保障水質(zhì)：飲用水處理中
TOC & THM 的風險管理
在飲用水處理廠的源頭，原水通常要經(jīng)過化學混凝、絮凝、沉淀、過濾和消毒五大過程才能安全飲用。根據(jù)原水特性，可能還需要額外步驟來解決特定的水質(zhì)問題，達到理想的最終出水水質(zhì)，并控制處理成本。
我們將在此重點討論兩個關(guān)鍵元素：碳和氯。我們將探討水中含碳化合物的存在對法規(guī)和處理決策的影響，以及作為消毒劑的氯如何推動其他法規(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。沒有人知道碳是何時被發(fā)現(xiàn)的，但我們可以將其歸功于第一個處理火炭的人。1789年，碳元素被列入元素周期表。如今，化學文獻中描述的碳化合物已超過100萬種，而且每天還在增加。
碳，如有機碳或總有機碳（TOC），是一個重要的水質(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)在分解過程中會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污染水質(zhì)。當使用氯作為消毒劑時，含碳化合物的存在可能會形成消毒副產(chǎn)物，如三鹵甲烷（THMs），這會給水處理廠運營商帶來了一系列獨特的問題。
水處理工藝的第一步是去除這些化合物。TOC測定提供了一種快速簡便的方法，可用于測量水中存在且必須去除的有機物質(zhì)數(shù)量，以及在處理過程中已經(jīng)去除的有機物質(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，在要求的目標外提高TOC去除率可能是有益的或者說是必要的。
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測定重要的兩個位置是進水和出水。然而，有必要對更多位置進行監(jiān)測，以充分反映從工廠到輸水系統(tǒng)的整個過程。沉淀和過濾后的TOC測定至關(guān)重要。讓我們來討論一下如何測定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。對于氯仿和溴化THM尤其如此。有科學證據(jù)表明，THM會對健康造成短期和長期影響。如果多年飲用三鹵甲烷含量超過最大污染物水平（MCL）（超過EPA標準）的水，一些人的肝臟、腎臟或中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能會出現(xiàn)問題，而且患癌風險也會增加。TOC可以保持恒定，但反應性會發(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TOC分析儀均由以下四個部分組成。
樣品導入
必須有某種裝置將樣品導入分析儀。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
簡而言之，每臺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、加熱過硫酸鹽法和紫外過硫酸鹽法。
檢測
二氧化碳由三種檢測器中的其中一種進行測量：非色散紅外線、電導率或膜電導率。
顯示
最后，必須有一個顯示和記錄數(shù)據(jù)的裝置。在現(xiàn)代儀器中，可以是車載計算機，也可以是遠程計算機。
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圖2.TOC分析的基本組成部分
用NDIR檢測加熱過硫酸鹽氧化
賽萊默 9220總有機碳分析儀基于加熱過硫酸鹽氧化技術(shù)和NDIR檢測技術(shù)。該技術(shù)符合標準方法5310C和EPA 514.3。
過硫酸鹽反應是基于濕化學氧化，使用過硫酸鈉或過硫酸銨（也簡稱為“過硫酸鹽”）和正磷酸作為反應物，在98 ℃的反應器內(nèi)將任何含碳有機分子轉(zhuǎn)化為溶解的二氧化碳。
9220使用過硫酸鈉和磷酸。過硫酸鈉高度溶于水，并能形成幾種作為強氧化劑的自由基。
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 |
過硫酸鹽 | S2 O82- | 2.01 |
過氧化氫 | H2 O2 | 1.78 |
過錳酸鹽 | 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，還會形成其他高活性自由基。這些自由基包括硫酸根SO4- 和過硫酸根離子S2O82- 。所有這些物質(zhì)結(jié)合起來可以使過硫酸鹽成為一種非常強大的氧化劑。
結(jié)論
簡而言之，總有機碳（TOC）在保證飲用水安全方面發(fā)揮著重要作用。EPA已就水處理過程中應去除多少TOC制定了明確的指導原則，尤其是對于遵循40CFR中第H子部分規(guī)定的工廠。即使TOC水平較低且穩(wěn)定，有機化合物或THM前體仍可能存在于整個處理過程中。當使用氯作為消毒劑時，它會與這些化合物發(fā)生反應，產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。這就是為何密切監(jiān)測TOC和氯水平對于確保水處理符合EPA規(guī)定并保證水質(zhì)安全至關(guān)重要的原因。
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