保障水质:饮用水处理中
TOC & THM 的风险管理
在饮用水处理厂的源头,原水通常要经过化学混凝、絮凝、沉淀、过滤和消毒五大过程才能安全饮用。根据原水特性,可能还需要额外步骤来解决特定的水质问题,达到理想的最终出水水质,并控制处理成本。
我们将在此重点讨论两个关键元素:碳和氯。我们将探讨水中含碳化合物的存在对法规和处理决策的影响,以及作为消毒剂的氯如何推动其他法规和处理决策。
图1.饮用水工艺概述
碳
在宇宙中,只有氢、氦、氧、氖和氮的含量高于碳。没有人知道碳是何时被发现的,但我们可以将其归功于第一个处理火炭的人。1789年,碳元素被列入元素周期表。如今,化学文献中描述的碳化合物已超过100万种,而且每天还在增加。
碳,如有机碳或总有机碳(TOC),是一个重要的水质参数。在水受到污染的所有情况下,许多污染物都是含碳化合物。上述处理工艺旨在去除这些化合物。其中一些化合物天然存在于环境中。例如,植物物质在分解过程中会形成黄腐酸和腐殖酸。
工业或城市废物中的其他含碳化合物也会污染水质。当使用氯作为消毒剂时,含碳化合物的存在可能会形成消毒副产物,如三卤甲烷(THMs),这会给水处理厂运营商带来了一系列独特的问题。
水处理工艺的第一步是去除这些化合物。TOC测定提供了一种快速简便的方法,可用于测量水中存在且必须去除的有机物质数量,以及在处理过程中已经去除的有机物质数量。
水处理原水的TOC含量可能在3-5ppm之间,TOC排放目标为1-2ppm或更低。城市污水处理厂的TOC含量可能在100 - 200ppm之间,排放目标则低于10ppm。
TOC与饮用水
关于碳的讨论 - 第H子部分:系统、地下水规则以及第二级消毒和消毒副产物规则。
第H子部分系统是使用地表水或直接受地表水影响的地下水的公共供水系统。地下水规则适用于所有使用地下水的系统。
下表显示了第H子部分系统所需的TOC去除量。原水TOC的典型范围为2 - 4 mg/L。正如您所料,随着原水TOC浓度的增加,去除率也会增加。然而,在许多情况下,为防止在输水系统中形成消毒副产物,在要求的目标外提高TOC去除率可能是有益的或者说是必要的。
Source-water TOC, mg/L | Source-water alkalinity, mg/L as CaCO3 | ||
0-60 | >60-120 | >120 | |
>2.0-4.0 | 35.0% | 25.0% | 15.0% |
>4.0-8.0 | 45.0% | 35.0% | 25.0% |
>8.0 | 50.0% | 40.0% | 30.0% |
表1.第H子部分系统所需的TOC去除率
TOC测定重要的两个位置是进水和出水。然而,有必要对更多位置进行监测,以充分反映从工厂到输水系统的整个过程。沉淀和过滤后的TOC测定至关重要。让我们来讨论一下如何测定TOC。
TOC和THM前体
大量研究表明,TOC与三卤甲烷(THM)之间存在直接相关性。对于氯仿和溴化THM尤其如此。有科学证据表明,THM会对健康造成短期和长期影响。如果多年饮用三卤甲烷含量超过最大污染物水平(MCL)(超过EPA标准)的水,一些人的肝脏、肾脏或中枢神经系统可能会出现问题,而且患癌风险也会增加。TOC可以保持恒定,但反应性会发生变化。这似乎表明分子结构的变化有利于THM形成。这也意味着可能需要额外的处理步骤。
TOC分析的组成部分
每个TOC分析仪均由以下四个部分组成。
样品导入
必须有某种装置将样品导入分析仪。一些仪器采用注射器直接注射,例如将样品直接注入燃烧炉中。
氧化
简而言之,每台TOC分析仪均将碳氧化成二氧化碳。主要有四种氧化方法:高温催化氧化法、加热过硫酸盐法和紫外过硫酸盐法。
检测
二氧化碳由三种检测器中的其中一种进行测量:非色散红外线、电导率或膜电导率。
显示
最后,必须有一个显示和记录数据的装置。在现代仪器中,可以是车载计算机,也可以是远程计算机。
图2.TOC分析的基本组成部分
用NDIR检测加热过硫酸盐氧化
赛莱默 9220总有机碳分析仪基于加热过硫酸盐氧化技术和NDIR检测技术。该技术符合标准方法5310C和EPA 514.3。
过硫酸盐反应是基于湿化学氧化,使用过硫酸钠或过硫酸铵(也简称为“过硫酸盐”)和正磷酸作为反应物,在98 ℃的反应器内将任何含碳有机分子转化为溶解的二氧化碳。
9220使用过硫酸钠和磷酸。过硫酸钠高度溶于水,并能形成几种作为强氧化剂的自由基。
下图显示了离子的氧化还原电位,从最高的2.87V氟离子到最低的0V氢离子。
药剂 | 电位(V) | |
氟 | F2 | 2.87 |
羟基自由基 | 0OH | 2.80 |
硫酸根 | 0SO4 | 2.60 |
氧自由基 | 0O | 2.42 |
臭氧分子 | O3 | 2.07 |
过硫酸盐 | S2 O82- | 2.01 |
过氧化氢 | H2 O2 | 1.78 |
过锰酸盐 | MnO4 | 1.49 |
氯 | Cl2 | 1.36 |
重铬酸盐 | Cr2 O72- | 1.33 |
二氧化氯 | ClO2 | 1.27 |
氧分子 | O2 | 1.23 |
次氯酸盐 | ClO - | 0.90 |
氢 | H2 | 0.00 |
表2.离子氧化还原电位
除了形成羟自由基外,还会形成其他高活性自由基。这些自由基包括硫酸根SO4- 和过硫酸根离子S2O82- 。所有这些物质结合起来可以使过硫酸盐成为一种非常强大的氧化剂。
结论
简而言之,总有机碳(TOC)在保证饮用水安全方面发挥着重要作用。EPA已就水处理过程中应去除多少TOC制定了明确的指导原则,尤其是对于遵循40CFR中第H子部分规定的工厂。即使TOC水平较低且稳定,有机化合物或THM前体仍可能存在于整个处理过程中。当使用氯作为消毒剂时,它会与这些化合物发生反应,产生消毒副产物。这就是为何密切监测TOC和氯水平对于确保水处理符合EPA规定并保证水质安全至关重要的原因。