在先进废水处理中除去微污染物来直接比较臭氧化和吸附粉末状活性炭外文翻译资料

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在先进废水处理中除去微污染物来直接比较臭氧化和吸附粉末状活性炭

Johannes Altmann , Aki Sebastian Ruhl , Frederik Zietzschmann , Martin Jekel

柏林技术大学，水质控制主席，Str.des 17. Juni 135,10623柏林，德国

文章信息：

文章历史：在2013年12月16日收到文章

在2014年2月6日收到修订表格

在2014年2月9日 接受文章

在2014年2月20日可用

关键词：

有机微污染物

粉末状活性炭

臭氧

废水处理

摘要：

有机微量污染物（OMPs）可以在水生环境中普遍存在。为了保护生态系统和饮用水源免受潜在的毒性影响，越来越多的OMPs的排放受到监管。从废水处理厂（WWTP）流出物中去除作为点源的OMP是通过去除吸附到粉末活性炭（PAC）上和通过作为最有希望的技术的OMP臭氧化转化到无害的化合物的优选选择。在本研究中，四个污水处理厂的污水在台面实验中用PAC和臭氧处理，比较七种相关OMP的去除效率。用20mg / L PAC或5-7mg / L臭氧（0.5mg O 3 / mg溶解的有机碳（DOC）），卡马西平和双氯芬酸的浓度降低超过90％。比较实际应用的典型剂量臭氧化证明对于减轻磺胺甲恶唑更有效，而用活性炭除去苯并三唑和碘美普尔相对更有效。虽然众所周知，臭氧化，DOC归一化剂量也适用于PAC，相比OMP体积比例，添加相关PAC能更好的相比。此外，OMP去除效率很好地对应于两种在254nm的紫外光吸收的减少的处理选项。

（2014 Elsevier Ltd.保留所有权利）

1. 介绍

许多有机微污染物（OMP）作为处理废水的成分被排放到水生环境中（Bueno等，2012; Reemtsma等，2016）。尽管迄今为止药物活性OMP对环境和人类的影响尚未完全阐明，但正在进行关于科学，技术和政治水平的先进废水处理的倡议。在全球范围内正在研究在台架，试验和全规模操作中的两种主要去除方法：通过去除吸附到活性炭上的OMP（Hernandez-Leal等人，2011; Nowotny等人，2009; Huber等人，2005; Reungoat等人，2012; Zimmermann等人，2011）。

活性炭已在许多应用中作为先进的废水处理步骤进行测试（Boehler等人，2012; Margot等人，2013）。当水成分附着在吸附剂的表面上时，被吸附的化合物被完全从废水中除去。采用颗粒活性炭（GAC）在过去已被用作饮用水净化的常用措施（Babi等，2007; Paune等，1998），也已在污水处理厂中进行了研究（Gerrity等，2011; Reungoat等，2012）。GAC的优点包括其简单的应用和用尽的GAC的再生/再利用的可能性。然而，由于WWTP流出物中存在竞争性有机物，GAC效率可能显着降低。或者，粉末活性炭（PAC）可以在三级处理步骤中应用或直接添加到污水处理厂的生物阶段（Boehler等人，2012; Serrano等人，2011）。由于其较小的粒度，PAC通常在吸附动力学方面优越，并且与GAC相比可能更有效（Nowotny等，2007）。

臭氧化能够氧化微污染物，与臭氧直接或间接反应形成羟基自由基。结果，水成分是

转化为其他化合物而不是完全从流出物中除去。 反应的鉴定产品和途径是广泛研究的目标

（Huuml;bner等人，2014; Scheurer等人，2012; Zimmermann等人，2012）。 最近的研究评估臭氧化的影响关于废水毒性一直没有定论（Altmann等人，2012; Dodd等人，2010; Schmidt和Brauch，2008）生物降解性通常在臭氧化后增加（Volk等人，1997; Yavich等人，2004）。 除了OMP降解，臭氧也提供消毒能力（Xu 等人，2002）。PAC适合吸附广泛的微污染物，但显示出对疏水化合物与辛醇水分配系数coef-的一般优选（Kow或Dow）（Kovalova等，2013; Nam等，2014）。 本研究中研究的微污染物的DOW值如表1所示。臭氧对OMP去除的效率可以根据各自的反应常数估计。OMPs与臭氧反应的公布速率常数（kO 3）和羟基自由基（kOH）。双氯芬酸，卡马西平和磺胺甲恶唑，高于10 M1s1的恒定速率常数反应非常快与臭氧。 在不同研究中这些OMP在污水处理厂排放的影响最高（Huuml;bner等，2012; Lee 等人，2012; Schaar等人，2010）。较低的苯并三唑与臭氧反应的反应速率常数不是在全尺寸臭氧应用中完全去除（Zimmermann等人，2011）。相比之下，苯并三唑，卡马西平和双氯芬酸几乎完全在全尺寸PAC应用中去除，而磺胺甲基 - 除去唑较少程度（Boehler等，2012）。在一个比较臭氧化的中试规模调查中（中值剂量0.8mg O / mg DOC）和PAC（12mg / L）卡马西平通过任一处理除去超过90％，而臭氧 - 对磺胺甲恶唑和双氯芬酸减少表现更好，而PAC对苯并三唑更有效（Margot 等人，2013）。在a中报道了类似的结果。

比较评价对PAC和臭氧进行处理后的的医院废水，完全清除卡马西平，苯扎贝特和双氯芬酸与23mg / L PAC或1.08mgO / mg DOC和更好的去除碘美普尔与PAC（Kovalova等，2013）。然而，从不同的污水处理厂排放的OMP清除PAC和在标准条件下没有臭氧被重新利用，增加到了我们所掌握的知识里。

吸附和臭氧化过程的有效性是显着地受到溶解有机物的影响（DOM）含量和组成（Bahr等人，2007; Worch，2010）。在吸附过程中，DOM与目标OMPs的吸附位点或堵塞的外孔

活性炭，因此限制了进入内部微毛孔。 DOM也被臭氧或羟基自由基氧化从而显着减少氧化剂暴露。调整臭氧对DOC浓度的剂量通常导致类似臭氧暴露在不同的水域，DOC归一化臭氧剂量通常用于臭氧处理（Buffl等人，2006;Wert等人，2009a）。另外，已经报道之间的强相关性减少OMP和相应的UV光损失和以及建议作为臭氧化的合适控制参数在254nm吸收（UVA254）（Bahr等人，2007;Wert等人，2009b）。尚未有报道关于这两个概念可能转移到PAC的应用。

本次调查旨在直接比较去除OMP吸附性与PAC和氧化OMP反式在不同的城市污水处理厂产生臭氧。主要目标是评估PAC的有效性和臭氧对一系列OMPs的影响较大背景DOC浓度的柏林污水处理厂的影响，寻找OMP去除与UVA254还原的相关性PAC并研究DOC对OMP去除的影响并检查类似于PAC剂量的可能的正常臭氧化。

1. 材料和方法

2.1 试验

在撤药后一天内从四个不同的次级效应抓住样品收集污水处理厂并用于工作台规模的研究。污水处理厂都装备齐全与原生沉淀，常规活性污泥处理与营养物去除和二次克隆。处理厂在P去除过程中不同：污水处理厂A和C使用生物P消除，具有Bio-P的污水处理厂 D和化学沉淀和污水处理厂B只有化学沉淀（Reemtsma等人，2010）。

搅拌的1g / L粉末活性炭储备溶液在Ultra中制备Carbopal AP（Donau Carbon，德国）

纯水，并以0.5e10mL的体积加入到样品中200 mL未过滤的效应达到PAC剂量2.5e50mg / L。 将玻璃片在水平上剧烈搅拌振动器。 吸附30min和48h后，分别从粉末状活性炭中通过膜过滤（0.45mm孔径，再生纤维素）分离溶液。

臭氧化测试在工作台规模批次中进行，臭氧化单元通过鼓泡含氧的臭氧从a

发电机（Wedeco，德国）通过未过滤的样品，体积在玻璃臭氧反应器中为3.6L。 添加后对样品的臭氧量和反应时间定义为10分钟，通过纯净从系统中清除残余臭氧直到在废气中不再检测到臭氧流量。 总臭氧消耗量由下式确定（连续监测流入和流出的气体，臭氧浓度）。 臭氧化后，样品如同吸附样品一样进行过滤和分析，所有实验在室温下进行。

2.2 分析方法

DOC浓度用Vario TOC立方体测量（元素分析系统，德国）。 DOC进一步进行连续有机碳检测，其特征在于尺寸排阻色谱法（LC-OCD，DOC Labor，德国）（Huber等人，2011）。DOC分数分为 生物聚合物，腐殖质和结构单元（HS BB），中性低分子量酸和低分子量，如Haberkamp等人报道的（2007）。 UVA254在Lambda 12UVeVIS光度计（PerkinElmer，德国）通过直接注射分析OMP25mL加入HPLC-MS / MS系统（TSQ Vantage，ThermoFisher，美国），使用2.5mm XSelect HSS T3502.1mm柱（Waters，美国）。 OMPs根据DAIOS数据库，随后由该地区进行验证两个最密集的质量碎片的比率（DAIOS，2014）。通过参考其氘化内标使用最密集的质量片段而定量的。所有化合物的LOQ为50ng / L。

七个定量OMP包括苯并三唑，广泛使用的缓蚀剂和防冻剂，碘化X射线造影剂碘美普尔，抗炎药物双氯芬酸，抗惊厥药物卡马西平和扑热息痛，脂质调节剂bezabrate和磺酰胺抗生素磺胺甲恶唑。 物质是根据其考虑选择作为优先级，物质在欧洲水框架指令中，由于它们的PAC和臭氧处理的指示器功能是它们能在高处永久产生浓度在柏林废水中的影响。 该化合物也提供与臭氧基于的广泛反应性的反应常数，在PAC上并具有不同的吸附能力。

1. 结果与讨论

3.1 污水处理厂效益的表征

四个被考虑的污水处理厂的影响包括升高的DOC浓度从9.5mg / L到14.4mg / L（表2），与5.0e9.4mg / L DOC的浓度相比其他最近的研究集中在清除污水处理厂的OMP（Gerrity等人，2011; Hollender 等人，2009; Lee 等人；von Gunten，2010）。 DOC浓度是相关臭氧效率作为DOM有助于臭氧消耗，也是无机化合物，例如亚硝酸盐，可以施加臭氧需求（Watt等人，1989）。 不幸的是，亚硝酸盐不是在实验中进行分析。

污水处理厂的OMP浓度范围为0.2 mg / L磺胺甲恶唑，扑米酮和贝他拉酯高于10mg / L苯并三唑和碘美普尔。 同样高苯并三唑浓度在柏林污水处理厂也有影响（Reemtsma等人，2010）。

碘化X射线造影剂的浓度碘美普尔显示1.4 mg / L和15.4 mg / L，可能是由于局部应用

不同的X射线造影剂。 碘化造影剂经常在水生环境中发现（Putschew等人，2000; Ternes和Hirsch，2000）。

3.2 用PAC吸附去除OMP

特定OMP在活性炭上的吸附是由其化学性质和竞争决定DOM（包括其他OMP），具体取决于其各自吸附性和浓度。 比较低平衡固相DOC加载量计算效应A和C，即使初始DOC浓度是在流出A中最高（图S1）。 固相负载受DOM组成的影响因不同污水处理厂而不同，如表2中不同的SUVA254值所示。良好的吸附，疏水性DOM成分可能在四种废水中不同程度地去除处理过程，吸附化合物留下不同分数的差。 初步实验用测试的效果显示48 h足以达到PAC表面的平衡载荷。 平衡在24小时接触时间后也假定条件Nowotny等人 （2007）。

对于流动A和C虽然显着降低DOC负荷计算，因此对吸附的竞争较小站点可能是预期的，相比其他发展OMP加载没有增加（图1）。 OMP加载随着初始OMP浓度的升高而增加

双氯芬酸和碘美普尔。 碘美普尔的初始浓度在B水平显着较高，导致实质上更高的负载。 这种现象被解释竞争吸附理论（Worch，2010）。但是，初始浓度B似乎不受苯并三唑的装载量较高的影响。

根据化合物的吸附性，对于碘美普尔和磺胺甲恶唑观察到相浓度降低增加的液体的固相浓度（D液体）（数据显示于图S2）。 这个观察与先前报道的数据一致（Najm等，1991），可归因于吸附竞争。 高残留液相OMP浓度对应相当低的PAC剂量，由于强有限吸附位点的化合物之间的竞争。在这种情况下，弱吸附的微量物质可能吸附的程度低于竞争程度较低的条件。

3.3 PAC和臭氧的比较

DOC

通过PAC和DOC降低DOC浓度和UVA254臭氧，示例性地表示为B.PAC适合将DOC浓度降低高达50％，剂量为50 mg / L PAC。 主要是影响UVA254的物质芳香族和烯烃化合物，与SUVA254减少时的体积DOC相比被有利地吸附在2.04L / mg m至1.43L / mg m。

与吸附相反，臭氧化不适于消除DOC浓度。 然而，观察UVA254的减少也随着臭氧消耗的增加，表明氧化UVA254吸收化合物。

使用大小排除的DOM的表征色谱显示DOM组成的转化臭氧化（图3）。 色谱图表明大

分子量DOM（所谓的生物聚合物，第一峰约40分钟（Huber等人，2011））部分转化为通常的较小化合物，认为是腐殖质和低分子量酸级分（第二和第三峰在约50分钟，60分钟）。 总体色谱DOC略有增加，这可归因于

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