臭氧生物活性炭各工艺阶段的特点及应用宋文涛1 ，胡志光1 ，常爱玲1 ，潘晓丽21华北电力大学环境科学与工程学院（071003）2北京国电富通科技发展有限责任公司（100055）E-mail:swt305@摘要：针对日益恶化的饮用水水源水质，臭氧生物活性炭饮用水深度处理方法受到人们的广泛关注。
本文论述了臭氧生物活性炭工艺中的臭氧发生系统、臭氧尾气破坏系统、臭氧预氧化及后氧化、生物活性炭滤池的应用现状及特点，并对其发展前景作了展望。
关键词：饮用水；深度处理；臭氧氧化；生物活性炭1．引言随着饮用水水源污染的日益加剧和居民环保意识的不断增强、生活水平的不断提高，饮用水水质标准要求亦将愈来愈高，常规的絮凝、沉淀、过滤、消毒净水工艺已难以满足水质不断提高的要求，饮用水深度处理技术受到人们的广泛关注，对深度处理技术研究和应用在我国已呈现出蓬勃发展的形式。
臭氧生物活性炭饮用水深度处理方法是集臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解于一体，以去除污染的高效性成为当今世界各国进行饮用水深度处理的主流工艺，现已广泛地应用于欧洲，美国，日本等上千座水厂中[1]。
该项技术在我国正在逐步推广应用，目前在昆明、北京、常州、深圳、杭州、上海等城市已有应用[2]。
本文对臭氧生物活性炭工艺中的臭氧发生系统、臭氧尾气破坏系统、臭氧预氧化及后氧化、生物活性炭滤池的应用现状及特点进行了详细论述。
2. 臭氧发生系统传统臭氧发生器以空气为原料，其优点是原料为空气，不需成本。
但是其不足之处很多：需要对空气进行除尘，脱湿的预处理；臭氧产量低，通常国产臭氧发生器的臭氧质量分数为1％左右；能耗高；设备庞大，增加占地等。
当前水厂使用的臭氧发生器多以氧气为原料，其优点是：提高臭氧浓度，增加臭氧产量，通常臭氧质量分数为6％左右；降低电耗；简化设备，减少设备体积和占地面积；加快氧化速度[3]。
对臭氧发生系统而言，臭氧浓度低则臭氧发生器的能耗也低，但臭氧发生器所消耗的氧气量大；臭氧浓度高则臭氧发生器的能耗也高，但臭氧发生器所消耗的氧气量小。
因此，究竟采用多大臭氧浓度应根据当地的电价和氧气价格，在进行总成本经济核算后才能确定。
如何使臭氧发生系统进一步降低基建投资和运行费用，改进臭氧发生器的臭氧发生技术将成为今后的研究重点。
3. 臭氧尾气破坏系统从臭氧接触池排出的尾气中仍含有一定数量的臭氧，如果直接排入大气，会造成大气环境污染。
当大气中臭氧浓度超过0.1mg/L时，会对人的眼、鼻、喉等呼吸器官产生刺激。
臭氧尾气的环境排放规定为0.3mg/L。
因此，臭氧尾气必须进行处理。
常用的臭氧尾气处理方法有化学法和电热分解法。
化学法通常为催化剂法和活性炭吸收法。
催化剂法是以二氧化锰为基质的填料作为催化剂，它能对臭氧起到催化分解作用。
该方法的优点是设备投资少，运行能耗低。
其不足之处为：尾气进入破坏器前必须先除湿，否则催化剂遇潮后效果降低，很容易失效；安全稳定性差；催化剂要定期更换等。
活性炭吸附法是利用可燃性载体炭表面对臭氧吸收分解，以及一部分臭氧与活性炭直接反应，生成CO2和CO。
该方法的缺点是臭氧在活性炭吸附氧化过程中，产生热量，并形成不稳定的臭氧化产物，吸收装置容易发生燃烧和爆炸，当存在氮的氧化物时发生爆炸的危险性更大。
在实际生产中，这种方法应慎重选用。
电加热分解法是利用臭氧受热加速分解的特性处理臭氧尾气。
臭氧在300℃时，1min内可分解92～95％；在温度为350℃时，臭氧半衰期小于0.04 s，在1.5～2s 内完全分解，热分解后的臭氧浓度基本不受分解前臭氧浓度的影响。
该方法的优点是反应速度快，效果好，便于自动运行，工作安全可靠。
缺点是增加了部分设备的投资和运行能耗[4]。
电加热分解法是今后水厂应用的重点。
4．臭氧预氧化臭氧预氧化的投加点位于常规处理之前。
其主要用途为去除色度，嗅味等感观指标；氧化去除铁、锰以及其它重金属；除藻；助凝并减少絮凝剂的投加量和反冲洗水量；减少污泥生成量；将大分子有机物氧化为小分子有机物；取代前加氯（可以减少氯的消毒副产物生成）；氧化无机物质如氰化物、硝化物等。
由于原水浊度较高，为防止臭氧扩散装置被杂质堵塞，预臭氧一般以静态混合器或水射器的形式投加。
静态混合器的水头损失较大（4.9～9.8kPa），适用于原水水头有富余的场合。
水射器不消耗原水水头，但需增加部分动力设备来提示少量的原水与臭氧混合，以提高臭氧的传质效率。
预臭氧投加量较少，一般为1～2mg/L，接触时间短，一般为1～4分钟，主要考虑使絮凝剂的投加与除藻的效果最佳，反应后水中剩余臭氧几乎为零[5]。
预臭氧接触池一般设计有效水深6m，超高≥0.75m。
预臭氧一般采用前端1点投加，竖向廊道混合，混合水头控制在0.1m以内。
预臭氧氧化可降低原水中有机物的分子量，尤其以分子量大于105的有机物含量减少最多，但可使分子量在1000～3000和104～105的有机物浓度增加[6]。
预臭氧化对UV254的去除比较有效,去除率约为50％,而常规处理对这类有机物只有5％的去除率。
UV254代表一类含有芳香环和共轭双键结构的有机物，臭氧容易与有机物的―C＝C―双键反应，并对苯环有破坏力，使有机物的芳香性降低或消失。
预臭氧氧化了原水中部分的溶解性有机物，使DOC的浓度降低，但氧化的产物多是有机酸、醛类、酮酸等可生物降解的小分子有机物，使得BDOC 的浓度有所增加，提高了原水的可生化性，强化了后继工艺的处理能力。
目前对臭氧氧化机理研究和如何利用臭氧更有效去除饮用水中有机物的研究成为给水处理中关注的重点。
5. 臭氧后氧化臭氧后氧化的投加点位于常规处理之后。
后臭氧氧化的作用为：杀灭细菌，去除病毒；氧化水中有机物质如苯酚、洗涤剂、农药和生物难降解有机物；增加水中的溶解氧，有利于后继生物活性炭上好氧微生物的生长；减少出厂水的加氯量；氧化分解鳌合物，如EDTA 等。
由于砂滤出水浊度较低，后臭氧一般通过微空曝气盘以微气泡的形式与水充分接触，它不消耗动力，价格便宜，传质系数可达90％以上。
后臭氧接触时间一般大于10min，水中臭氧余量一般为0.2～0.4mg/L。
后臭氧接触池设计有效水深一般也为6m，超高≥0.75m。
后臭氧接触氧化系统在每条生产线一般设2～3个投加点。
当采用2点投加时，各点的臭氧投加比例依次为总投加量的80％～50％、20％～50％，每个投加点的臭氧接触时间分别为总时间的50％。
当采用3点投加时，各点的臭氧投加比例依次为80％～40％、10％～30％、10％～30％，各投加点的臭氧接触时间依次为总时间的30％、30％、40％[7]。
后臭氧投加量是一个重要的参数，一般为1.5～2.5mg/L。
因为水中有机物的种类和浓度不同，后臭氧的最佳投加量必须通过试验确定。
过小的臭氧投加量不能使原水中大分子有机物有效的分解，不利于后继生物活性炭的吸附和生物降解。
过大的臭氧投加量虽能使原水中一部分有机污染物降解氧化为最终产物H2O和CO2，降低了活性炭的有机负荷，但很不经济实用[8]。
在实际工程应用中进一步改进臭氧投加方式、更高效的利用臭氧氧化作用是今后的研究重点。
6. 生物活性炭滤池生物活性炭滤池位于后臭氧接触池之后。
活性炭可经济有效的去除嗅、味、色度、农药、放射性有机物及其它人工合成有机物。
活性炭是内部具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，其中微孔构成的内表面积占总面积的95％以上，活性炭对有机物的去除主要是微孔吸附作用。
活性炭的孔径特点决定了它对不同分子大小有机物的去除效果不同。
试验结果表明，活性炭易于吸附水中苯类化合物和小分子量腐殖质，对分子量500～1000的腐殖质，可吸附面积达GAC吸附面积的25％[9]，去除率一般为70％～86.7％，而对分子量小于500和大于3000的有机物则达不到有效去除的效果[10]。
正是这一特点，使活性炭能够有效的吸附臭氧氧化分解产生的小分子有机物。
活性炭是一种兼有吸附、触媒和化学反应活性的多功能载体。
好氧微生物群落可以分散在炭段表面，也可以成膜覆盖在整个炭粒外表面，形成生物活性炭。
微生物附着其上，可以发挥生化和物化处理的协同作用，从而延长活性炭的工作周期，大大提高处理效率，改善出水水质，并能处理那些采用单纯生化处理或炭吸附法法所不能去除的污染物质。
试验证明生物活性炭的处理效果只与空床接触时间（EBCT）有关，在同样的接触时间下，处理效率与滤速无明显的相关性。
因次，设计时应以接触时间为活性炭滤池设计运行的优先控制参数。
当以去除嗅和味为主，接触时间一般为8～10min；当以去除COD Mn为主时，一般接触时间为12～15min左右[11]。
生物活性炭滤池初期运行是以物理吸附为主，之后随着活性炭表面生物膜的不断形成，其功能将转为生物吸附与生物降解为主。
实际运行的生物活性炭的再生期一般可在10年以上。
炭床的厚度一般采用2～2.5m较为合理。
若厚度小于2m，则滤速偏低，滤池占地面积大，不经济；厚度大于 2.5m，则炭床反冲洗不干净。
今后的研究重点是降低生物活性炭滤池投资成本和增加各种预处理措施与生物活性炭滤池联用提高处理效果。
7. 结语臭氧生物活性炭技术作为饮用水深度处理技术的最典型代表，对该技术进行系统深入的研究显得极为重要。
当前我国对臭氧生物活性炭技术的研究同世界先进水平尚有较大差距。
因此，我们应积极研究开发该项新技术，提高它的设计和运行控制水平，降低投资和运行成本，充分发挥臭氧生物活性炭工艺除污染的效能，充分体现该项技术的优越性，促进其在工程实践中的广泛应用。
臭氧生物活性炭饮用水深度处理技术在我国给水处理事业中的应用潜力巨大，发展前景十分广阔。
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