保障水質：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。根據原水特性，可能還需要額外步驟來解決特定的水質問題，達到理想的最終出水水質，并控制處理成本。
我們將在此重點討論兩個關鍵元素：碳和氯。我們將探討水中含碳化合物的存在對法規和處理決策的影響，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現的，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），是一個重要的水質參數。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境中。例如，植物物質在分解過程中會形成黃腐酸和腐殖酸。
工業或城市廢物中的其他含碳化合物也會污染水質。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數量，以及在處理過程中已經去除的有機物質數量。
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
關于碳的討論 - 第H子部分：系統、地下水規則以及第二級消毒和消毒副產物規則。
第H子部分系統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。地下水規則適用于所有使用地下水的系統。
下表顯示了第H子部分系統所需的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，為防止在輸水系統中形成消毒副產物，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測，以充分反映從工廠到輸水系統的整個過程。沉淀和過濾后的TOC測定至關重要。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）之間存在直接相關性。對于氯仿和溴化THM尤其如此。有科學證據表明，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、腎臟或中樞神經系統可能會出現問題，而且患癌風險也會增加。TOC可以保持恒定，但反應性會發生變化。這似乎表明分子結構的變化有利于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據的裝置。在現代儀器中，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和NDIR檢測技術。該技術符合標準方法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 ℃的反應器內將任何含碳有機分子轉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- 。所有這些物質結合起來可以使過硫酸鹽成為一種非常強大的氧化劑。
結論
簡而言之，總有機碳（TOC）在保證飲用水安全方面發揮著重要作用。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子部分規定的工廠。即使TOC水平較低且穩定，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生反應，產生消毒副產物。這就是為何密切監測TOC和氯水平對于確保水處理符合EPA規定并保證水質安全至關重要的原因。
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