臭氧/生物活性炭联用工艺在水处理中的应用

 臭氧/生物活性炭联用工艺在水处理中的应用
                             徐越群1）赵巧丽2）
（石家庄铁路职业技术学院1）河北石家庄050041石家庄综合地质大队2）河北石家庄050081）
    摘要：随着水质污染的日益严重和水质标准的不断提高，常规的水处理工艺往往达不到理想的处理效果。因此，以高效去除水中溶解性有机物和致突变物的饮用水深度净化技术——臭氧化——生物活性炭联用技术日益受到重视。综述臭氧化——生物活性炭联用技术的作用机理及在水处理中的应用研究，并对发展现状及趋势进行分析。
    关键词：臭氧氧化生物活性炭水处理
    中图分类号：TV4文献标识码：A文章编号：1673-1816(2010)04-0034-04
    目前，给水处理厂常规的净水工艺为“混凝沉淀——砂滤——加氯消毒”，该项工艺在不能有效地去除水源水中微量可溶性有机污染物，并且其氯化消毒工艺过程中又产生了以氯仿为代表的卤代有机物，这其中有许多致癌、致畸、致突变的三致物质[1]。因此，去除水中有机污染物为目标的饮用水深度净化技术得到广泛的研究，臭氧化-生物活性炭联用工艺日益受到重视，并迅速从理论走到实际应用，其净水工艺以高效去除水中溶解性有机物和致突变物，出水安全、优质而备受瞩目[2]。该工艺在国外运用已经比较成熟，欧洲国家如德意荷等国家已经广泛地将其应用于上千座水厂中，该工艺在我国近年来受到重视，正在逐步推广应用。
    1·臭氧——生物活性炭技术的发展概况
    1.1臭氧氧化技术
    臭氧氧化技术应用最广泛、最成功的领域是饮用水处理。臭氧是一种很强的氧化剂和消毒剂，其氧化还原电位在碱性环境中仅次于氟。臭氧氧化在饮用水深度处理中的作用有:氧化有机物、减少消毒副产物、消毒、去除色度、促进混凝等[3,4]。
    一般来说，单纯的臭氧氧化工艺需要的能量和费用较高，不太适合大规模的优质饮用水的制取，它只能是有选择地将危害性较大的有毒有害物质变成危害较小的物质，或与其他的处理单元结合，才有可能广泛地应用于工程实践[5]。
    1.2生物活性炭技术
    生物活性炭（Biological Activated Carbon，BAC）由美国米勒和里根等人首次提出，指水处理过程中，有意识地助长在粒状活性炭吸附中的好氧生物活性的处理工艺[6]。国内外研究和实际应用表明，在对饮用水深度处理中，BAC对水中化学需氧量（COD）、浊度、色度有很好的去除效果[7]。生物活性炭不足之处在于一般采用自然挂膜方式，时间较长；进水浊度高时，活性炭微孔极易被阻塞，导致活性炭的吸附性能下降，在长期高浊度情况下，会造成活性炭的使用周期缩短，进水水质的pH值适用范围窄，抗冲击负荷差等[8]。研究的重点是降低投资成本和增加各种预处理措施与BAC联用提高处理效果。
    1.3臭氧生物活性炭联用技术
    臭氧氧化和生物活性炭技术都各自有其局限性，到了上个世纪六七十年代，一种新型组合工艺“臭氧——生物活性炭”（ozone-biological activated carbon，O3-BAC）技术诞生了，它具有优异的去除污染物效能，尤其是有机污染物，因而受到人们的高度重视。臭氧——生物活性炭的第一次联合使用是1961年在德国Dusseldorf市Amstaad水厂中开始的，它的成功引起了德国以及西欧水处理工程界的重视。在1967年Parkhrust等人首次肯定了微生物在活性炭上生长的有利性[9,10]，大大延长了颗粒活性炭（oranular Activated Carcon简称GAC）的使用寿命，最终确立了臭氧-生物活性炭技术。1978年由美国学者米勒（G.W.Miller）和瑞士学者R.G.Rice首次采用了“生物活性炭”这一术语[11]。臭氧——生物活性炭联用技术在20世纪70年代传入我国，并从20世纪80年代开始得到应用。臭氧——生物活性炭工艺净水是依靠臭氧的强烈氧化作用，使一部分有机物氧化，臭氧化水中剩余的臭氧分解成氧，使活性炭处于富氧状态，导致好氧微生物在活性炭表面繁殖，并通过生物吸附氧化作用，提高活性炭去除有机污染物的能力，并显著延长了活性炭的使用寿命[2]。
    2·臭氧——生物活性炭联用技术的作用机理[2]
    臭氧——生物活性炭是将活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒四种技术合为一体的工艺。
    简单地说，在传统水处理工艺的基础上，以预臭氧化代替预氯化，在快滤池后设置生物活性炭滤池。臭氧具有强烈的氧化作用，利用臭氧预氧化作用，初步氧化分解水中的有机物及其他还原性物质，以降低生物活性炭滤池的有机负荷，同时臭氧氧化能使水中难以生物降解的有机物断链、开环，使它能够被生物降解。另外，臭氧还能起到充氧作用，使生物活性炭滤池有充足的溶解氧用于生物氧化作用。活性炭能够迅速地吸附水中的溶解性有机物，同时也能富集水中的微生物。活性炭表面吸附的大量有机物也为微生物提供了良好的生存环境。有丰富的溶解氧的环境下微生物以有机物为养料生存和繁殖，同时也使活性炭表面得以再生，从而具有继续吸附有机物的能力，即大大延长了活性炭的再生周期。同时后续的活性炭又能吸附臭氧氧化过程中产生的大量中间产物，包括解决了臭氧无法去除的三卤甲烷及其前驱物质，并保证了最后出水的生物稳定性。
    在水处理过程中臭氧与生物活性炭两者的作用表现出互补性，臭氧能有效的氧化大分子有机物，剩下的小分子有机物由活性炭吸附，因此臭氧与活性炭联用能提高去除有机物的效果。经过臭氧处理后进行活性炭处理主要发挥三种作用：（1）破坏水中残余臭氧，一般发生在最初炭层的几厘米处；（2）通过吸附去除化合物或臭氧副产物；（3）通过活性炭表向细菌的生物活动降解物质。实验研究表明，在活性炭处理过程中，同时发生快速吸附、慢速吸附、生物作用和臭氧激化的生物作用。
    3·臭氧——生物活性炭联用技术在水处理中的应用研究
    臭氧化-生物活性炭技术是一种先进的饮用水深度处理工艺，欧洲、美国、日本和我国都进行了许多研究和实际应用。
    3.1臭氧——生物活性炭联用技术在国内研究应用概况
    据报道，有人曾对哈尔滨松花江水进行：（1）活性炭直接吸附；（2）臭氧氧化＋砂滤＋活性炭吸附；（3）臭氧氧化＋砂滤；（4）臭氧氧化＋活性炭吸附，四种工艺流程的对比试验结果表明：在除铁、锰、浊度、色度等方面，后两种流程都有较好的效果，在有机物的去除效果上，第四种效果最好。哈尔滨建筑工程学院用臭氧——生物活性炭法进行处理饮用水的中试结果表明，臭氧——生物活性炭工艺可以去除绝大部分的有机物和全部的三致物。上海自来水公司也应用该工艺对自来水进行深度处理研究，Ames试验表明自来水经臭氧——生物活性炭工艺处理后出水可转为阴性，说明该法对减少水中至突活性物质也有良好的处理效果[12,13]。
    3.2臭氧——生物活性炭联用技术在国外的研究应用概况
    20世纪60年代中期[14]，德国杜塞尔多夫水处理厂首先采用臭氧——生物活性炭法净水工艺，结果滤后水中没有出现平皿菌落数增高的现象，但在活性炭滤池内仍有活性微生物。为此德国布莱梅自来水公司对生物活性炭滤池进行了深入广泛的研究。在这些小试和中试基础上，德国慕尼黑多奈自来水厂对其水处理工艺进行了大量的技术改造。随后意大利的都灵市新水厂、改建的佛罗伦萨市水厂、罗马市布拉契诺湖水厂和日本的几座水厂均采用臭氧生物活性炭工艺。德国慕尼黑多奈自来水厂采用新的水处理工艺流程能使出水中溶解性有机碳比原来水处理工艺减少50%，同时，因去除了预氯化工艺，无有机氯化物的产生，活性炭再生周期从原来的2～4个月延长到2年以上。另外，出水氨氮含量显著降低。
    国内外成功的运用臭氧——生物活性炭工艺的实例都从一定程度说明这项技术有独特的发展优势，具体表现在以下几个方面：
    （1）能更有效的去除溶解性有机物；
    （2）臭氧可以提高生物活性炭的吸附容量，延长活性炭的使用寿命；   （3）氨氮以生物转化方式得到去除，取代了折点加氯法去除氨氮，消除了大量有机氯化物的形成；
    （4）臭氧总投量比单独使用时少，比单一使用臭氧或活性炭费用低且效果好；
    （5）处理后水质可全面提高，而且出水稳定、管理方便。只需投加少量消毒杀菌剂，就可保证整个配水系统的全面卫生。
    结语与展望
    国内外学者对臭氧——生物活性炭系统的研究和该工艺越来越多的工程实践应用无不表明它所受到的关注与重视。但是目前还存在相当多的问题有待解决。臭氧——生物活性炭系统中仍有一些机理性的问题没有研究清楚[15]，从而使设计出现问题，甚至产生误导，影响对运行的管理和控制，主要表现在以下几个方面。
    （1）不能用解析的方法计算出系统中存在的最佳臭氧投量问题。臭氧能改变有机物的分子量和结构，它的投量会影响生物活性炭对有机物的吸附性能，实验表明适量的提高臭氧量可提高生物活性炭对有机物的去除性能，这说明进水水质、臭氧量、生物活性炭吸附性能之间存在着适当的配合关系。
    （2）工艺对有机物降解的过程及去除机理研究尚不透彻。活性炭吸附和生物降解在有机物降解过程中的作用关系没有建立系统的量化模型。
    （3）对生物活性炭的再生机理还不十分明确，还没有形成统一的认识。目前生物再生的主要理论是Rodlllan和Porroti等人70年代提出的胞外酶再生假说，但迄今为止还没有一种令人信服的方法论证这一论点，许多研究工作者也从不同角度对此提出疑义。
    （4）不能建立系统模型已明确进水水质、臭氧及生物活性炭装置的停留时间、臭氧投量之间存在的关系，不能为系统的优化设计提供理论依据。
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