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用總有機(jī)碳TOC方法優(yōu)化飲用水營養(yǎng)物去除工藝

來源:威立雅Sievers分析儀   2024年08月23日 13:21  
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難題:

飲用水中的硝酸鹽

美國環(huán)保局(EPA)乃至公眾擔(dān)心飲用水中的營養(yǎng)物質(zhì)(例如含氮和磷的物質(zhì))含量過高,會危及公共健康,這就使得水處理廠必須改進(jìn)處理工藝。對致力于滿足法規(guī)規(guī)定的氮含量限值的水處理廠來說,如何降低來自徑流、肥料、污水、發(fā)電廠、化學(xué)品廠的含氮化合物的濃度始終是個難題。當(dāng)飲用水中的含氮量過高時,配水系統(tǒng)就會被富營養(yǎng)化,成為細(xì)菌的滋生地。硝酸鹽危害嬰兒、孕婦、酶缺乏癥患者的健康,降低他們的血液送氧能力1,2。美國環(huán)保局規(guī)定的飲用水中的硝酸鹽濃度限值為10 ppm,亞硝酸鹽濃度限值為1 ppm2。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢物和人類的排泄物排放到環(huán)境中,地表水和地下水中的硝酸鹽含量越來越高,例如在美國加州的地下水井中就檢測到高濃度的硝酸鹽。因此,脫硝(脫氮)就成為水處理工藝的一個重要環(huán)節(jié)。


方法:

生物脫硝

脫硝是通過添加碳源(也稱為電子供體,例如源流中的甲醇、乙醇、MicroC®、乙酸、糖漿、碳等),將硝酸鹽還原成氮?dú)獾倪^程3。生物脫硝是其中一種脫硝方法,就是用厭氧細(xì)菌來消化碳源,從而降低硝酸鹽含量3。與常規(guī)過濾和泥漿脫硝相比,生物脫硝有諸多優(yōu)點(diǎn),例如生物脫硝可以在連續(xù)過程中進(jìn)行,且無需去除固體顆粒。生物脫硝對能源的需求極低,占用的工作面積小,還可以通過提高碳源的利用率來不斷優(yōu)化脫硝工藝。當(dāng)細(xì)菌消耗掉硝酸鹽之后,氮?dú)獗銖乃幚沓刂信懦?,就可以對脫硝后的水進(jìn)行最終處理,然后將其送到配水系統(tǒng)中。這種生物處理方法也可以用來去除其它污染物,如鉻酸鹽、高氯酸鹽、硒等。


解決方案:

TOC分析法的優(yōu)勢

生物脫硝的關(guān)鍵在于優(yōu)化碳源的用量。世界衛(wèi)生組織在關(guān)于去除硝酸鹽的文獻(xiàn)中說,“控制碳源用量對工藝操作至關(guān)重要,可以使用在線型分析儀來監(jiān)測處理后的水中的殘留物濃度”4。在進(jìn)行脫硝時,如果用碳量不夠,就無法將硝酸鹽全部還原成氮?dú)猓€會在水中留下大量的亞硝酸鹽和氮氧化物。相反,如果用碳量過高,細(xì)菌就會進(jìn)而分解水中其它化學(xué)物質(zhì),例如分解硫酸鹽,產(chǎn)生硫化氫氣體,不但氣味難聞,還會造成有害后果。如果出水中有大量的細(xì)菌或碳,就會提高生物需氧量(BOD,Biological Oxygen Demand),增加有機(jī)消毒副產(chǎn)物(DBP,Disinfection Byproduct)的前體。


理想的情況是用碳量剛好能維持細(xì)菌的活性。因此,碳源使用的優(yōu)化對于實(shí)現(xiàn)高效脫硝、節(jié)約成本、提高工藝效率來說至關(guān)重要。TOC分析儀在監(jiān)測進(jìn)水中的硝酸鹽和出水中的硝酸鹽/亞硝酸鹽的含量時,能夠給出給定碳源的除氮量。用TOC分析儀進(jìn)行脫硝后的監(jiān)測,能夠以非專屬的方法來快速測量碳源的除氮效率。生物脫硝的工藝流程如圖1所示。


TOC在線分析法能夠?qū)崟r顯示用碳量和除氮量之間的關(guān)系變化和偏差。此分析法不僅可以保證水中的硝酸鹽和有機(jī)物含量降到Z低,還能節(jié)省操作設(shè)備所需的時間、資源、化學(xué)品、資金。連續(xù)監(jiān)測法允許操作人員根據(jù)情況變化來及時調(diào)整工藝,而無需將樣品送到第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析,因而具有省時省力的優(yōu)點(diǎn)


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圖1:生物脫硝流程示意圖


采用TOC在線分析法后,就不必再根據(jù)出水中的硝酸鹽/亞硝酸鹽的濃度來猜測碳源的使用效率。用此方法來監(jiān)測脫硝結(jié)果還有一大優(yōu)點(diǎn),就是能夠同下游水處理廠的工藝相匹配。對飲用水進(jìn)行TOC分析,有助于水廠達(dá)到美國環(huán)保局對TOC去除率、DBP監(jiān)測、工藝優(yōu)化的規(guī)定指標(biāo)。隨著社會對經(jīng)濟(jì)飲用水的需求不斷提高、水資源相對減少、人們的污染防范意識越來越強(qiáng),水處理廠有必要優(yōu)化工藝,以便高效去除水中的營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)污染物。


參考文獻(xiàn)


  1. “Rolling Revision of the WHO Guidelines for Drinking-Water Quality: Nitrates and nitrites in drinking-water.” July 2004. World Health Organization.

  2. “Consumer Factsheet on: NITRATES/NITRITES.” US EPA. 

  3. Neethling, J.B. “Tertiary Denitrification Processes for Low Nitrogen and Phosphorus.” November 2010. Water Environment Research Foundation.



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