張金松
深圳市自來水（集團(tuán)）有限公司

　　摘要: 根據(jù)我國地表水源普遍受到污染的現(xiàn)狀，通過人工配水，考察了臭氧化--生物活性炭與普通生物活性炭兩種不同工藝的處理效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，臭氧生物活性炭比普通生物活性炭能夠更多地去除有機(jī)物，其脫色、除濁能力亦優(yōu)于普通生物活性炭，證明了臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者協(xié)同作用的有效性。
　　關(guān)鍵詞：深度凈化；臭氧化；生物活性炭。

1 研究內(nèi)容與研究方法

　 鑒于我國地表水源污染的普遍性和嚴(yán)重性，我們在實(shí)驗(yàn)室條件下人工配水，觀察臭氧化－生物活性炭與普通生物活性炭兩種不同工藝深度凈化的處理效果。在受污染水源和本試驗(yàn)的人工配水中，有機(jī)物種類繁多、數(shù)量微小，不易做到單項(xiàng)檢測，故試驗(yàn)采用測定比較簡便、結(jié)果較為可靠的COD_Mn表示有機(jī)物總量。上述指標(biāo)中紫外吸光值測定基于大多數(shù)溶解性有機(jī)物對紫外光的吸收，尤其是不飽和烴類和芳香族化合物吸收紫外光更為強(qiáng)烈的原理，能夠快捷地反映生物活性炭對水中有機(jī)物的去除^［１］。測定溶解氧的意義在于，水中有機(jī)物是在好氧情況下由微生物降解去除，氧是最終電子受體。水通過生物活性炭吸附后的溶解氧下降量（ΔDO），實(shí)際上與水中有機(jī)污染物的總生化需氧量成正比，因而ΔDO反映了柱中好氧微生物對水中有機(jī)污染物的降解去除量。本實(shí)驗(yàn)采用碘量法測定溶解氧。濁度（利用濁度儀）、色度（鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法）、水溫（水銀溫度計(jì)）、pH值（pH計(jì)）等項(xiàng)目的測定是為了綜合考察兩種不同工藝工藝的凈化效果。

2 試驗(yàn)流程與試驗(yàn)裝置

　　 根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)、加工、安裝了臭氧化－－生物活性炭、普通生物活性炭試驗(yàn)裝置，以人工配水進(jìn)行稀釋后作為原水，具體試驗(yàn)流程如下：
　　a.原水（配水）→臭氧接觸氧化→生物活性炭過濾→出水
　　b.原水（配水）→生物活性炭柱過濾→出水
　　試驗(yàn)裝置示于圖1。

　　試驗(yàn)設(shè)備的規(guī)格及工藝參數(shù)如下:
　　a.臭氧接觸柱
　　有機(jī)玻璃柱直徑40mm，高2.6～4.5m，用玻璃砂濾板(或鈦板)自底部布?xì)猓瑸V板孔徑為20～40μm。水由水泵自原水箱提升到高位水箱，臭氧接觸柱上端進(jìn)水、下端進(jìn)氣，氣水逆流接觸，尾氣由柱頂排出。水在臭氧接觸柱中的流速為8～20m/hr，臭氧化接觸時(shí)間為10min，臭氧投加量控制在1～15mg/l。
　　b.臭氧發(fā)生系統(tǒng)
　　采用XY－1型臭氧發(fā)生器，可調(diào)電壓為8～18kV，臭氧產(chǎn)量為1～5gO₃／hr，空氣從大氣經(jīng)過無油空壓機(jī)進(jìn)入變壓吸附干燥裝置，吸附劑采用硅膠，臭氧產(chǎn)量可以通過調(diào)節(jié)升壓變壓器的初級電壓來控制，用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量進(jìn)氣量。臭氧濃度用碘量法測定。
　　c.生物活性炭柱Ｉ、炭柱Ⅱ
　　兩玻璃管內(nèi)徑均為30mm，炭柱Ⅰ（亦稱臭氧生物活性炭柱）、炭柱Ⅱ（亦稱普通生物活性炭柱）初裝高度為90cm，試驗(yàn)過程中為保持系統(tǒng)穩(wěn)定，取出炭樣后不再補(bǔ)充新炭，因而到運(yùn)行后期，兩柱中炭層高度已低于初始裝炭高度。炭柱Ⅰ、Ⅱ設(shè)有取樣口，炭層下面設(shè)墊層，以免炭屑泄漏。炭柱Ⅰ、Ⅱ均采用下向流，活性炭采用ZJ－15粒狀炭，粒徑1mm，長2～3mm。過濾時(shí)間20min。
　　d.原水箱
　　有效容積0.8m³，將松花江水靜置24小時(shí)，按1：5與自來水混合作為原水。
　　試驗(yàn)過程：把原水置于原水箱中，用水泵提升到高位水箱中，然后分成兩條管路：一條管路水從頂部進(jìn)入臭氧接觸柱，自上而下與臭氧接觸，臭氧（臭氧含量2%）由臭氧發(fā)生器通過玻璃砂布?xì)獍鍙某粞踅佑|柱底部進(jìn)入，在柱內(nèi)水氣逆流接觸，完成傳質(zhì)過程，尾氣通過頂部放空管排入大氣。出水由底部出水管進(jìn)入炭柱Ⅰ頂部，按照重力流方式，自上而下，進(jìn)行過濾吸附；另一條管路由貯水箱，直接從頂部進(jìn)入炭柱Ⅱ，不經(jīng)過臭氧接觸柱，以便進(jìn)行比較。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 有機(jī)物去除情況
　　經(jīng)測定，生物膜形成穩(wěn)定需要7～10天。試驗(yàn)從5月到12月為止，共運(yùn)行7個(gè)多月，有機(jī)物的去除情況如下：

圖2　 兩種不同流程去除COD_Mn對比

　　兩種不同流程去除COD_Mn的處理效果見圖2。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用臭氧化－生物活性炭流程出水水質(zhì)比僅有生物活性炭流程的出水水質(zhì)要好得多。我們認(rèn)為這是通過臭氧化、活性炭吸附和生物降解三種不同的機(jī)理協(xié)同作用的結(jié)果^[2]。
　　從圖2中可以看到，從運(yùn)行開始大約7天，兩流程出水COD_Mn很低；但當(dāng)運(yùn)行到8～12天后，兩流程出水COD_Mn明顯升高，之后又開始下降，但這時(shí)兩流程出水COD_Mn均比運(yùn)行初期略高。
　　這種現(xiàn)象主要是由于炭柱的物理吸附和生物降解共同作用所致。開始時(shí)，由于活性炭對有機(jī)物吸附速率較快，而炭上生物量較小，因而活性炭吸附對有機(jī)物去除起主要作用，且出水中COD_Mn較低。經(jīng)過幾天之后，隨著活性炭上吸附的有機(jī)物累積量增多，吸附速率開始下降，致使出水COD_Mn升高，但隨著炭上吸附和生長的微生物的增加，生物降解開始發(fā)揮作用，使出水COD_Mn經(jīng)短時(shí)間的升高后，又有所降低。
　　由圖2可見，炭柱Ｉ出水的COD_Mn明顯低于炭柱Ⅱ，其平均去除率高達(dá)68%，而炭柱Ⅱ僅為34%。這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簡單的有機(jī)物，使之變?yōu)镃O₂和H₂O，減輕了生物活性炭的負(fù)荷。同時(shí)，也由于臭氧投加，使炭柱Ｉ中的DO值提高，補(bǔ)充了水中ＤＯ消耗，創(chuàng)造好氧菌生長的環(huán)境，使好氧微生物活動增強(qiáng)，加快了有機(jī)物的降解。
　　通過水中UV值的測定，對炭柱Ⅰ及炭柱Ⅱ進(jìn)出水中可溶性有機(jī)物作進(jìn)一步分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。
　　炭柱Ⅱ出水UV值和進(jìn)水相比最高去除率達(dá)47%，最低可去除22％，平均可去除34％；炭柱I出水UV和進(jìn)水相比最高去除率達(dá)70％，最低去除率也能達(dá)到33％，平均去除率可達(dá)50％；
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，臭氧生物活性炭比普通生物活性炭能夠更多地去除有機(jī)物。再次證明了臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者協(xié)同作用的有效性。

圖3　 兩種不同流程出水UV值對比

3.2 色度、濁度的測定結(jié)果
　　濁度是水中懸浮顆粒的一種表征，它既是飲用水的感官性狀指標(biāo)，同時(shí)在水的微生物安全方面也具有重要意義^[3]?，F(xiàn)在對飲用水濁度要求越來越嚴(yán)格，我國新頒布的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》將濁度由國標(biāo)GB5749-85的3NTU，提高到1NTU^[4]；美國則要求在2002年1月1日起，濁度由0.5NTU降至0.3NTU^[5]。水中能產(chǎn)生色度的物質(zhì)是水中溶解或膠態(tài)的帶有生色基團(tuán)的有機(jī)物，如酚類、重氮、偶氮化合物；天然有機(jī)酸，如腐殖酸、黃腐酸和鞣酸等，也會產(chǎn)生不同程度的顏色，這些物質(zhì)與鹵代消毒副產(chǎn)物的形成密切相關(guān)^［2］。
　　經(jīng)過臭氧化，炭柱Ｉ出水的濁度、色度較炭柱Ⅱ進(jìn)一步降低（見圖4、圖5），特別是色度，由于上述的大分子有機(jī)物，不容易被活性炭吸附，因此炭柱Ⅱ脫色效果不理想，但炭柱Ｉ出水色度顯著降低，這表明了臭氧化脫色和活性炭吸附脫色聯(lián)合效果，同時(shí)臭氧化改變了一些帶有生色基團(tuán)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，形成的中間氧化物更易于活性炭吸附，有利于充分發(fā)揮活性炭的吸附能力，強(qiáng)化了活性炭吸附脫色的效能。

圖4　 兩種不同流程去除濁度對比

圖5　 不同流程去除色度對比

3.3溶解氧的測定結(jié)果
　　進(jìn)水的DO含量為4.5～5.5mg/l之間，水溫17℃～20℃，炭柱Ⅰ、炭柱Ⅱ內(nèi)DO的測定結(jié)果見圖6。結(jié)果表明：

圖6　 兩種不同流程柱內(nèi)溶解氧測定曲線

　　經(jīng)過臭氧化的出水進(jìn)入炭柱Ｉ后，出水ＤＯ明顯提高，甚至高于原水。而原水進(jìn)入炭柱Ⅱ未經(jīng)臭氧化，出水ＤＯ值很低，僅有微生物耗氧而無外界供氧，不能為微生物提供良好的好氧條件，從而影響了運(yùn)行效果。
　　在運(yùn)行過程中炭柱Ⅰ、炭柱Ⅱ的ＤＯ值均有所降低，這實(shí)際上間接反映了水中有機(jī)污染物生化需氧量的降低值（ΔBOD），進(jìn)水與出水的ΔDO值就是柱中微生物對水處理所做的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

4.1在實(shí)驗(yàn)條件下，臭氧化－生物活性炭工藝流程比普通生物活性炭能夠更有效地去除有機(jī)物，其COD_Mn平均去除率高達(dá)68%，而后者僅為34%。
4.2 臭氧化－生物活性炭工藝流程對有機(jī)物去除能力優(yōu)于普通生物活性炭，是臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者協(xié)同作用的結(jié)果。
4.3 臭氧化能夠改變有機(jī)物生色基團(tuán)的結(jié)構(gòu)，并通過形成活性炭易于吸附的中間產(chǎn)物，強(qiáng)化了活性炭的脫色、除濁能力，使臭氧接觸氧化－生物活性炭工藝流程出水濁度、色度均低于普通生物活性炭。

參考文獻(xiàn)

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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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作者通訊處：深圳市深南中路1019號萬德大廈 518031 深圳市自來水（集團(tuán)）有限公司水技術(shù)研究所