臭氧_生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用

臭氧 - 生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用 熊云烽 孙 伟 （昆明新投建设项目管理有限公司 云南 昆明 650500） 【摘 要】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。 【关键词】臭氧；生物活性炭；饮用水深度处理 The Application of Ozonation- Biological Activated Carbon in Drinking Water Advanced Treatment XIONG Yun-feng SUN Wei (Kunming Xin Tou Construction Project Management Co., Ltd., Kunming Yunnan, 650500, China) 【Abstract】Investigate the new treatment technology situation of the drinking water at home and abroad, analysis the basic principles and role of ozonation- biological activated carbon, and put forward some of the problems that the method required in the application note. 【Key words】Ozonation；Biological activated carbon；Drinking water advanced treatment 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极大的困难。 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高效去除水中 溶解性有机物和致突变物，出水安全、优质而倍受瞩目。 1 臭氧-生物活性炭联用技术发展和应用现状 臭氧- 生物活性炭第一次联合使用是 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 应用最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(lengg)水 厂、德国的缪尔霍姆水厂、法国的卢昂拉夏佩勒(Rouen. LaChapella) 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。 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。 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。 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，最终生成氧气， 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。 2.2

臭氧氧化和后氯化 臭氧的氧化性强于液氯，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，在最后一步出水中，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，最后生成的致 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最佳臭氧投量问题。 最 2.3

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 2.1

45 佳臭氧剂量是 AOC 的形成和 BAC 去除 AOC 的关键所在。 一般认为 决定臭氧最佳剂量的标准是 GAC 过滤器内的最大 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 已成为此工艺的重点。 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。 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，出水水质全面提高，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 其工艺设计更趋于最佳状态，还有待于今后进行深入的研究。 ●【参考文献】 ［1］张东，许建华，刘辉.经生物预处理的臭氧化生物活性炭和生物活性炭除污染 效果对比[J].净水技术，2001(1):33-35. ［2］李宗宝，沈家祥，吴馥萍.生物活性炭在炼油废水处理中的应用研究[J].茂名 学院学报，2001(4):24-28. ［3］田禹，曾祥容，周定.臭氧生物活性炭联用技术发展状况[J].哈尔滨工业大学 学报，1998(2):21-25. ［4］胡晨.生活饮用水深度处理工程设计的新发展[J].化工给水设计，1998(1): 28- 32. ［5］杨开， 周 涛 ， 等. 生 物 活 性 炭- 砂滤处理微污染原水研究[J]. 中 国 给 水 排 水 ， 2000(12):54-56. ［6］张金松，王佳音， 王宝贞. 臭氧化-生物活性炭深度净化饮用水试验研究[J]. 中国给水排水，1999(10):17-20. ［7］胡静，张林生.生物活性炭技术在欧洲水处理中的应用研究与发展[J].环境技 术，2000(2):33-37. ［8］郑传宁，宾淮湘.活性炭-生物处理法机理的探讨[J].合肥工业大学学报，1998 (6):32-35. 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 3.3 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。 结论 作者简介：熊云烽（1977—），男，汉族，云南丽江人，工程师, 工学学士。 孙伟（1983—），男，回族，湖北公安人，工程师, 工学硕士。 4 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、无污染的绿色工业水处理技术，臭氧-生物活 ［责任编辑：曹明明］