臭氧化—生物活性炭技术试验研究

张金松
深圳市自来水（集团）有限公司

　　摘要: 根据我国地表水源普遍受到污染的现状，通过人工配水，考察了臭氧化--生物活性炭与普通生物活性炭两种不同工艺的处理效果。试验结果表明，臭氧生物活性炭比普通生物活性炭能够更多地去除有机物，其脱色、除浊能力亦优于普通生物活性炭，证明了臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者协同作用的有效性。
　　关键词：深度净化；臭氧化；生物活性炭。

1 研究内容与研究方法

　 鉴于我国地表水源污染的普遍性和严重性，我们在实验室条件下人工配水，观察臭氧化－生物活性炭与普通生物活性炭两种不同工艺深度净化的处理效果。在受污染水源和本试验的人工配水中，有机物种类繁多、数量微小，不易做到单项检测，故试验采用测定比较简便、结果较为可靠的COD_Mn表示有机物总量。上述指标中紫外吸光值测定基于大多数溶解性有机物对紫外光的吸收，尤其是不饱和烃类和芳香族化合物吸收紫外光更为强烈的原理，能够快捷地反映生物活性炭对水中有机物的去除^［１］。测定溶解氧的意义在于，水中有机物是在好氧情况下由微生物降解去除，氧是最终电子受体。水通过生物活性炭吸附后的溶解氧下降量（ΔDO），实际上与水中有机污染物的总生化需氧量成正比，因而ΔDO反映了柱中好氧微生物对水中有机污染物的降解去除量。本实验采用碘量法测定溶解氧。浊度（利用浊度仪）、色度（铂钴标准比色法）、水温（水银温度计）、pH值（pH计）等项目的测定是为了综合考察两种不同工艺工艺的净化效果。

2 试验流程与试验装置

　　 根据试验要求，设计、加工、安装了臭氧化－－生物活性炭、普通生物活性炭试验装置，以人工配水进行稀释后作为原水，具体试验流程如下：
　　a.原水（配水）→臭氧接触氧化→生物活性炭过滤→出水
　　b.原水（配水）→生物活性炭柱过滤→出水
　　试验装置示于图1。

　　试验设备的规格及工艺参数如下:
　　a.臭氧接触柱
　　有机玻璃柱直径40mm，高2.6～4.5m，用玻璃砂滤板(或钛板)自底部布气，滤板孔径为20～40μm。水由水泵自原水箱提升到高位水箱，臭氧接触柱上端进水、下端进气，气水逆流接触，尾气由柱顶排出。水在臭氧接触柱中的流速为8～20m/hr，臭氧化接触时间为10min，臭氧投加量控制在1～15mg/l。
　　b.臭氧发生系统
　　采用XY－1型臭氧发生器，可调电压为8～18kV，臭氧产量为1～5gO₃／hr，空气从大气经过无油空压机进入变压吸附干燥装置，吸附剂采用硅胶，臭氧产量可以通过调节升压变压器的初级电压来控制，用转子流量计测量进气量。臭氧浓度用碘量法测定。
　　c.生物活性炭柱Ｉ、炭柱Ⅱ
　　两玻璃管内径均为30mm，炭柱Ⅰ（亦称臭氧生物活性炭柱）、炭柱Ⅱ（亦称普通生物活性炭柱）初装高度为90cm，试验过程中为保持系统稳定，取出炭样后不再补充新炭，因而到运行后期，两柱中炭层高度已低于初始装炭高度。炭柱Ⅰ、Ⅱ设有取样口，炭层下面设垫层，以免炭屑泄漏。炭柱Ⅰ、Ⅱ均采用下向流，活性炭采用ZJ－15粒状炭，粒径1mm，长2～3mm。过滤时间20min。
　　d.原水箱
　　有效容积0.8m³，将松花江水静置24小时，按1：5与自来水混合作为原水。
　　试验过程：把原水置于原水箱中，用水泵提升到高位水箱中，然后分成两条管路：一条管路水从顶部进入臭氧接触柱，自上而下与臭氧接触，臭氧（臭氧含量2%）由臭氧发生器通过玻璃砂布气板从臭氧接触柱底部进入，在柱内水气逆流接触，完成传质过程，尾气通过顶部放空管排入大气。出水由底部出水管进入炭柱Ⅰ顶部，按照重力流方式，自上而下，进行过滤吸附；另一条管路由贮水箱，直接从顶部进入炭柱Ⅱ，不经过臭氧接触柱，以便进行比较。

3 试验结果与讨论

3.1 有机物去除情况
　　经测定，生物膜形成稳定需要7～10天。试验从5月到12月为止，共运行7个多月，有机物的去除情况如下：

图2　 两种不同流程去除COD_Mn对比

　　两种不同流程去除COD_Mn的处理效果见图2。试验结果表明，采用臭氧化－生物活性炭流程出水水质比仅有生物活性炭流程的出水水质要好得多。我们认为这是通过臭氧化、活性炭吸附和生物降解三种不同的机理协同作用的结果^[2]。
　　从图2中可以看到，从运行开始大约7天，两流程出水COD_Mn很低；但当运行到8～12天后，两流程出水COD_Mn明显升高，之后又开始下降，但这时两流程出水COD_Mn均比运行初期略高。
　　这种现象主要是由于炭柱的物理吸附和生物降解共同作用所致。开始时，由于活性炭对有机物吸附速率较快，而炭上生物量较小，因而活性炭吸附对有机物去除起主要作用，且出水中COD_Mn较低。经过几天之后，随着活性炭上吸附的有机物累积量增多，吸附速率开始下降，致使出水COD_Mn升高，但随着炭上吸附和生长的微生物的增加，生物降解开始发挥作用，使出水COD_Mn经短时间的升高后，又有所降低。
　　由图2可见，炭柱Ｉ出水的COD_Mn明显低于炭柱Ⅱ，其平均去除率高达68%，而炭柱Ⅱ仅为34%。这主要是由于增加了臭氧的氧化作用，降低了COD_Mn值，直接氧化降解一部分简单的有机物，使之变为CO₂和H₂O，减轻了生物活性炭的负荷。同时，也由于臭氧投加，使炭柱Ｉ中的DO值提高，补充了水中ＤＯ消耗，创造好氧菌生长的环境，使好氧微生物活动增强，加快了有机物的降解。
　　通过水中UV值的测定，对炭柱Ⅰ及炭柱Ⅱ进出水中可溶性有机物作进一步分析，试验结果见图3。
　　炭柱Ⅱ出水UV值和进水相比最高去除率达47%，最低可去除22％，平均可去除34％；炭柱I出水UV和进水相比最高去除率达70％，最低去除率也能达到33％，平均去除率可达50％；
　　试验结果表明，臭氧生物活性炭比普通生物活性炭能够更多地去除有机物。再次证明了臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者协同作用的有效性。

图3　 两种不同流程出水UV值对比

3.2 色度、浊度的测定结果
　　浊度是水中悬浮颗粒的一种表征，它既是饮用水的感官性状指标，同时在水的微生物安全方面也具有重要意义^[3]。现在对饮用水浊度要求越来越严格，我国新颁布的《生活饮用水卫生规范》将浊度由国标GB5749-85的3NTU，提高到1NTU^[4]；美国则要求在2002年1月1日起，浊度由0.5NTU降至0.3NTU^[5]。水中能产生色度的物质是水中溶解或胶态的带有生色基团的有机物，如酚类、重氮、偶氮化合物；天然有机酸，如腐殖酸、黄腐酸和鞣酸等，也会产生不同程度的颜色，这些物质与卤代消毒副产物的形成密切相关^［2］。
　　经过臭氧化，炭柱Ｉ出水的浊度、色度较炭柱Ⅱ进一步降低（见图4、图5），特别是色度，由于上述的大分子有机物，不容易被活性炭吸附，因此炭柱Ⅱ脱色效果不理想，但炭柱Ｉ出水色度显著降低，这表明了臭氧化脱色和活性炭吸附脱色联合效果，同时臭氧化改变了一些带有生色基团有机物的结构，形成的中间氧化物更易于活性炭吸附，有利于充分发挥活性炭的吸附能力，强化了活性炭吸附脱色的效能。

图4　 两种不同流程去除浊度对比

图5　 不同流程去除色度对比

3.3溶解氧的测定结果
　　进水的DO含量为4.5～5.5mg/l之间，水温17℃～20℃，炭柱Ⅰ、炭柱Ⅱ内DO的测定结果见图6。结果表明：

图6　 两种不同流程柱内溶解氧测定曲线

　　经过臭氧化的出水进入炭柱Ｉ后，出水ＤＯ明显提高，甚至高于原水。而原水进入炭柱Ⅱ未经臭氧化，出水ＤＯ值很低，仅有微生物耗氧而无外界供氧，不能为微生物提供良好的好氧条件，从而影响了运行效果。
　　在运行过程中炭柱Ⅰ、炭柱Ⅱ的ＤＯ值均有所降低，这实际上间接反映了水中有机污染物生化需氧量的降低值（ΔBOD），进水与出水的ΔDO值就是柱中微生物对水处理所做的贡献。

4 结论

4.1在实验条件下，臭氧化－生物活性炭工艺流程比普通生物活性炭能够更有效地去除有机物，其COD_Mn平均去除率高达68%，而后者仅为34%。
4.2 臭氧化－生物活性炭工艺流程对有机物去除能力优于普通生物活性炭，是臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者协同作用的结果。
4.3 臭氧化能够改变有机物生色基团的结构，并通过形成活性炭易于吸附的中间产物，强化了活性炭的脱色、除浊能力，使臭氧接触氧化－生物活性炭工艺流程出水浊度、色度均低于普通生物活性炭。

参考文献

[1] 黄君礼，鲍治宇. 紫外吸收光谱法及其应用[M]. 北京：中国科学技术出版社，1992.
[2] 张金松. 臭氧化－生物活性炭除微污染工艺过程研究[D].哈尔滨：哈尔滨建筑大学博士学位论文，1995.
[3] Pontius, Frederic W. WaterQuality and Treatment, 4th edition[M]. New York: Mc-Graw Hill Company,1990.
[4] 中华人民共和国卫生部，生活饮用水卫生规范[s]，2001.
[5] 张金松，范晓军. 国际饮用水水质标准汇编[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

Lab-scale Study on Ozonation/BAC Process

Zhang Jinsong

Shenzhen Water Supply (Group) Co. Ltd.

　　ABSTRACT:Insight of the widespread pollution of surface water in our country, theperformances were investigated on the ozonation/biological activated carbon(ozonation/BAC) process and ordinary activated carbon process. The results showthat ozonation/BAC process is superior to ordinary activated carbon in removalof organics, color and turbidity. The effectiveness is testified.
　　Keywords: Advancedpurification, Ozonation, Biological activated carbon.

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作者通讯处：深圳市深南中路1019号万德大厦 518031 深圳市自来水（集团）有限公司水技术研究所