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臭氧化-生物活性炭技术的研究与应用

管理员:admin    录入日期:2010-5-22   点击数: 0

臭氧化-生物活性炭技术的研究与应用3.1臭氧化--生物活性炭技术的发展过程从六十年代末开始欧美发达国家在饮用水处理中较普遍地采用了活性炭,以进一步去除水中的有机污染物,这时活性炭处理前多采用预氯化。在此情况下,炭床进水中含有游离氯,微生物的生长受到抑制,炭床中没有明显的生物活性。臭氧化与活性炭吸附的第一次联合使用是1961年在德国Dusseldorf市Amstaad水厂中开始的8。由于该厂水源--莱茵河水质不断恶化,原有的河岸过滤→臭氧化→过滤→加氯的工艺已不能满足要求,为了提高出水水质,进一步消除嗅味,在过滤后又加上了活性炭吸附。该流程与当时一般采用的预氯化活性炭流程相比较,出水水质明显提高,炭的使用周期大为延长。此后,经过多年的使用和研究,逐渐认为炭床中大量生长的微生物所具有的生物活性是处理效率提高和炭使用周期延长的主要原因。以预臭氧化代替预氯化,可以使水中一些原来不易生物降解的有机物变成可生物降解的有机物,臭氧化的同时还可提高水中溶解氧的含量。此外,水中溶解臭氧的浓度很低,自分解速度又快,活性炭对溶解臭氧有催化分解作用,因此不会抑制床中微生物的生长,与预氯化时的情况完全不同。上面这些因素都可促进床中微生物的生长。在适当的设计和运行条件下,活性炭床中保持好氧状态,在炭粒表面生长着大量的好氧微生物,充分发挥了它们对有机物的分解作用,显著地提高了出水水质,并延长了活性炭的使用周期,由于这种活性炭具有明显的生物活性,后来被称之为生物活性炭。法国是最早在给水处理厂应用臭氧化技术的国家,臭氧化-双过滤技术是其工艺特色。RouenLaChapella水厂以地下水为原水,处理能力5万m3/d,由于水体污染以及地下水的过度开采,导致水中氨氮、铁、锰和有机污染物浓度过高。为解决这些问题,1976年饮用水深度净化设施投入使用,该工艺采用两阶段臭氧化流程9。水经过预臭氧化(接触时间为4min,平均臭氧投量0.5mg/l),进入双层滤池,滤料采用石英砂和活性炭。之后进行后臭氧化(水力停留时间10min,投量为0.6mg/l),然后安全投氯。处理后以有机物的综合指标衡量,去除率可达50%以上,而臭氧化与双层过滤对去除挥发性有机氯化物效果也很显著。瑞士使用臭氧处理地下水和地表水已有近半个世纪的历史,最大的苏黎世Lengg水厂处理能力25万m3/d。该水厂将臭氧和活性炭结合使用,以去除水中的有机污染物10。臭氧的投加方式为预臭氧化和中间臭氧化,其投加总量为3.0mg/l。通过取消预氯化,消除了饮用水的卤仿、醛和酮类物质。预臭氧化的投量为0.4~2mg/l,对水进行消毒,同时消除藻类,部分地去除色度和嗅味,并控制总三卤甲烷(THMS)的生成。中间臭氧化可氧化水中的有机物质,并再次消毒,其氧化产物为易生物降解的小分子有机物。由于生物作用,活性炭的使用周期可由1年延长到3~5年。这些国家臭氧化-生物活性炭技术的应用,为我国饮用水深度净化工艺技术研究提供了有益的借鉴,对我国开发具有中国特色的臭氧化-生物活性炭技术起到积极的促进作用。3.2国内应用概况我国自七十年代以来开始对臭氧化--生物活性炭进行研究,在八十年代初,先后建成一批应用该工艺的深度净化水厂。北京田村山水厂是我国较早采用臭氧化-生物活性炭技术的现代化水厂11,处理水量为17万m3/d,1985年投产,是北京市第一座取用地表水源(官厅水库)的净水厂。由于水源污染较重,嗅味、色度、有机物和氨氮浓度都较高,因此1984年以来原水经常规处理后,又进行了臭氧化-生物活性炭深度净化。臭氧的设计投加量为2mg/l,接触反应时间10min,活性炭滤池炭层厚1.5m,滤速为10m/hr。出水水质:色度<5度,无异嗅和异味,浊度<2NTU,NO2—-N由0.03降到0.01mg/l,CODMn由4mg/l降至3mg/l左右。该水厂的工艺流程见图3。由于臭氧设备全套从日本引进,运行维护困难,加之后来水源由官厅改用密云水库,水质有了很大改善,所以臭氧系统经常处于停机状态。

 

大庆石化总厂、吉林前郭炼油厂根据哈尔滨建筑大学小试和中试结果,对生活饮用水系统现有常规处理工艺进行深度净化改造,规模分别为2万m3/d和1万m3/d,改造后的工艺流程见图4。实际运行结果表明,深度净化后COD可由滤后水的4-6mg/L,降至2.5mg/L以下;在色质联机总离子流色谱图上,深度净化后水中有机物的浓度大幅度下降,有机物种类显著减少;水的浊度和色度由滤后水的4.6度和10度,降至接近0度,水质达到国际先进水平12。


昆明市自来水公司针对滇池水源低浊高藻特征,1996年底在第六水厂南分厂应用了臭氧化-生物活性炭处理工艺,规模10万m3/d,原水经过混凝、气浮、过滤后,进行臭氧接触反应、生物活性炭过滤,臭氧接触10min,生物活性炭滤池滤速8.27m/hr。运行投产后,出厂水浊度低于0.5NTU,色度小于5度;UV254,CODMn的去除率分别为42%和50%。该工艺对提高水质发挥了积极作用13。除此之外,九江炼油厂生活水厂、上海周家渡水厂、北京燕山石化公司动力分厂、南京炼油厂生活水厂也分别采用了臭氧化-生物活性炭工艺进行饮用水深度净化,均取得很好的处理效果。3.3臭氧化-生物活性炭技术的研究热点与发展趋势根据我国经济发展和水源污染的现状,在常规处理的基础上,通过臭氧化--生物活性炭进行深度净化,已成为国内经济发达地区解决健康饮水问题的迫切需要,但是,尽管臭氧化-生物活性炭工艺已有一定规模的实际应用,针对该技术国内外也进行了大量的研究工作,但目前仍存在一些理论和实践上的问题,影响着对该项技术的深入研究和推广应用,因而亟待解决。臭氧投加方式、投加量的优化与接触反应设备效能的提高,是当前臭氧化-生物活性炭工艺应用中一个难点。臭氧投加的位置分为预臭氧(又称前臭氧,在混凝前投加)、主臭氧(又称中间臭氧,在混凝后、过滤前投加)、后臭氧(在过滤后投加),其作用各不相同。选择合理的投加位置,并对投量进行优化分配,在工程应用之前应慎重考虑。对原水水质全面的和较长时段的分析与调查,十分必要。只有对水中消耗臭氧的有机物和还原性物质有了量化的把握,并在此基础上测定臭氧初始需求量,才能作为工程设计的依据。在深度净化设施投入运行后还要结合臭氧的接触反应方式,对接触反应过程进行化学衡算。水中和尾气中剩余臭氧的在线测定,对于分析接触反应装置效率和确定臭氧的最佳投加量非常重要,这已在深圳预臭氧化的工程实践得到充分证实14。臭氧化副产物和臭氧化出水AOC(可同化有机碳)升高,已成为臭氧化技术应用的一个关键问题。近年来的研究表明,臭氧化会形成溴酸盐、甲醛等一些有害副产物15。当水中含有Br-时,臭氧可氧化Br-为亚溴酸盐、溴酸盐、溴仿等溴化有机副产物。溴酸盐被国际癌症研究机构列为可能对人体致癌的化合物,WHO建议饮用水中溴酸盐最大含量为25μg/L,美国EPA规定现阶段溴酸盐的最大污染物水平为10μg/L16。如何控制出水中溴酸盐,成为臭氧化技术应用要考虑的一个重要问题,目前国外主要是采取臭氧多点投加、改变水的化学条件17、生物过滤18等方法来减少溴酸盐的生成。AOC是自来水管网中细菌再次繁殖的重要因素,也是管壁生长生物膜,管道腐蚀结垢的主要原因之一19。臭氧化有机物的中间产物醛、酮、羧酸等使水中的AOC明显升高,采用适宜的臭氧投加量并结合生物过滤是控制臭氧化出水中AOC的主要途径20。在臭氧化-生物活性炭工艺中,活性炭的选择、再生的方式,以及生物活性炭的出水生物安全性一直为研究和设计人员所关注。商品活性炭的性能指标主要有碘吸附值、亚基甲蓝吸附值和机械强度等,前两项指标代表了活性炭表面微孔数量的多少,但并不能反映活性炭对水中有机物的处理能力,活性炭在选用之前还要结合具体水质进行静态吸附试验、动态穿透试验等,试验程序、装置十分复杂,需要时间较长21。如能利用膜技术、生物技术对水中有机物分布、活性炭表面性质进行微观分析,快速地选炭,将是一个有益的尝试。生物活性炭通常使用3-5年后就要更换,这部分费用在深度净化运行成本中约占30%。活性炭的的再生方法主要是加热再生和化学再生,这些再生方法设备昂贵,操作复杂,因而采用臭氧化-生物活性炭工艺的实际水厂一般不考虑再生。随着生物技术的不断进步,以及原水中有机物污染物的浓度和数量的增加,生物再生将是一种很有潜力的再生方法1。生物活性炭上附着生长的微生物对水中的有机物起到降解作用,同时在水流的冲刷下,一部分细菌从活性炭脱离进入水中,对水的生物安全性构成潜在威胁。国外通常是生物活性炭滤池后接石英砂滤池,或采用炭砂双层滤池截留细菌。但对炭滤出水安全性的系统评估,后续工艺的合理优化则是今后我们在臭氧化生物活性炭工艺应用时必须面对和解决的问题。此外,控制THMs生成和减少反应副产物、最佳工艺条件和反应装置结构的合理设计,与其它氧化技术的优化组合等也值得进一步研究。生物活性炭与臭氧的联用技术近年来呈现出一些新的特点。2000年底投产的香港牛潭尾水厂的两阶段臭氧化和生物滤池,代表了当今水处理技术的发展方向。在微污染水源条件下,该水厂采用的两阶段臭氧化技术包括预臭氧化和中间臭氧化,可以有效杀灭水中隐孢子虫等致病微生物,同时氧化水中的溶解有机物,将水中残留的有机物转化成可生化形式,并保证生物滤池的好氧需要,为生物滤池去除氨氮创造有利条件。生物滤池采用活性炭滤料,在水质变化时,人工投加一些营养元素,并对水质进行调节,以保持其生物活性22。传统的生物活炭是在运行中自然形成的,现在已开始利用生物工程技术筛选、培养工程菌,经过富营养到贫营养反复驯化,使之能够在含微量有机污染物的水中生存,并通过物理吸附方式固定在活性炭上,从而使生物活性炭具有长期稳定的有机物去除率,使用寿命延长到4年以上23。

总之,臭氧化—生物活性炭技术无疑是一种新型高效的水处理工艺方法,尤其是对去除当前水源普遍存在的有机微污染具有显著的效果和推广应用的价值,随着实践过程的不断改进提高,必将饮用水深度净化领域中发挥更大的作用

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