「飲料水品質基準」（GB 5749-2022）の完全実施により、2-メチルイソボルネオール（2-MIB）やオキシテトラサイクリンなどの臭気の原因物質-や、オキシテトラサイクリンなどの抗生物質-のような微量汚染物質が厳格な管理の範囲に含まれています。従来の凝集-沈殿-濾過-消毒プロセスでは、通常、これら 2 種類の疎水性微量有機物の総除去率は 30% 未満に達します。これでは、水質の安全性と官能品質の 2 つの要件を満たすにはもはや十分ではありません。現在、家庭用浄水場では一般に、微量汚染された水源の緊急時/日常管理のためにフロントエンドの粉末活性炭 (PAC)-が使用されています。-しかし、単一の PAC プロセスには、吸着時間の制限、競合吸着の干渉、注入コストの高さ、残留汚染物質の浸透などの欠点があります。フィルター表面に粒状活性炭 (GAC) を添加して「PAC 前吸着 + GAC 深部二次吸着」の一連のバリアプロセスを形成することは、複雑な微量汚染水に対処するために、浄水場の新設、改修、拡張において徐々に主流の技術になりつつあります。この論文では、吸着メカニズム、効率境界、重要な影響因子、エンジニアリングの相乗効果メカニズムから始めて、二段階活性炭プロセスによるオキシテトラサイクリンと 2-MIB の除去パターンを体系的に分析します。これは、水プラントのプロセスのアップグレード、試薬の選択、および運用の最適化のための理論的基礎と実践的なソリューションを提供するとともに、結合前酸化と生物学的活性炭 (BAC) などの統合プロセスの将来の開発の方向性も見据えています。
I. オキシテトラサイクリンおよび 2-MIB の汚染特性と従来の除去プロセスのボトルネック
1.1 対象汚染物質の分子的特徴
オキシテトラサイクリン（OTC）は、分子内に複数のヒドロキシル基とアミノ基を持つテトラサイクリン-クラスの極性抗生物質です。天然水域では両性イオンの形で存在し、錯体形成を通じてフミン酸などの天然有機物 (NOM) と容易に吸着競合します。. 2-メチルイソボルネオール (2-MIB) は、臭気閾値が 2～10 ng/L と低い非極性、低分子-重量の藻類-由来の臭気物質であり、吸着を困難にします。従来の酸化剤を完全に無機化します。どちらも夏の藻類の繁茂期には貯水池や河川の原水に共存することが多く、「微量で難治性の微量汚染物質」の典型的なカテゴリーに属します。
1.2 従来のプロセスの限界 凝集、沈殿、ろ過ユニットは主に浮遊汚染物質と高分子結合汚染物質を除去しますが、溶解した 2- MIB とオキシテトラサイクリンの除去率は 10% ～ 25% にすぎません。前塩素処理と単一段階の液体塩素消毒では、消毒副生成物が容易に生成され、2- MIB の酸化効率が制限されます。エンドポイントの消毒だけでは、これら 2 種類の物質の規制に準拠した管理を達成することはできません。吸着ベースの深層処理技術を使用して、多層バリアを構築する必要があります。
II.粉末活性炭 (PAC) のオキシテトラサイクリンおよび 2-MIB の除去効率と除去メカニズム
2.1 吸着メカニズム PAC は、微細孔充填、ファンデルワールス力、π-π 共役、および水素結合を通じて吸着を実現します。オキシテトラサイクリンの場合、化学吸着と錯体形成吸着が支配的です。 2- MIB では、物理的な微細孔充填が支配的です。吸着反応速度は擬似-二次-モデルに準拠しており、等温線は主にフロイントリヒ モデルに従います。石炭-ベースの高-ヨウ素-価値の酸-で洗浄された PAC は、よく発達した微孔質構造と強力な表面官能基の適応性により、木材ベースの PAC よりも優れています。-
2.2 実際の除去効率
オキシテトラサイクリンの場合: 小規模テスト条件下では、75 mg/L の PAC 投与量で 1 mg/L オキシテトラサイクリンに対して 99% 以上の除去率を達成しました。{0}原水中にバックグラウンド DOC が存在する場合、実際の水処理プラントでは 1 ～ 35 mg/L を添加することで、ug/L オキシテトラサイクリン レベルを安全なレベルに制御できます。ただし、NOM による競合吸着により、吸着容量は 30% ～ 50% 減少します。
2-MIB の場合: PAC 投与量 15 ～ 30 mg/L および接触時間 60 分以上により、ng/L 2-MIB の除去率 40% ～ 70% が達成されました。吸着の最初の 1 時間は急速吸着段階です。混合タンク内の滞留時間を延長すると、効率が大幅に向上します。残留塩素と pH レベルが高いと、吸着能力が阻害されます。
プロセスの欠点: 初期注入は水圧滞留時間によって制限されます。藻類の成長が活発な時期には、NOM と藻類の分泌物が吸着サイトを占有し、「最初のコンプライアンスとそれに続くその後のブレークスルー」を容易に引き起こします。大量の緊急用量は汚泥の負荷と運転コストを増加させ、吸着力の低い汚染物質の一部はフィルター流出物とともに流出します。
Ⅲ．濾床表面の粒状活性炭 (GAC) による二次吸着の性能と独立した効率の向上
3.1 GAC の吸着特性
GAC は、空床接触時間（EBCT）が 10～20 分の固定床構成で動作し、PAC 流出液中の残留微量 2- MIB とオキシテトラサイクリンのゆっくりとした拡散と深い吸着を実現します。長期間の運転で形成される生物学的活性炭（BAC）層は、微生物による分解と吸着再生の相乗効果を同時に実現します。- GACを単独で動作させる場合、2-MIBの除去率は70%～80%に達し、低濃度のオキシテトラサイクリンの除去率は約50%～65%ですが、初期の吸着能力が比較的低く、起動期間が長くなります。
3.2 二重層フィルタ構造の利点-
石英砂濾材の上に 0.6 ～ 1.2 m の GAC 層（炭素砂濾過器）を置くと、PAC では完全には吸着されなかったコロイド状汚染物質を捕捉し、その下にある砂濾過層を保護し、同時に連続濾過操作の利点を利用して長期安定した深部処理を実現できます。-逆洗プロセスにより、GAC 表面の吸着サイトが部分的に更新され、その耐用年数が延長されます。
IV. PAC プレ-フィルター + GAC フィルター層シリーズ プロセスの相乗的な除去効果と主要な制御パラメーター
4.1 2 段階吸着の相乗ロジック-
負荷分類: PAC は、ほとんどの高濃度汚染物質を迅速に吸着し、フロントエンドで有機物を求めて大きな分子と競合し、GAC の吸着負荷と被毒率を低減します。{0} GACは、浸透した微量対象物質に対して「微細処理」を行い、「粗吸着｛{1}｝微細吸着」の勾配バリアを形成します。
水質改善: PAC は流入水の濁度と NOM を低減し、GAC 流入水の質を最適化し、2-MIB とオキシテトラサイクリンに対する GAC の単位吸着容量を増加します。 GAC は微細な PAC 粉末を保持し、炭素粉末がパイプライン ネットワークに浸透するのを防ぎます。
コストの最適化: 2 段階の組み合わせにより、PAC の投与量を 20% ～ 40% 削減でき、GAC の再生サイクルを 1 ～ 2 年に延長できます。{0}全体として、その運用経済性は単一の高用量 PAC プロセスや純粋な GAC プロセスよりも優れています。{6}}
4.2 相乗効果に影響を与える重要な要素
PAC の選択と投与ポイント: PAC を混合タンクに / 凝集前に追加し、接触時間を 40 ～ 90 分以上確保します。ヨウ素価が 1000 mg/g 以上、メチレンブルー価が 200 mg/g 以上の飲料水グレードの PAC を優先します（水-}関連の衛生許可が必要です）。
GAC の粒径と濾床の厚さ: 8×30 メッシュの石炭-ベースの粉砕軽石は 2-MIB に適しており、12 ～ 20 メッシュは抗生物質に適しています。 EBCT 12 分以上により、オキシテトラサイクリンの安定した除去が保証されます。
水質条件: 中性 pH (6.5 ～ 8.5)、低残留塩素、適度な前酸化 (O₃ 0.3 ～ 0.8 mg/L) により、両タイプの物質に対する 2 段階プロセスの相乗効果で除去率がさらに 90% 以上向上します。-
4.3 エンジニアリングアプリケーションの結果の概要
既存の浄水場でのパイロット規模および生産テストでは、炭素砂フィルターで従来の PAC (10～20 mg/L) と GAC を組み合わせると、2-MIB (10～100 ng/L) については 80%～92%、オキシテトラサイクリン (0.1～10 ug/L) については 85%～95% の総除去率が達成されることが示されています。これは、単一 PAC (50% ～ 70%) または単一 GAC (60% ～ 75%) の処理レベルよりも大幅に優れており、排水は GB 5749-2022 および将来のより厳格な微量汚染物質管理基準の要件を安定して満たすことができます。
V. プロセスのリスクとエンジニアリングの最適化戦略
吸着飽和と二次放出: 熱再生または置換メカニズムを採用した、GAC の画期的な早期警告およびオンライン臭気/抗生物質モニタリング システムを確立します。汚染物質の逆流を避けるために、PAC スラッジの処分を標準化する。
バイオセーフティのリスク: BAC 操作中は、過剰なバイオフィルムの増殖と生物学的代謝副産物の生成を抑制するために、逆洗の強度とサイクルを制御します。ポスト消毒ポイントでは、パイプライン ネットワーク内の残留塩素が基準を満たしていることを確認します。{0}
プロセスカップリングのアップグレード: PAC の前に過マンガン酸塩複合材の事前酸化または低用量オゾン（O₃/H₂O₂）を追加すると、「酸化分解-PAC 吸着-GAC/BAC の深部処理」のプロセス全体にわたって相乗効果が得られ、汚染物質の除去スペクトルがさらに広がります。
結論と展望
現在、我が国の飲料水の安全性が「準拠した水の供給」から「健康で高品質な水の供給」へと変革している状況において、粉末活性炭の事前添加と濾床での粒状活性炭の吸着を組み合わせた方法は、中国のほとんどの従来型浄水場の改修に適した効率的で柔軟かつ経済的な微量汚染制御ソリューションであり、共存する微量汚染物質に対して大きな相乗効果を発揮します。-オキシテトラサイクリンおよび2-MIBとして。将来の水処理技術は、「正確な吸着、インテリジェントな投与、現場での再生、および複数の汚染物質の相乗的制御」に向けて発展するでしょう。{8}}活性炭表面改質、機能化バイオ炭、膜炭素カップリングなどの新技術を通じて、水源の季節性の複雑な汚染に対処するための統合型浄水システムが構築され、都市および地方の飲料水の安全性に対するより強固な技術的保証が提供されます。