饮用水回用系统中低分子量挥发性有机物的实时监测与双屏障处理策略研究

为解决RO/AOP工艺中低分子量挥发性有机物（LMW VOCs）穿透导致的公共卫生风险，研究人员对比了臭氧/生物活性炭（O3/BAC）与颗粒活性炭（GAC）两种处理策略。研究发现，GAC对卤代烷（>98%）、MTBE（>98%）等疏水性VOCs去除效果显著，而O3/BAC更适用于甲醛（>98%）等可生物降解物质。该研究为直接饮用回用（DPR）系统的化学峰值管理提供了关键数据支持，发表于《Water Research》。

　　

随着全球水资源短缺加剧，直接饮用回用（DPR）技术成为解决供水危机的重要途径。然而，反渗透（RO）和高级氧化工艺（AOP）组合处理中，低分子量挥发性有机物（LMW VOCs）的间歇性穿透问题始终是公共卫生领域的隐忧。这类化合物如丙酮、甲醛等因分子量小、极性高，易穿透传统屏障，而卤代烷类物质则可能对人体健康造成长期风险。美国内华达州亨德森市拉斯维加斯谷水务局水质研究与开发部门（Las Vegas Valley Water District, Water Quality Research and Development Division）的研究团队在《Water Research》发表了一项开创性研究，首次系统评估了臭氧/生物活性炭（O₃/BAC）预处理与RO/AOP后颗粒活性炭（GAC）吸附双屏障策略的优劣。

研究采用快速小柱试验（RSSCTs）模拟GAC对RO/AOP出水中5种典型VOCs（50-300 μg/L）的吸附性能，同时通过中试规模O₃/BAC系统处理三级过滤废水。关键技术包括：1）基于Freundlich和Langmuir模型的GAC吸附等温线实验；2）模拟实际峰值事件的间歇性VOCs加标设计；3）生物滤池对NDMA（N-亚硝基二甲胺）去除的同步监测。

GAC筛选与性能验证

通过5种GAC介质的等温吸附实验发现，Filtrasorb 400（F400）对1,2-二氯乙烷（1,2-DCA）的吸附能力最佳（>99%去除）。pH值（5.5-8.0）对吸附效率无显著影响，表明GAC既适用于RO前也适用于RO后处理。

RSSCTs挑战性测试

在模拟峰值事件中，GAC对疏水性VOCs展现卓越性能：1,2,3-三氯丙烷（1,2,3-TCP，log P 2.27）和甲基叔丁基醚（MTBE，log P 0.94）去除率>98%，但极性化合物甲醛（log P 0.35）去除率<30%。值得注意的是，丙酮（log P -0.24）虽被部分吸附（47-91%），却出现明显解吸现象。

臭氧-生物过滤中试结果

O₃/BAC系统对甲醛的生物转化效率高达98%，但其他VOCs去除有限：MTBE仅靠臭氧氧化去除45%，而1,2-DCA和1,2,3-TCP几乎未被降解。研究还发现，VOCs峰值会暂时抑制生物滤池对NDMA的共代谢去除，但24小时内可恢复基线性能。

这项研究揭示了两种技术路线的互补性：GAC作为RO后屏障可有效拦截卤代烷等疏水性峰值污染物，而O₃/BAC更适合处理可生物降解的极性物质。研究建议未来探索GAC生物活化（GAC→BAC）以增强对甲醛等物质的去除，同时需建立针对LMW VOCs的实时监测体系。该成果为全球DPR系统的工艺优化提供了重要科学依据，特别是对正在制定相关法规的地区（如加利福尼亚州）具有直接指导价值。