Com a implementação completa das "Normas para qualidade da água potável" (GB 5749-2022), substâncias-causadoras de odores, como 2-metilisoborneol (2-MIB) e oxitetraciclina, bem como micropoluentes-como antibióticos, como a oxitetraciclina, foram incluídas no escopo do controle rigoroso. Os processos convencionais de coagulação-sedimentação-filtração-desinfecção normalmente atingem uma taxa de remoção total inferior a 30% para esses dois tipos de vestígios de matéria orgânica hidrofóbica, o que não é mais suficiente para atender aos requisitos duplos de segurança da qualidade da água e qualidade sensorial. Atualmente, as estações de tratamento de água domésticas geralmente usam carvão ativado em pó (PAC) inicial para controle de emergência/rotina de fontes de água micro-poluídas. No entanto, o processo PAC único tem desvantagens como tempo de adsorção limitado, interferência competitiva na adsorção, altos custos de dosagem e penetração residual de poluentes. A adição de carvão ativado granular (GAC) à superfície do filtro para formar um processo de barreira em série de "pré-adsorção de PAC + adsorção secundária profunda de GAC" está gradualmente se tornando a tecnologia principal para estações de tratamento de água recém-construídas, renovadas e expandidas para lidar com águas micropoluídas complexas. Este artigo analisa sistematicamente os padrões de remoção de oxitetraciclina e 2-MIB por um processo de carvão ativado em dois estágios, começando pelo mecanismo de adsorção, limite de eficiência, principais fatores de influência e mecanismo de sinergia de engenharia. Ele fornece base teórica e soluções práticas para atualizações de processos de estações de tratamento de água, seleção de reagentes e otimização operacional, ao mesmo tempo em que prevê a direção futura do desenvolvimento de processos integrados, como pré-oxidação acoplada e carvão ativado biológico (BAC).
I. Características de Poluição da Oxitetraciclina e 2-MIB e Gargalos nos Processos de Remoção Convencionais
1.1 Características moleculares dos poluentes alvo
A oxitetraciclina (OTC) é um antibiótico polar da classe das tetraciclinas-com vários grupos hidroxila e amino em sua molécula. Em corpos d'água naturais, ele existe em uma forma zwitteriônica e compete prontamente pela adsorção com matéria orgânica natural (NOM), como o ácido húmico, por meio de complexação. 2-O metilisoborneol (2-MIB) é um odorante não polar, derivado de uma alga de-peso-molecular-baixo, com um limiar de odor tão baixo quanto 2–10 ng/L, dificultando a absorção de oxidantes convencionais mineralizar completamente. Ambos coexistem frequentemente em reservatórios e na água bruta dos rios durante o período de verão com alto teor de algas, pertencendo à categoria típica de "micropoluentes vestigiais e recalcitrantes".
1.2 Limitações dos processos convencionais As unidades de coagulação, sedimentação e filtração removem principalmente poluentes suspensos e ligados macromolecularmente, alcançando taxas de remoção de apenas 10% a 25% para 2-MIB dissolvido e oxitetraciclina. A pré-cloração e a-desinfecção com cloro líquido de estágio único geram facilmente subprodutos de desinfecção e têm eficiência de oxidação limitada para 2-MIB. A desinfecção-do ponto final por si só não pode alcançar o controle compatível desses dois tipos de substâncias; uma barreira multinível deve ser construída usando tecnologias de tratamento profundo baseadas em adsorção.
II. Eficiência de remoção e mecanismo de carvão ativado em pó (PAC) para oxitetraciclina e 2-MIB
2.1 Mecanismo de Adsorção O PAC atinge a adsorção através do preenchimento de microporos, forças de van der Waals, conjugação π-π e ligação de hidrogênio: para a oxitetraciclina, a adsorção química e a adsorção de complexação são dominantes; para 2-MIB, o preenchimento físico de microporos é dominante. A cinética de adsorção segue um modelo de pseudo{5}}segunda-ordem, e as isotermas seguem principalmente o modelo de Freundlich. O PAC lavado com-carvão com alto-iodo-valor-ácido, devido à sua estrutura microporosa bem-desenvolvida e maior adaptabilidade do grupo funcional de superfície, é superior ao PAC à base de madeira.
2.2 Eficiência Real de Remoção
Para oxitetraciclina: em condições de teste em pequena-escala, uma dosagem de PAC de 75 mg/L alcançou uma taxa de remoção de mais de 99% para 1 mg/L de oxitetraciclina. Na presença de DOC de base na água bruta, as estações de tratamento de água reais podem controlar os níveis de oxitetraciclina ug/L em níveis seguros adicionando 1–35 mg/L. No entanto, a adsorção competitiva pelo NOM reduz a capacidade de adsorção em 30% a 50%.
Para 2-MIB: Uma dosagem de PAC de 15 a 30 mg/L e um tempo de contato maior ou igual a 60 min alcançaram uma taxa de remoção de 40% a 70% para ng/L de 2-MIB. A primeira hora de adsorção é a fase de adsorção rápida; prolongar o tempo de residência no tanque de mistura melhora significativamente a eficiência. Níveis elevados de cloro residual e pH inibem a capacidade de adsorção.
Deficiências do Processo: A dosagem inicial é limitada pelo tempo de residência hidráulica. Durante períodos de alto crescimento de algas, a NOM e as secreções de algas ocupam locais de adsorção, levando facilmente à "conformidade inicial seguida de avanço posterior". Grandes dosagens de emergência aumentam a carga de lodo e os custos operacionais, e alguns poluentes fracamente adsorvidos escapam com o efluente do filtro.
III. Desempenho aprimorado e eficiência independente de adsorção secundária por carvão ativado granular (GAC) na superfície do leito filtrante
3.1 Características de adsorção de GAC
O GAC opera em uma configuração-de leito fixo com um tempo de contato de leito vazio (EBCT) de 10 a 20 minutos, alcançando difusão lenta e adsorção profunda de traços residuais 2-MIB e oxitetraciclina no efluente do PAC. A camada de carvão ativado biológico (BAC, na sigla em inglês) formada durante a operação de longo prazo alcança simultaneamente efeitos sinérgicos de degradação microbiana e regeneração de adsorção. Quando o GAC opera sozinho, a taxa de remoção de 2-MIB pode chegar a 70%–80%, e a taxa de remoção de oxitetraciclina de baixa concentração é de aproximadamente 50%–65%, mas a capacidade de adsorção inicial é relativamente baixa e o período de inicialização é longo.
3.2 Vantagens da estrutura de filtro de camada-dupla
Colocar uma camada de GAC de 0,6 a 1,2 m (filtro de areia de carbono) sobre o meio filtrante de areia de quartzo pode reter poluentes coloidais que não são totalmente adsorvidos pelo PAC, proteger a camada subjacente do filtro de areia e, simultaneamente, utilizar a vantagem da operação contínua do filtro para obter um tratamento profundo estável a longo prazo. O processo de retrolavagem pode renovar parcialmente os locais de adsorção na superfície do GAC, prolongando sua vida útil.
4. Efeito de remoção sinérgica e parâmetros de controle chave do pré-filtro PAC + processo da série de camada de filtro GAC
4.1 Lógica Sinérgica de Adsorção em Dois-Estágios
Classificação de carga: o PAC adsorve rapidamente a maioria dos poluentes de{0}}alta concentração e compete com moléculas grandes pela matéria orgânica no front-end, reduzindo a carga de adsorção e a taxa de envenenamento do GAC; O GAC realiza "tratamento fino" em vestígios de substâncias alvo que penetram, formando uma barreira gradiente de "adsorção grosseira - adsorção fina".
Melhoria da qualidade da água: o PAC reduz a turbidez do afluente e o NOM, otimiza a qualidade da água do afluente do GAC e aumenta a capacidade de adsorção unitária do GAC para 2-MIB e oxitetraciclina; O GAC retém pó fino de PAC, evitando que o pó de carbono penetre na rede de dutos.
Otimização de custos: a combinação-de dois estágios pode reduzir a dosagem de PAC em 20% a 40%, ao mesmo tempo que estende o ciclo de regeneração de GAC para 1 a 2 anos. No geral, sua economia operacional é superior a processos de PAC de alta dose única ou de GAC puro.
4.2 Fatores-chave que afetam o efeito sinérgico
Seleção de PAC e ponto de dosagem: Adicione PAC ao tanque de mistura/antes da floculação, garantindo um tempo de contato maior ou igual a 40–90 min; priorizar PACs de qualidade para água potável com valor de iodo maior ou igual a 1.000 mg/g e valor de azul de metileno maior ou igual a 200 mg/g (com uma licença de higiene-relacionada à água).
Tamanho de partícula de GAC e espessura do leito filtrante: pedra-pomes triturada à base de carvão de malha 8×30-é mais adequada para 2-MIB, malha 12–20 é adequada para antibióticos; EBCT maior ou igual a 12 min garante remoção estável de oxitetraciclina.
Condições de qualidade da água: pH neutro (6,5–8,5), baixo cloro residual e pré{2}}oxidação moderada (O₃ 0,3–0,8 mg/L) podem melhorar ainda mais a taxa de remoção sinérgica do processo de dois-estágios para ambos os tipos de substâncias para mais de 90%.
4.3 Resumo dos Resultados da Aplicação de Engenharia
Testes-de produção e escala piloto em estações de tratamento de água existentes mostram que a combinação de PAC convencional (10–20 mg/L) e GAC em um filtro de areia de carbono atinge uma taxa de remoção total de 80%–92% para 2-MIB (10–100 ng/L) e 85%–95% para oxitetraciclina (0,1–10 ug/L). Isto é significativamente superior aos níveis de tratamento de PAC único (50%–70%) ou GAC único (60%–75%), e o efluente pode atender de forma estável aos requisitos da GB 5749-2022 e futuros padrões mais rígidos de controle de micropoluentes.
V. Riscos de Processo e Estratégias de Otimização de Engenharia
Saturação de adsorção e liberação secundária: Estabelecer um sistema inovador de alerta precoce e monitoramento on-line de odores/antibióticos do GAC, empregando regeneração térmica ou mecanismos de substituição; padronizar o descarte do lodo do PAC para evitar o refluxo de poluentes.
Riscos de Biossegurança: Durante a operação do BAC, controlar a intensidade e o ciclo de retrolavagem para inibir a proliferação excessiva de biofilme e a geração de subprodutos metabólicos biológicos; os pontos de-desinfecção pós-desinfecção garantem que o cloro residual na rede de tubulações atenda aos padrões.
Atualizações de acoplamento de processos: adição de pré-oxidação de composto de permanganato ou baixa-dose de ozônio (O₃/H₂O₂) antes que o PAC atinja efeitos sinérgicos em todo o processo de "degradação oxidativa-adsorção de PAC-tratamento profundo de GAC/BAC", ampliando ainda mais o espectro de remoção de poluentes.
Conclusão e perspectivas
No contexto atual da transformação da segurança da água potável do meu país, de "abastecimento de água compatível" para "abastecimento de água saudável e de alta-qualidade", a pré-adição de carvão ativado em pó combinada com a adsorção de carvão ativado granular no leito do filtro é uma solução de controle de micro-poluição eficiente, flexível e econômica, adequada para a renovação da maioria das estações de tratamento de água convencionais na China, exibindo vantagens sinérgicas significativas para micro{3}}poluentes coexistentes, como oxitetraciclina e 2-MIB. As futuras tecnologias de tratamento de água evoluirão para “adsorção precisa, dosagem inteligente, regeneração in-situ e controle sinérgico de múltiplos poluentes”. Através de novas tecnologias, como a modificação da superfície do carvão ativado, o biocarvão funcionalizado e o acoplamento membrana-carbono, será construído um sistema integrado de purificação de água para abordar a poluição sazonal complexa nas fontes de água, proporcionando uma garantia técnica mais sólida para a segurança da água potável urbana e rural.