董秉直^１， 曹達(dá)文^１， 范瑾初^１， 李景華²，徐 強(qiáng)²?
（1.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092; 2.淮南市公用事業(yè)局，安徽淮南232007）

　　摘要：研究表明，混凝去除分子量＞4 000u的溶解性有機(jī)物(DOM)效果較好，而對(duì)分子量＜4000u的去除效果較差。粉末活性炭去除低分子量的DOM效果較好，去除大分子量的DOM效果較差。當(dāng)粉末活性炭投加量較大時(shí)，DOM分子量的大小對(duì)吸附效果的影響減少。黃浦江水中分子量＜4000u的一部分有機(jī)物難以被粉末活性炭吸附去除。?
　　關(guān)鍵詞： DOM； 分子量分布； 混凝； 粉末炭?
　　中圖分類(lèi)號(hào)： TU991.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)03-0001-04

Removal of Dissolved Organic Matter (DOM) from Source Water of Huangpujiang River by Coagulation and Powdered Activated Carbon?(PAC) Process

DONG Bing zhi^１, CAO Da?wen^１, FAN Jin?chu^１, LI Jing hua², XU Qiang²
(1. State Key Lab. of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji Univ., Shan ghai ?200092，China;
2. Huainan Public Utilities Bureau, Huainan 232007, China)

　　Abstract：A study on removal of DOM from source water of Huangpu jiang River by coagulation and PAC process was carried out. The results showed t hat coagula tion process was more effective in removing DOM with molecular weight higher tha n 4 000 u, but less effective in removing that with molecular weight lower than 4 000 u. PAC process was more effective in removing low molecular weight DOM, but less effective in removing high molecular weight DOM. The effect of molecular weight of DOM on adsorption was diminished when dosage of PAC was high. DOM in t he Huangpujiang River with molecular weight lower than 4000 u was difficult to be removed by PAC.?
　　Keywords: DOM; distribution of molecular weight; coagulat ion; PAC

　　 隨著天然水體日益被污染，去除水中DOM已成為給水處理中的研究重點(diǎn)。混凝和粉末活性炭 是去除水中DOM的重要手段之一，天然原水的DOM分子量分布對(duì)處理效果的好壞起著非常重要的作用。粉末活性炭較之顆粒活性炭，有去除有機(jī)物效果好、投資省等優(yōu)點(diǎn)，在常規(guī)處理中 ，常常和混凝劑共同投加，但它與混凝劑競(jìng)爭(zhēng)吸附是一個(gè)需要研究的問(wèn)題。近年來(lái)，膜技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于給水處理，由于混凝劑和粉末活性炭可吸附水中的DOM，將有機(jī)物從溶解相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵瑥亩荒そ亓羧コ虼耍炷头勰┗钚蕴靠膳c膜分離組成聯(lián)用工藝。?

1 試驗(yàn)方法

1.1 DOM分子量分布試驗(yàn)
　　原水水樣取自上海黃浦江上游水，試驗(yàn)期間的主要水質(zhì)如表1所示。?

表1 黃浦江水水質(zhì)主要指標(biāo) 水質(zhì)指標(biāo) 實(shí)測(cè)值 濁度（NTU） 18-40 pH 7.2-7.56 堿度（mg/L，以CaCO₃計(jì)） 46-78 硬度（mg/L，以CaCO₃計(jì)） 63-134 COD（mg/L) 4.16-5.92 鐵（mg/L) 0.44-1.56 錳（mg/L) 0.016-0.07 氨氮（mg/L) 0.23-0.37 色度（倍） 20-25

　　首先將原水通過(guò)0.45μm微孔膜過(guò)濾，去除懸浮固體。然后分別用截留分子量為30000、20000、10000和4000u的超濾膜分離，測(cè)定分離水樣中DOM含量(以DOC和UV254為有機(jī)物指標(biāo))。試驗(yàn)所使用的超濾膜由中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所膜分離技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心生產(chǎn)提供，如表2所示。

表2 膜的材質(zhì)和截留分子量 材質(zhì) 截留分子量（u） 聚丙烯腈（PAN） 30000 聚醚砜 20000 聚醚砜（PES） 10000 高分子合金聚合膜（SPES） 4000

1.2 混凝試驗(yàn)
　　 混凝劑為精制硫酸鋁［Al₂(SO₄)₃·18H₂O］，Al₂O₃含量為15.3%。將20、50、80mg精制硫酸鋁（相當(dāng)于1.62、4、6.5 mgAl）投加到1L的水樣中，快速攪拌（100r/min）1 min，然后慢速攪拌（30r/min）30 min，靜置1h后，將上清液用0.45μm 微孔膜過(guò)濾，然后分別通過(guò)30000、20000、10000和4000u的超濾膜，測(cè)定過(guò)濾液 的DOC和UV₂₅₄。?
1.3 粉末活性炭吸附等溫試驗(yàn)
　　 將粉末活性炭投加到250mL的水樣中，使粉末活性炭濃度分別為10、50、100、150、200、250、300、400 mg/L。在搖床上搖動(dòng)48h后，用0.45μm微 孔膜濾除粉末活性炭，測(cè)定DOC。
1.4 粉末活性炭吸附速度試驗(yàn)
　　在1 L的水樣中，分別投加20、100、200 mg的粉末活性炭，快速攪拌（100r/min）1min后，慢速攪拌（30 r/min）2h。用0.45μm微孔膜濾除粉末活性炭后，再分別通過(guò)截留分子量為30000、20000、10000和4000u的超濾膜，測(cè)定過(guò)濾液的DOC和UV₂₅₄。
1.5 混凝和粉末活性炭吸附速度試驗(yàn)
　　 ① 在1 L水樣中，投加相當(dāng)于4mgAl的精制硫酸鋁，快速攪拌（100r/min）1min后，慢速攪拌（30 r/min），分別在5、15、30、45、60、90和120 min時(shí)取樣，測(cè)定DOC和UV254。?
　　 ② 在1 L水樣中，只投加100 mg粉末活性炭，其他試驗(yàn)和測(cè)定方法如①。?
　　 ③ 在1 L水樣中，投加相當(dāng)于4 mgAl的精制硫酸鋁，快速攪拌（100r/min）1min后，投加100 mg的粉末 活性炭，再快速攪拌（100r/min）1min后，慢速攪拌（30r/min）至5、15、30、45、6 0、90和120min時(shí)取樣，測(cè)定方法如①。?

2 結(jié)果與討論

2.1 DOM 分子量分布
　　在6—8月期間，分別取5次水樣測(cè)定DOM分子量分布。在5次測(cè)定中，各個(gè)分子量段的DOC和UV₂₅₄平均值如表3所示。?

表3 各個(gè)分子量段的DOC和UV₂₅₄平均值 分子量（u） ＞30000 30000～10000 10000～4000 ＜4000 DOC（%） 13 30 4 54 UV₂₅₄（%） 10 33 4 53

　　 由此可知，黃浦江上游水的DOM主要集中在30000～10000u和<4000u的分子量段內(nèi) ，分子量＜4000u的有機(jī)物超過(guò)50%。10000～4000u分子量段的有機(jī)物最少。雖然在各個(gè)分子量段內(nèi)，DOC和UV₂₅₄所占比例平均值大致相同，但DOC變化較大而UV₂₅₄變化較小。UV₂₅₄主要反映非揮發(fā)性有機(jī)物（NPTOC）、總?cè)燃淄樯赡埽═THMFP）以及芳香族有機(jī)物等物質(zhì)的含量，因此UV₂₅₄數(shù)值大小更受人們的關(guān)注。上述結(jié)果表明，UV₂₅₄?之類(lèi)的有機(jī)物穩(wěn)定存在于黃浦江水中，較少波動(dòng)。
2.2 混凝效果分析
　　 混凝去除分子量>30000u的有機(jī)物效果最好，其次為30000～10000u，去除分子量<4000u的有機(jī)物效果最差。隨著混凝劑投量的增加，對(duì)分子量10000～4000u的有機(jī)物去除效果顯著，但對(duì)分子量<4000u的有機(jī)物去除效果仍然很差。這表明混凝對(duì)大分子量的有機(jī)物去除效果較好，而對(duì)小分子量的有機(jī)物去除效果較差。黃浦江水中分子量<4000u的DOM占50%以上,混凝對(duì)DOM的去除率如表4所示。

表4 混凝去除DOM的效果 混凝劑投加量（mg） DOC去除率（%） UV₂₅₄去除率（%） 20 18 3.8 50 33 24 80 36 34

　　 因此，混凝去除有機(jī)物的效果主要取決于原水的有機(jī)物分子量分布。目前，加強(qiáng)混凝處 理成為研究重點(diǎn)，目的是提高混凝去除有機(jī)物的效果，其中一個(gè)重要措施是增加混凝劑投量。但對(duì)不同源水，去除效果差別很大。由本研究可知，造成效果差別的主要原因是不同水源 的有機(jī)物分子量分布不同的緣故。?
2.3 粉末活性炭吸附效果分析
　　 粉末炭投量為20mg時(shí),其吸附分子量在30000～10000u和<4000u的范圍,但對(duì)其余分子量的DOM沒(méi)有吸附作用.當(dāng)粉末活性炭投量增至100mg時(shí)，對(duì)分子量30000～10000u和<4000u的去除率增加，同時(shí)對(duì)10000～4000u的DOM也有很好的吸附效果，但 對(duì)>30000u的DOM仍然沒(méi)有吸附效果。當(dāng)粉末活性炭增至200mg時(shí)，可去除幾乎所有>4000u的DOM, 對(duì)分子量<4000u的DOM僅有50%左右的去除率。許多研究認(rèn)為，粉末活性炭吸附分子量<1000u的DOM效果較好，對(duì)分子量較大的DOM效果差。從本試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，這與粉末活性炭的投量多少有關(guān)，當(dāng)投量較少時(shí),符合其他研究者的研究結(jié)果，但當(dāng)粉末活性炭投量增加時(shí)，也能吸附大分子量的有機(jī)物。一些研究者認(rèn)為^[1]，粉末活性炭吸附有機(jī)物分為兩個(gè)階段。在第一階段，小分子量的有機(jī)物迅速被吸附，一般認(rèn)為在30 min內(nèi)；在第二階段，較大分子量的有機(jī)物緩慢地被吸附，時(shí)間可延續(xù)數(shù)小時(shí)至數(shù)天。考慮到吸附時(shí)間為2 h，大分子量的有機(jī)物可能是 被緩慢地吸附，為此將吸附時(shí)間縮短為10min，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。?

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粉末活性炭投量為20mg時(shí)，吸附分子量>4000u的DOM量較少，但隨著投加量的增加，也能吸附>4000u的DOM。這可解釋為，當(dāng)投加量少時(shí)，由于吸附面積較少,粉末活性炭?jī)?yōu)先吸附小分子量的有機(jī)物，這部分有機(jī)物可能最易被粉末活性炭吸附。隨著投加量的增加，吸附面積增加，開(kāi)始吸附大分子量的有機(jī)物。活性炭吸附有機(jī)物效果 與活性炭的孔隙大小、分布、表面積以及有機(jī)物性質(zhì)有關(guān)。粉末活性炭和顆粒活性炭相比， 其特 點(diǎn)是有很大的吸附表面。本試驗(yàn)表明，這一特點(diǎn)使粉末活性炭吸附表面積的大小較之孔隙 而言 ，更多地影響吸附有機(jī)物效果。因此，粉末活性炭投加量較少時(shí)，優(yōu)先吸附低分子量的溶解 性有機(jī)物，當(dāng)投加量較大時(shí)，溶解性有機(jī)物的分子量大小對(duì)吸附效果的影響不大。?
　　注意到吸附分子量<4000u有機(jī)物的效果較差，表明在黃浦江原水中，有一部分小分子量的DOM較難被粉末活性炭吸附。為了證實(shí)這一猜測(cè)，分別用0.45μm微孔膜和截留分子量為30000u、10000u以及4000u超濾膜分離水樣，然后分別加入100mg粉末活性炭，在搖床上反應(yīng)4h后，用0.45μm微孔膜分離粉末活性炭后測(cè)定DOM，結(jié)果如表5所示。

表5 粉末活性炭去除不同分子量的DOC效果 截留分子量或膜孔徑 0.45μm 30000u 10000u 4000u DOC去除率（%） 60 65 59 63

　　 表5清楚地表明，對(duì)于分子量<4000u的DOM，仍有37%無(wú)法去除。黃浦江水中，分子量<4000u的DOM中有一部分DOM難以被粉末活性 炭吸附去除或需要很長(zhǎng)的吸附時(shí)間，這表明，粉末活性炭吸附有機(jī)物不僅與有機(jī)物的分子量大小有關(guān)，還與有機(jī)物本身的性質(zhì)有關(guān)。
2.4 混凝和粉末活性炭吸附速度效果分析
　　 由于混凝去除DOM具有局限性，為了提高DOM的去除率，往往同時(shí)投加粉末活性炭。混凝可去除大分子量的有機(jī)物，粉末活性炭可去除一部分小分子量的有機(jī)物，兩者的共同使用可 提高有機(jī)物的去除效果。
　　試驗(yàn)時(shí)采用先投加混凝劑、后投加粉末活性炭的方法，理由是混凝劑先將大分子量的有機(jī)物去除，會(huì)提高粉末活性炭的去除效果，結(jié)果如圖2、3所示。
　　由圖2、3可知，在＜5min內(nèi)，部分有機(jī)物可被混凝去除。隨著絮凝的進(jìn)行，去除率略有下降。這表明混凝去除有機(jī)物主要是電性吸附，Al₂(SO₄)₃·18H₂O水解出的(Al(H₂O)₆)³⁺與帶負(fù)電荷的有機(jī)物產(chǎn)生電性吸附，將有機(jī)物去除。電性吸附的特點(diǎn)是速度快，有些研究者認(rèn)為^[2]，這種吸附發(fā)生在極短時(shí)間內(nèi)，大約為10^－4～1 s。粉末活性炭吸附 不同于混 凝，雖然在5 min內(nèi)?DOC去除36%，UV₂₅₄去除44%，但隨時(shí)間的推移，吸附仍在進(jìn)行。到30min時(shí)，DOC去除52%，UV₂₅₄去除60%。對(duì)照吸附等溫試驗(yàn)，在1h內(nèi)已完成了大部分的吸附容量。

　　　　

　　 先投加混凝劑，讓它在短時(shí)間內(nèi)完成電性吸附DOM，且去除的絕大 部分為大分子量的有機(jī)物，隨后投加粉末活性炭，吸附去除低分子量的有機(jī)物。混凝和粉末活性炭這 樣的協(xié)同作用，會(huì)大大提高有機(jī) 物去除率，結(jié)果也非常令人滿意，DOC可降至0.69mg/L。由吸附等溫試驗(yàn)結(jié)果可知 ，這相當(dāng)于投加400mg/L的粉末活性炭吸附2d的效果。

3 結(jié)論

　　 通過(guò)對(duì)黃浦江原水DOM分子量分布以及投加混凝劑和粉末活性炭后分子量分布的變化，探討了混凝和粉末活性炭去除的效果以及同時(shí)使用時(shí)的協(xié)同作用。研究結(jié)果表明，混凝 去除分子量>4000u的DOM效果較好,去除分子量<4000u的效果較差。由此可知，混凝去 除DOM的效果與所處理原水的DOM分子量分布密切相關(guān)。混凝去除有機(jī)物的作用主要是電性吸 附。粉末活性炭去除低分子量的DOM效果較好，去除大分子量的效果較差。當(dāng)粉末活性炭投 加量較大時(shí)，DOM分子量的大小對(duì)吸附去除效果的影響減少。黃浦江水中，部分分子量<4000u的溶解性有機(jī)物難以被粉末活性炭吸附去除。先投加混凝劑后投加粉末活性炭可大 大提高DOM的去除效果。
　　 致謝：本研究得到了上海自來(lái)水公司科研處的大力支持，在此表示謝意。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Jssam Najm?etal. Optimizing enhanced coagulation with PAC: a case study［J］. Jour AWWA, 1998.
［2］ Keith E Dennett etal. Coagulation: its effect on organic matter［J］. Jour AWWA, 1996.

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作者簡(jiǎn)介：董秉直(1955- )，男，福建福州人 ，同濟(jì)大學(xué)講師，博士，研究方向：水處理技術(shù)。
電　　話：(021)65158653(H) 65981522(O)?
收稿日期： 1999-10-13