臭氧在生物活性炭工艺中作用的中试研究

Posted 2023-01-14 活性炭

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摘要:为验证臭氧在生物活性炭工艺中所起的作用,在中试系统上考察了生物活性炭与臭氧生物活性炭工艺对原水有机物的去除效能。结果表明,臭氧生物活性炭工艺对CODMn 、UV254 、BDOC和AOC 的去除率比生物活性炭工艺分别高出21 %、37. 28 %、10 %和26. 4 %。在生物活性炭前设置臭氧工艺不仅能够有效降低出水中的有机物含量,而且可以在较低投氯量的条件下使细菌的致死率达到近100 %。因此,为更好地发挥生物活性炭在水处理中对有机物的去除作用,应在生物活性炭前增设臭氧工艺。

关键词:臭氧氧化　生物活性炭工艺　有机物

随着水污染的日趋严重,饮用水源水中有机物含量不断增加,某些有机物在进行氯化消毒时会产生氯化消毒副产物,其中大部分对人体健康构成潜在威胁,因此对水中有机物的去除是水处理工艺的主要任务之一。水中含有很多传统工艺不能有效去除的溶解性有机物、致突变物以及生物可同化有机碳(AOC) 等有毒有害物质。为有效解决这些问题,国内外开始利用生物活性炭或者臭氧生物活性炭等工艺建成深度处理水厂或者对现有水厂进行改造。但由于水厂采用大型臭氧发生器造价较高,臭氧生物活性炭工艺能否有效解决现有传统工艺无法解决的困难,在生物活性炭前增设臭氧工艺是否必要等问题尚未解决,本文针对以上问题进行了试验研究。

1 　试验研究方法

1. 1 　工艺流程和工艺参数

中试系统位于北方某水厂内,整套工艺采用不锈钢装置,深度处理工艺处理水量为1. 25 m3 / h ,其具体流程见图1 。

臭氧接触池内径为600 mm ,高度为3 400 mm ,钛板自底部曝气,下端进水上端出水。臭氧投加量为2 mg/ L ,水的流速为8. 85 m/ h ,接触时间12 min 。生物活性炭池,内径为600 mm ,高3 500 mm ,炭层装填高1 500 mm ,砂垫层500 mm ,空床接触时间为20 min ,采用下向流方式。试验采用国产ZJ 15 型粒状活性炭,炭上生物采用人工固定化方式进行培养。

1. 2 　检测项目

在本研究中, CODMn 按照标准方法进行测定。UV254是254 nm 波长下水样的吸光度,能够间接反映水中溶解性有机物浓度的变化规律,该波长下的紫外吸收物质主要指含共轭双键结构或芳香环结构的不饱和有机物。因此,可以将UV254 作为有机物的替代参数之一( HP8452A 紫外分光光度仪,上海光谱仪器有限公司) 。BDOC 表示可生物降解溶解性有机碳,培养28 d 后测定DOC 然后计算差值得到。AOC 是有机物中最容易被细菌吸收,同化成菌体的部分,采用荷兰Van der Kooij 等人提出的方法进行测定。

1. 3 　试验用水

试验采用与城市给水厂同步的天然水源作为试验用水,时间从11 月到次年的3 月,期间原水水温为1. 5～14. 5 ℃。

2 　试验结果及讨论

2. 1 　工艺对有机物的去除规律

臭氧对有机物具有一定的去除效果,在臭氧投加量不是很大的条件下,对有机物的氧化作用不是很完全。单纯的臭氧化工艺对CODMn 的去除率仅为11 %～35 % ,平均去除率为20 %;而臭氧与生物活性炭组合工艺对CODMn的去除率为25 %～60 % ,平均去除率为37 %(见图2) 。比较图3 两套工艺流程的生物活性炭出水可知,臭氧化后水中有机物更易被生物活性炭去除,经臭氧氧化后的BAC (O3 )(生物活性炭) 对CODMn的平均去除率为21 % ,不经臭氧化的BAC(生物活性炭) 对CODMn 的平均去除率为16 %。

因此,在生物活性炭前增加臭氧工艺,能够更好地对有机物进行去除,因为臭氧能使水中难生物降解的分子有机物转化成能够被生物降解的有机物,从而更加有利于活性炭的吸附和生物降解。

单纯的生物活性炭对UV254 有一定的去除,但效果并不十分明显,其平均去除率仅有20. 92 %。臭氧能够与有机物的—C = C —双键反应,对苯环具有一定的破坏能力,从而使有机物的芳香性降低甚至消失。因此经过臭氧化后其能够表示芳香环结构或共轭双键结构有机物的UV254 明显降低,平均去除率能够达到41. 8 %。臭氧生物活性炭工艺对UV254 的去除率大部分是由臭氧的氧化作用实现的(见图4) ,该组合工艺对UV254 的平均去除率达到58. 2 % ,远远高于单纯采用生物活性炭工艺所能去除的20. 92 %(见图5) 。

以上试验证明臭氧生物活性炭组合工艺对以CODMn和UV254 为代表的有机物的去除效果优于单纯采用生物活性炭的工艺。

2. 2 　安全性分析

在前处理不加任何消毒剂的前提下,过滤出水细菌容易进入生物活性炭中繁殖,使出水细菌的种类可能增加。为验证生物活性炭以及臭氧生物活性炭出水安全性及生物稳定性,分别对工艺出水进行微生物消毒试验,以及AOC、BDOC 的测定。

2. 2. 1 　微生物试验

有研究表明,当臭氧浓度达到0. 01 mg/ L ,接触时间为10～12 min 时,细菌和病毒的失活性达到了99. 9 %。本工艺中臭氧的接触时间为12 min ,因此经过臭氧后进入生物活性炭的水中不含有细菌或者细菌含量很少,没有杂菌进入生物活性炭,生物活性炭上固定的细菌不受外界干扰,能够更好发挥其自身的作用。

为验证出水细菌安全性,对生物活性炭出水进行了加氯量为1～4 mg/ L 的消毒试验,在加氯量为2 mg/ L 时,臭氧生物活性炭出水细菌致死率为99. 5 %,而生物活性炭出水细菌致死率为98. 89 %;在氯投加量为3 mg/ L 、4 mg/ L 时,组合工艺出水细菌致死率已经达到100 % ,而生物活性炭工艺出水细菌仍有部分存活。该试验表明,臭氧生物活性炭组合工艺较单纯的生物活性炭工艺,其出水细菌对Cl 的耐受力小,因此更易被后续的消毒工艺去除。

2. 2. 2 　生物稳定性试验

目前,给水处理厂多采用加氯消毒并保持管网末端一定的余氯量来控制细菌在管网中的繁殖,消毒后管网中残存的细菌在水中存在可生物降解性有机物时,就会重新进行生长,污染水质。因此,降低出厂水中可生物降解性有机物(AOC 或BDOC) 的含量能够降低管网水中异养细菌生长繁殖的几率。

BDOC 是水中细菌和其他微生物新陈代谢的物质和能量来源。AOC 是有机物中最容易被细菌吸收、直接同化成细菌体的部分。

比较两个工艺(图6和图7) 可以看出,单纯的生物活性炭工艺对AOC 的去除率为60 % ,臭氧生物活性炭后相对于过滤工艺,去除率达到86. 5 %。臭氧氧化后水中BDOC 和AOC 浓度上升,这是因为臭氧氧化水中部分大分子有机物使之生成相对分子质量较小的中间产物,这些产物能够被异养菌利用,造成AOC 和BDOC 的增加。本试验中以臭氧出水作为BAC 进水时, AOC 的去除率为88. 5 %。BDOC 的去除规律和AOC 比较一致。通过分析可知,臭氧生物活性炭工艺出水中含有的可生物降解性有机物含量不仅低于常规处理,而且也低于单纯的生物活性炭工艺。

刘文君提出,北京市饮用水AOC 和BDOC的控制标准建议值分别为200 μg/ L 和0. 5 mg/ L ,本试验中的臭氧生物活性炭出水远远低于该指标。通过组合工艺的消毒试验及对工艺出水AOC 和BDOC 的检测说明,臭氧生物活性炭工艺相对于生物活性炭工艺的出水更安全,对应水质的稳定性更强,能够更好地降低管网中异养细菌的生长,保证管网水质。

3 　结论

(1) 对于常规有机物来说,臭氧生物活性炭组合工艺对CODMn和UV254 的平均去除率比生物活性炭工艺分别高出21 %和37. 28 %。因此,臭氧生物活性炭工艺能够比单独的生物活性炭工艺更加有效地去除有机物。

(2) 在后续消毒工艺中,臭氧生物活性炭组合工艺较单纯的生物活性炭工艺出水含有的细菌更容易被氯杀灭,并且其加氯量也较少。

(3) 臭氧生物活性炭组合工艺出水的细菌消毒试验以及对出水中BODC 和AOC 的分析结果表明,臭氧生物活性炭组合工艺无论是出水的稳定性还是安全性都明显高于单独的生物活性炭工艺。