Với việc triển khai đầy đủ "Tiêu chuẩn về chất lượng nước uống" (GB 5749-2022), các chất-gây mùi như 2-methylisoborneol (2-MIB) và oxytetracycline, cũng như các chất kháng sinh-như vi chất ô nhiễm như oxytetracycline, đã được đưa vào phạm vi kiểm soát nghiêm ngặt. Các quy trình khử trùng-lắng đọng{12}}lọc{15}}khử trùng thông thường thường đạt được tổng tỷ lệ loại bỏ dưới 30% đối với hai loại chất hữu cơ dạng vết kỵ nước này, không còn đủ để đáp ứng các yêu cầu kép về an toàn chất lượng nước và chất lượng cảm quan. Hiện nay, các nhà máy nước sinh hoạt thường sử dụng-than hoạt tính dạng bột (PAC) đầu cuối để kiểm soát khẩn cấp/thường xuyên các nguồn nước bị ô nhiễm-vi mô. Tuy nhiên, quy trình PAC đơn lẻ có những nhược điểm như thời gian hấp phụ hạn chế, nhiễu hấp phụ cạnh tranh, chi phí định lượng cao và sự xâm nhập của chất ô nhiễm còn sót lại. Việc thêm than hoạt tính dạng hạt (GAC) vào bề mặt lọc để tạo thành một chuỗi quy trình rào cản "hấp phụ trước{22}}PAC + hấp phụ thứ cấp sâu GAC" đang dần trở thành công nghệ chủ đạo cho các nhà máy nước mới xây dựng, cải tạo và mở rộng để xử lý nước ô nhiễm vi mô phức tạp. Bài viết này phân tích một cách có hệ thống các mô hình loại bỏ oxytetracycline và 2-MIB bằng quy trình than hoạt tính hai giai đoạn, bắt đầu từ cơ chế hấp phụ, ranh giới hiệu quả, các yếu tố ảnh hưởng chính và cơ chế tổng hợp kỹ thuật. Nó cung cấp cơ sở lý thuyết và các giải pháp thực tế để nâng cấp quy trình của nhà máy nước, lựa chọn thuốc thử và tối ưu hóa vận hành, đồng thời hướng tới hướng phát triển trong tương lai của các quy trình tích hợp như tiền oxy hóa kết hợp và than hoạt tính sinh học (BAC).
I. Đặc điểm ô nhiễm của Oxytetracycline và 2-MIB và những điểm nghẽn trong quy trình loại bỏ thông thường
1.1 Đặc điểm phân tử của chất ô nhiễm mục tiêu
Oxytetracycline (OTC) là một loại kháng sinh phân cực thuộc nhóm tetracycline-có nhiều nhóm hydroxyl và amino trong phân tử của nó. Trong các vùng nước tự nhiên, nó tồn tại ở dạng zwitterionic và dễ dàng cạnh tranh để hấp phụ với chất hữu cơ tự nhiên (NOM) chẳng hạn như axit humic thông qua quá trình tạo phức. 2-Methylisoborneol (2-MIB) là chất tạo mùi có nguồn gốc từ tảo-trọng lượng từ tảo-không phân cực, có hàm lượng mùi thấp đến 2–10 ng/L, khiến các chất oxy hóa thông thường khó có thể khoáng hóa hoàn toàn. Cả hai thường cùng tồn tại trong các hồ chứa và nước thô sông trong thời kỳ tảo cao vào mùa hè, thuộc loại điển hình của "các chất ô nhiễm vi lượng, khó phân hủy".
1.2 Hạn chế của các quy trình thông thường Các thiết bị đông tụ, lắng và lọc chủ yếu loại bỏ các chất ô nhiễm lơ lửng và liên kết với phân tử cao, đạt tỷ lệ loại bỏ chỉ 10%–25% đối với 2-MIB và oxytetracycline hòa tan. Khử trùng bằng clo lỏng trước-giai đoạn một-dễ dàng tạo ra các sản phẩm phụ khử trùng và có hiệu quả oxy hóa hạn chế đối với 2-MIB. Chỉ khử trùng điểm cuối không thể đạt được sự kiểm soát tuân thủ đối với hai loại chất này; rào chắn đa cấp phải được xây dựng bằng công nghệ xử lý sâu dựa trên hấp phụ.
II. Hiệu quả loại bỏ và cơ chế của than hoạt tính dạng bột (PAC) đối với Oxytetracycline và 2-MIB
2.1 Cơ chế hấp phụ PAC đạt được sự hấp phụ thông qua việc lấp đầy lỗ nhỏ, lực van der Waals, liên hợp π-π và liên kết hydro: đối với oxytetracycline, hấp phụ hóa học và hấp phụ tạo phức là chủ yếu; đối với 2-MIB, việc lấp đầy lỗ chân lông vật lý chiếm ưu thế. Động học hấp phụ tuân theo mô hình bậc giả-thứ hai{7}}và các đường đẳng nhiệt chủ yếu tuân theo mô hình Freundlich. PAC được rửa bằng axit-có giá trị cao-iốt{10}}axit{11}}dựa trên than đá, nhờ cấu trúc vi xốp phát triển tốt và khả năng thích ứng nhóm chức năng bề mặt mạnh hơn, vượt trội hơn so với PAC gốc gỗ.
2.2 Hiệu quả loại bỏ thực tế
Đối với oxytetracycline: Trong các điều kiện thử nghiệm ở quy mô nhỏ-, liều PAC 75 mg/L đã đạt được tỷ lệ loại bỏ trên 99% đối với oxytetracycline 1 mg/L. Với sự hiện diện của DOC nền trong nước thô, các nhà máy xử lý nước thực tế có thể kiểm soát nồng độ oxytetracycline ug/L ở mức an toàn bằng cách thêm 1–35 mg/L. Tuy nhiên, sự hấp phụ cạnh tranh của NOM làm giảm khả năng hấp phụ từ 30%–50%.
Đối với 2-MIB: Liều PAC là 15–30 mg/L và thời gian tiếp xúc Lớn hơn hoặc bằng 60 phút đã đạt được tỷ lệ loại bỏ 40%–70% đối với ng/L 2-MIB. Giờ hấp phụ đầu tiên là giai đoạn hấp phụ nhanh; kéo dài thời gian lưu trú trong bể trộn cải thiện đáng kể hiệu quả. Mức độ clo dư và pH cao sẽ ức chế khả năng hấp phụ.
Những thiếu sót trong quy trình: Liều lượng ban đầu bị hạn chế bởi thời gian lưu giữ thủy lực. Trong thời kỳ tảo phát triển mạnh, NOM và chất tiết của tảo chiếm giữ các vị trí hấp phụ, dễ dàng dẫn đến “sự tuân thủ ban đầu, sau đó là sự đột phá sau này”. Liều lượng khẩn cấp lớn làm tăng tải lượng bùn và chi phí vận hành, đồng thời một số chất ô nhiễm hấp phụ yếu sẽ thoát ra ngoài qua bộ lọc.
III. Hiệu suất nâng cao và hiệu quả độc lập của quá trình hấp phụ thứ cấp bằng than hoạt tính dạng hạt (GAC) trên bề mặt của lớp lọc
3.1 Đặc tính hấp phụ GAC
GAC hoạt động ở cấu hình lớp-cố định với thời gian tiếp xúc với lớp trống (EBCT) là 10–20 phút, đạt được sự khuếch tán chậm và hấp phụ sâu vết 2-MIB còn sót lại và oxytetracycline trong nước thải PAC. Lớp than hoạt tính sinh học (BAC) được hình thành trong quá trình hoạt động{10}dài hạn đồng thời đạt được tác dụng tổng hợp của quá trình phân hủy vi sinh vật và tái tạo hấp phụ. Khi GAC hoạt động riêng, tốc độ loại bỏ 2-MIB có thể đạt 70%–80% và tốc độ loại bỏ oxytetracycline nồng độ thấp là khoảng 50%–65%, nhưng khả năng hấp phụ ban đầu tương đối thấp và thời gian khởi động dài.
3.2 Ưu điểm của cấu trúc bộ lọc hai lớp-
Việc đặt lớp GAC 0,6–1,2 m (bộ lọc cát carbon) lên trên vật liệu lọc cát thạch anh có thể bẫy các chất ô nhiễm dạng keo không được PAC hấp phụ hoàn toàn, bảo vệ lớp lọc cát bên dưới và đồng thời tận dụng lợi thế của hoạt động lọc liên tục để đạt được khả năng xử lý sâu ổn định lâu dài. Quá trình rửa ngược có thể làm mới một phần các vị trí hấp phụ trên bề mặt GAC, kéo dài tuổi thọ sử dụng của nó.
IV. Hiệu ứng loại bỏ tổng hợp và các tham số kiểm soát chính của quy trình chuỗi lớp bộ lọc PAC Pre{1}} + GAC
4.1 Logic hiệp lực của hai giai đoạn hấp phụ{1}}
Phân loại tải: PAC hấp phụ nhanh chóng hầu hết các chất ô nhiễm có nồng độ-cao và cạnh tranh với các phân tử lớn để lấy chất hữu cơ ở mặt trước, làm giảm tải hấp phụ và tỷ lệ nhiễm độc của GAC; GAC thực hiện "xử lý tinh tế" đối với các chất mục tiêu dạng vết thâm nhập, tạo thành một rào cản gradient "hấp phụ thô - hấp phụ mịn".
Cải thiện chất lượng nước: PAC làm giảm độ đục và NOM dòng vào, tối ưu hóa chất lượng nước dòng vào GAC và tăng khả năng hấp phụ đơn vị của GAC đối với 2-MIB và oxytetracycline; GAC giữ lại bột PAC mịn, ngăn chặn bột carbon xâm nhập vào mạng lưới đường ống.
Tối ưu hóa chi phí: Sự kết hợp hai{0}}giai đoạn này có thể giảm liều lượng PAC từ 20%–40%, đồng thời kéo dài chu kỳ tái tạo GAC lên 1–2 năm. Nhìn chung, tính kinh tế vận hành của nó vượt trội so với các quy trình PAC-liều cao duy nhất hoặc GAC thuần túy.
4.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tác dụng hiệp đồng
Lựa chọn và định lượng PAC: Thêm PAC vào bể trộn/trước khi keo tụ, đảm bảo thời gian tiếp xúc Lớn hơn hoặc bằng 40–90 phút; ưu tiên PAC loại nước uống có giá trị iốt Lớn hơn hoặc bằng 1000 mg/g và giá trị xanh methylene Lớn hơn hoặc bằng 200 mg/g (có giấy phép vệ sinh liên quan đến nước).
Kích thước hạt GAC và Độ dày của lớp lọc: Đá bọt nghiền dựa trên than 8 × 30 lưới{2}}phù hợp hơn cho 2-MIB, lưới 12–20 phù hợp cho kháng sinh; EBCT Lớn hơn hoặc bằng 12 phút đảm bảo loại bỏ oxytetracycline ổn định.
Điều kiện chất lượng nước: Độ pH trung tính (6,5–8,5), lượng clo dư thấp và quá trình tiền-oxy hóa vừa phải (O₃ 0,3–0,8 mg/L) có thể cải thiện hơn nữa tỷ lệ loại bỏ tổng hợp của quy trình hai-giai đoạn đối với cả hai loại chất lên trên 90%.
4.3 Tóm tắt kết quả ứng dụng kỹ thuật
Các thử nghiệm-quy mô và sản xuất thí điểm tại các nhà máy nước hiện tại cho thấy rằng sự kết hợp giữa PAC thông thường (10–20 mg/L) và GAC trong bộ lọc cát carbon đạt được tổng tỷ lệ loại bỏ là 80%–92% đối với 2-MIB (10–100 ng/L) và 85%–95% đối với oxytetracycline (0,1–10 ug/L). Điều này vượt trội đáng kể so với mức độ xử lý của PAC đơn (50%–70%) hoặc GAC đơn (60%–75%) và nước thải có thể đáp ứng ổn định các yêu cầu của GB 5749-2022 và các tiêu chuẩn kiểm soát chất ô nhiễm vi mô chặt chẽ hơn trong tương lai.
V. Rủi ro quy trình và chiến lược tối ưu hóa kỹ thuật
Độ bão hòa hấp phụ và giải phóng thứ cấp: Thiết lập hệ thống cảnh báo sớm đột phá GAC và giám sát mùi/kháng sinh trực tuyến, sử dụng cơ chế tái tạo hoặc thay thế nhiệt; tiêu chuẩn hóa việc xử lý bùn PAC để tránh dòng chảy ngược chất ô nhiễm.
Rủi ro an toàn sinh học: Trong quá trình vận hành BAC, hãy kiểm soát cường độ và chu kỳ rửa ngược để ức chế sự tăng sinh màng sinh học quá mức và tạo ra các sản phẩm phụ trao đổi chất sinh học; các điểm-khử trùng sau đảm bảo clo dư trong mạng lưới đường ống đáp ứng tiêu chuẩn.
Nâng cấp khả năng ghép nối quy trình: Thêm quá trình-oxy hóa trước hỗn hợp thuốc tím hoặc ozone{1}} liều thấp (O₃/H₂O₂) trước khi PAC đạt được tác dụng hiệp đồng trong toàn bộ quá trình "xử lý sâu suy thoái oxy hóa-hấp phụ PAC-GAC/BAC", mở rộng hơn nữa phổ loại bỏ chất ô nhiễm.
Kết luận và triển vọng
Trong bối cảnh hiện tại của đất nước tôi đang chuyển đổi an toàn nước uống từ "cung cấp nước tuân thủ" sang "cung cấp nước-chất lượng cao và lành mạnh", việc-bổ sung trước than hoạt tính dạng bột kết hợp với hấp phụ than hoạt tính dạng hạt trong lớp lọc là một giải pháp kiểm soát ô nhiễm vi mô-hiệu quả, linh hoạt và tiết kiệm, phù hợp cho việc cải tạo hầu hết các nhà máy nước thông thường ở Trung Quốc, thể hiện những lợi thế tổng hợp đáng kể đối với các chất ô nhiễm vi mô cùng tồn tại-như oxytetracycline và 2-MIB. Các công nghệ xử lý nước trong tương lai sẽ phát triển theo hướng "hấp phụ chính xác, định lượng thông minh, tái tạo tại chỗ và kiểm soát tổng hợp nhiều chất ô nhiễm". Thông qua các công nghệ mới như biến đổi bề mặt than hoạt tính, than sinh học chức năng hóa và liên kết màng-cacbon, một hệ thống lọc nước tích hợp sẽ được xây dựng để giải quyết tình trạng ô nhiễm phức tạp theo mùa trong nguồn nước, mang lại sự đảm bảo kỹ thuật vững chắc hơn cho sự an toàn của nước uống ở thành thị và nông thôn.