ประสิทธิภาพการกำจัดและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการของออกซิเตตราไซคลินและ 2-เมทิลไอโซบอร์นอลโดยการใช้คาร์บอนกัมมันต์แบบสอง-ขั้นที่เสริมฤทธิ์กันของถ่านกัมมันต์ชนิดผงที่ผสมไว้ล่วงหน้า- + ถ่านกัมมันต์ชนิดกรองเบด โครงสร้างสองชั้น

ด้วยการดำเนินการอย่างเต็มรูปแบบของ "มาตรฐานสำหรับคุณภาพน้ำดื่ม" (GB 5749-2022) กลิ่น-ที่ก่อให้เกิดสารต่างๆ เช่น 2-เมทิลไอโซบอร์นอล (2-MIB) และออกซีเตตราไซคลิน รวมถึงยาปฏิชีวนะ-เช่น สารมลพิษขนาดเล็ก เช่น ออกซีเตตราไซคลิน ได้ถูกรวมอยู่ในขอบเขตของการควบคุมที่เข้มงวด โดยทั่วไปแล้วกระบวนการ-ตกตะกอน-การกรอง-การฆ่าเชื้อโดยทั่วไปจะมีอัตราการกำจัดรวมน้อยกว่า 30% สำหรับสารอินทรีย์ติดตามที่ไม่ชอบน้ำทั้งสองประเภทนี้ ซึ่งไม่เพียงพอที่จะตอบสนองข้อกำหนดสองประการด้านความปลอดภัยของคุณภาพน้ำและคุณภาพทางประสาทสัมผัสอีกต่อไป ปัจจุบัน พืชน้ำในประเทศมักใช้ถ่านกัมมันต์ผงส่วนหน้า (PAC) สำหรับเหตุฉุกเฉิน/การควบคุมตามปกติของแหล่งน้ำขนาดเล็ก-ที่ปนเปื้อน อย่างไรก็ตาม กระบวนการ PAC เดี่ยวมีข้อเสีย เช่น เวลาในการดูดซับที่จำกัด การรบกวนการดูดซับที่แข่งขันได้ ต้นทุนการจ่ายสูง และการซึมผ่านของสารมลพิษที่ตกค้าง การเติมถ่านกัมมันต์แบบเม็ด (GAC) ลงบนพื้นผิวตัวกรองเพื่อสร้างกระบวนการกั้นแบบ "การดูดซับ PAC ก่อน- + การดูดซับขั้นที่สองแบบลึกของ GAC" กำลังค่อยๆ กลายเป็นเทคโนโลยีกระแสหลักสำหรับโรงผลิตน้ำที่สร้างขึ้นใหม่ ปรับปรุง และขยายเพื่อจัดการกับน้ำที่มีมลภาวะขนาดเล็กที่ซับซ้อน เอกสารนี้จะวิเคราะห์รูปแบบการกำจัดออกซีเตตราไซคลินและ 2-MIB อย่างเป็นระบบโดยกระบวนการถ่านกัมมันต์สองขั้นตอน เริ่มต้นจากกลไกการดูดซับ ขอบเขตประสิทธิภาพ ปัจจัยที่มีอิทธิพลหลัก และกลไกการทำงานร่วมกันทางวิศวกรรม โดยให้พื้นฐานทางทฤษฎีและแนวทางปฏิบัติสำหรับการอัพเกรดกระบวนการในโรงงานน้ำ การเลือกสารตัวทำปฏิกิริยา และการเพิ่มประสิทธิภาพการปฏิบัติงาน ขณะเดียวกันก็มองไปข้างหน้าถึงทิศทางการพัฒนาในอนาคตของกระบวนการบูรณาการ เช่น ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นควบคู่และถ่านกัมมันต์ทางชีวภาพ (BAC)

1.1 ลักษณะทางโมเลกุลของสารมลพิษเป้าหมาย

Oxytetracycline (OTC) เป็นยาปฏิชีวนะชนิดมีขั้ว-กลุ่มเตตราไซคลินที่มีกลุ่มไฮดรอกซิลและอะมิโนหลายกลุ่มในโมเลกุล ในแหล่งน้ำธรรมชาติ มันมีอยู่ในรูปแบบสวิตเตอร์ไอออนและพร้อมแข่งขันเพื่อการดูดซับกับอินทรียวัตถุธรรมชาติ (NOM) เช่น กรดฮิวมิกโดยผ่านกระบวนการทำให้เกิดปฏิกิริยาเชิงซ้อน. 2-เมทิลไอโซบอร์นอล (2-MIB) เป็นสาหร่ายที่ไม่มีขั้ว -โมเลกุล-น้ำหนักโมเลกุลต่ำ- ซึ่งได้มาจากสารดับกลิ่นที่มีเกณฑ์กลิ่นต่ำถึง 2–10 ng/L ทำให้ เป็นการยากที่สารออกซิแดนท์ทั่วไปจะทำให้มีแร่ธาตุอย่างสมบูรณ์ ทั้งสองมักจะอยู่ร่วมกันในอ่างเก็บน้ำและน้ำดิบในแม่น้ำในช่วงฤดูร้อนที่มีสาหร่ายสูง ซึ่งจัดอยู่ในประเภททั่วไปของ "มลพิษขนาดเล็กที่ดื้อรั้นและร่องรอย"

1.2 ข้อจำกัดของกระบวนการทั่วไป หน่วยการแข็งตัว การตกตะกอน และการกรองจะกำจัดสารแขวนลอยและสารมลพิษที่จับกับโมเลกุลระดับโมเลกุลเป็นหลัก โดยมีอัตราการกำจัดเพียง 10%–25% สำหรับ 2-MIB และออกซีเตตราไซคลินที่ละลายอยู่ การฆ่าเชื้อด้วยคลอรีนเหลวก่อน-และ-ขั้นตอนเดียวจะสร้างผลพลอยได้จากการฆ่าเชื้อได้อย่างง่ายดาย และมีประสิทธิภาพออกซิเดชันที่จำกัดสำหรับ 2-MIB การฆ่าเชื้อที่จุดสิ้นสุด-เพียงอย่างเดียวไม่สามารถบรรลุการควบคุมสารทั้งสองประเภทนี้ได้ตามข้อกำหนด สิ่งกีดขวางหลายระดับต้องสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีการรักษาเชิงลึกแบบดูดซับ

2.1 กลไกการดูดซับ PAC บรรลุการดูดซับผ่านการเติมไมโครพอร์ แรงแวนเดอร์วาลส์ การเชื่อมต่อ π- π และพันธะไฮโดรเจน: สำหรับออกซีเตตราไซคลิน การดูดซับทางเคมีและการดูดซับเชิงซ้อนมีความโดดเด่น สำหรับ 2-MIB การเติมไมโครพอร์ทางกายภาพจะมีความโดดเด่น จลนพลศาสตร์ของการดูดซับเป็นไปตามแบบจำลองลำดับที่สอง-รอง- และไอโซเทอร์มส่วนใหญ่จะเป็นไปตามแบบจำลองฟรอยด์ลิช กรด-ค่าสูง-ไอโอดีนที่มีไอโอดีนเป็นพื้นฐาน-โดยถ่านหิน-มีการล้าง PAC เนื่องจากมีโครงสร้างพรุน{12}} ที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดีและความสามารถในการปรับตัวของกลุ่มฟังก์ชันพื้นผิวที่แข็งแกร่งกว่า PAC ที่ทำจากไม้

2.2 ประสิทธิภาพการกำจัดจริง

สำหรับออกซีเตตราไซคลิน: ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบขนาดเล็ก- ปริมาณ PAC ที่ 75 มก./ลิตร มีอัตราการกำจัดที่มากกว่า 99% สำหรับออกซีเตตราไซคลิน 1 มก./ลิตร ในการมีอยู่ของ DOC เบื้องหลังในน้ำดิบ โรงบำบัดน้ำจริงสามารถควบคุมระดับออกซิเตตราไซคลิน ug/L ในระดับที่ปลอดภัยโดยการเติม 1–35 มก./ลิตร อย่างไรก็ตาม การดูดซับแบบแข่งขันโดย NOM จะลดความสามารถในการดูดซับลง 30%–50%

สำหรับ 2-MIB: ปริมาณ PAC 15–30 มก./ลิตร และเวลาสัมผัสมากกว่าหรือเท่ากับ 60 นาที มีอัตราการกำจัด 40%–70% สำหรับ ng/L 2-MIB ชั่วโมงแรกของการดูดซับคือระยะการดูดซับอย่างรวดเร็ว การขยายเวลาพักในถังผสมช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก คลอรีนตกค้างและระดับ pH สูงขัดขวางความสามารถในการดูดซับ

ข้อบกพร่องของกระบวนการ: การจ่ายสารเริ่มต้นถูกจำกัดโดยระยะเวลาการคงตัวของไฮดรอลิก ในช่วงที่สาหร่ายมีการเจริญเติบโตสูง สาร NOM และสาหร่ายจะเข้าครอบครองตำแหน่งดูดซับ ซึ่งนำไปสู่ ​​"การปฏิบัติตามข้อกำหนดเบื้องต้น ตามมาด้วยการพัฒนาในภายหลัง" ได้อย่างง่ายดาย การใช้ปริมาณมากในกรณีฉุกเฉินจะเพิ่มปริมาณตะกอนและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน และสารมลพิษที่ถูกดูดซับได้เล็กน้อยบางส่วนจะหลบหนีไปพร้อมกับน้ำทิ้งจากตัวกรอง

3.1 ลักษณะการดูดซับ GAC
GAC ทำงานในรูปแบบเบดคงที่-โดยมีเวลาสัมผัสเบดว่าง (EBCT) 10–20 นาที ทำให้มีการแพร่กระจายที่ช้าและการดูดซับลึกของสารตกค้าง 2-MIB และออกซีเตตราไซคลินในน้ำทิ้ง PAC ชั้นถ่านกัมมันต์ชีวภาพ (BAC) ที่เกิดขึ้นจากการทำงานในระยะยาว-ไปพร้อมๆ กันทำให้เกิดผลเสริมฤทธิ์กันของการย่อยสลายของจุลินทรีย์และการสร้างการดูดซับใหม่ เมื่อ GAC ทำงานโดยลำพัง อัตราการกำจัด 2-MIB อาจสูงถึง 70%–80% และอัตราการกำจัดของออกซิเตตราไซคลินที่มีความเข้มข้นต่ำจะอยู่ที่ประมาณ 50%–65% แต่ความสามารถในการดูดซับเริ่มต้นค่อนข้างต่ำและระยะเวลาเริ่มต้นนั้นยาวนาน

3.2 ข้อดีของโครงสร้างตัวกรองเลเยอร์คู่-
การวางชั้น GAC (ตัวกรองทรายคาร์บอน) ยาว 0.6–1.2 ม. ที่ด้านบนของตัวกลางกรองทรายควอทซ์สามารถดักจับมลพิษคอลลอยด์ที่ PAC ดูดซับได้ไม่เต็มที่ ปกป้องชั้นกรองทรายที่อยู่ด้านล่าง และใช้ประโยชน์จากการทำงานของตัวกรองอย่างต่อเนื่องไปพร้อม ๆ กันเพื่อให้บรรลุการบำบัดเชิงลึกที่มีความเสถียรในระยะยาว- กระบวนการล้างย้อนสามารถฟื้นฟูตำแหน่งการดูดซับบนพื้นผิว GAC ได้บางส่วน ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งาน

4.1 ตรรกะการทำงานร่วมกันของการดูดซับสอง-ขั้น

การจำแนกประเภทโหลด: PAC ดูดซับสารมลพิษที่มีความเข้มข้นสูงที่สุด-อย่างรวดเร็ว และแข่งขันกับโมเลกุลขนาดใหญ่สำหรับอินทรียวัตถุที่ส่วนหน้า ซึ่งช่วยลดภาระการดูดซับและอัตราการเป็นพิษของ GAC GAC ดำเนินการ "การบำบัดอย่างละเอียด" กับสารเป้าหมายการติดตามที่ทะลุผ่าน ก่อให้เกิดอุปสรรคการไล่ระดับสีของ "การดูดซับแบบหยาบ - การดูดซับแบบละเอียด"

การปรับปรุงคุณภาพน้ำ: PAC ช่วยลดความขุ่นที่ไหลเข้าและ NOM, ปรับคุณภาพน้ำที่ไหลเข้าของ GAC ให้เหมาะสม และเพิ่มความสามารถในการดูดซับหน่วยของ GAC สำหรับ 2-MIB และออกซีเตตราไซคลิน GAC เก็บผง PAC ไว้อย่างดี ป้องกันไม่ให้ผงคาร์บอนแทรกซึมเข้าไปในเครือข่ายท่อส่ง

การเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน: การรวมกันสอง-ขั้นตอนสามารถลดปริมาณ PAC ลงได้ 20%–40% ขณะเดียวกันก็ขยายวงจรการสร้าง GAC ใหม่เป็น 1–2 ปี โดยรวมแล้ว ความประหยัดในการดำเนินงานนั้นเหนือกว่ากระบวนการ PAC ในปริมาณสูง-เดียวหรือ GAC บริสุทธิ์

4.2 ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อผลเสริมฤทธิ์กัน

การเลือก PAC และจุดจ่าย: เพิ่ม PAC ลงในถังผสม/ก่อนจับตัวเป็นก้อน เพื่อให้มั่นใจว่ามีเวลาสัมผัสมากกว่าหรือเท่ากับ 40–90 นาที จัดลำดับความสำคัญของ PAC ของน้ำดื่มที่มีค่าไอโอดีนมากกว่าหรือเท่ากับ 1,000 มก./กรัม และค่าเมทิลีนบลู มากกว่าหรือเท่ากับ 200 มก./กรัม (พร้อมใบอนุญาตด้านสุขอนามัยที่เกี่ยวข้องกับน้ำ{{4})

ขนาดอนุภาค GAC และความหนาของแผ่นกรอง: หินภูเขาไฟบดที่ใช้ถ่านหิน 8×30 mesh- เหมาะสำหรับ 2-MIB มากกว่า ส่วน 12–20 mesh เหมาะสำหรับยาปฏิชีวนะ EBCT มากกว่าหรือเท่ากับ 12 นาทีทำให้มั่นใจได้ว่าสามารถกำจัดออกซิเตตราไซคลินได้อย่างเสถียร

สภาพคุณภาพน้ำ: ค่า pH เป็นกลาง (6.5–8.5) คลอรีนตกค้างต่ำ และก่อน-ออกซิเดชันปานกลาง (O₃ 0.3–0.8 มก./ลิตร) สามารถปรับปรุงอัตราการกำจัดที่เสริมฤทธิ์กันของกระบวนการทั้งสอง-สำหรับสารทั้งสองประเภทให้มากกว่า 90% ได้อีก

4.3 สรุปผลการสมัครทางวิศวกรรม

การทดสอบขนาดนำร่อง-และการผลิตที่โรงน้ำที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่าการรวมกันของ PAC แบบธรรมดา (10–20 มก./ลิตร) และ GAC ในตัวกรองทรายคาร์บอน ทำให้มีอัตราการกำจัดรวม 80%–92% สำหรับ 2-MIB (10–100 ng/L) และ 85%–95% สำหรับออกซีเตตราไซคลิน (0.1–10 ไมโครกรัม/ลิตร) ซึ่งเหนือกว่าระดับการบำบัดของ PAC เดี่ยว (50%–70%) หรือ GAC เดี่ยว (60%–75%) อย่างมีนัยสำคัญ และน้ำทิ้งสามารถตอบสนองข้อกำหนดของ GB 5749-2022 ได้อย่างเสถียร และมาตรฐานการควบคุมมลพิษระดับไมโครที่เข้มงวดยิ่งขึ้นในอนาคต

ความอิ่มตัวของการดูดซับและการปลดปล่อยทุติยภูมิ: สร้างการเตือนภัยล่วงหน้าที่ก้าวล้ำของ GAC และระบบตรวจสอบกลิ่น/ยาปฏิชีวนะแบบออนไลน์ โดยใช้กลไกการสร้างหรือทดแทนด้วยความร้อน สร้างมาตรฐานการกำจัดตะกอน PAC เพื่อหลีกเลี่ยงการไหลย้อนกลับของมลพิษ

ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยทางชีวภาพ: ในระหว่างการทำงานของ BAC ให้ควบคุมความเข้มข้นและวงจรของการล้างย้อนเพื่อยับยั้งการแพร่กระจายของแผ่นชีวะมากเกินไปและการสร้างผลพลอยได้จากการเผาผลาญทางชีวภาพ จุดฆ่าเชื้อหลัง-ช่วยให้มั่นใจได้ว่าคลอรีนที่ตกค้างในเครือข่ายท่อส่งก๊าซเป็นไปตามมาตรฐาน

การอัพเกรดข้อต่อกระบวนการ: การเพิ่มเปอร์แมงกาเนตคอมโพสิตก่อน-ออกซิเดชันหรือโอโซนที่มีปริมาณ-ต่ำ (O₃/H₂O₂) ก่อนที่ PAC จะบรรลุผลที่เสริมฤทธิ์กันทั่วทั้งกระบวนการ "การย่อยสลายด้วยออกซิเดชัน-การดูดซับ PAC-การบำบัดเชิงลึกของ GAC/BAC" ซึ่งขยายขอบเขตการกำจัดสารมลพิษให้กว้างยิ่งขึ้น

บทสรุปและแนวโน้ม

ในบริบทปัจจุบันของการเปลี่ยนแปลงด้านความปลอดภัยในน้ำดื่มในประเทศของฉันจาก "น้ำประปาที่เป็นไปตามข้อกำหนด" มาเป็น "น้ำประปาที่ดีต่อสุขภาพ-" การเติมผงถ่านกัมมันต์ก่อน-รวมกับการดูดซับถ่านกัมมันต์แบบละเอียดในแผ่นกรองเป็นโซลูชันการควบคุมมลพิษระดับจุลภาค-ที่มีประสิทธิภาพ ยืดหยุ่น และประหยัด ซึ่งเหมาะสำหรับการปรับปรุงโรงผลิตน้ำทั่วไปส่วนใหญ่ในประเทศจีน ซึ่งแสดงให้เห็นข้อได้เปรียบในการเสริมฤทธิ์กันอย่างมีนัยสำคัญสำหรับมลพิษระดับจุลภาค-ที่อยู่ร่วมกัน เช่น ออกซีเตตราไซคลินและ 2-MIB เทคโนโลยีการบำบัดน้ำในอนาคตจะพัฒนาไปสู่ ​​"การดูดซับที่แม่นยำ การจ่ายอย่างชาญฉลาด -การฟื้นฟูในแหล่งกำเนิด และการควบคุมการทำงานร่วมกันของสารมลพิษหลายชนิด" ด้วยเทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของถ่านกัมมันต์ ถ่านไบโอชาร์ที่ใช้งานได้ และการเชื่อมต่อแบบเมมเบรน-คาร์บอน ระบบบำบัดน้ำแบบบูรณาการจะถูกสร้างขึ้นเพื่อจัดการกับมลพิษที่ซับซ้อนตามฤดูกาลในแหล่งน้ำ ซึ่งให้การรับประกันทางเทคนิคที่แข็งแกร่งมากขึ้นสำหรับความปลอดภัยของน้ำดื่มในเมืองและในชนบท