摘要:為驗(yàn)證臭氧在生物活性炭工藝中所起的作用,在中試系統(tǒng)上考察了生物活性炭與臭氧生物活性炭工藝對(duì)原水有機(jī)物的去除效能。結(jié)果表明,臭氧生物活性炭工藝對(duì)CODMn 、UV254 、BDOC和AOC 的去除率比生物活性炭工藝分別高出21 %、37. 28 %、10 %和26. 4 %。在生物活性炭前設(shè)置臭氧工藝不僅能夠有效降低出水中的有機(jī)物含量,而且可以在較低投氯量的條件下使細(xì)菌的致死率達(dá)到近100 %。因此,為更好地發(fā)揮生物活性炭在水處理中對(duì)有機(jī)物的去除作用,應(yīng)在生物活性炭前增設(shè)臭氧工藝。

關(guān)鍵詞:臭氧氧化　   生物活性炭工藝　   有機(jī)物

隨著水污染的日趨嚴(yán)重,飲用水源水中有機(jī)物含量不斷增加,某些有機(jī)物在進(jìn)行氯化消毒時(shí)會(huì)產(chǎn)生氯化消毒副產(chǎn)物,其中大部分對(duì)人體健康構(gòu)成潛在威脅,因此對(duì)水中有機(jī)物的去除是水處理工藝的主要任務(wù)之一。水中含有很多傳統(tǒng)工藝不能有效去除的溶解性有機(jī)物、致突變物以及生物可同化有機(jī)碳(AOC) 等有毒有害物質(zhì)。為有效解決這些問題,國內(nèi)外開始利用生物活性炭或者臭氧生物活性炭等工藝建成深度處理水廠或者對(duì)現(xiàn)有水廠進(jìn)行改造。但由于水廠采用大型臭氧發(fā)生器造價(jià)較高,臭氧生物活性炭工藝能否有效解決現(xiàn)有傳統(tǒng)工藝無法解決的困難,在生物活性炭前增設(shè)臭氧工藝是否必要等問題尚未解決,本文針對(duì)以上問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 　試驗(yàn)研究方法

1. 1 　工藝流程和工藝參數(shù)

中試系統(tǒng)位于北方某水廠內(nèi),整套工藝采用不銹鋼裝置,深度處理工藝處理水量為1. 25 m3 / h ,其具體流程見圖1 。

臭氧接觸池內(nèi)徑為600 mm ,高度為3 400 mm ,鈦板自底部曝氣,下端進(jìn)水上端出水。臭氧投加量為2 mg/ L ,水的流速為8. 85 m/ h ,接觸時(shí)間12 min 。生物活性炭池,內(nèi)徑為600 mm ,高3 500 mm ,炭層裝填高1 500 mm ,砂墊層500 mm ,空床接觸時(shí)間為20 min ,采用下向流方式。試驗(yàn)采用國產(chǎn)ZJ 15 型粒狀活性炭,炭上生物采用人工固定化方式進(jìn)行培養(yǎng)。

1. 2 　檢測項(xiàng)目

在本研究中, CODMn 按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定。UV254是254 nm 波長下水樣的吸光度,能夠間接反映水中溶解性有機(jī)物濃度的變化規(guī)律,該波長下的紫外吸收物質(zhì)主要指含共軛雙鍵結(jié)構(gòu)或芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的不飽和有機(jī)物。因此,可以將UV254 作為有機(jī)物的替代參數(shù)之一( HP8452A 紫外分光光度儀,上海光譜儀器有限公司) 。BDOC 表示可生物降解溶解性有機(jī)碳,培養(yǎng)28 d 后測定DOC 然后計(jì)算差值得到。AOC 是有機(jī)物中最容易被細(xì)菌吸收,同化成菌體的部分,采用荷蘭Van der Kooij 等人提出的方法進(jìn)行測定。

1. 3 　試驗(yàn)用水

試驗(yàn)采用與城市給水廠同步的天然水源作為試驗(yàn)用水,時(shí)間從11 月到次年的3 月,期間原水水溫為1. 5～14. 5 ℃。

2 　試驗(yàn)結(jié)果及討論

2. 1 　工藝對(duì)有機(jī)物的去除規(guī)律

臭氧對(duì)有機(jī)物具有一定的去除效果,在臭氧投加量不是很大的條件下,對(duì)有機(jī)物的氧化作用不是很完全。單純的臭氧化工藝對(duì)CODMn 的去除率僅為11 %～35 % ,平均去除率為20 %;而臭氧與生物活性炭組合工藝對(duì)CODMn的去除率為25 %～60 % ,平均去除率為37 %(見圖2) 。比較圖3 兩套工藝流程的生物活性炭出水可知,臭氧化后水中有機(jī)物更易被生物活性炭去除,經(jīng)臭氧氧化后的BAC (O3 )(生物活性炭) 對(duì)CODMn的平均去除率為21 % ,不經(jīng)臭氧化的BAC(生物活性炭) 對(duì)CODMn 的平均去除率為16 %。

因此,在生物活性炭前增加臭氧工藝,能夠更好地對(duì)有機(jī)物進(jìn)行去除,因?yàn)槌粞跄苁顾须y生物降解的分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成能夠被生物降解的有機(jī)物,從而更加有利于活性炭的吸附和生物降解。

單純的生物活性炭對(duì)UV254 有一定的去除,但效果并不十分明顯,其平均去除率僅有20. 92 %。臭氧能夠與有機(jī)物的—C = C —雙鍵反應(yīng),對(duì)苯環(huán)具有一定的破壞能力,從而使有機(jī)物的芳香性降低甚至消失。因此經(jīng)過臭氧化后其能夠表示芳香環(huán)結(jié)構(gòu)或共軛雙鍵結(jié)構(gòu)有機(jī)物的UV254 明顯降低,平均去除率能夠達(dá)到41. 8 %。臭氧生物活性炭工藝對(duì)UV254 的去除率大部分是由臭氧的氧化作用實(shí)現(xiàn)的(見圖4) ,該組合工藝對(duì)UV254 的平均去除率達(dá)到58. 2 % ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單純采用生物活性炭工藝所能去除的20. 92 %(見圖5) 。    

以上試驗(yàn)證明臭氧生物活性炭組合工藝對(duì)以CODMn和UV254 為代表的有機(jī)物的去除效果優(yōu)于單純采用生物活性炭的工藝。

2. 2 　安全性分析

在前處理不加任何消毒劑的前提下,過濾出水細(xì)菌容易進(jìn)入生物活性炭中繁殖,使出水細(xì)菌的種類可能增加。為驗(yàn)證生物活性炭以及臭氧生物活性炭出水安全性及生物穩(wěn)定性,分別對(duì)工藝出水進(jìn)行微生物消毒試驗(yàn),以及AOC、BDOC 的測定。

2. 2. 1 　微生物試驗(yàn)

有研究表明,當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0. 01 mg/ L ,接觸時(shí)間為10～12 min 時(shí),細(xì)菌和病毒的失活性達(dá)到了99. 9 %。本工藝中臭氧的接觸時(shí)間為12 min ,因此經(jīng)過臭氧后進(jìn)入生物活性炭的水中不含有細(xì)菌或者細(xì)菌含量很少,沒有雜菌進(jìn)入生物活性炭,生物活性炭上固定的細(xì)菌不受外界干擾,能夠更好發(fā)揮其自身的作用。

為驗(yàn)證出水細(xì)菌安全性,對(duì)生物活性炭出水進(jìn)行了加氯量為1～4 mg/ L 的消毒試驗(yàn),在加氯量為2 mg/ L 時(shí),臭氧生物活性炭出水細(xì)菌致死率為99. 5 %,而生物活性炭出水細(xì)菌致死率為98. 89 %;在氯投加量為3 mg/ L 、4 mg/ L 時(shí),組合工藝出水細(xì)菌致死率已經(jīng)達(dá)到100 % ,而生物活性炭工藝出水細(xì)菌仍有部分存活。該試驗(yàn)表明,臭氧生物活性炭組合工藝較單純的生物活性炭工藝,其出水細(xì)菌對(duì)Cl 的耐受力小,因此更易被后續(xù)的消毒工藝去除。

2. 2. 2 　生物穩(wěn)定性試驗(yàn)

目前,給水處理廠多采用加氯消毒并保持管網(wǎng)末端一定的余氯量來控制細(xì)菌在管網(wǎng)中的繁殖,消毒后管網(wǎng)中殘存的細(xì)菌在水中存在可生物降解性有機(jī)物時(shí),就會(huì)重新進(jìn)行生長,污染水質(zhì)。因此,降低出廠水中可生物降解性有機(jī)物(AOC 或BDOC) 的含量能夠降低管網(wǎng)水中異養(yǎng)細(xì)菌生長繁殖的幾率。

BDOC 是水中細(xì)菌和其他微生物新陳代謝的物質(zhì)和能量來源。AOC 是有機(jī)物中最容易被細(xì)菌吸收、直接同化成細(xì)菌體的部分。

比較兩個(gè)工藝(圖6和圖7) 可以看出,單純的生物活性炭工藝對(duì)AOC 的去除率為60 % ,臭氧生物活性炭后相對(duì)于過濾工藝,去除率達(dá)到86. 5 %。臭氧氧化后水中BDOC 和AOC 濃度上升,這是因?yàn)槌粞跹趸胁糠执蠓肿佑袡C(jī)物使之生成相對(duì)分子質(zhì)量較小的中間產(chǎn)物,這些產(chǎn)物能夠被異養(yǎng)菌利用,造成AOC 和BDOC 的增加。本試驗(yàn)中以臭氧出水作為BAC 進(jìn)水時(shí), AOC 的去除率為88. 5 %。BDOC 的去除規(guī)律和AOC 比較一致。通過分析可知,臭氧生物活性炭工藝出水中含有的可生物降解性有機(jī)物含量不僅低于常規(guī)處理,而且也低于單純的生物活性炭工藝。

劉文君提出,北京市飲用水AOC 和BDOC的控制標(biāo)準(zhǔn)建議值分別為200 μg/ L 和0. 5 mg/ L ,本試驗(yàn)中的臭氧生物活性炭出水遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該指標(biāo)。通過組合工藝的消毒試驗(yàn)及對(duì)工藝出水AOC 和BDOC 的檢測說明,臭氧生物活性炭工藝相對(duì)于生物活性炭工藝的出水更安全,對(duì)應(yīng)水質(zhì)的穩(wěn)定性更強(qiáng),能夠更好地降低管網(wǎng)中異養(yǎng)細(xì)菌的生長,保證管網(wǎng)水質(zhì)。

3 　結(jié)論

(1) 對(duì)于常規(guī)有機(jī)物來說,臭氧生物活性炭組合工藝對(duì)CODMn和UV254 的平均去除率比生物活性炭工藝分別高出21 %和37. 28 %。因此,臭氧生物活性炭工藝能夠比單獨(dú)的生物活性炭工藝更加有效地去除有機(jī)物。

(2) 在后續(xù)消毒工藝中,臭氧生物活性炭組合工藝較單純的生物活性炭工藝出水含有的細(xì)菌更容易被氯殺滅,并且其加氯量也較少。

(3) 臭氧生物活性炭組合工藝出水的細(xì)菌消毒試驗(yàn)以及對(duì)出水中BODC 和AOC 的分析結(jié)果表明,臭氧生物活性炭組合工藝無論是出水的穩(wěn)定性還是安全性都明顯高于單獨(dú)的生物活性炭工藝。

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