1、 臭氧 - 生物活性炭在给水处理中的应用 摘要 介绍了臭氧 - 生物活性炭工艺和国内外的研究进展 ,并就目前臭氧 - 生物活性炭工艺存在的问题以及今后发展的方向提出了自己的方法 关键词 臭氧 - 生物活性炭 ,给水处理 我国长期以来重视水厂的建设 ,忽视污水的处理 1 ,许多城市和地区的水资源受到严重 威胁 ,饮用水源的水质指标持续恶化 ,如珠江水域全年有 16 项指标的超标率达 2613 %3617 %2 ,某些断面检测出的有机污染物达 155 种之多 3 ,常规的处理流程难以达到饮用水 标准 1 许多自 来水厂 ,如广州员村水厂于 1995 年改成供应工业水 3 ,或者将取水口上移 ,广
2、州南部水厂的永久取水点就设在距离广州市 40 km 的顺德水道 ,因此解决广州市的水质性缺水深度和处理水源水问题成为一件迫在眉睫的大事 1 常规的给水处理工艺 目前 ,我国大部分城市的水厂都是沿用原水混凝沉淀过滤加氯消毒的传统工艺 ,这种工艺对降低水的浊度 ,灭菌消毒卓有成效 ,但人们逐渐发现 ,随着水中有机污染物的增加 ,液氯与有机物生成三氯甲烷、溴亚氯甲烷、亚溴氯甲烷等致突变的有机活性物质 ,其中三氯甲烷由原水中的 019 g/ kg 增加为 127 g/ kg (两次加氯后 ) 4 ,前后三氯甲烷的含量增加为原来的百倍以上 1 实验结果证实 ,物质的致癌性与致突变性有一定的联系 5 ,6
3、 ,长期饮用 ,必将带来严重的后果 ,因此必须改革传统的消毒工艺 ,有效地去除水中的有机污染物 2 臭氧 - 活性炭处理工艺的提出 国内外在探讨饮用水处理新工艺方面开展了大量的工作 1 主要有 : (1) 改换滤料或采用多层滤料 ,即从过滤操作入手 ,强化过滤效果 ,如 :用活性炭替换石英砂 7 ,将活性炭与硅藻土联用 8 ,活性炭与石英砂联用 9 ,利用活性炭优良的吸附性能去除水中溶解性的有机物 1 但这种工艺中滤料的使用周期较短 ,需要不断地反复冲洗 ,多次使用后再生困难 ,所以运行成本高 (2) 将生物接触氧化、生物滤池、生物转盘、生物流化床法等废水的生物处理方法引入给水处理工艺中 同济
4、大学、清华大学进行了生物预处理和接触氧化的研究 2 ,10 ,11 ,广州市自来水公司和中南市政设计院等还进行了生物接触氧化的研究 2 、生物预处理的中试 12 ,结果表明这些办法对氨氮的去除效果好 ,有机物的去除效果一般 ,最后加氯消毒后依然产生许多致突 变的物质 1 而且这种方法占地面积大 ,我国有许多老水厂都修建在市区 ,地方有限 ,不可能再修建较大的处理工程 (3) 从消毒工艺入手 ,寻找液氯的替代品 1 二氧化氯国外使用比较广泛 ,但它必须现场制备 ,成本较高 1 氯胺和高锰酸钾的研究还不成熟 ,产物的性质有待进一步研究 ,如二氧化氯生成的副产品 - 亚氯酸盐和氯酸盐是美国环保局严格
5、控制的物质 13 1 若单纯采用臭氧做消毒剂 ,由于臭氧在水中的性能不稳定 ,后面还必须加液氯作为最终的消毒剂 ,仍然和水中没有去除的有机物生成可突变的活性物质 (4) 将臭氧与活性炭工艺结合起 来 11969 年西德的不来梅水厂发现 ,将臭氧与活性炭 (此处为生物活性炭 ) 处理连接起来 ,可以达到多重效果 4 常用的流程如下 :原水臭氧预氧化砂过滤生物活性炭过滤臭氧氧化后氯化 3 臭氧 - 活性炭处理工艺流程中各部分操作的作用 3. 1 臭氧预氧化 (1) 臭氧氧化后生成的氧气无毒、无害 ,而且为后面活性炭上附着的好氧菌和硝化菌提 供生长的营养源 ,防止水体发臭 (2) 臭氧同时氧化水中溶
6、解性的锰和铁 ,生成难溶性的氧化物 ,提高砂过滤的效果 ,使 锰、铁的去除率增加 14 (3) 臭氧 作为一种强氧化剂 ,能氧化分解水中的高分子有机物 ,如 :腐植酸等 ,分解后的 小分子有机物容易被活性炭吸附 1 3. 2 砂滤 沿袭传统的工艺 ,降低水的浊度 3. 3 生物活性炭 (1) 除臭、除味 1 活性炭作为一种多孔的物质 ,能够吸附水中浓度较低、其它方法难以去除的物质 ,如二甲基异次醇、土味素等 ,所以即使在枯水季节 ,也能保证较好的水质 (2) 去除合成洗涤剂 (烷基苯磺酸钠 ,ABS) 1 随着合成洗涤剂在工业、生活中使用量的加剧 ,原水中 ABS 的浓度不断增加 ,活性炭吸附
7、是一种有效的途径 (3) 生化降 解的作用 1 活性炭空隙多 ,比表面积大 ,成为细菌栖息的好场所 1 而水中的 有机污染物在活性炭表面浓缩 ,为细菌的生长提供物质条件 ,因此活性炭出水的细菌增加 ,滤床有粘膜出现 ,造成水质变坏甚至阻塞滤床 1 若将此不利因素化为有利条件 ,提供足够的氧气 (臭氧氧化后的产物 ) 来促进细菌的降解作用 ,使吸附后的有机物迅速分解 ,减少活性炭的吸附负荷 ,大大地延长活性炭的使用周期 (4) 活性炭附着的硝化菌还可以转化水中的氨类化合物 ,降低水中氨 - 氮 (NH3 - N) 的浓度 3. 4 臭氧氧化 臭氧的氧化性强于液氯 ,它破坏细 菌体上的脱氢酶 ,干
8、扰了细菌的呼吸作用 ,从而导致 细菌的死亡 9 ,而且臭氧反应后没有有致突变性的物质产生 ,因此将生物活性炭过滤后的水 用臭氧消毒非常安全 1 3. 5 后氯化 由于臭氧的化学性质不稳定 ,不能在水中长期保留 ,为了保证在运输的过程中水质不受 污染 ,因此在最后一步中投加液氯 1 由于有机污染物通过臭氧 - 生物活性炭已经基本去除 , 最后生成的致突变物质较少 ,水质清洁 总之 ,臭氧 - 生物活性炭处理饮用水将臭氧的化学氧化作用、杀菌消毒的作用与活性炭的物理化学吸附、生物氧化降解作用紧密结合在一起 ,互相促进 ,取得了多重效应 4 国内的研究成果 面对污染日益严重的水源 ,国内一些研究单位开
9、展了一些卓有成效的工作 吕炳南 15 等人发现 :臭氧 - 活性炭处理法能大大降低水中的有机物种类 (表 1) 从表 1 可以看出 ,用常规方法处理后用液氯消毒 ,有机物的种类增加 ,特别是有 7 种属于美国环保局规定应重点去除的污染物质 1 而臭氧 - 活性炭 - 加氯后生成的有机物少 , CODMn的去除率为 7311 % ,达到世界卫生组织和先进国家的标准 (小于 215 mg/ kg) 上海自来水公司早在 20 世纪 80 年代就开始这方面的研究 ,实验结果表明 ,CODMn的去除率达 50 %以上 ,氯仿 (CHCl3) 的去除率达 100 % ,四氯化炭 (CCl4) 的去除率达
10、75 % ,阳离子洗涤剂去除率达 90 % ,氨 - 氮 (NH3 - N) 达 70 % 90 %1Ames 实验表明水呈阴性 ,达到干净、健康的水质标准 16 同济大学和上海自来水公司将生物滤池和臭氧 - 活性炭技术进行组合处理黄浦江的原 水 17 1 工艺流程如下 : (1) 生物滤池常规的混凝、沉淀、过滤臭氧生物活性炭加氯 (2) 生物滤池常规的混凝、沉淀、过滤加氯 (3) 臭氧常规的混凝、沉淀、过滤加氯 结果表明 ,工艺 (2) 、 (3) 处理后水中存在大量的有机物 ,氯化后致突变性呈阳性 ,而工艺 (1) 处理后呈阴性 ,这表明即使经过生物过滤 ,臭氧消毒后仍存在着有机物和氯反应
11、生成突变物质 ,不利于健康 ,因此只有通过臭氧 - 生物活性炭才能使水质清洁而且健康 国内已有少量水厂采用此工程 ,如 1985 年建成的北京市田村山净水厂 9 和燕山石油化工厂 1986 年建成的饮用水厂 5 国外的应用情况 臭氧 - 活性炭技术从 20 世 纪 60 年代发明以来 ,已在欧洲、美国、日本等发达国家广泛采用 9 ,19 ,20 ,运行结果表明 ,此工艺对氨 - 氮 (NH3 - N) 和总有机炭 ( TOC) 的去除比单独采 用臭氧或活性炭处理要高许多 ,分别为 70 % 90 %和 30 % 75 %9 , 这表明臭氧的氧化作用有效地提高了活性炭的生物活性 1 法国鲁昂市夏
12、佩尔水厂的运行结果表明 ,臭氧 - 生物活性炭技术可以去除水中 85 %的有机物 4 (以 TOC 计 ) 6 此方法的局限性和发展前景 (1) 臭氧的制作工艺复杂 ,一次性投资较高 ,而且 臭氧在水中的溶解度小 ,因此操作的运 行成本高 ,如何提高臭氧的溶解度 ,成为研究的方向 (2) 臭氧在水中分解很快 ,消毒作用难以持续 ,因此为了避免水在运输的过程中产生二次污染 ,出厂前还必须投加液氯消毒 (3) 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 16 1 寻求活性炭的适宜生长条件 ,优势菌种的
13、筛选 ,成为此工艺的重点 (4) 生物活性炭上附着的微生物在代谢过程产生的降解物 ,未完全分解的有机物以及微 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 ,需要进一步的研究 (5) 生物活性炭一般运行 1 年以上需要更换 ,如果处理不当会造成二次污染 (6) 臭氧 - 生物活性炭法的投资和运行费用高于生物预处理方法 21 总之 ,臭氧 - 活性炭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 ,根据 中国现在的国情 ,在水厂大面积的推广还需要不断的改进 参 考 文 献 1 郭劲松 ,党清平 ,龙腾锐 1 重庆城市排水建设及管理的战略设想 1 重庆市环境科学 ,1998 ,
14、20 (2) :1 4 2 范次樵 1 珠江后 航道水源水的生物处理实验 1 给水排水 ,1996 ,22 (4) :11 15 3 赵亚乾 1 广州面临的水环境问题及其对策探讨 1 给水排水 ,1996 ,22 (4) :52 55 4 国家环保局编 1 活性炭水处理技术 ,北京 :中国环境科学出版社 ,1992178 101 5 B. J . Kool. Water Supply and Health Elsevier Scientific Publishing CO. P , 1981 :135 155 6 张永吉 1 自来水中致突变的有机活性物 1 上海环境科 学 ,1990 ,9 (
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16、响研究 1 中国给水排水 , 1996 ,12 (40) :27 29 12 邓志光 1 生物处理法在给水处理中的应用 1 中国给水排水 ,1991 ,7 (5) :41 43 13 辜永斌译 1 采用氯化亚铁消除饮用水中的亚氯酸盐 1 净水技术 ,1996 ,57 (3) :16 19 In : Water Engi2 neering &Management ,1995 ,2 :35 37 14 周大佐 ,邱凌峰 1O32生物活性炭技术在微污染 水处理中的应用 1 重庆环境科学 ,1998 ,20 (2) :41 25 15 吕炳南 ,张金松 ,朱 佳 1 用臭氧 - 生物活性炭法深度处理饮
17、用水 1 中国给水排水 ,1993 ,9 (2) :1315 16 陆在宏 ,蔡体球 ,许国平等 1 臭氧 - 生物活性炭净水工艺研究 1 上海环境科学 ,1990 ,9 (1) :14 18 17 岳舜琳 ,苏 华 ,许国平等 1 生物氧化处理黄浦江原水的研究 1 上海环境科学 ,1990 ,9 (6) :15 19 18 孔令琴 1 臭氧 - 活性炭在燕化饮用水厂的应用总结 1 给水排水 11994 ,20 (1) :15 17 19 Yasushi Takeuchi ,Kazuhiro Mochidzuki , Noriyuki Matsunobu et al. Advanced Tre
18、atment of Raw Munici2 pal Water by Ozonation Followed by Biological Activated Carbon Process. The Proceedings Of The Fourth CHINA - JAPAN - USA Symposium On Advanced in Adsorption Separation Science And Technology , May13 - 16 ,Guangzhou , CHINA. 20 Dussert .B. W. The Biological Activated Carbon Process for Water Purification. Wat . Eng , manage. 1994 , 141 (12) :22 24 21 周大佐 1 污染水源水的生物预处理 1 上海环境科学 ,1997 ,16 (4) :23 25
