，開(kāi)啟加藥泵同時(shí)加入GSM和2-MIB以及H2O2，計(jì)時(shí)5倍HRT后，在紫外設(shè)備前后取樣口同時(shí)取樣，檢測(cè)樣品中GSM、2-MIB與H2O2的含量。其中，GSM和2-MIB采用固相萃取－氣質(zhì)聯(lián)用法(SPE－GC/MS)測(cè)定，H2O2采用N，N－二乙基－對(duì)苯二胺(DPD)/過(guò)氧化物酶法測(cè)定。試驗(yàn)設(shè)置3因素變量，分別為進(jìn)水流量Q、H2O2劑量CH和UV功率P。Q分別取3、5．5、8m3/h，CH分別取0、3、6、12mg/L，P分別取1．2和2．0kW。另外，設(shè)置CH、P均為零的對(duì)照組。

2結(jié)果與討論

2.1進(jìn)水流量對(duì)臭味物質(zhì)去除效果的影響

在H2O2劑量為6mg/L、UV功率為2．0kW的條件下，考察進(jìn)水流量對(duì)GSM和2-MIB去除效果的影響。結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)兩種目標(biāo)污染物的去除率均隨著進(jìn)水流量的增大而降低。當(dāng)進(jìn)水流量為2．9m3/h(實(shí)測(cè)值，下同)時(shí)，GSM和2-MIB去除率分別為99．12%和98．20%;當(dāng)進(jìn)水流量增大到7．7m3/h時(shí)，二者的去除率分別降至95．78%和93．83%。在UV功率一定的情況下，進(jìn)水流量的增大意味著分配到單位體積水的•OH減少，從而影響了•OH氧化GSM和2-MIB的反應(yīng)速率與效果。從另一個(gè)角度來(lái)看，在反應(yīng)器容積一定的情況下，增大進(jìn)水流量相當(dāng)于縮短了水力停留時(shí)間，這可能會(huì)導(dǎo)致部分目標(biāo)污染物的反應(yīng)時(shí)間較短，因而去除率不高。

2.2紫外劑量對(duì)臭味物質(zhì)去除效果的影響

為考察UV劑量對(duì)GSM和2-MIB去除效果的影響，在UV功率為2．0和1．2kW的條件下分別選取了四組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(無(wú)紫外光照射時(shí)，無(wú)去除效果)，結(jié)果如圖2所示。1、2、3、4組的試驗(yàn)條件分別為Q=5．3m3/h、CH=10．6mg/L，Q=5．3m3/h、CH=2．8mg/L，Q=7．8m3/h、CH=3．3mg/L，Q=7．7m3/h、CH=1．5mg/L。從圖2可以看出，當(dāng)UV功率為2．0kW時(shí)，對(duì)GSM和2-MIB的去除率均高于UV功率為1．2kW時(shí)的，對(duì)GSM和2-MIB的去除率最大可分別達(dá)到99．52%和99．26%。在相同工況條件下，1．2kW功率下與2．0kW功率下GSM和2-MIB的去除率比值分別為0．69和0．65。表明在中試條件下，兩種目標(biāo)污染物的去除率隨著紫外劑量的增加而增加。但考慮到成本問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)中不可能無(wú)限增大紫外劑量，而應(yīng)在滿足處理效果的要求下選擇適當(dāng)?shù)淖贤鈩┝浚瑥亩档拖到y(tǒng)電耗。

2.3H2O2劑量對(duì)臭味物質(zhì)去除效果的影響

在進(jìn)水流量為5．5m3/h、UV功率為2．0kW的條件下，考察H2O2劑量對(duì)兩種臭味物質(zhì)去除效果的影響。結(jié)果表明，GSM與2-MIB的去除率隨著H2O2劑量的增加呈先快后慢的上升趨勢(shì)，不投加H2O2時(shí)，系統(tǒng)對(duì)GSM和2-MIB均無(wú)去除效果;隨著H2O2劑量逐漸增加到10．74mg/L(此為實(shí)測(cè)值，與理論投加量略有差異)，二者去除率亦逐漸增大，分別達(dá)到了99．52%和99．26%，此時(shí)出水中的GSM與2-MIB含量均低于檢測(cè)限(＜5ng/L)，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)的要求(GSM＜10ng/L，2-MIB＜10ng/L)。高級(jí)氧化反應(yīng)中起主要作用的是•OH，H2O2濃度較低時(shí)，在一定強(qiáng)度紫外線照射下，•OH的生成量隨著H2O2的增加而增加，對(duì)目標(biāo)污染物的去除量隨之增大。然而，隨著目標(biāo)污染物濃度不斷降低，其與•OH的碰撞概率大大減小，相同的H2O2增量下目標(biāo)污染物去除率的增長(zhǎng)呈先快后慢的趨勢(shì)。同時(shí)，H2O2本身也會(huì)造成•OH的淬滅，高濃度下隨著H2O2的增加，•OH的產(chǎn)量會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡［5］。

2.4UV/H2O2系統(tǒng)電耗分析

采用高級(jí)氧化法作為深度處理工藝必然會(huì)導(dǎo)致凈水成本的增加，而電能在運(yùn)行成本中占主要部分，因此有必要研究其耗電情況。參考國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)提出的適用于痕量污染物高級(jí)氧化過(guò)程的電耗評(píng)估方法進(jìn)行分析［6］。單位耗能參數(shù)(EEo)是一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)參數(shù)，能較好地描述UV/H2O2系統(tǒng)的效率，其定義為處理一定體積的水使其達(dá)到規(guī)定的水平(目標(biāo)污染物降低一個(gè)數(shù)量級(jí)或降低1-lg)所需要的電能。較低的EEo值表示UV/H2O2系統(tǒng)具有較高的效率，EEo可由下式計(jì)算： 中，C0和Ct分別代表進(jìn)水和出水中目標(biāo)污染物的濃度。圖3為UV/H2O2系統(tǒng)去除GSM與2-MIB時(shí)EEo隨H2O2劑量的變化規(guī)律。通過(guò)擬合得出去除GSM和2-MIB的EEo值與H2O2劑量的關(guān)系分別為:EEo(GSM)=1．157CH－0．782，R2=0．825;EEo(2-MIB)=1．549CH－0．839，R2=0．779。二者的EEo值與H2O2劑量具有強(qiáng)相關(guān)性，p值均小于0．001，擬合結(jié)果極顯著。由圖3可以看出，隨著H2O2劑量的增大，EEo值呈先快后慢的降低趨勢(shì)。當(dāng)H2O2劑量＜5．0mg/L時(shí)，EEo值降低較快;當(dāng)H2O2劑量在5．0～12．5mg/L時(shí)，EEo值降低較為緩慢;當(dāng)H2O2劑量＞12．5mg/L后，EEo值基本穩(wěn)定在0．2kW•h/(m3•order)左右。當(dāng)H2O2劑量增加時(shí)，相同電耗下可產(chǎn)生更多的•OH進(jìn)行目標(biāo)污染物的氧化;另一方面，由于H2O2自身對(duì)•OH的淬滅作用，在大劑量H2O2條件下EEo的降低將進(jìn)入平臺(tái)期。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中建議H2O2投加劑量取5～10mg/L，使出水中GSM和2-MIB的濃度滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求即可。Daneshvar等人［7］的研究顯示，采用UV/H2O2高級(jí)氧化法處理檸檬酸時(shí)，其EEo值在0．4～5．0kW•h/(m3•order)之間，由此認(rèn)為本研究中的EEo值相對(duì)較低，高級(jí)氧化系統(tǒng)的效率較高。另外，本研究中進(jìn)水GSM與2-MIB均經(jīng)過(guò)加標(biāo)處理，實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)水負(fù)荷應(yīng)該較低，且實(shí)際生產(chǎn)中反應(yīng)器更接近理想推流狀態(tài)，系統(tǒng)處理效率會(huì)進(jìn)一步提高。

3結(jié)論

①在中試條件下，當(dāng)H2O2和UV劑量一定時(shí)，GSM和2-MIB去除率隨著進(jìn)水流量的增大而降低;兩種目標(biāo)污染物的去除率與UV劑量呈正相關(guān)關(guān)系;隨著H2O2劑量的增大，GSM和2-MIB去除率呈先快后慢的增大趨勢(shì)，最大可分別達(dá)到99．52%和99．26%，此時(shí)出水中GSM和2-MIB的濃度滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)的要求。②通過(guò)EEo值量化并評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的電耗情況，針對(duì)GSM和2-MIB兩種目標(biāo)污染物分別得出了EEo與H2O2劑量的數(shù)值表達(dá)關(guān)系，由此可對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中H2O2的投加劑量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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［5］高迎新，張昱，楊敏，等．Fe3+或Fe2+均相催化H2O2生成羥基自由基的規(guī)律［J］．環(huán)境科學(xué)，2006，27(2):305－309．

作者：王昊 單位：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院