摘要:為驗證臭氧在生物活性炭工藝中所起的作用,在中試系統上考察了生物活性炭與臭氧生物活性炭工藝對原水有機物的去除效能。結果表明,臭氧生物活性炭工藝對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 %。在生物活性炭前設置臭氧工藝不僅能夠有效降低出水中的有機物含量,而且可以在較低投氯量的條件下使細菌的致死率達到近100 %。因此,為更好地發揮生物活性炭在水處理中對有機物的去除作用,應在生物活性炭前增設臭氧工藝。
關鍵詞:臭氧氧化 生物活性炭工藝 有機物
隨著水污染的日趨嚴重,飲用水源水中有機物含量不斷增加,某些有機物在進行氯化消毒時會產生氯化消毒副產物,其中大部分對人體健康構成潛在威脅,因此對水中有機物的去除是水處理工藝的主要任務之一。水中含有很多傳統工藝不能有效去除的溶解性有機物、致突變物以及生物可同化有機碳(AOC) 等有毒有害物質。為有效解決這些問題,國內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現有水廠進行改造。但由于水廠采用大型臭氧發生器造價較高,臭氧生物活性炭工藝能否有效解決現有傳統工藝無法解決的困難,在生物活性炭前增設臭氧工藝是否必要等問題尚未解決,本文針對以上問題進行了試驗研究。
1 試驗研究方法
1. 1 工藝流程和工藝參數
中試系統位于北方某水廠內,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 。
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臭氧接觸池內徑為600 mm ,高度為3 400 mm ,鈦板自底部曝氣,下端進水上端出水。臭氧投加量為2 mg/ L ,水的流速為8. 85 m/ h ,接觸時間12 min 。生物活性炭池,內徑為600 mm ,高3 500 mm ,炭層裝填高1 500 mm ,砂墊層500 mm ,空床接觸時間為20 min ,采用下向流方式。試驗采用國產ZJ 15 型粒狀活性炭,炭上生物采用人工固定化方式進行培養。
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1. 2 檢測項目
在本研究中, CODMn 按照標準方法進行測定。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物濃度的變化規律,該波長下的紫外吸收物質主要指含共軛雙鍵結構或芳香環結構的不飽和有機物。因此,可以將UV254 作為有機物的替代參數之一( 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碳,培養28 d 后測定DOC 然后計算差值得到。AOC 是有機物中最容易被細菌吸收,同化成菌體的部分,采用荷蘭Van der Kooij 等人提出的方法進行測定。
1. 3 試驗用水
試驗采用與城市給水廠同步的天然水源作為試驗用水,時間從11 月到次年的3 月,期間原水水溫為1. 5～14. 5 ℃。
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2 試驗結果及討論
2. 1 工藝對有機物的去除規律
臭氧對有機物具有一定的去除效果,在臭氧投加量不是很大的條件下,對有機物的氧化作用不是很完全。單純的臭氧化工藝對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,臭氧化后水中有機物更易被生物活性炭去除,經臭氧氧化后的BAC (O3 )(生物活性炭) 對CODMn的平均去除率為21 % ,不經臭氧化的BAC(生物活性炭) 對CODMn 的平均去除率為16 %。
因此,在生物活性炭前增加臭氧工藝,能夠更好地對有機物進行去除,因為臭氧能使水中難生物降解的分子有機物轉化成能夠被生物降解的有機物,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 %。臭氧能夠與有機物的—C = C —雙鍵反應,對苯環具有一定的破壞能力,從而使有機物的芳香性降低甚至消失。因此經過臭氧化后其能夠表示芳香環結構或共軛雙鍵結構有機物的UV254 明顯降低,平均去除率能夠達到41. 8 %。臭氧生物活性炭工藝對UV254 的去除率大部分是由臭氧的氧化作用實現的(見圖4) ,該組合工藝對UV254 的平均去除率達到58. 2 % ,遠遠高于單純采用生物活性炭工藝所能去除的20. 92 %(見圖5) 。
以上試驗證明臭氧生物活性炭組合工藝對以CODMn和UV254 為代表的有機物的去除效果優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,過濾出水細菌容易進入生物活性炭中繁殖,使出水細菌的種類可能增加。為驗證生物活性炭以及臭氧生物活性炭出水安全性及生物穩定性,分別對工藝出水進行微生物消毒試驗,以及AOC、BDOC 的測定。
2. 2. 1 微生物試驗
有研究表明,當臭氧濃度達到0. 01 mg/ L ,接觸時間為10～12 min 時,細菌和病毒的失活性達到了99. 9 %。本工藝中臭氧的接觸時間為12 min ,因此經過臭氧后進入生物活性炭的水中不含有細菌或者細菌含量很少,沒有雜菌進入生物活性炭,生物活性炭上固定的細菌不受外界干擾,能夠更好發揮其自身的作用。
為驗證出水細菌安全性,對生物活性炭出水進行了加氯量為1～4 mg/ L 的消毒試驗,在加氯量為2 mg/ L 時,臭氧生物活性炭出水細菌致死率為99. 5 %,而生物活性炭出水細菌致死率為98. 89 %;在氯投加量為3 mg/ L 、4 mg/ L 時,組合工藝出水細菌致死率已經達到100 % ,而生物活性炭工藝出水細菌仍有部分存活。該試驗表明,臭氧生物活性炭組合工藝較單純的生物活性炭工藝,其出水細菌對Cl 的耐受力小,因此更易被后續的消毒工藝去除。
2. 2. 2 生物穩定性試驗
目前,給水處理廠多采用加氯消毒并保持管網末端一定的余氯量來控制細菌在管網中的繁殖,消毒后管網中殘存的細菌在水中存在可生物降解性有機物時,就會重新進行生長,污染水質。因此,降低出廠水中可生物降解性有機物(AOC 或BDOC) 的含量能夠降低管網水中異養細菌生長繁殖的幾率。
BDOC 是水中細菌和其他微生物新陳代謝的物質和能量來源。AOC 是有機物中最容易被細菌吸收、直接同化成細菌體的部分。
比較兩個工藝(圖6和圖7) 可以看出,單純的生物活性炭工藝對AOC 的去除率為60 % ,臭氧生物活性炭后相對于過濾工藝,去除率達到86. 5 %。臭氧氧化后水中BDOC 和AOC 濃度上升,這是因為臭氧氧化水中部分大分子有機物使之生成相對分子質量較小的中間產物,這些產物能夠被異養菌利用,造成AOC 和BDOC 的增加。本試驗中以臭氧出水作為BAC 進水時, AOC 的去除率為88. 5 %。BDOC 的去除規律和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物含量不僅低于常規處理,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的控制標準建議值分別為200 μg/ L 和0. 5 mg/ L ,本試驗中的臭氧生物活性炭出水遠遠低于該指標。通過組合工藝的消毒試驗及對工藝出水AOC 和BDOC 的檢測說明,臭氧生物活性炭工藝相對于生物活性炭工藝的出水更安全,對應水質的穩定性更強,能夠更好地降低管網中異養細菌的生長,保證管網水質。
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3 結論
(1) 對于常規有機物來說,臭氧生物活性炭組合工藝對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的生物活性炭工藝更加有效地去除有機物。
(2) 在后續消毒工藝中,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菌消毒試驗以及對出水中BODC 和AOC 的分析結果表明,臭氧生物活性炭組合工藝無論是出水的穩定性還是安全性都明顯高于單獨的生物活性炭工藝。來源：谷騰水網
