超快速启动生物硝化技术助力源头分离尿液营养回收：低分子量挥发性有机物在饮用水回用中的双重屏障策略研究

针对饮用水回用中低分子量挥发性有机物（LMW VOCs）穿透RO/UV-AOP的难题，本研究通过对比臭氧-生物活性炭（O3/BAC）与颗粒活性炭（GAC）的去除效能，发现GAC对卤代烷（>98%）和MTBE（>98%）的吸附优势，而O3/BAC对甲醛（>98%）的生物转化更有效，为优化饮用水回用工艺提供了关键数据支撑。

　　

随着全球水资源短缺加剧，直接饮用回用（DPR）技术成为解决水危机的关键策略。然而，反渗透（RO）和高级氧化工艺（AOP）对低分子量挥发性有机物（LMW VOCs）的间歇性穿透构成公共卫生隐患。美国加州法规虽强制要求臭氧-生物活性炭（O₃/BAC）作为补充屏障，但其对丙酮、卤代烷等物质的去除效率及操作复杂性引发争议。为此，拉斯维加斯谷水务局水质研究与开发部（Las Vegas Valley Water District, Water Quality Research and Development Division）的George William Kajjumba团队在《Water Research》发表研究，首次系统评估了GAC后置RO/AOP与O₃/BAC前置工艺对5类LMW VOCs的去除效能。

研究采用快速小规模柱试验（RSSCTs）模拟GAC对RO/AOP出水中丙酮、甲醛、MTBE、1,2-二氯乙烷（1,2-DCA）和1,2,3-三氯丙烷（1,2,3-TCP）的吸附（50-300 μg/L峰值），同时通过中试O₃/BAC系统处理三级过滤废水。关键样本包括橙县水务局GWRS的RO/AOP产水和克拉克县再生水厂的废水。

GAC筛选与性能验证

通过等温吸附实验发现，五种GAC对1,2-DCA的吸附无显著差异（p>0.05），F400因成本优势被选为RSSCT材料。pH 5.5-8.0范围内吸附效率稳定，表明GAC适用于RO前后不同酸碱环境。

间歇性峰值去除效能

• 卤代烷与MTBE：GAC对1,2,3-TCP（Log P 2.27）和1,2-DCA（Log P 1.48）的去除率>99%，MTBE（Log P 0.94）在300 μg/L峰值时出水浓度仍低于加州限值（5 μg/L）。疏水性（Log P>0.5）与吸附效率呈正相关。

• 极性化合物短板：甲醛（Log P 0.35）因分子尺寸小（2.43 ?）难以被GAC稳定吸附（<30%），而较大分子丙酮（6.16 ?）去除率达47-91%。

O₃/BAC的生物转化特性

• 甲醛高效降解：BAC和生物活性无烟煤（BAA）对甲醛的去除率>98%，证实其依赖生物转化而非吸附。

• 代谢竞争现象：甲醛/丙酮峰值导致N-亚硝基二甲胺（NDMA）去除率骤降（BAC从95%降至18%），但24小时内恢复，反映微生物代谢路径的临时偏移。

• MTBE与卤代烷瓶颈：MTBE仅通过臭氧氧化降解45%，而1,2-DCA和1,2,3-TCP因需厌氧脱卤未能被BAC去除。

双屏障策略的互补价值

研究揭示GAC后置工艺对疏水性LMW VOCs（如卤代烷、醚类）的峰值控制优势，而O₃/BAC更适用于甲醛等可生物降解物质。值得注意的是，GAC在低TOC（<0.1 mg/L）条件下吸附容量显著提升，1,2-DCA的穿透体积从15,000增至30,000床体积。

未来方向

作者建议探索GAC生物活化（GAC→BAC）以增强极性有机物去除，并推荐结合膜生物反应器（MBR）预处理、空气吹脱等多元屏障策略。该研究为DPR系统设计提供了关键科学依据，尤其对加州等严格监管区域的工艺选择具有直接指导意义。