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user: 3. 结果与讨论 3.1. 常规工艺对环丙沙星突发污染的去除效果 一般水厂常规处理工艺设计时并未考虑到对突发污染的处理效果，因而对于可能突发的污染事件，研究常规工艺对污染物的去除能力可以为应急处理提供技术指导。本试验用水为西氿水，通过向原水中加入CIP标准溶液，模拟CIP突发污染。 试验中混凝剂聚合氯化铝的投加量为60 mg/L，NOR的初始浓度为2 mg/L，4 mg/L，6 mg/L，8 mg/L，10 mg/L，测定各工况砂滤出水后污染物剩余浓度，如图3所示。 Table 3 Main Device parameters used in the experimen 装置名称 规格(单位：米) 备注 机械搅拌絮凝池 L = 1.25，W = 0.4，H = 0.6 三级串联，混凝剂：聚合氯化铝 斜管沉淀池 L = 1.25，W = 0.73，H = 1.65 砂滤柱 Ф = 0.4，H = 1.7 滤床高1.2米 表3. 中试装置主要参数 Table 4 Main test indexes and measurement method in the experimen 水质指标 分析方法 备注 温度 温度计测定 ( a ) (a) 中华人民共和国国家标准GB3838-2002《地表水环境质量标准》，2002-06-01实施。 pH 膜电极法 ( a ) 浊度 浊度仪 UV 254 紫外分光亮度法 ( b ) COD Mn 酸性高锰酸钾法 ( a ) 溶解氧 NOR WTW溶氧仪 ( a ) HPLC法 (b) 《水和废水监测分析方法》第四版，中国环境科学出版社，2002。 表4. 实验所测主要指标及测定方法 图2. 中试装置流程图 图3. 常规工艺对NOR的去除效果 由图3可知，随着NOR初始浓度的提高，常规混凝沉淀工艺对CIP的去除率逐渐降低，去除率最高为22%。常规混凝沉淀处理工艺应对NOR突发污染的能力是远远不够的，发生突发污染时，需要其他有效应对措施与常规处理工艺联合使用以保证饮用水水质达标。 3.2. 粉末活性炭去除NOR突发污染研究 粉末活性炭由于其良好的吸附性能而受到广泛关注，国内外众多研究发现，粉末活性炭能有效应对各类突发污染问题，成为保障饮用水安全生产的重要手段之一。本试验研究了粉末活性炭对NOR的去除效果，试验所用炭种为木质炭，与水厂实际生产运行所使用的炭种一致。 3.2.1. 吸附容量试验 粉末活性炭的吸附特性和其孔隙形状和大小、表面官能团分布，以及粉末活性炭的灰分含量、组成等性质有关。污染物在粉末活性炭孔隙中的移动和扩散速度与粉末活性炭表面孔隙和官能团的不同有关，影响粉末活性炭对污染物吸附的选择性。 1) 吸附等温线拟合 吸附等温线拟合得到的特定常数可以表征吸附剂的表面特性和对目标吸附物的亲和性，也可用于比较吸附剂对不同污染物的吸附容量 [ 14 ] 。常用于描述粉末活性炭吸附规律的吸附等温式的吸附等温式为Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式 [ 15 ] [ 16 ] ，本试验利用这两种吸附等温式对吸附过程进行拟合，找出粉末活性炭吸附NOR的规律。 ① Langmuir吸附等温式 Langmuir吸附等温式是用来描述单分子层吸附的最简单理论模型：Langmuir吸附等温式基于动力学方法，该吸附等温式假设吸附剂表面均一，吸附质以单分子层分布于吸附剂表面，且被吸附物在其表面不会发生移动 [ 16 ] ，同时要求温度为常数。Langmuir吸附等温式特别适合于吸附质与吸附剂表面有强大吸附作用的情况，其等温线常用以评估吸附剂表面被单分子层完全覆盖时的最大吸附容量。Langmuir吸附等温线模型公式如式1所示： (1) (1)式中，q e ——吸附达到平衡时单位重量吸附剂对吸附质的吸附量，单位为mg/mg C e ——吸附达到平衡时吸附质剩余浓度，单位为mg/L a，b——常数。 ② Freundlich吸附等温式 Freundlich吸附等温式是由经验得出，它假设在吸附剂的不同位点，吸附剂表面能分布不均匀，常用于描述试验数据，图解、对比试验结果。其模型公式如式2所示： (2) (2)式中，q e ——吸附达到平衡时单位重量吸附剂对吸附质的吸附量，单位为mg/mg； C e ——吸附达到平衡时吸附质剩余浓度，单位为mg/L； K，n——常数。 K值可以表征吸附剂的吸附容量，K值较大的吸附剂的吸附容量较大；1/n是吸附作用力的函数，1/n越大，表明吸附剂的吸附效率随平衡浓度的变化越明显；K值和1/n值是比较活性炭吸附能力的重要参数。 分别量取600 mL西氿原水和6 mL NOR标准溶液于6只烧杯中，配置成NOR浓度为10 mg/L的污染原水，分别吸取1 mL，2 mL，3 mL，4 mL，5 mL，6 mL 10 g/L的粉末活性炭于这6只烧杯中，启动六联搅拌机，吸附时间为120 min，静置后测定NOR剩余浓度，根据实验结果，进行吸附等温线拟合，拟合结果如图4所示。 粉末活性炭吸附NOR，其吸附等温线参数值如表5所示。 由表5和图4，从等温线拟合图和R 2 可知，Freundlich吸附等温式对粉末活性炭吸附去除NOR污染的拟合优于Langmuir吸附等温式拟合，这说明粉末活性炭吸附NOR时，并不是单层分子的简单吸附，活性炭表面吸附能并不是均匀的。根据拟合得出的Freundlich吸附等温式可计算出NOR污染时粉末活性炭的理论投加量。在确定应对NOR突发污染的理论粉末活性炭投加量时，首先要研究确定各个浓度NOR污染时的吸附等温线，在突发污染发生时，利用相应的拟合吸附等温线确定粉末活性炭的理论投加量，在实际应用时应根据实际情况在理论投加量的基础上加以适当调整，以期达到最优的去除效果。 2) 吸附动力学研究 常用的描述粉末活性炭吸附动力学的模型包括拟一级动力学方程和拟二级动力学方程，Lagergren拟一级动力学方程描述的是基于吸附容量的吸附速率，Lagergren拟二级动力学方程常用来计算吸附剂对吸附质的初始吸附速率。 Lagergren拟一级动力学方程公式： (3) Lagergren拟二级动力学方程公式： (4) (3)和(4)式中，q e ——吸附平衡时活性炭的吸附容量(mg/mg)； q t ——t时刻活性炭的吸附容量(mg/mg)； k 1 ——Lagergren拟一级吸附速率常数(min −1 )； k 2 ——Lagergren拟二级吸附速率常数(mg/(mg∙min))。 以西氿原水配制NOR浓度为18 mg/L的试验用水，粉末活性炭投加量为20 mg/L，按照六联搅拌机程序进行搅拌试验，分别在0 min、5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min采样，研究吸附时间对粉末活性炭吸附去除NOR速率的影响并进行吸附动力学拟合，实验结果如图5和图6所示。 由图5可知，粉末活性炭对污染物的吸附去除分为三个阶段，包括快速吸附阶段、基本吸附饱和阶段、吸附平衡阶段 [ 17 ] 。粉末活性炭对NOR有较好的去除效果。0 min~10 min为其快速吸附阶段，NOR去除率为40.91%；10 min~60 min为基本吸附饱合阶段；60 min~120 min为吸附平衡阶段，在这一阶段NOR浓度基本不再变化，最终去除率达到51.49%。 粉末活性炭吸附NOR动力学拟合参数值如表6所示。 由图6可知，拟二级动力学方程对粉末活性炭吸附NOR速率的拟合要优于拟一级动力学方程。拟二级动力学方程拟合的q e 值(0.294)更加接近试验真实值(0.291)，并且R 2 值也更加理想。Kumar等人 [ 18 ] 在利用粉末活性炭吸附水中丙烯酸的研究中也发现了拟一级动力学方程与实际吸附过程偏离较大，Srivastava等人 [ 19 ] 则指出拟一级动力学方程仅适用于吸附的初始阶段。因而可以认为，影响粉末活性炭吸附去除NOR速率的控制步骤为吸附反应阶段，该阶段是影响粉末活性炭吸附去除NOR的关键环节。 3.2.2. 粉末活性炭对NOR突发污染去除效果研究 1) 初始污染物浓度的影响 由图7(a)~(e)可以发现，在同一批次相同粉末活性炭投量试验中，NOR初始浓度在3 mg/L~18 mg/L Table 5 Adsorption isotherm parameters of NOR adsorbed by powder activated carbo 污染物 吸附等温式 参数值 R 2 NOR Langmuir a = 17.23，b = 0.213 0.822 Freundlich k = 0.181，1/n = 0.077 0.993 表5. 粉末活性炭对NOR吸附等温线参数值 Table 6 Adsorption kinetic fitting parameters of NOR adsorbed by powder activated carbo 污染物 实验数据 拟一级动力学 拟二级动力学 NOR q e q e 拟合值 K 1 R 2 q e 拟合值 K 2 R 2 0.291 0.272 0.266 0.97 0.294 0.010988 0.99879 表6. 粉末活性炭吸附NOR动力学拟合参数值 图4. 粉末活性炭吸附NOR的Langmuir和Freundlich吸附等温线拟合。(a) Langmuir吸附等温线拟合；(b) Freundlich吸附等温线拟合 图5. NOR浓度随吸附时间的变化图 图6. 粉末活性炭吸附NOR动力学拟合。(a) Lagergren一级拟合；(b) Lagergren二级拟合 图7. 粉末活性炭对不同初始浓度NOR的去除效果 (a) 粉末活性炭投加量为20 mg/L；(b) 粉末活性炭投加量为40 mg/L；(c) 粉末活性炭投加量为60 mg/L；(d) 粉末活性炭投加量为80 mg/L；(e) 粉末活性炭投加量为100 mg/L 时，NOR去除率随着其初始浓度的增加逐渐减小，原因是粉末活性炭投加量一定时，NOR会彼此竞争粉末活性炭表面和内部的吸附位点，当所有吸附位点被NOR占据时，吸附达到饱和，过量的NOR将不能通过吸附进一步去除，所以NOR初始浓度增加，吸附达到平衡时，去除率反而降低；另外，在NOR初始浓度为3 mg/L~18 mg/L的范围内，粉末活性炭投加量越高，同一初始浓度NOR去除率越高，这是因为，粉炭投加量越高，有效吸附位点越多，因而NOR去除率提高 2) 粉末活性炭投加量对吸附的影响 经过小试试验，粉末活性炭的投加量0 mg/L~10 mg/L为宜。 粉末活性炭的投加量是影响NOR去除率的主要因素之一，由图8(a)~(e)可知，随着粉末活性炭投量的增加，NOR的去除率逐渐增大，产生上述现象的原因与NOR能否与粉末活性炭有效地发生吸附反应 图8. 粉末活性炭投加量对NOR去除效果。(a) NOR初始浓度为2 mg/L；(b) NOR初始浓度为4 mg/L；(c) NOR初始浓度为6 mg/L；(d) NOR初始浓度为8 mg/L；(e) NOR初始浓度为10 mg/L 密切相关，当粉末活性炭投量增加时，NOR接触到粉末活性炭吸附位点的机会增多，因此去除率有明显提高，粉炭对NOR突发污染有良好的去除效果。