保障水質(zhì)：飲用水處理中
TOC & THM 的風(fēng)險(xiǎn)管理
在飲用水處理廠的源頭，原水通常要經(jīng)過(guò)化學(xué)混凝、絮凝、沉淀、過(guò)濾和消毒五大過(guò)程才能安全飲用。根據(jù)原水特性，可能還需要額外步驟來(lái)解決特定的水質(zhì)問(wèn)題，達(dá)到理想的最終出水水質(zhì)，并控制處理成本。
我們將在此重點(diǎn)討論兩個(gè)關(guān)鍵元素：碳和氯。我們將探討水中含碳化合物的存在對(duì)法規(guī)和處理決策的影響，以及作為消毒劑的氯如何推動(dòng)其他法規(guī)和處理決策。
圖1.飲用水工藝概述
碳
在宇宙中，只有氫、氦、氧、氖和氮的含量高于碳。沒(méi)有人知道碳是何時(shí)被發(fā)現(xiàn)的，但我們可以將其歸功于第一個(gè)處理火炭的人。1789年，碳元素被列入元素周期表。如今，化學(xué)文獻(xiàn)中描述的碳化合物已超過(guò)100萬(wàn)種，而且每天還在增加。
碳，如有機(jī)碳或總有機(jī)碳（TOC），是一個(gè)重要的水質(zhì)參數(shù)。在水受到污染的所有情況下，許多污染物都是含碳化合物。上述處理工藝旨在去除這些化合物。其中一些化合物天然存在于環(huán)境中。例如，植物物質(zhì)在分解過(guò)程中會(huì)形成黃腐酸和腐殖酸。
工業(yè)或城市廢物中的其他含碳化合物也會(huì)污染水質(zhì)。當(dāng)使用氯作為消毒劑時(shí)，含碳化合物的存在可能會(huì)形成消毒副產(chǎn)物，如三鹵甲烷（THMs），這會(huì)給水處理廠運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了一系列獨(dú)特的問(wèn)題。
水處理工藝的第一步是去除這些化合物。TOC測(cè)定提供了一種快速簡(jiǎn)便的方法，可用于測(cè)量水中存在且必須去除的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量，以及在處理過(guò)程中已經(jīng)去除的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量。
水處理原水的TOC含量可能在3-5ppm之間，TOC排放目標(biāo)為1-2ppm或更低。城市污水處理廠的TOC含量可能在100 - 200ppm之間，排放目標(biāo)則低于10ppm。
TOC與飲用水
關(guān)于碳的討論 - 第H子部分：系統(tǒng)、地下水規(guī)則以及第二級(jí)消毒和消毒副產(chǎn)物規(guī)則。
第H子部分系統(tǒng)是使用地表水或直接受地表水影響的地下水的公共供水系統(tǒng)。地下水規(guī)則適用于所有使用地下水的系統(tǒng)。
下表顯示了第H子部分系統(tǒng)所需的TOC去除量。原水TOC的典型范圍為2 - 4 mg/L。正如您所料，隨著原水TOC濃度的增加，去除率也會(huì)增加。然而，在許多情況下，為防止在輸水系統(tǒng)中形成消毒副產(chǎn)物，在要求的目標(biāo)外提高TOC去除率可能是有益的或者說(shuō)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子部分系統(tǒng)所需的TOC去除率
TOC測(cè)定重要的兩個(gè)位置是進(jìn)水和出水。然而，有必要對(duì)更多位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以充分反映從工廠到輸水系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程。沉淀和過(guò)濾后的TOC測(cè)定至關(guān)重要。讓我們來(lái)討論一下如何測(cè)定TOC。
TOC和THM前體
大量研究表明，TOC與三鹵甲烷（THM）之間存在直接相關(guān)性。對(duì)于氯仿和溴化THM尤其如此。有科學(xué)證據(jù)表明，THM會(huì)對(duì)健康造成短期和長(zhǎng)期影響。如果多年飲用三鹵甲烷含量超過(guò)最大污染物水平（MCL）（超過(guò)EPA標(biāo)準(zhǔn)）的水，一些人的肝臟、腎臟或中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，而且患癌風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。TOC可以保持恒定，但反應(yīng)性會(huì)發(fā)生變化。這似乎表明分子結(jié)構(gòu)的變化有利于THM形成。這也意味著可能需要額外的處理步驟。
TOC分析的組成部分
每個(gè)TOC分析儀均由以下四個(gè)部分組成。
樣品導(dǎo)入
必須有某種裝置將樣品導(dǎo)入分析儀。一些儀器采用注射器直接注射，例如將樣品直接注入燃燒爐中。
氧化
簡(jiǎn)而言之，每臺(tái)TOC分析儀均將碳氧化成二氧化碳。主要有四種氧化方法：高溫催化氧化法、加熱過(guò)硫酸鹽法和紫外過(guò)硫酸鹽法。
檢測(cè)
二氧化碳由三種檢測(cè)器中的其中一種進(jìn)行測(cè)量：非色散紅外線、電導(dǎo)率或膜電導(dǎo)率。
顯示
最后，必須有一個(gè)顯示和記錄數(shù)據(jù)的裝置。在現(xiàn)代儀器中，可以是車(chē)載計(jì)算機(jī)，也可以是遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。
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圖2.TOC分析的基本組成部分
用NDIR檢測(cè)加熱過(guò)硫酸鹽氧化
賽萊默 9220總有機(jī)碳分析儀基于加熱過(guò)硫酸鹽氧化技術(shù)和NDIR檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)方法5310C和EPA 514.3。
過(guò)硫酸鹽反應(yīng)是基于濕化學(xué)氧化，使用過(guò)硫酸鈉或過(guò)硫酸銨（也簡(jiǎn)稱(chēng)為“過(guò)硫酸鹽”）和正磷酸作為反應(yīng)物，在98 ℃的反應(yīng)器內(nèi)將任何含碳有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為溶解的二氧化碳。
9220使用過(guò)硫酸鈉和磷酸。過(guò)硫酸鈉高度溶于水，并能形成幾種作為強(qiáng)氧化劑的自由基。
下圖顯示了離子的氧化還原電位，從最高的2.87V氟離子到最低的0V氫離子。
藥劑 | 電位（V） | |
氟 | F2 | 2.87 |
羥基自由基 | 0OH | 2.80 |
硫酸根 | 0SO4 | 2.60 |
氧自由基 | 0O | 2.42 |
臭氧分子 | O3 | 2.07 |
過(guò)硫酸鹽 | S2 O82- | 2.01 |
過(guò)氧化氫 | H2 O2 | 1.78 |
過(guò)錳酸鹽 | MnO4 | 1.49 |
氯 | Cl2 | 1.36 |
重鉻酸鹽 | Cr2 O72- | 1.33 |
二氧化氯 | ClO2 | 1.27 |
氧分子 | O2 | 1.23 |
次氯酸鹽 | ClO - | 0.90 |
氫 | H2 | 0.00 |
表2.離子氧化還原電位
除了形成羥自由基外，還會(huì)形成其他高活性自由基。這些自由基包括硫酸根SO4- 和過(guò)硫酸根離子S2O82- 。所有這些物質(zhì)結(jié)合起來(lái)可以使過(guò)硫酸鹽成為一種非常強(qiáng)大的氧化劑。
結(jié)論
簡(jiǎn)而言之，總有機(jī)碳（TOC）在保證飲用水安全方面發(fā)揮著重要作用。EPA已就水處理過(guò)程中應(yīng)去除多少TOC制定了明確的指導(dǎo)原則，尤其是對(duì)于遵循40CFR中第H子部分規(guī)定的工廠。即使TOC水平較低且穩(wěn)定，有機(jī)化合物或THM前體仍可能存在于整個(gè)處理過(guò)程中。當(dāng)使用氯作為消毒劑時(shí)，它會(huì)與這些化合物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。這就是為何密切監(jiān)測(cè)TOC和氯水平對(duì)于確保水處理符合EPA規(guī)定并保證水質(zhì)安全至關(guān)重要的原因。
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