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臭氧—生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用

发布时间:2020-08-25 浏览

[摘要]本文介绍了国内外在探讨饮用水处理新工艺方面的情况,分析了臭氧—生物活性炭法的基本原理和作用,并提出了该方法在应用时所需注意的一些问题。

在水污染日益严重的今天,原水中有毒有害化学有机污染物含量正逐年上升,品种也正逐年增多,这给饮用水处理带来了很大的困难。大量文献表明,自来水厂传统水处理工艺已不能有效地去除水中各种污染物,特别是溶解性有机物。为解决这一问题,国内外研究了多项技术对其进行改进,其中臭氧—生物活性炭净水工艺以其有效去除水中溶解性有机物和致突变物,出水洁净而倍受瞩目。

臭氧—生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用

1、臭氧-生物活性炭联用技术发展和应用现状

臭氧-生物活性炭联合使用较早是在1961年德国Dusseldorf市Amstaad水厂。从20世纪60年代以后,臭氧-生物活性炭技术已被欧洲、美国、加拿大、日本等发达国家广泛的应用到污染水的深度处理中,并且对净化饮用水水中各种污染物取得良好的效果;发展中国家应用广泛的国家有以色列、南非、纳米比亚等。此工艺对氨氮和总有机碳(TOC)的去除率分别为70%-90%和30%-75%,同时,对除草剂等其它有机碳的去除率也很高,并能有效改善水体中的叶霉嗅味。欧洲使用该工艺的水厂有70多个,其中有代表性的是瑞士的林格水厂、 德国的缪尔霍姆水厂、法国的卢昂拉夏佩勒水厂等。

该工艺在20世纪70年代传入我国,并从80年代开始应用该项技术。该工艺不仅可以去除浊度、嗅味、色度和改善水质口感,还可以去除难降解的和溶解性有机物,哈尔滨工业大学在这方面研究较系统。其中臭氧-生物活性炭法进行的处理饮用水的中试结果表明,进水高锰酸盐指数在(3.6-6.8)mg/L,出水高锰酸盐指数都低于2mg/L,去除率平均约为73%。对出水进行色质联机检测结果发现,进水含有有机物120种,其中有5种三致物质,但出水已去除了绝大部分的有机物和全部的三致物。

深圳自来水集团有限公司对臭氧化-生物活性炭工艺参数进行了较为细致的研究,上海自来水公司也对该工艺进行了中试研究,对各种水质指标的改善,均取得了很好的效果。该工艺应用到工程实际的例子并不是很多,一般与传统的净水工艺配合使用,其中较有代表性的有1985年建成的北京市田村山净水厂等10家。经过长期运行,均出水稳定,达到预期的饮用水处理的目的。

臭氧—生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用

2、臭氧—生物活性炭技术的基本原理和作用

臭氧—生物活性炭工艺是将活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒四种技术合为一体的工艺。

2.1臭氧预氧化

利用臭氧预氧化作用,初步氧化分解水中的一部分简单的有机物及其它还原性物质,使之变为CO2和H2O,以降低生物活性炭滤池的有机负荷,提高低量活性炭处理的平衡能力;同时,臭氧氧化能使水中难以生物降解的有机物转化成可生物降解的有机物,减少大分子极性污染物,BOD浓度得到提高,所以提高了处理水的可生化性,分解后的小分子有机物,亲水性得到提高,更容易被活性炭吸附和附着在活性炭上的细菌生物降解;臭氧化能够改变有机物生色基团的结构,形成的中间氧化物更易于活性炭吸附,强化了活性炭的脱色效能;臭氧化还能有效地减少UV260的吸收。

臭氧氧化后生成的氧气,能在处理水中起到充氧作用,使生物活性炭滤池有充足的溶解氧(DO),补充了水中DO消耗,为附着于活性炭上的好氧菌和硝化菌提供生长的营养源,创造好氧菌生长的环境,使好氧微生物活动增强,提高了微生物增长潜力,加快生物氧化和硝化作用,延长了活性炭的使用寿命,加快了有机物的生物降解,从而提高了其对有机物的去除效果。

臭氧—生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用

2.2生物活性炭

活性炭作为一种多孔物质,能够吸附水中浓度较低、其它方法难以去除的物质,同时,还可以去除水中的浊度、嗅味、色度,改善水的口感,而且能够有效地吸附合成洗涤剂、阴离子表面活性剂等活性物质;活性炭还具有催化作用,催化氧化臭氧为羟基自由基,终生成氧气,增加水中的溶解氧(DO)的浓度。活性炭空隙多,比表面积大,能够迅速吸附水中的溶解性有机物,同时也能富集水中的微生物。粒状活性炭吸附水中溶解有机物,但对一些挥发性较低,难以生物降解,分子量在10000以上的高分子有机物不易吸附去除,而且吸附性能还受有机物所带官能团及分子结构的影响。

利用臭氧电位高的特点,易将许多不易生物降解的有机物分解成许多更易生物降解的较小的或充氧较多的低分子有机物,从而改变了有机物的结构形态和性质,使其易被活性炭吸附去除,而被吸附的溶解性有机物也为维持炭床中微生物的生命活动提供营养源。同时,由于臭氧供氧充分,炭床中大量生长繁殖好氧菌,有足够时间来生物降解所吸附的低分子有机物,这样,也就在炭床中形成生物膜。该生物膜具有生物氧化降解和生物吸附的双重作用,而活性炭孔隙中的有机物被分解后,经过反冲洗,活性炭孔隙腾出吸附位置,恢复了对有机物与溶解氧的吸附能力。

活性炭对水中有机物的吸附和微生物的氧化分解是相继发生的,微生物的氧化分解作用,使活性炭的吸附能力得到恢复,而活性炭的吸附作用又使微生物获得丰富的养料和氧气,两者相互促进,形成相对稳定状态,得到稳定的处理效果,从而大大地延长了活性炭的再生周期。

活性炭附着的硝化菌还可以转化水中的氨氮化合物,降低水中的NH3-N的浓度,NH3-N去除率可达75%-96.7%。生物活性炭通过有效的去除水中有机物和嗅味,从而提高饮用水化学、微生物安全性,是自来水深度净化的一个重要途径。

2.3臭氧氧化和后氯化

臭氧的氧化性强于液氧,它破坏细菌体上的脱氢酶,干扰了细菌的呼吸作用,从而导致细菌的死亡。

臭氧的化学性质不稳定,不能在水中长期保留。为了保证水在运输过程中不受污染,在后一步出水中,少量投加液氯或氯胺等有机物,由于有机污染物在臭氧—生物活性炭中已基本去除,生成的致突变性物质较少,同时又可以减少消毒剂的投加量。

因此,臭氧—生物活性炭联用工艺技术在饮用水处理中有其独特的优势,而且各工艺紧密结合,互相促进,取得了多重效应。

3、臭氧—生物活性炭技术在应用中遇到的问题

臭氧—生物活性炭技术无论在试验研究,还是在工程实际中,仍有一些机理性的问题没有研究清楚,从而使设计出现问题,甚至产生误差,影响对运行的管理和控制。主要表现有:

3.1不能用解析的方法计算出系统中存在的较佳良氧投量问题。较佳臭氧剂量是AOC的形成和BAC去除AOC的关键所在。一般认为决定臭氧较佳剂量的标准是GAC过滤器内的较大BOM(或BOC)浓度。臭氧的投量会影响生物活性炭对有机物的吸附性能。但过高的投量或投量不足均会导致生物活性炭出水水质下降。这说明进水水质、臭氧量、生物活性炭吸附性能之间存在着适当配合的关系,有待于进一步研究。

3.2生物活性炭的运行效果受各种条件,如水温、pH值、菌种的影响,效果不稳定,特别是在挂膜的期间,由于生物膜没有形成,处理效果欠佳,寻求活性炭生物膜的适宜生长条件,优势菌种的筛选、驯化等已成为此工艺的要点。由于水质不同,活性炭颗粒度和其表面化学性及电子状态以及其对细菌的附着等确切机理还有待于进一步研究,以便于更好的固定化生物活性炭,延长生物活性炭的寿命。

3.3臭氧化后,大分子有机化合物转化成少部分不能被生物活性炭吸附和降解的小分子的臭氧化产物、生物活性炭上附着的微生物在代谢过程中产生的降解物和微生物本身进入水体中,这部分物质对人体是否会产生某些危害在文献中无报导,需进一步研究。

3.4不能建立系统模型以明确进水水质,臭氧及生物活性炭装置的停留时间、滤速、臭氧投加量和臭氧浓度之间存在着的关系。由于水质不同,并不能形成一个准确的系统模型。同时对生物活性炭的再生机理、再生时间还不十分明确,还没有形成统一的认识;对新的颗粒状活性炭的如何进行固定化和对已经吸附饱和活性炭如何使之再生,从而延长活性炭寿命有待于进一步研究。

4、结论

随着饮用水源污染的日益加剧和饮用水质标准的提高,作为一种先进的优水质、低能耗、没有污染的绿色工业水处理技术,臭氧—生物活性炭技术在处理微污染的原水中有着其它处理方法无法比拟的优越性,即有效地控制和消除水中微量有机物的污染和危害,延长活性炭的使用寿命,出水水质提高,而且稳定,易管理;而如何利用其优越性,促进其工程实践的广泛应用,提高其的设计和运行控制水平,使其工艺设计更趋于较佳状态,还有待于今后进行深入的研究。

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