城市給水廠沉淀池排泥水UV/H2O2處理回用技術研究

侯兵偉，王德民，林 濤

（1.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

城市飲用水處理廠沉淀池排泥水的回用是實施節水的必要途徑和有效措施。據了解，全國凈水廠對生產廢水處理回用比例不足5%，即絕大部分水廠均直接進行排放，不僅嚴重浪費水資源，且對受納水

體造成嚴重污染[1]。因此，實施凈水廠生產廢水的再利用是經濟社會和供水企業自身發展需求的必然要

求。由于排泥水中富集大量的有機物，特別是含氮污染物，致使回流到工藝后在后續的消毒過程中可能生成較多的鹵代乙酰胺類含氮消毒副產物。

二氯乙酰胺由于含有硝基（-NO2）、氰基（-CN）等特殊官能團，其致癌性或誘變性遠比一些常規監控的消毒副產物高很多[2-7]。CHEN B Y 等[4]毒理學研究結果表明，鹵代乙酰胺（HAcAms）的遺傳毒性為鹵乙酸（HAAs）的19 倍，細胞毒性為HAAs 的99 倍。含氮消毒副產物因其高毒性，引起國內外的廣泛關注[3]。CHU W H 等[8]通過對水體中有機物進行組分分離，研究不同特性有機物的鹵代乙酰胺生成潛能。發現親水性有機物中的大部分有機物屬于蛋白芳香類有機物和溶解性微生物代謝物，消毒時形成的含氮副產物濃度最高。CHU W H 等[9]的研究結果表明，相對分子質量< 1 kDa 的有機物組分占有機物的比例最高，相對分子質量< 1 kDa 和> 10 kDa 組分的二氯乙酰胺生成勢（DcAcAmFP），對二氯乙酰胺的貢獻率最高，即該組分為二氯乙酰胺的主要前體物質。

高級氧化法具有氧化能力強、選擇性小、反應速度快和反應徹底等優點，高級氧化法產生強氧化性的羥基自由基（·OH），可將難降解有機物氧化成低毒或無毒的有機物質[8]。對難降解有機污染物具有較好的去除效果[10-12]。DWYER J 等[10]發現紫外線/過硫酸鹽組合氧化法（UV/PS）可以有效去除水中二氯乙酰胺（HAcAms）的前體物，顯著降低鹵代乙酰胺的生成勢，同時起到消毒作用。H2O2通過UV 光激發產生的·OH 的強氧化能力改變了原水中有機物的分子質量分布和化學性質，可將其中不易被活性炭吸附去除的有機物氧化降解為容易被吸附的有機物，提高整個系統的有機物去除率。

鹵代乙酰胺的主要前體物為親水性小分子量含氮有機物。因此，可通過去除鹵代乙酰胺的前體物含氮有機物達到降低鹵代乙酰胺生成勢的目的。綜合比較以上針對于水體中溶解性含氮有機物（DON）的控制技術，高級氧化技術表現出較高的控制效率，本文選擇UV/H2O2氧化工藝處理沉淀池排泥水，探索最佳投加比例，以期降低其二氯乙酰胺生成勢，達到安全回用的目的。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 主要儀器及試劑

UV-9100 型紫外可見分光光度計（南京榮華科學器材有限公司），H2O2（體積分數為30%，南京榮華科學器材有限公司），氣相色譜儀 （安捷倫7890B型），NaOH（南京榮華科學器材有限公司），pH 計（南京榮華科學器材有限公司），HP-5 毛細管柱（30 mm×0.25 mm×0.1 μm）。

1.1.2 試驗水樣

試驗水樣均取自某水處理廠，處理工藝見圖1，平流沉淀池排泥工藝的主要運行參數見表1。采取水樣后在2 h 內運送至實驗室進行水質監測，除顆粒數和濁度直接進行檢測外，其余項目檢測需對水樣進行預處理，預處理方法為水樣通過濾徑為0.45 μm 的微孔濾膜去除顆粒物雜質，不能及時檢測的水樣，放置冰箱內保存。

圖1 南方某水廠凈水工藝流程

表1 沉淀池主要參數

1.2 實驗方法

1.2.1 UV/H2O2組合氧化實驗

將置于靜止攪拌結晶盤之上的低壓汞燈組成的平行光束裝置用于UV/H2O2預處理排泥水的研究。紫外光為低壓紫外光發射系統，UV 波長為254 nm。為得到最佳的處理效果，UV/H2O2試驗中UV 照射強度設定分別為0，100，200，300，400，600，800，1 000 mJ/cm2；H2O2的反應時間為30 min，H2O2質量濃度分別為0，10，20，30，40，50 mg/L。排泥水經高級氧化工藝處理后進行氯消毒實驗測定二氯乙酰胺生成勢。UV/H2O2組合氧化實驗裝置見圖2。

圖2 UV/H2O2 組合氧化實驗裝置示意

1.2.2 檢測方法

在排泥水總三鹵甲烷生成勢測定實驗中，經計算設定氯質量濃度為28 mg/L，氯反應時間大于24 h。前處理采用乙酸乙酯進行液液萃取，具體操作步驟見文獻[13]。檢測儀器采用氣相色譜與微型電子捕獲檢測器結合進行檢測。采用微型取樣器抽取2 μL樣品進樣，樣品中的二氯乙酰胺由毛細管柱分離。升溫過程如下：初始階段，爐內溫度設置為80 ℃，保持5 min 后再以40 ℃/min 升高至150 ℃后保持1 min。二氯乙酰胺的出峰時間在5.63 min 左右。采用液液萃取-氣相色譜-微電子捕獲檢測器檢測二氯乙酰胺。氯消毒充分反應后的水樣，通過乙酸乙酯液液萃取、定容后，經氣相色譜儀檢測。

2 結果與討論

2.1 沉淀池排泥水水質特性

原水及沉淀池各時段排泥水水質各指標值見表2。由表2 可知，沉淀池沿池長方向上各段排泥水中的有機物指標整體呈現出一定的變化規律，即隨著排泥過程的進行有機物指標除UV254 外均不斷降低。但排泥水末端的有機物含量還是要高于相應原水。排泥水中的有機物含量高，導致消毒過程中生成較多的消毒副產物。沉淀池各時段排泥水無機氮中主要成分為氨氮，亞硝酸鹽氮含量較低，無機氮整體上隨著排泥的進行污染物濃度呈緩慢降低的趨勢。沉淀池排泥水中的DON 基本無變化，但高于在原水中的濃度。DON 是本研究關注的重點，DON 值較高導致排泥水具有較高的硝氮消毒副產物生成勢（THMFPs）。

2.2 不同反應體系對排泥水的處理效果

（1）單一紫外UV 光照射下，輻射強度分別為0，100，200，300，400，600，800，1 000 mJ/cm2，沉淀池排泥水中DON 濃度及DCAcAmFP 變化情況見圖3。

表2 原水及沉淀池各工段排泥水水質 mg·L-1

圖3 不同UV 輻射強度下排泥水中DON 濃度和DCAcAmFP 變化

由圖3 可知，單一紫外UV 光照射對排泥水中DON 和DCAcAmFP 的控制效果并不好，UV 輻射強度為600 mJ/cm2時去除率較高，分別為12.5% 和22.6%。DCAcAmFP 的控制效果優于DON，這是因為紫外光UV 照射下會斷裂DON 結構中的化學鍵或者官能團的性質，從而降低DCAcAmFP。該結果與PLEWA M J 等的研究結果相一致[5]。研究表明[6]，紫外光照射下會改變有機物的化學結構，致使隨后消毒過程中形成更高的消毒副產物（如THMs），主要原因在于試驗中使用的紫外光為波長范圍較寬的中壓紫外燈，而低壓紫外光不會出現上述情況。本研究中使用的紫外光為低壓紫外光發射系統。UV 波長為254 nm，即發射光的波長范圍較窄。該波長下的紫外光僅能通過水的光解作用形成羥基自由基礦化水中的部分有機物[9]。由于DON 的種類多樣性、結構復雜性，對于排泥水中DON 和DCAcAmFP 的去除，單一紫外光UV 輻射光降解難以達到目的。

（2）單一H2O2條件下，不同投加量對排泥水中DON 及DCAcAmFP 的去除效果見圖4。

圖4 不同H2O2 投加量下排泥水中DON 濃度及DCAcAmFP 變化

分析圖4 可知，單一H2O2處理過程對排泥水中的DON 和DCAcAmFP 的控制效果與單一UV 光照時相似，去除效果仍不理想，且隨著投加量的增加整體去除效率先高后低。當H2O2質量濃度高于30 mg/L 時，對DON 和DCAcAmFP 的控制效果較好。但考慮到投加H2O2會改變水體的酸堿性，為使排泥水的DON 濃度和DCAcAmFP 降低又不顯著改變其自身理化特性，因此，H2O2質量濃度設定為30 mg/L 為最適值。H2O2的氧化機理為產生氧化性極強的·OH，對含有C-C 鍵的有機物具有良好的降解作用。二氯乙酰胺的主要前體物為含氮有機物（DON），而DON 中蛋白質和氨基酸類均含有較多可被H2O2降解的化學結構，因此，只要能激發H2O2產生較多的·OH，就能有效控制沉淀池排泥水中的 DON 和DCAcAmFP。然而，單一H2O2條件下難以產生較多的·OH。因此需要有相應的觸發劑，紫外光輻射是最佳選擇。

（3）UV 輻射強度為600 mJ/cm2，H2O2質量濃度為30 mg/L 時UV/H2O2組合氧化工藝對于排泥水中DON 及DCAcAmFP 的去除效果與單一UV、單一H2O2去除效果對比情況見表3。

表3 3 種氧化工藝對排泥水中DON 及DCAcAmFP的控制效果對比

分析表3 可知，UV/H2O2組合氧化工藝對排泥水中DON 及DCAcAmFP 有很好的控制效果，去除效率分別達到62.5%和67.3%，處理后的DON 和含氮消毒副產物均能達到安全回用水平。UV/H2O2組合氧化工藝對有機物和總三鹵甲烷的控制效果較好。UV/H2O2組合氧化工藝中，UV 的作用主要有2點：①UV 光照射能夠斷裂DON 結構中的化學鍵或者官能團、改變二氯乙酰胺前體物的化學結構；②UV 作為H2O2的觸發劑，使H2O2產生更多的·OH，·OH能氧化二氯乙酰胺前體物，改變其化學性質，使其在氯消毒過程中無法與消毒劑反應形成二氯乙酰胺，達到減量控制二氯乙酰胺生成勢的目的。

2.3 排泥水回用

不同回用比例下排泥水混合液的含氮污染物變化見圖5。分析圖5 可知，經UV/H2O2氧化處理后的排泥水按照一定比例與原水混合后，當回用比例≤50%時，含氮污染物的濃度接近原水的對應值；當回用比例＞50%時，含氮污染物的濃度顯著升高，遠遠高于無回用時的對照組。研究結果證實，經過處理后的排泥水可按50%的比例回流到原水中。

圖5 不同回用比例下排泥水混合液的含氮污染物變化

為進一步研究排泥水回流混合水中的潛在危害，選取一類典型的含氮消毒副產物鹵代乙酰胺（HAcAms）生成勢進行試驗，比較原水與不同回用比例下HAcAms 的濃度，實驗結果見表4。分析表4可知，當回用比例大于50%時，HAcAms 生成潛能顯著升高，且高于無回用時的對照組。較高濃度的消毒副產物潛能會對回用過程造成極大威脅，無法達到回用安全的目的。因此，控制回用比例在20%以下，可達到保護水資源和降低實際運行成本的目的。

表4 氯消毒過程中各類鹵代乙酰胺（HAcAms）質量濃度 ng·L-1

3 結論

UV/H2O2氧化工藝對排泥水中 DON 及DCAcAmFP 有較好的去除效果，當UV 光照射強度為600 mJ/cm2，H2O2質量濃度為30mg/L 時，去除率可分別達到62.5%和67.3%，使處理后的DON 及DCAcAmFP 值低于相應原水中的值。當反沖洗水直接回用比例小于50%時，混合水樣中有機物含量小于無回用時的相應值；回用比例大于50%時，消毒副產物生成潛能顯著升高，且遠高于無回用時。實驗證明，UV/H2O2高級氧化工藝能達到減量控制二氯乙酰胺生成勢的目的，保障沉淀池排泥水的安全回用（回用比例小于50%），能夠達到節約用水和保護環境的雙重作用。