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活性炭的净化效率与实际净化效果分析

文章来源:/  2013年11月08日  点击数:1925

活性炭的净化效率与实际净化效果分析

一、前言

  近年来城市供水水源污染日趋严重。特别是合成有机物的污染,直接威胁人们的健康。为此,家用活性炭净水器的选用,为城市居民所关注。在美国就有6万个家庭使用净水器。而人口为2500万的加拿大,每年就有10万只净水器出售。我国仅上海一地,就有10多种家净水器产品,在市场销售。这样,净水器的效率,就成为一个重要问题。本文在试验的基础上,对家用活性炭净水器的净水效率以及考核净水效率的水质指标,进行了探索性的研究。

二、试验用净水器的种类

  市售家用活性炭净水器,除主要净水剂活性炭以外,有将活性炭加工成滤管或滤板的,也有为了保持活性炭的吸附能力,增加了前处理的多孔滤膜的,也有增加电解絮凝装置的,也有为了防止细菌繁殖,采用渗银活性炭,或装有三碘树脂或增加出水紫外线消毒装置的,等等。本试验选择了7种有代表性的净水器作出比较和研究(表1)。
  为便于比较用一只以聚乙烯醇多孔滤膜作净水剂的净水器作对比。

表1 试验用的7种净水器

编号

A

B

C

D

E

F

G

净水
介质

粒状活性炭

聚乙烯活性炭复合管

粒状活性炭

活性炭滤板

渗银活性炭

聚丙烯醇多孔滤膜

活性炭滤板

附加
措施

  -

  -

有机多孔滤膜

  -

电解絮凝

  -

用含酚胶合剂

 

三、试验方法

试验以同一水质的自来水作进水,以规定滤速通过各个净水器。由于各净水器所用活性炭的体积不一,故只能采用单位时间内通过多少活性炭体积作为过滤速度(S V)。为方便用户,家用净水器滤速不宜过低。故试验用的滤速为,每分钟每一体积活性炭,通过3倍活性炭体积和1倍活性炭体积的水量。即,SV=3分-1和1分-1。在恒定滤速下,过滤36小时。每2小时取一定体积水样,以组成混合水样。取混合水样作水质检验。并且继续运行72小时,同样以混合水样作水质检验。

四、检验指标的确定

  家用活性炭净水器,一般以自来水为进水,其出水水质自不应低于国家规定的生活饮用水卫生标准。为此,生活饮用水标准规定的水质项目,为必须检测的项目。同时,还必须增加一些项目。
  当前的水质污染,主要是有机物污染。为此,增加的水质检测项目,应能反映净水器在降低水中有机污染物含量的程度。有机物种类繁多,逐一检测,势不可能,故着重从宏观上考虑能代表整个有机物的水质指标,及能代表有毒有害有机物的水质指标。所确定的考查指标为:
  (一)化学需氧量(COD)。
  有两种不同测定方法,一为铬法,另一为锰法,皆以消耗的氧化剂氧的数量来计算需氧量。铬法能氧化水中80%~100%的有机物,而锰法只能氧化60%,但测定方便、快速。
  我国曾将CODmn列入地面水环境质量标准。日本、西德、荷兰、南斯拉夫、捷克斯洛伐克、瑞典、墨西哥、印尼等国均将CODmm列入生活饮用水水质标准。一般,限值都为10mg/I。1986年,欧洲经验共同体饮用水标准规定,CODmn引导值为2mg/I,最大允许浓度(命令值)为5mg/I。为此,CODmn作为考核净水器的净水效能指标是合理的。
  (二)总溶解性有机碳(DOC)。
  一般,用总有机碳测定。1979年,国际供水协会(IAWR),将水源水质按DOC值分为四类:

   1

   2

    3

   4

  <1.5
 实际无污染

  2.5~3.5
  中等污染

  4.5~6.0
  严重污染

  >8.0
  极度污染

  不少欧洲国家如瑞士,对自来水也测定其DOC浓度。一般要求低于2mg/I。因此,用DOC来考查活性炭净水器效率,实质上是考查去除水中污染物的效率。这显然是合适的。
  (三)毛细柱色谱总面积。
  CODmn、DOC虽能反映水中有机污染物的数量,但它们不一定与水中有毒有害、致突变致畸物相联系。80年代以来,国外常采用以氢火焰(FID)为检定器的毛细柱气相色谱峰总图,来比较水处理效率。但仍只能反映有机物的多少,而不能反映其中有毒有害、致突致畸物质的含量。1980年,美国修改并颁布了水质首要污染物,有机物占114种。其中,卤代有机物共68种,有45种致癌、12种有毒;硝基化合物7种,有1种致癌,2种有毒;亚硝胺3种,有2种致癌。它们都对气相色谱的电子捕获检定器(ECD)有灵敏的反应。为此,以ECD为检定器,所获得的毛细色谱峰图的总面积,在很大程度上与有毒致癌有机物质相关,用来作为考核净水器去除有机物特别是有毒有害及致突变致癌物的去除效率的指标,是合适的。
  (四)Ames试验
  随着分子生物和分子遗传学的发展,环境毒理学的研究进入了遗传毒理学的新阶段。即应用遗传达室毒理学的研究方法,制定化学毒物致癌致突变的远期生物效应。Ames致突变试验,为利用鼠伤寒沙门氏菌组氨酸合成酶基因发生突变,制定化学致突变物的快速筛选方法。Ames及McCann(1981)估计,致突变剂与致癌物的有83%的相关关系。为此,Ames致突变试验是较好的检定净水器净水效率的指标。
  Ames试验结果,用加有样品浓缩物的鼠伤寒沙门氏菌回变菌落与阴性对照回变菌落数比较,测定致突变阳性或阴性。本次试验暂行规定样品的回变菌落数为阴性对照菌落数的3倍以下时,为阴性(-);3~5倍时,为弱阳性(+);5~7倍时,为中等阳性(++);7~8倍时,为强阳性(+++);大于8倍时,为极强阳性(++++)。

五、试验结果

  (一)一般活性炭净水器(如A、B、C、D),对生活饮用水水质标准中规定的各项水质指标,有明显的降低作用。如色度、浊度、铁、酚、ABS、CN-、F-、As、Hg、AI、氯仿、四氯化碳、余氯等。有的无变化,如PH、硬度、碘化物、Mn、Ca、Zn、Pb、Cb、Cr、Ag、总β、细菌、大肠杆菌群等。也有增加的,如总a。但出水水质仍符合生活饮用水水质标准。反映有机物的指标CODmn、DOC、毛细色谱峰数及面积,也有不同程度的降低。致突变性也有不同程度的改善。
  (二)采用电解絮凝净水器(E),对Zn和F-有去除作用。但若使用不当,会导致铝离子的增加。聚丙烯醇多孔滤膜作过滤介质的净水器(F),对色度、CODmn、DOC无去除作用,特别是不能减少毛细色谱图的峰数及面积,仅对氯仿、四氯化碳有一些去除作用(可能是在水样注入盛器时因挥发而失去)。不合净水要求。
  (三)净水器G,采用粘合剂,将活性炭加工成滤板,析出大量酚,使出水超标50~300倍。不能降低毛细色谱上的峰数及面积,对致突变性无大改进,亦不能用于净水。
  (四)除活性炭外,还采用矿化剂及消毒剂三碘树脂的净水器,其矿化剂使出水硬度较进水翻了一番,但尚不超过生活饮用水水质标准450mg/I的限值。三碘树脂使出水中的碘,达到2mg/I。若每人每日饮用水2升,则掺入碘量将达4000微克,超过安全量200微克近20倍。不利于人体健康。此外,可能由于矿石污染,其出水细菌总数超标。
  (五)表2为各净水器的CODmn、DOC及余氯的去除率。表中同时列出了进水水质指标的数值。

表2 净水器的净水效率(%)


水质指标

进水浓度

     各净水器的净水效率(%)

 

 A

 B

 C

 D

 E

 F

 G

 

              36 小 时 混 合 样

 

CODmn
DOC
余氯
Ames试验

 4.4
 10.6
 4.8
(++++)

 46
 ?
 99.5
 (-)

 48
 49
 74
 (-)

 36
 39
 72
 (+)

 29
 31
 60
 (+)

 39
 39
 51
 (+)

 2.3
 ?
 44
(++++)

 -
 -
 58
(+++)

 

             又 72 小 时 混 合 样

 

CODmn
DOC
余氯
Ames试验

 4.6
 9.4
 4.5
(++++)

 48
 35
 98
 (+)

 22
 18
 64
 (+)

 22
 13
 60
 (++)

 13
 19
 51
(+++)

 22
 27
 11
(+++)

 8.7
 14
 22
(++++)

 11
 8.6
 11
(++++)

 

  表2说明各净水器对水中有机物,有不同程度的去除效率。滤速为活性炭体积36×60=2160倍以内时,其对CODmn和DOC的去除率,至少分别在29%和31%;当达(36+72)×60=6480倍时,则都在13%以上。活性炭去除余氯的效果较为显著,在水量为2160倍活性炭体积时,可达51%;6480倍时,至少可达11%。
  于进水致突变为极强阳性的条件下,在水量小于2160倍活性炭体积时,7只净水器中有2只出水为阴性,3只出水为弱阳性,余为极强性;在水量小于6480倍时,只有原来出水为阴性的2只净水器,出水为弱阳性,其余净水器则为阳性、强阳性和极强阳性。可见,活性炭净水器在一定量的出水范围内,能使极强阳性的进水,转化成阴性或弱阳性。
  试验表明,经过第一次36小时运行后,净水器的净水效率有所下降。致突变试验亦可得出同样结论。
  (六)前已述及,CHCI3、CHI4、毛细色变峰图对致变、致癌有一定关系。图1~3,纵座标为各净水器出水的回变菌落数较进水的降低百分率,横座标为出水的CHCI3、CHI4、毛细色谱图峰面积的降低百分率,并用最小二乘方,求得回归方程及相关系数(r)。可见,CHCI3、CHI4,用ECD获得的毛细色谱峰图的总面积与致突变试验的回变菌落数有较好的相关性.

六、结论

目前,国内尚无考核净水器出水质量的国家或地方性标准。大家采用了两个方面的水质指标:第一是国家规定的生活饮用水卫生标准,GB5749-85中的水质指标,这是每一活性炭净水器出水都必需达到的水质指标;第二是考核净水器去除水中有机物及微量有毒有害物质的4项指标。即CODmn、DOC、毛细色谱图、Ames致突变试验。实验证明,是可行的,能反映净水器的净水效果。当然,规定这4项指标的绝对值是困难的。只能规定其与进水相比较的去除率。根据本次测定结果,建议在净水器出水量为活性炭体积的2000倍以下时,CODmn、DOC的去除率不应低于30%;毛细色谱图面积的去除率应不小于60%;对Ames致突变试验结果,则要求出水应为阴性(-)~弱阳性性(+)。


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