《Journal of Water Process Engineering》：Field-scale study of activated carbon replacement and oxidant dosage for organic matter removal in a water reuse treatment plant
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水回用工艺中活性炭替换及H?O?/O?优化对有机物去除率的影响研究。采用1280m3/h处理规模系统，通过替换活性炭和调整H?O?/O?剂量，COD去除率从40.8%提升至64.4%，TOC去除率从32.8%提升至65.9%，最优H?O?剂量为6.25kg/h，臭氧浓度增至24mg/L时去除效率最佳。
作者：So-Young Im、Deok-Hyun Ko、Jae-Seung Lee、Sung-Bum Lim、Chang-Gu Lee、Myungchan Kim、Gwy-Am Shin
所属机构：韩国瑞泉大学环境与安全工程系，水原市，邮编16499
摘要
随着水资源短缺问题的日益严重，水回收作为一种可持续策略受到了越来越多的关注。本研究探讨了活性炭替换以及过氧化氢（H?O?）和臭氧（O?）投加量优化对高级水处理过程中有机物去除效率的影响，旨在实现水资源的再利用。该水处理厂的处理能力为1280立方米/小时，采用的处理流程包括混凝、空气浮选、过氧酮（O? + H?O?）处理以及颗粒活性炭（GAC）过滤。进水中的化学需氧量（COD）和总有机碳（TOC）浓度平均分别为12.9毫克/升和11.7毫克/升。实验结果表明，活性炭替换显著提高了去除效率：COD的去除率从40.8%提升至64.4%，TOC的去除率从32.8%提升至65.9%。研究发现，过氧酮处理过程中最佳过氧化氢投加量为6.25千克/小时；过量的过氧化氢会因自由基清除作用而降低处理效果。此外，将臭氧浓度从12毫克/升增加到24毫克/升后，有机物去除效果进一步改善，COD和TOC的去除率分别达到了60.7%和53.7%。这些发现强调了定期更换活性炭及精确优化氧化剂投加量的重要性，对于维持高效的处理效果及制定可持续水资源再利用策略具有实际指导意义。
引言
由于气候变化、城市化进程加快以及农业和工业用水需求的增加，全球淡水资源正面临巨大压力[1, [2], [3]。联合国预测，到2030年全球水资源需求将超过可持续供应量40%，这进一步凸显了寻找替代水源的紧迫性[4]。在此背景下，水回收被公认为一种确保水资源安全、减少对淡水开采依赖、支持气候适应和循环经济目标的可持续策略[5, [6], [7]。许多国家已制定法规框架以鼓励水资源的再利用。欧盟颁布了《2020/741号法规》，为用于农业灌溉的再生水设定了最低质量标准[8]；美国环境保护署（EPA）也发布了相关技术指南和资金支持计划，推动非饮用水和饮用水的再利用[9]。新加坡的NEWater项目则是将再生水直接用于国家供水系统的典范[10]。可持续发展目标（SDG）6.3明确要求到2030年将未经处理的废水比例减半，并大幅提高再生水的安全利用率[11, 12]。这些全球性承诺凸显了再生水在综合水资源管理（IWRM）中的关键作用，以及其作为解决全球水资源短缺问题的战略解决方案的重要性[13]。
为了确保再生水的安全性和质量，采用先进的水处理技术至关重要[14]。传统生物处理方法往往难以有效去除微量污染物、药物残留物和内分泌干扰物，即使这些物质浓度极低也可能对生态和健康造成威胁[15, 16]。因此，越来越多的先进处理技术（如臭氧氧化、活性炭吸附和高级氧化工艺AOPs）被应用于大规模水回收系统中，以满足严格的质量标准[17, 18]。这些技术不仅能够有效去除污染物，还能降低化学需氧量（COD）、消毒副产物及产生异味的化合物，从而提升再生水的感官品质和微生物安全性[19, 20]。
特别是涉及活性炭吸附的先进处理工艺，在降低有机物浓度方面表现出显著效果[21]。颗粒活性炭（GAC）因其高吸附能力而得到广泛应用[22, 23]，但其吸附性能会随时间下降（吸附位点饱和），因此需要定期更换或再生[24, 25]。高级氧化工艺通过生成羟基自由基（•OH）来降解难降解的有机污染物，这些自由基具有强氧化能力，可实现水中污染物的近乎完全矿化[26]。这类工艺在传统处理方法无法去除顽固性微量污染物的水回收系统中尤为有效[27]。过氧酮工艺结合了臭氧（O?）和过氧化氢（H?O?），能显著增强自由基的产生并提升氧化效率[28, 29]。
然而，大多数相关研究仅停留在实验室层面，关于活性炭替换对实际水处理厂运行效果的影响研究较少，尤其是在实际水处理条件下。因此，亟需探讨活性炭替换及氧化剂投加量对实际水处理厂整体处理效率的影响。本研究旨在量化活性炭替换后COD和总有机碳（TOC）去除效率的提升情况，通过分析不同氧化剂投加量下的处理效果，确定最佳的H?O?/O?比例，以减少自由基清除并提升再生水的处理性能。研究结果有望为实现可持续、高效的水资源再利用系统提供实用性的操作策略。
水处理厂详情
本研究在韩国京畿道某污水处理厂的先进水回收设施进行。该设施采用过氧酮氧化和活性炭过滤的组合工艺，处理流程如图1所示：进水依次经过（A）混凝、（B）空气浮选、（C）过氧酮氧化和（D）活性炭过滤阶段，最终排出处理后的水。
活性炭替换的影响
实验期间（2025年11月13日至2月11日），进水中COD的平均浓度为13.0毫克/升，最大值为14.0毫克/升，最小值为11.0毫克/升。图2（A）展示了活性炭替换前的COD分布情况。替换活性炭后，进水中COD浓度降至12.4毫克/升。
结论
研究表明，活性炭替换及过氧化氢和臭氧投加量的优化显著提高了高级水处理过程中有机物的去除效率：COD的去除率从40.8%提升至64.4%，TOC的去除率从32.8%提升至65.9%。实验结果证实，活性炭的吸附能力会随时间下降，因此需要定期更换。
作者贡献声明
- **So-Young Im**：撰写初稿、数据可视化、数据分析、概念构建
- **Deok-Hyun Ko**：研究方法设计
- **Jae-Seung Lee**：研究方法设计
- **Sung-Bum Lim**：研究方法设计
- **Chang-Gu Lee**：撰写与编辑、撰写初稿、项目监督、资金筹措、概念构建
- **Myungchan Kim**：数据验证
- **Gwy-Am Shin**：撰写与编辑、项目监督、资源协调
资金支持
本研究得到了韩国环境产业技术研究院（KEITI）的支持，该研究项目由韩国环境部（MOE）资助（项目编号：RS-2025-02214066）。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
