臭氧活性炭技術在給水處理中的應用研究

1、.臭氧-生物活性炭技術在給水處理中的應用研究摘要：本文介紹了臭氧-活性炭技術的發(fā)展概況，在給水處理中的作用機理及應用研究，并提出了此項技術在應用中存在的問題，介紹提高此項技術的應用措施。關鍵詞：臭氧-生物活性炭；有機物；微污染水；給水處理隨著水源污染的加劇和飲用水水質標準的提高，常規(guī)處理工藝已難以滿足人們對飲用水水質的要求，飲用水深度處理技術日益受到重視。臭氧與活性炭作為飲用水深度處理的重要手段，在國外的應用已比較成熟。由于我國地域廣闊，水質多變，臭氧與活性炭技術在運行中必然存在很多問題，如在臭氧-活性炭技術中臭氧投加點和投加量的確定，以及水經(jīng)臭氧活性炭處理，氯化后出水水質是否仍然具有致突變性

2、等問題。1 臭氧生物活性炭技術的發(fā)展概況 1.1 臭氧氧化技術臭氧是一種很強的氧化劑和消毒劑，其氧化還原電位在堿性環(huán)境中僅次于氟。臭氧氧化主要發(fā)生在凈水過程的三個階段：預臭氧化，中間臭氧化，最后的消毒。預臭氧化的作用是去除懸浮物質，大顆粒物質和水體的色、味、嗅等，并把較大的天然有機物質分解成較小的有機物質以提高后序絮凝、沉淀等步驟的效率。中間臭氧化主要為降解有機微污染物，去除“三致”前體物和提高可生物降解性。由于其降解產(chǎn)物較小，易被微生物充分利用，通常在此步驟后加以砂濾或生物活性炭過濾；最后的消毒是指臭氧氧化去除殘余微生物以及可能形成的消毒副產(chǎn)物。由于臭氧氧化的持續(xù)時間較短，出水水質可以加二氧

3、化氯保質。1.2 生物活性炭吸附活性炭是用煙煤、褐煤、果殼或木屑等多種原料經(jīng)碳化和活化過程制成的黑色多孔顆粒。由于粒狀活性炭具有極其豐富的微孔和巨大的比表面積，使其具備良好的吸附性能。活性炭吸附作為飲用水深度處理的重要手段廣泛應用于城市給水處理廠。目前世界上已有成百座使用粒狀活性炭的水廠在運行。大量的研究結果已證明了活性炭吸附在飲用水處理中的優(yōu)勢，活性炭對水中存在的有機污染物的各項指標均有很好的去除效果。1.3 臭氧-生物活性炭技術 臭氧氧化和生物活性炭技術都各自有其局限性，到了上個世紀六七十年代， 一種新型組合工藝“臭氧生物活性炭”（ozone-biological activated ca

4、rbon， O3-BAC）技術誕生了，它具有優(yōu)異的去除污染物效能，尤其是有機污染物，因而受到人們的高度重視。在水處理過程中臭氧與生物活性炭兩者的作用表現(xiàn)出互補性，臭氧能有效的氧化大分子有機物，剩下的小分子有機物由活性炭吸附，因此臭氧與活性炭聯(lián)用能提高去除有機物的效果。經(jīng)過臭氧處理后進行活性炭處理主要發(fā)揮三種作用：（1）破壞水中殘余臭氧，一般發(fā)生在最初炭層的幾厘米處；（2）通過吸附去除化合物或臭氧副產(chǎn)物；（3）通過活性炭表向細菌的生物活動降解物質。實驗研究表明，在活性炭處理過程中，同時發(fā)生快速吸附、慢速吸附、生物作用和臭氧激化的生物作用。2 臭氧生物活性炭技術在飲用水深度處理的作用2. 1濁度當

5、水中存在有機物時易吸附在顆粒表面引起空間位阻穩(wěn)定，臭氧能氧化分解這些有機物，從而誘導臭氧-活性炭技術的應用狀況顆粒脫穩(wěn)。采用預臭氧化通?？梢蕴岣呋炷^濾過程對顆粒和濁度的去除效率，與此同時卻常常降低了混凝過程對DOC的去除?；炷龁卧コ氖谴蠓肿拥挠袡C物，而臭氧化將產(chǎn)生相對分子質量小、極性強的小分子，因而影響混凝的效果。但是，臭氧化后的小分子有機物通常要比臭氧化前的大分子有機物具有更好的可生化性，另外小分子也更容易被生物吸收，因此DOC的去除轉由生物活性炭單元去完成。2. 2色度色度可以間接反映水中溶解性污染物的數(shù)量，對微污染原水來說是極為重要的感官性指標。水中能產(chǎn)生色度的物質是水中溶解或膠態(tài)

6、的帶有生色基團的有機物，如酚類、重氮、偶氮化合物。天然有機酸，如腐植酸、黃腐酸和鞣酸等，也會產(chǎn)生不同程度的顏色。這些物質與鹵代消毒副產(chǎn)物的形成密切相關。O3-BAC去除色度效果好，主要是歸因于臭氧化作用、活性炭表面的吸附作用和生物降解作用。2. 3臭和味飲用水中臭和味產(chǎn)生原因主要有三類：由排人水體的無機物、化學制品及溶解性的礦物鹽產(chǎn)生的；腐殖質等有機物、藻類放線菌和真菌的分泌物和殘體產(chǎn)生的Geosmin地霉素)、MIB ( 2一甲基異2一茨醇)；過量投氯引起的。臭氧生物活性炭工藝對臭味物質的去除機理主要為：臭氧化學氧化作用、活性炭物理化學吸附作用和微生物的降解作用，三者同時作用可高效地去除水中

7、臭味物質。引起臭和味的硫化物、氯等無機物質由于具有揮發(fā)性并且相對分子質量小，故能被活性炭有效吸附。另一方面，臭氧也能氧化分解部分該類物質。臭氧去除水中臭和味，起作用的不僅是臭氧本身，還有其自我分解產(chǎn)物氫氧自由基。臭氧和這些自由基能破壞引起臭和味的物質不飽和鍵，再加上活性炭物理化學吸附作用和微生物的降解作用，能有效去除水中臭和味。2. 4有機物臭氧氧化并不能把水中的微污染有機物完全氧化為CO2和H2O。臭氧生物活性炭工藝去除有機物是臭氧氧化和生物活性炭的吸附、生物降解與同化作用的聯(lián)合效果。臭氧將原水中大分子有機物氧化成小分子物質，改變了分子結構、分子極性，同時臭氧氧化能使水中難以生物降解的有機物

8、斷鏈、開環(huán)，使它能夠被生物降解，以降低生物活性炭濾池的有機負荷。另外，臭氧還能起到充氧作用，使生物活性炭濾池有充足的溶解氧用于生物氧化作用?；钚蕴磕軌蜓杆俚匚剿械娜芙庑杂袡C物，同時也能富集水中的微生物?；钚蕴勘砻嫖降拇罅坑袡C物也為微生物提供了良好的生存環(huán)境。有豐富的溶解氧的環(huán)境下微生物以有機物為養(yǎng)料生存和繁殖，同時也使活性炭表面得以再生，從而具有繼續(xù)吸附有機物的能力，即大大延長了活性炭的再生周期。2.5氮水中氮的污染主要以氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和有機氮等形式存在。在特定條件下，如氧化和微生物活動，有機氮可能轉化為氨氮。好氧情況下，氨氮又可能被硝化細菌氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。2.

9、6鐵和錳一般來說，當鐵或錳以自由離子形式存在于水中時，比臭氧弱的氧化劑也可將它們氧化，通過有效的曝氣即可達到去除鐵、錳的口的。但是當鐵或錳與腐殖質或其他有機物共存時，可能會以一種復雜的有機物形式出現(xiàn)，一般氧化劑往往不足以破壞這種結構，在這種情形下使用臭氧這樣的強氧化劑可以破壞這種復雜結構，達到去除水中鐵、錳的目的。3 臭氧生物活性炭技術的發(fā)展概況1978年由美國學者米勒（G.W.Miller）和瑞士學者R.G.Rice首次采用了 “生物活性炭”這一術語。臭氧生物活性炭聯(lián)用技術在20世紀70年代傳入我國， 并從20世紀80年代開始得到應用。臭氧-活性炭吸附技術自德國杜塞爾多水廠20世紀70年代后

10、期首先使用至今，已有40多年歷史。經(jīng)過西方發(fā)達國家的大量實踐后，證明對水中的污染物去除是十分有效的，同時能大大改善飲用水的口感。目前在美國、日本、荷蘭、瑞士等發(fā)達國家已成為給水凈化處理技術的主導工藝。據(jù)悉，全世界應用臭氧氧化和活性炭吸附技術的水廠約有3000多座。法國應用最為廣泛，約600多座水廠采用，歐洲國家大多已經(jīng)采用。臭氧-活性炭深度凈化工藝在我國的應用始于20世紀80年代中后期，如已建成的北京市田村山水廠、長辛店水廠采用了常規(guī)處理+臭氧活性炭吸附工藝。經(jīng)常規(guī)處理后的水再經(jīng)臭氧活性炭吸附工藝深度處理，可繼續(xù)去除水中有機物。4 臭氧-活性炭技術應用存在的問題 國內外學者對臭氧一生物活性炭系

11、統(tǒng)的研究和越來越多的工程實踐應用無不表明它所受到的關注與重視。但是口前還存在相當多的問題有待解決：（1） 臭氧-生物活性炭法的投資和運行費用較高（2） 不能建立系統(tǒng)模型以明確進水水質，臭氧及生物活性炭裝置的停留時間、濾速、臭氧投加量和臭氧濃度之間存在著的關系。雖然有文獻中確定的工藝參數(shù)，但由于水質不同，并不能形成一個準確的系統(tǒng)模型。（3） 活性炭顆粒度和其表面化學性質及電子狀態(tài)以及其對細菌的附著等確切機理還有待于進一步研究。（4） 投加的臭氧不可能將微污染水源中的有機物徹底氧化成無機物，而會生成各種中間產(chǎn)物，即臭氧處理的副產(chǎn)物。臭氧的副產(chǎn)物多是親水性物質，國外的研究報告近來指出，有些副產(chǎn)物是致

12、癌或可能致癌的物質，存在危險。（5） 水經(jīng)臭氧活性炭吸附處理，氯化后出水水質可能仍具有致突變性。5 提高臭氧-活性炭技術應用水平的措施5.1新的工藝組合5.1.1高氨氮源水對于源水中氨氮含量高的問題，可采用折點加氯、兩級活性炭濾池和生物預處理來解決。折點加氯就是投加過量的氯來消除水中的氨氮。折點加氯的局限較大，氨氮濃度高時，加氯量大，費用較高。過量加氯也會使水中產(chǎn)生大量有機氯化物。兩級活性炭濾池就是第一級生物活性炭濾池出水經(jīng)充氧后再進人第二級生物活性炭濾池。由于活性炭濾池的造價很高，實施比較困難。而且即使使用兩級活性炭濾池，去除氨氮的能力也有限制。生物預處理工藝是在混凝沉淀之前對原水進行生物法

13、預處理。由于生物預處理池有曝氣設備，能向水中連續(xù)充氧，因而對氨氮的去除效果明顯。根據(jù)文獻所述，能達65%90%，從而可使臭氧-生物活性炭進水氨氮濃度達到2 mg幾以下。另外，生物預處理工藝還對CODMn、色度、濁度和錳等有一定的去除效果。目前為止，生物預處理是解決臭氧一生物活性炭工藝進水氨氮濃度過高的最好方法。5.1.2微生物在炭濾層的泄漏針對微生物在炭濾層的泄漏，可采用在生物活性炭之后再進行膜過濾或其它高效過濾形式，可有效地去除個體較小的細菌和病毒，以及較難降解的大分子有機物(如殺蟲劑)和生物活性炭表面細菌分泌的酶，使出水水質更佳。5.1. 3臭氧化溴酸鹽抑制技術對于臭氧化產(chǎn)生的溴酸根，可以

14、采用高錳酸鹽和臭氧復合氧化的方式使兩種氧化劑優(yōu)勢互補，從而減少臭氧氧化過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物。采用相同的臭氧投加量，一次性投加和分次投加會生成不同量的BrO3-，增加臭氧投加點數(shù)量可使BrO3-，生成量降低，其原因是縮短了臭氧的平均接觸時間，降低了水中剩余臭氧的平均濃度。在實際應用中，綜合考慮工程投資和對BrO3-的控制效果，臭氧投加點數(shù)量以3 4個為宜。向水中加酸降低pH值、加氨、加過量的H2 O2 、以及加OH清除劑都有可能減少BrO3-的生成。何茹等研究發(fā)現(xiàn)在臭氧催化氧化過程中，在一定范圍內增加氧化鈰投量能進一步減少溴酸根的產(chǎn)生，催化劑投加量從0增加到250 mg/L，能減少溴酸鹽生成量8

15、5.1 %；當溴離子濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L時，臭氧催化氧化分別能減少溴酸鹽生成量69.2% ，83. 5%和15.2%。5. 2改善原有的工藝條件傳統(tǒng)的臭氧-生物活性炭工藝中，臭氧接觸塔內穿孔管布氣效果往往不理想，增設一套無熱再生空氣干燥系統(tǒng)，可提高空氣凈化質量，產(chǎn)生高質量的臭氧；以微孔欽板作為臭氧氣體擴散器，塔中裝設多層不銹鋼穿孔板，底層板上裝填有特制的高效催化劑，催化臭氧，生成選擇性更高的、反應更快的OH自由基，加快臭氧與有機物的反應效率，上層板上裝填有特制的抗腐蝕、比表面積大、化學穩(wěn)定性好的矩鞍瓷環(huán)，可使水和臭氧充分混合接觸，在較短的時間內達到較高的臭氧吸收率，大大縮小接

16、觸反應設備的體積，又可以減少設備投資成本。由于自然形成BAC時間長、無選擇性、生物相復雜，而且未經(jīng)馴化，短時間內難以適應環(huán)境，生物降解作用小?？刹捎萌斯す袒疊AC方法，人為投加馴化、培養(yǎng)的、具有很高活性的工程菌，因已完全適應環(huán)境，自始至終進行物理吸附和生物降解的協(xié)同作用，BAC很快處于穩(wěn)定期，而且選擇性強，同時也延長了活性炭的壽命。傳統(tǒng)的工藝中，主要以水反沖生物活性炭濾罐。由于水反沖膨脹高度低，不僅影響了反沖效果，而且延長了沖洗時間，浪費大量反沖洗水。而采用高強度空氣擦洗，再以微膨脹水漂洗的方式來提高膨脹率和沖洗效果，則可以縮短反沖時間，取得良好的沖洗效果和減少了反沖水用量。5. 3儀表化水質

17、監(jiān)測和自動化控制系統(tǒng)目前，國內外對臭氧-生物活性炭系統(tǒng)成功研制并采用了高錳酸鹽指數(shù)、TUC， MLSS、臭氧、溶解氧等在線監(jiān)測的儀表系統(tǒng)，在線監(jiān)測的實施既為認識系統(tǒng)的動態(tài)特性提供了豐富、全面的數(shù)據(jù)，也提高和強化了設計水平和過程控制的手段，特別是臭氧系統(tǒng)的控制回路設有水量與臭氧產(chǎn)量的聯(lián)鎖關系；剩余臭氧值和臭氧產(chǎn)量的聯(lián)鎖關系，避免了不必要的過量投加和投量不足。而色質譜聯(lián)機等高效分析儀器又為數(shù)據(jù)的準確分析提供了可靠的保證；同時，由于國內外電動閥門等自動化設備的廣泛應用，采用計算機模擬控制系統(tǒng)控制各種工藝操作，對系統(tǒng)進行監(jiān)測和對儲存的數(shù)據(jù)進行綜合分析，全裝置過程動態(tài)模擬顯示，能更好地對系統(tǒng)進行有效的控

18、制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的先進性和操作的實用性。 5. 4利用系統(tǒng)方法進行全面分析由于臭氧-生物活性炭技術是一種新工藝，缺乏相應的模型進行分析、研究。應對已有的工藝試驗研究和工程實際數(shù)據(jù)進行全面地統(tǒng)計、分析，建立數(shù)據(jù)庫，揭示系統(tǒng)工藝性能和影響因素之間的關系，為今后的設計、運行、控制尋找和確定適宜的設計參數(shù)、運行條件和控制方法。6 結語臭氧生物活性炭技術作為飲用水深度處理技術的最典型代表，對該技術進行系統(tǒng)深入的研究顯得極為重要。當前我國對臭氧生物活性炭技術的研究同世界先進水平尚有較大差距。因此，我們應積極研究開發(fā)該項新技術，提高它的設計和運行控制水平，降低投資和運行成本，充分發(fā)揮臭氧生物活性炭工藝除污染的效能，充分體現(xiàn)該項技術的優(yōu)越性，促進其在工程實踐中的廣泛應用。臭氧生物活性炭飲用水深度處理技術在我國給水處理事業(yè)中的應用潛力巨大，發(fā)展前景十分廣闊。參考文獻1 鄧慧萍，嚴煦世.飲用水中臭氧化產(chǎn)物的評述J.同濟大學學報， 1997， 25 （4）： 465470.2 王廣慶，費學寧，王連生.活性炭吸附及組合工藝在水處理中的應用和發(fā)展.天津城市建設學院學報J，2003，9（1）： 8-10.3 王琳，王寶貞.飲用水深度處理技術M.北京： 化學