De verwijderingsefficiëntie en procesoptimalisatie van oxytetracycline en 2-Methylisoborneol door een twee--fase actieve kool Synergetische poedervormige actieve kool voor-dosering + filterbed Granulaire actieve kool met twee lagen

Met de volledige implementatie van de 'Standards for Drinking Water Quality' (GB 5749-2022), vallen geurveroorzakende stoffen- zoals 2-methylisoborneol (2-MIB) en oxytetracycline, evenals antibiotica-achtige microverontreinigingen zoals oxytetracycline, onder de reikwijdte van strikte controle. Conventionele coagulatie-sedimentatie-filtratie-desinfectieprocessen bereiken doorgaans een totaal verwijderingspercentage van minder dan 30% voor deze twee soorten hydrofobe sporen van organisch materiaal, wat niet langer voldoende is om te voldoen aan de dubbele vereisten van waterkwaliteit, veiligheid en sensorische kwaliteit. Momenteel gebruiken huishoudelijke waterinstallaties vaak actieve kool in poedervorm (PAC) voor nood-/routinematige controle van micro-vervuilde waterbronnen. Het enkele PAC-proces heeft echter nadelen zoals een beperkte adsorptietijd, competitieve adsorptie-interferentie, hoge doseringskosten en de penetratie van resterende verontreinigende stoffen. Het toevoegen van korrelige actieve kool (GAC) aan het filteroppervlak om een ​​reeks barrièreprocessen te vormen van "PAC pre-adsorptie + GAC diepe secundaire adsorptie" wordt geleidelijk de mainstream technologie voor nieuw gebouwde, gerenoveerde en uitgebreide waterinstallaties om complex microvervuild water aan te pakken. Dit artikel analyseert systematisch de verwijderingspatronen van oxytetracycline en 2-MIB door een tweetraps actief koolproces, beginnend bij het adsorptiemechanisme, de efficiëntiegrens, de belangrijkste beïnvloedende factoren en het technische synergiemechanisme. Het biedt een theoretische basis en praktische oplossingen voor procesupgrades van waterfabrieken, reagensselectie en operationele optimalisatie, terwijl ook vooruit wordt gekeken naar de toekomstige ontwikkelingsrichting van geïntegreerde processen zoals gekoppelde pre-oxidatie en biologisch actieve kool (BAC).

1.1 Moleculaire kenmerken van doelverontreinigende stoffen

Oxytetracycline (OTC) is een polair antibioticum van de tetracycline-klasse met meerdere hydroxyl- en aminogroepen in het molecuul. In natuurlijke waterlichamen komt het voor in een zwitterionische vorm en concurreert het gemakkelijk om adsorptie met natuurlijk organisch materiaal (NOM), zoals humuszuur, door middel van complexering.. 2-Methylisoborneol (2-MIB) is een niet-polaire,- laag{5}}algen-gewichtsgeurstof afgeleid van algen- met een geurdrempel zo laag als 2–10 ng/l, waardoor het moeilijk wordt voor conventionele oxidanten om volledig mineraliseren. Beide komen vaak naast elkaar voor in reservoirs en onzuiver rivierwater tijdens de zomerperiode met veel algen, en behoren tot de typische categorie van 'sporen, recalcitrante microverontreinigingen'.

1.2 Beperkingen van conventionele processen Coagulatie-, sedimentatie- en filtratie-eenheden verwijderen voornamelijk zwevende en macromoleculair gebonden verontreinigende stoffen, waarbij verwijderingspercentages van slechts 10%–25% worden bereikt voor opgeloste 2-MIB en oxytetracycline. Pre-prechlorering en een-staps desinfectie met vloeibaar chloor genereren gemakkelijk desinfectiebijproducten en hebben een beperkte oxidatie-efficiëntie voor 2-MIB. Eindpuntdesinfectie alleen kan niet leiden tot een conforme controle van deze twee soorten stoffen; er moet een barrière op meerdere niveaus worden gebouwd met behulp van op adsorptie gebaseerde diepe behandelingstechnologieën.

2.1 Adsorptiemechanisme PAC bereikt adsorptie door het vullen van microporiën, van der Waals-krachten, π-π-conjugatie en waterstofbinding: voor oxytetracycline zijn chemische adsorptie en complexatie-adsorptie dominant; voor 2-MIB is de fysieke microporiënvulling dominant. De adsorptiekinetiek volgt een pseudo-tweede--ordemodel, en isothermen volgen meestal het Freundlich-model. Op steenkool-gebaseerde hoog-jodium-waarde zuur-gewassen PAC is, vanwege zijn goed-ontwikkelde microporeuze structuur en sterkere aanpassingsvermogen van functionele groepen aan het oppervlak, superieur aan op hout gebaseerde PAC.

2.2 Werkelijke verwijderingsefficiëntie

Voor oxytetracycline: onder testomstandigheden op kleine- schaal werd met een PAC-dosering van 75 mg/l een verwijderingspercentage van meer dan 99% bereikt voor 1 mg/l oxytetracycline. Als er achtergrond-DOC in het ruwe water aanwezig is, kunnen waterzuiveringsinstallaties de ug/l-oxytetracyclinespiegels op veilige niveaus houden door 1–35 mg/l toe te voegen. Competitieve adsorptie door NOM vermindert de adsorptiecapaciteit echter met 30% -50%.

Voor 2-MIB: Een PAC-dosering van 15–30 mg/l en een contacttijd groter dan of gelijk aan 60 minuten zorgden voor een verwijderingspercentage van 40%–70% voor ng/l 2-MIB. Het eerste uur van adsorptie is de snelle adsorptiefase; het verlengen van de verblijftijd in de mengtank verbetert de efficiëntie aanzienlijk. Hoge restchloor- en pH-niveaus belemmeren de adsorptiecapaciteit.

Tekortkomingen in het proces: De initiële dosering wordt beperkt door de hydraulische verblijftijd. Tijdens perioden van hoge algengroei bezetten NOM en algenafscheidingen adsorptieplaatsen, wat gemakkelijk leidt tot "aanvankelijke naleving, gevolgd door een latere doorbraak". Grote nooddoseringen verhogen de slibbelasting en de bedrijfskosten, en sommige zwak geadsorbeerde verontreinigende stoffen ontsnappen met het filtereffluent.

3.1 GAC-adsorptiekarakteristieken
GAC werkt in een vaste-bedconfiguratie met een leeg bedcontacttijd (EBCT) van 10–20 minuten, waardoor een langzame diffusie en diepe adsorptie van resterend spoor 2-MIB en oxytetracycline in het PAC-effluent wordt bereikt. De laag biologisch actieve kool (BAC) die wordt gevormd tijdens langdurig gebruik bereikt tegelijkertijd synergetische effecten van microbiële afbraak en adsorptieregeneratie. Wanneer GAC alleen werkt, kan het verwijderingspercentage van 2-MIB oplopen tot 70%–80%, en het verwijderingspercentage van oxytetracycline met een lage concentratie is ongeveer 50%–65%, maar de initiële adsorptiecapaciteit is relatief laag en de opstartperiode is lang.

3.2 Voordelen van de dubbel-filterstructuur
Door een GAC-laag van 0,6–1,2 m (koolstofzandfilter) bovenop het kwartszandfiltermedium te leggen, kunnen colloïdale verontreinigende stoffen worden opgevangen die niet volledig door PAC worden geadsorbeerd, de onderliggende zandfilterlaag worden beschermd en tegelijkertijd het voordeel van een continue filterwerking worden benut om een ​​stabiele, diepe behandeling op lange termijn te bereiken. Het terugspoelproces kan de adsorptieplaatsen op het GAC-oppervlak gedeeltelijk vernieuwen, waardoor de levensduur wordt verlengd.

4.1 Synergetische logica van adsorptie in twee- fasen

Belastingsclassificatie: PAC absorbeert snel de meeste verontreinigende stoffen met een hoge concentratie- en concurreert met grote moleculen om organisch materiaal aan de voorkant, waardoor de adsorptiebelasting en de vergiftigingssnelheid van GAC worden verminderd; GAC voert een "fijne behandeling" uit op sporen van doelstoffen die binnendringen en vormen een gradiëntbarrière van "grove adsorptie - fijne adsorptie".

Verbetering van de waterkwaliteit: PAC vermindert de troebelheid van het influent en de NOM, optimaliseert de kwaliteit van het influent van het GAC en verhoogt de eenheidsadsorptiecapaciteit van GAC voor 2-MIB en oxytetracycline; GAC houdt fijn PAC-poeder vast, waardoor wordt voorkomen dat koolstofpoeder het pijpleidingennetwerk binnendringt.

Kostenoptimalisatie: de combinatie van twee- fasen kan de PAC-dosering met 20%–40% verlagen, terwijl de GAC-regeneratiecyclus wordt verlengd tot 1 à 2 jaar. Over het geheel genomen is de operationele economie superieur aan PAC-processen met een enkele hoge- dosis of pure GAC-processen.

4.2 Sleutelfactoren die het synergetische effect beïnvloeden

PAC-selectie en doseerpunt: Voeg PAC toe aan de mengtank/vóór uitvlokking, zorg voor een contacttijd van groter dan of gelijk aan 40–90 minuten; geef prioriteit aan PAC's van drinkwaterkwaliteit met een jodiumwaarde groter dan of gelijk aan 1000 mg/g en een methyleenblauwwaarde groter dan of gelijk aan 200 mg/g (met een water-gerelateerde hygiënevergunning).

GAC-deeltjesgrootte en filterbeddikte: 8×30 mesh steenkool-gebaseerd gebroken puimsteen is geschikter voor 2-MIB, 12-20 mesh is geschikt voor antibiotica; EBCT Langer dan of gelijk aan 12 minuten zorgt voor een stabiele verwijdering van oxytetracycline.

Waterkwaliteitsomstandigheden: Neutrale pH (6,5–8,5), laag restchloorgehalte en matige pre{2}}oxidatie (O₃ 0,3–0,8 mg/L) kunnen de synergetische verwijderingssnelheid van het twee- fasenproces voor beide soorten stoffen verder verbeteren tot meer dan 90%.

4.3 Samenvatting van de resultaten van technische toepassingen

Uit pilot{0}}schaal- en productietests bij bestaande waterinstallaties blijkt dat de combinatie van conventionele PAC (10–20 mg/l) en GAC in een koolstofzandfilter een totaal verwijderingspercentage van 80%–92% voor 2-MIB (10–100 ng/l) en 85%–95% voor oxytetracycline (0,1–10 ug/l) bereikt. Dit is aanzienlijk beter dan de behandelingsniveaus van enkele PAC (50%–70%) of enkele GAC (60%–75%), en het effluent kan stabiel voldoen aan de vereisten van GB 5749-2022 en toekomstige strengere normen voor de beheersing van microverontreinigingen.

Adsorptieverzadiging en secundaire afgifte: opzetten van een baanbrekend GAC-systeem voor vroegtijdige waarschuwing en online geur-/antibioticamonitoring, waarbij gebruik wordt gemaakt van thermische regeneratie- of vervangingsmechanismen; standaardiseer de verwijdering van PAC-slib om terugstroom van verontreinigende stoffen te voorkomen.

Bioveiligheidsrisico's: Controleer tijdens de werking van BAC de intensiteit en cyclus van het terugspoelen om overmatige proliferatie van biofilms en de vorming van biologische metabolische bijproducten te voorkomen; post-desinfectiepunten zorgen ervoor dat het resterende chloor in het pijpleidingnetwerk aan de normen voldoet.

Upgrades van proceskoppeling: het toevoegen van permanganaatcomposiet voor-oxidatie of een lage- dosis ozon (O₃/H₂O₂) voordat PAC synergetische effecten bereikt in het gehele proces van "oxidatieve afbraak-PAC-adsorptie-GAC/BAC-diepe behandeling", waardoor het spectrum van de verwijdering van verontreinigende stoffen verder wordt uitgebreid.

Conclusie en vooruitzichten

In de huidige context van de transformatie van de drinkwaterveiligheid in mijn land van 'conforme watervoorziening' naar 'gezonde en hoge- watervoorziening', is de pre-toevoeging van poedervormige actieve kool in combinatie met korrelvormige actieve kooladsorptie in het filterbed een efficiënte, flexibele en economische oplossing voor de beheersing van micro-vervuiling, geschikt voor de renovatie van de meeste conventionele waterinstallaties in China, en vertoont aanzienlijke synergetische voordelen voor naast elkaar bestaande micro-verontreinigende stoffen zoals oxytetracycline en 2-MIB. Toekomstige waterbehandelingstechnologieën zullen zich ontwikkelen in de richting van "precieze adsorptie, intelligente dosering, in- regeneratie ter plaatse en synergetische controle van meerdere verontreinigende stoffen." Via nieuwe technologieën zoals oppervlaktemodificatie van actieve kool, gefunctionaliseerde biochar en membraan-koolstofkoppeling zal een geïntegreerd waterzuiveringssysteem worden gebouwd om seizoensgebonden complexe vervuiling in waterbronnen aan te pakken, waardoor een meer solide technische garantie wordt geboden voor de veiligheid van stedelijk en landelijk drinkwater.