（市政工程专业论文）“臭氧生物活性炭”技术在微污染水处理中的应用研究.pdf

广州大学工学硕士学位论文 摘要 “臭氧一生物活性炭”( 0 3 _ 队c ) 工艺己广泛应用于欧美等国的上千座水厂中， 在国际上已成为一种比较成熟的给水深度处理工艺，在我国也开始逐步加以推广应 用。由于欧美等国的水源水质及气候条件与我国明显不同，我国南方亚热带地区与 内地也存在一定的差异，因此对“0 3 一b a c ”工艺流程的选择、工艺参数的确定、乃 至活性炭的选型都需要进行针对性的研究。 本论文研究内容是广州市自来水公司与华南理工大学的合作课题“臭氧一生物 活性炭”给水深度处理工艺中试研究的子课题。 “( h - b a c ”技术是一种臭氧氧化和生物活性炭吸附的组合法，该工艺促使氧化、 吸附和生物降解功能形成协同效应，可以有效的去除有机物，并能够将消毒副产物 前质及氨氮同时加以削减，并且使色、嗅、味等多项指标全面得到改善；可将氰化 物、酚等有毒有害物质氧化为无害物质；有效杀灭隐孢子虫、贾第虫等加氯不易灭 活的病原原生动物，从而更好地保障生活饮水卫生、安全与优质。 本论文研究对象为自行设计的“臭氧一生物活性炭”给水深度处理工艺中试研究 系统，第一阶段采用常规处理+ “0 3 - b a c ”给水深度处理系统，第二阶段采用预处理 + 常规处理+ “0 3 - b a c ”给水深度处理系统。通过两种组合工艺进行对比实验，综合 研究了“0 3 - b a c ”给水深度处理工艺对有机物综合指标、三氮以及浊度和色度的去 除情况；并通过对比实验完成中试系统的生物活性炭选型工作；同时探讨了“o s - b a c ” 给水深度处理产生的消毒副产物( d b p s ) 以及对微生物的灭活效果。在研究工作中所 取得的主要认识和结论如下： ( 1 ) 对于我国南方亚热带地区v 类地面水的情况，应选用柱状炭作为 “o 。- a c ”工艺的炭型。 ( 2 )“0 3 一b a c ”给水深度处理工艺在迸水氨氮小于2 m g l 时可以有效去除水中的 有机物。 ( 3 )“( h - b a c ”给水深度处理工艺在进水n 时n 小于2m g l 时，整个系统对n h r n 有较高的去除率，且能够较完全地转化为n 如一n ，活性炭池出水几乎不含n ( h - - n 。 ( 4 ) “o 。- b a c ”系统对浊度有一定的去除率，但对色度没有明显的去除效果。 广州大学工学硕士学位论文 ( 5 )针对珠江后航道v 类地面水的情况，应选用第二阶段实验采用的预处理 + 常规处理+ “0 3 - b a c ”给水深度处理的工艺流程。 ( 6 )“0 。- b a c ”深度处理工艺能够有效去除水中消毒副产物前质，可控制氯化消 毒副产物的生成，充分保障饮用水的安全性。 ( 7 )“0 。- b a c ”系统对水中的微生物有着很好的灭活效果，无需加氯消毒就可以 保证系统出水的安全性。 关键词：“臭氧一生物活性炭”( 0 3 - b c ) ；柱状炭；有机物指标；氨氮；消毒副产物 广州大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t o z o n e b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n ( 0 3 - b a c ) h a sb e e nar i p e n e dd r i n k i n g w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n tp r o c e s sa r o u n dt h ew o r l d ，a n di th a sb e e nw i d e l y u s e di nm o r et h a n1 0 0 0w a t e rp l a n t si ne u r o p ea n da m e r i c ae ta 1 c h i n ah a s c o m m e n c e dt or e c o m m e n da n du s ei ts t e pb ys t e p b e c a u s eo ft h ea p p a r e n t d i s s i m i l a r i t yo ft h es o u r c ew a t e rq u a l i t ya n dc l i m a t eb e t w e e ne u r o p e 、 a m e r i c a na n dc h i n a , a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns o u t hs u b - t o r r i dz o n ea r e a a n dn o r t ho fc h i n a ，w es h o u l dp e r t i n e n t l ys t u d yt h es e l e c t i n go f0 3 - b a c p r o c e s sa n d t h ec o n f i r m a t i o no ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r ，a n de v e nt h es e l e c t i n g t y p eo fb a c t h es t u d yc o n t e n to ft h i sp a p e ri st h es u b t a s ko ft h es t u d yo n0 3 - b a c d r i n k i n gw a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n ti np i l o ts c a l ew h i c hi sc o s t u d i e db y g u a n g z h o uw a t e rs u p p l yc o m p a n ya n ds o u t hc h i n au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y “0 3 - b a c ”i sc o n s t i t u t e dw i t ho z o n a t i o na n db i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n p r o c e s s i tc a na c c e l e r a t eo x i d a t i o na d s o r p t i o na n dd e g r a d a t i o nt ow o r k t o g e t h e r ，a n dr e m o v eo r g a n i cp o l l u t a n tw e l l a tt h es a m et i m e ，i tc a nr e m o v e d i s i n f e c t i o nb yp r o d u c t sp r e c u r s o r ，n i 广n ，c h r o m a ，s m e l la n ds oo n i ta l s o c a nm a k et h ec y a n i d a t i o na n dh y d r o x y b e n z e n et ob eo x i d a t e d ，a n dk i l lt h e p a t h o g e n yp r o t o z o a n ，w h i c ha r ed i f f i c u l tt ob ek i l l e db yc h l o r i n e i naw o r d ， “0 3 - b a c ”e n s u r et h a td r i n k i n gw a t e ri sc l e a na n ds a f e t y t h es t u d yo b j e c to ft h i sp a p e ri sp i l o t s c a l ee x p e r i m e n t s y s t e mo f d r i n k i n gw a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n tb y “0 3 一b a c ”p r o c e s sw h i c hi sd e s i g n e db y u s t h i ss y s t e mr u n s b y t o w s t a g e s t h ef i r s ts t a g ei st y p i c a l t r e a t m e n t + “0 3 一b a c ”a d v a n c e dt r e a t m e n t ：t h es e c o n ds t a g ei sp r e t r e a t m e n t + t y p ic a lt r e a t m e n t + “0 3 - b a c ”b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h e s et o ws t a g e s 。 t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h er e m o v i n ge f f e c t o fc o d k ，n h 3 一n ，n o i n ，n 0 3 一n ， t u r b i d i t ya n dc o l o u r i t y a n di ta n a l y s e st h er e s u l to fs e l e c t i n gb i o l o g i c a l a c t i v a t e dc a r b o n a tt h es a m et i m e ，i tr e s e a r c h e st h er e m o v i n ge f f e c t o f 广州大学工学硕士学位论文 d i s i n f e c t i o nb yp r o d u c t s ( d b p s ) a n dm i c r o o r g a n i s m t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) c y l i n d r i c a la c t i v a t e dc a r b o nc o u l db es u i t a b l yu s e di nd r i n k i n gw a t e r a d v a n c e dt r e a t m e n tb y “0 3 一b a c ”p r o c e s sf o rt h es u r f a c ew a t e rs o u r c e so f vc l a s si ns u b t r o p i c a lz o n eo fs o u t hc h i n a ( 2 ) w h e n t h en h 3 一nc o n c e n t r a t i o no fi n f l o wi sl e s s t h a n 2 m g l ， “m b a c ”a d v a n c e dt r e a t m e n tc a nr e m o v et h eo r g a n i cp o l l u t a n tw e l l ( 3 ) w h e n t h en 地一n c o n c e n t r a t i o no f i n f l o wi sl e s st h a n 2 m g l ， “仉一b a c ”a d v a n c e dt r e a t m e n tc a nr e m o v et h en h 3 - nw e l l ，a n dc a nt r a n s l a t e n h r ni n t on 町1c o m p l e t e l y t h eo u t f l o wo fb i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o nf i l t e r h a v en on 0 2 一_ nn e a r l y ( 4 ) “0 3 - b a c ”c a nr e m o v et u r b i d i t y 。b u tc a nn o tr e m o v ec h r o m aw e l l ( 5 ) b e c a u s et h ew a t e ro fz h u j i a n gr i v e ri st h es u r f a c ew a t e rs o u r c e so f vc l a s s ，t h es e c o n ds t a g ew h i c hi sc o n s t i t u t e db yp r e t r e a t m e n t ，t y p i c a l t r e a t m e n ta n d “o ，- b a c ”i sa p p r o p r i a t e ( 6 )“0 3 _ b a c ”a d v a n c e dt r e a t m e n tc a nr e m o v ed i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s p r e c u r s o rw e l l ，c o n t r o lt h ec h l o r i d e ，a n de n s u r et h a td r i n k i n gw a t e ri sc l e a n a n ds a f e t y ( 7 )“0 3 - b a c ” a d v a n c e dt r e a t m e n tc a nk i l lt h em i c r o o r g a n i s mv e r yw e l l t h e o u t f l o wo f “仉一b a c ”a d v a n c e dt r e a t m e n ti ss a f e t yw i t h o u td i s i n f e c t i o nb y c h l o r i d e i ( e y w o r d s ： “o z o n e b i o l o g i c a l a c t i v a t e dc a r b o n ”( 0 3 一b a c ) ：c y l i n d r i c a l a c t i v a t e dc a r b o n ；o r g a n i ci n d e x ：a m m o n i an i t r o g e n ；d i s i n f e c t i o nb yp r o d u c t s i v 广州大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位论文作者签名：豫积日期：加6 年f 五月年日 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 广州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：豫融日期：加6 年f z 月斗日 导师签名；鳓 日期： 硼年f 2 月争日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自来水厂常规处理工艺简介 生活用水的水质关系到人们的身体健康，要求做到感官方面无色透明，无嗅无 味；在化学组成方面不含有毒有害物质：在卫生学方面不含致病菌，因而对大肠杆 菌及细菌总数都有限制。对于满足国家水源水质标准的地表水，经常规处理工艺基 本可以满足上述要求，图1 - 1 示意出了常规给水处理工艺流程。 絮凝剂 生匝业叵卜卧 加氯消毒 图1 - 1 常规给水处理工艺流程 p i g1 1t y p i c a ld r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s 常规饮用水处理工艺主要是去除水中悬浮颗粒、胶体物质和细菌，此工艺己延 续使用了一百多年。然而，随着工农业的发展，水源受到污染的状况正逐步加深。 由于水源的污染，溶解性有机物的增多，使得常规水处理工艺对水中污染物的去除 效果名显下降。另一方面，随着人们生活水平的提高，对饮用水的要求越来越高。 两者的矛盾促使人们寻找围绕常规处理工艺的强化措施，如在常规工艺前对原水进 行生物预处理、或进行化学预处理或者在常规工艺后增加深度处理工艺，以提高出 水水质。 臭氧一生物活性炭( o 厂b a c ) 深度处理工艺是由德国首先开发的m ，该工艺用来 处理饮用水中难降解的有机物，通过臭氧处理提高了水的可生化性和生化反应速度。 实验研究及水厂大规模的应用的结果n w 均表明，在常规工艺后增加“0 3 - b a c ”深度 处理工艺，不仅能够保持对水中有机物的去除，还能去除水中的铁、锰、色度等， 能将a m e s 试验阳性的水转化为a m e s 试验阴性。 1 2 常用的给水深度处理工艺及其研究现状 1 2 1 常用的给水深度处理工艺的研究现状 深度处理通常是指在常规处理工艺后，采用适当的处理方法，将常规处理工艺 广州大学工学硕士学位论文 不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水水质。 应用较为广泛的深度处理技术有；活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、光催化氧 化、吹脱和膜技术等。 ( 1 ) 活性炭吸附 在各种改善水质处理效果的深度处理技术中，活性炭( g a c ) 吸附是完善常规处理 工艺以去除水中有机污染物最成熟有效的方法之一。活性炭是一种多孔性物质，其 中由微孔( 孔径小于4 0 埃) 构成的内表面积约占总面积的9 5 以上，过渡孔和大孔 仅占5 左右。活性炭对有机物的去除主要靠微孔吸附作用。 5 0 年代初期，西欧一些以地面水为水源的饮用水处理厂就开始使用活性炭消除 水中嗅味，活性炭在美国使用最初的目的也是为了去除水中的色和嗅，且以使用粉 末活性炭( p a c ) 为主。l a v e z a r y 等人的研究结果表明，向水中投加l o r a g l 的活性 炭可以将引起水中嗅味的土臭素( g e o s m i n ) 和2 一甲基异茨醇( m i b ) 从6 6 n g l 降低到 2 n g l 和7 n g l 。 ( 2 ) 臭氧氧化 臭氧在饮用水水处理中的应用比活性炭早。本世纪初，法国的n i c e 城就开始使 用臭氧，当时它被用作饮用水的消毒剂。美国在水处理中使用臭氧开始于1 9 4 0 年， 当时的主要目的是去除水中的色度和嗅味。现在世界各地使用臭氧的水处理已有上 千家，并且主要目的已转变为去除水中的有机污染物质。由于臭氧具有很强的氧化 能力，它可以通过破坏有机污染物的分子结构以达到改变污染物性质的目的。 ( 3 ) 生物活性炭 生物活性炭是多年来活性炭在饮用水处理的应用实践中产生的。通常，生物活 性炭的前提条件是应避免预氯化处理，否则微生物就不能在活性炭上生长，因而失 去生物活性炭的生物氧化作用。根据欧洲一些国家饮用水处理的运行结果，采用生 物活性炭比单独采用活性炭吸附具有以下优点： a 提高了出水水质，可以增加水中溶解性有机物的去除效率； b 延长了活性炭的再生周期，减少了运行费用； c 水中氨氮可以被生物转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯 量，降低了三卤甲烷的生成量。 ( 4 ) 光催化氧化 2 第一章绪论 光催化氧化是以n 型半导体为敏化剂的一种光敏化氧化。光催化氧化的突出特 点是氧化能力极强。其中能够起光敏化作用的n 型半导体种类很多，有t i o ：、w 0 3 ；、 f e z 0 3 、c d s 、s r 、t i o 。等。t i o ：的光化学稳定性和催化活性都很好，反应前后它的性 质不变，因此被称为催化剂。它无论在紫外区还是可见区，光催化活性最高，因此 被普遍采用。 总之，一般认为在合适的反应条件下，有机物经光催化氧化的最终产物是二氧 化碳和水等无机物。该处理方法的强氧化性、对作用对象的无选择性与最终可使有 机物完全矿化，在饮用水深度处理中具有难以超越的优点。与处理效果很好的紫外一 臭氧氧化法相比，由于无需臭氧发生器，光催化法处理设备简单、初期投资低，运 行的可靠性也相应较好。用作催化剂的二氧化钛化学性质稳定，对人体无害，资源 充足，价格不高，可以回收反复使用，上述特点使光催化氧化法在饮用水深度净化 方面具有良好的应用前景。由于同净水厂常规处理工艺相比，光催化氧化法的处理 费用高，设备复杂；同时将工业生产用水都处理到符合饮用水的标难，在经济上难 以接受，所以光催化氧化法在近期内只可能用于中、小型净水器，对城市自来水进 行深度处理以满足宾馆、企事业单位及家庭的饮用水供应及食品、饮料工业用水。 至今国际上尚无光催化氧化法实际应用于饮用水深度处理的报道。 光催化氧化法投入实际应用所面临的主要问题是确定长期运行过程中催化剂的 中毒情况及寻求理想的再生方法。催化剂的再生使得设备及运行管理都变得较为复 杂，处理装置难以实现小型化。这方面的问题将成为今后研究的重点。 ( 5 ) 吹脱法 利用水中溶解化合物的实际浓度与平衡浓度之间的差异，将挥发性组分不断由 液相扩散到气相中，达到去除挥发性有机物的目的。吹脱法具有费用低、操作简单 的优点。但对难挥发的有机物去除效果差。 吹脱法早期主要用于去除水中溶解的c 0 ：、h 2 s 、n i t 3 等气体，同时增加水中的溶 解氧来氧化水中的金属。在7 0 年代中期，这项技术开始用于去除水中低浓度挥发性 有机物。吹脱法费用较低，是采用粒状活性炭达到同样去除效果的运行费用的 1 2 - 1 4 。 曝气技术对于具有挥发性、分于量小的有机物的去除效果较为明显，在所有空 气曝气技术中，接触曝气塔是应用最广的技术，这项技术已被美国环保局( u s e p a ) 3 广州大学工学硕士学位论文 列为去除挥发性有机物最实用的技术( b e s ta v a i l a b l et e c h n o l o g y ) 。为了减少吹脱 产生的有机物废气对大气的污染，又将空气吹脱与气相炭吸附结合，实现水中挥发 性有机物的去除一，。 ( 6 ) 膜技术 膜分离技术，就是利用具有特殊选择性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行 分离、提纯、浓缩的一种分离的新方法。这种薄膜必须具有对去除对象的截流功能。 目前常见的膜分离法主要有：渗析、反渗透、电渗析、超滤、微滤、液膜、渗透蒸 发、纳滤等。 膜处理法能获得高质量的饮用水，该技术不仅能够较好地去除水中的浊度、色 度、硬度、c o d 、t o c 、天然有机物( n o m ) 等，还能除藻类、细菌、病原体孢子、 病毒以及杀虫剂等。并且由于n o m 的去除率高，故即使用氯消毒也能防止消毒副产 物( d b p s ) 如t 删s 和卤乙酸( h a a s ) 的生成。通过膜法生产饮用水，在原水水质 变化很大的情况下，其出水水质仍然可靠，说明其抗冲击负荷能力强。同时它还具 有处理效率高、工艺流程短、易控制、使用灵活、膜分离水厂占地面积少，生产可 实行自动化等特点，可以获得以往传统处理工艺从未达到的、稳定可靠的洁净水质。 膜技术与活性炭吸附、臭氧氧化相比，具有更大的优越性，其去除的污染物范围广， 从无机物到有机物从病毒、细菌到微粒甚至特殊溶液体系的分离，不需加药剂，运 转可靠，设备紧凑和容易自动控制。从技术上讲，微滤和超滤可以替代常规处理， 纳滤和反渗透可以替代深度处理”。 膜分离技术用于净水处理工艺的最大障碍是原水中的污染物使水通量下降，导 致频繁冲洗甚至换膜，从而使制水成本上升。导致水通量下降的原因是浓差极化和 膜污染。浓差极化是水中的胶体或有机物积累在膜表面，生成浓差极化层，使膜阻 增加，产生水通量下降。浓差极化造成的水通量下降可通过反冲洗恢复，是可逆转 的。膜污染是由于杂质进入膜孔隙内部，吸附在膜内部，减少有效的膜孔径数量或 孔径，使透水通量减少。膜污染导致的水通量下降，用水力或化学清洗往往很难将 其恢复，是不可逆转的m ，。 1 2 2 臭氧一生物活性炭给水深度处理工艺的研究现状 臭氧一生物活性炭( o s - b a c ) 技术是一种用于给水深度处理的臭氧氧化和生物活 性炭吸附的组合，该工艺将化学氧化、物理化学吸附和生物降解等多种作用形成协 4 第一章绪论 同效应，能够将消毒副产物前质、c o d 及氨氮同时加以削减，并且使色、嗅、味等 多项指标全面得到改善，还可将氰化物、酚等有毒有害物质无害化，并有效杀灭隐 孢子虫、贾第虫等加氯不易灭活的病原原生动物，从而更好地保障生活饮水卫生、 安全与优质。 臭氧一生物活性炭工艺是将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附、 生物降解四种技术结合为一体的工艺，其工艺特征为在传统水处理工艺的基础上， 以预臭氧氧化代替预氯化，在快滤池后设置生物活性炭滤池。利用臭氧预氧化作用， 初步氧化分解在水中的有机物及其它还原性物质，以降低生物活性炭滤池的有机负 荷，并可以去除藻类、促进絮凝、减少絮凝剂用量、降低待滤水的浊度、提高过滤 速度和延长过滤周期、减少过滤反洗水量、提高砂滤出水的水质。经过臭氧预氧化 处理的水进入常规处理流程进行处理后再次投加臭氧，以达到消毒和有效地将水中 难以生物降解的有机物断链、开环，提高原水中有机物的可生化性和可吸附性，从 而减小活性炭床的有机负荷，使其能够更容易的被后续生物活性炭所吸附降解，延 长活性炭的使用寿命。另外，由于臭氧在水中自行分解为氧，活性炭柱进水含有较 高浓度的溶解氧，因此促使好氧微生物在活性炭表面繁殖。但是后臭氧投量也不宜 过高，否则不仅无助于提高水质，还会过多地产生溴酸盐臭氧氧化副产物，有害健 康，并增加投资与运行费用。再次投加臭氧的水随即进入生物活性炭炭柱过滤。生 物活性炭一方面需要凭借其巨大表面积的吸附作用，另一方面则需要借助生物膜的 降解作用。好氧微生物以活性炭表面吸附的有机物为营养，将其转化为二氧化碳和 细胞物质，从而不仅去除了原水中的有机物，而且在一定程度上使活性炭再生，使 其具有继续吸附有机物的能力，从而延长活性炭的使用寿命和再生周期n m 。 经过臭氧氧化后进行活性炭处理主要有三种作用：( 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 炭表面微生物的生物活动对吸附的有机物进一步降解。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。臭氧一 生物活性炭工艺运行之初，活性炭具有最大的吸附容量，快速吸附占主导作用，既 可以吸附小分子物质也可以吸附非生物降解的大分子有机物，随着过滤器吸附能力 的饱和运转时间增长，活性炭表面积累大量的有机物，活性炭的吸附容量逐渐减少， 吸附速率下降，以慢速吸附为主，同时开始了生物活动，并逐步达到生物吸附平衡。 5 广州大学工学硕士学位论文 活性炭表面出现明显的生物活性大约要运行5 至2 0 d 的时问m 一。 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。臭氧与有机物的 最主要反应是破坏含碳有机物的双键产生酮和醛，这些产物是管网系统内细菌的养 料，如果在处理过程中没有去除这些养料，细菌就会在管网中迅速滋生。为了避免 这种现象的发生，应采用适当的生物处理，如活性炭或慢滤池，使这类化合物被存 在于滤料表面的细菌所降解。避免管网中滋生细菌的另一个手段是在处理厂出水前 投加少量氧化剂。如c 1 2 、c 1 0 2 等，如果没有活性炭这种生物过滤器，就必须增加这 类氧化剂的投加量。但绝大部分可溶有机物被活性炭上的生物去除后，则需要投加 的氧化剂量会大大减少，这也同时减少了新的气味和色度污染问题。可根据检测管 网的细菌量来不断调整臭氧的投加量，使加氯量降低5 0 一m 。 臭氧氧化一生物活性炭的第一次联合使用是1 9 6 1 年在德国d u s s e l d o r f 市 a m s t a a d 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n m 。从 7 0 年代初开始，进行了臭氧氧化一生物活性炭水处理工艺的大规模研究和应用，其 中较重要的是西德b r e m e n 市的a u fd e mw e r d e r 的半生产性和m u l h e i m 市d o h n e 水厂的中试及生产性规模的应用m 1 。目前，“o ：b a c ”工艺已广泛应用于欧美等国的 上千座水厂中，在国际上已成为一种比较成熟的给水深度处理工艺，7 0 年代传入我 国，并从8 0 年代开始应用该项技术，其中以北京田村山水厂、九江炼油厂生活水厂 为代表m 。由于欧美等国的水源水质及气候条件与我国明显不同，我国南方亚热带 地区与内地也存在一定的差异，因此对“o ：b a c ”工艺流程的选择、工艺参数的确 定、乃至活性炭的选型都需要进行针对性的研究。 “如一b a c ”这项联合技术有其独特的优势，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 能更有效地去除溶解性有机物； ( 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，取代了折点加氯法除氨氮，消除了大量有机氯 化物的形成： ( 4 ) 臭氧总投量要比单独使用时少，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一。 国内外科学家对“o ：b a c ”系统的研究和该工艺越来越多的工程应用无不表明 6 第一章绪论 它所受到的关注与重视。因此水处理专家预言：“随着饮用水源污染的日益加剧，以 及饮用水质标准的提高，下一个世纪0 3 - b a c 技术将成为饮用水净化厂普遍采用的常 规处理方法”。 但此方法也有其局限性： ( 1 ) 臭氧的制作工艺复杂，一次性投资较高，而且臭氧在水中的溶解度小，因此操 作的运行成本高，如何提高臭氧的溶解度，成为研究的方向。 ( 2 ) 臭氧在水中分解很快，消毒作用难以持续，因此为了避免水在运输的过程中产 生二次污染，出厂前还必须投加液氯消毒。 ( 3 ) 生物活性炭的运行效果受各种条件，如水温、p h 值、菌种的影响，效果不稳 定，特别是在挂膜期间，由于生物膜没有形成，处理效果欠佳。寻求活性炭的适宜 生长条件，优势菌种的筛选，成为此工艺的重点。 ( 4 ) 生物活性炭上附着的微生物在代谢过程产生的降解物，未完全分解的有机物以 及微生物本身进入水体中，这部分物质对人体是否会产生某些危害，需要进一步的 研究。 ( 5 ) 生物活性炭一般运行1 年以上需要更换，如果处理不当会造成二次污染。 ( 6 ) 臭氧一生物活性炭法的投资和运行费用高于生物预处理方法w 。 总之，臭氧一活性炭在处理微污染的原水中有着其它处理方法无法比拟的优越 性，根据我国现在的国情，在水厂大面积的推广还需要不断的改进。 1 3 本论文的研究背景 广州市自来水公司以珠江为水源的水厂有西村水厂、石溪水厂和石门水厂，总 净水能力为1 7 0 2 0 0 万m 3 d ，约占全市总水量的4 0 ，在广州市供水系统中占有 不可替代的重要地位。然而近年来，由于工业和城市的迅速发展，我市的饮用水源 受到了日趋严重的污染。其污染方式既有城市生活污水及工业废水等点源污染，也 有城市地面径流水、农田径流水、空气沉降及垃圾滤液等非点源污染。公司现有的 采用珠江水源的西村水厂、石溪水厂和石门水厂，其水质通常为地面水类，枯水 期甚至下降为地面水v 类，远远达不到我国生活饮用水水源水质标准( 即地面水i i 类或i 类水质) 。面对水源普遍存在溶解性有机物以及氨氮指标过高的污染状况，不 可避免地在水厂和城市给水管网中产生一些突出问题诸如：水厂的耗矾量及耗氯量 增加；高锰酸钾耗氧量( c o k ) 上升和产生消毒副产物较多；配水过程中存在生物 7 广州大学工学硕士学位论文 不稳性使得余氯消耗过快，导致细菌在给水管网中重新生长，造成用户水细菌数量 增加、色度和浊度回升及出现异臭和异味等二次污染现象，并加剧了管道腐蚀与结 垢，引起管道阻力增加。 在这种情况下，水厂依然采用“混凝一沉淀一过滤一消毒”传统净水工艺，其 主要功能是去浊和杀菌，对原水中溶解性有机污染物和氨氮的去除能力十分有限。 为此，各水厂采取了粉末活性炭吸附、高锰酸钾氧化以及预氯化等预处理措施，虽 然不能有效去除氨氮，却能使水的色度、嗅味、c o d 。等指标在很大程度上得到了控 制，供水水质得到了显著的改善，完全达到原有生活饮用水水质标准( g b 5 7 4 9 - 8 5 ) ， 也能基本符合生活饮用水卫生规范的要求。但是，建设部于2 0 0 5 年6 月新颁布 的城市供水水质标准对原有生活饮用水水质标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 作出了大幅 增改，尤其是新增了氨氮、c o 和t o c 等有机污染指标以及耐热大肠菌群、粪型链 球菌群、蓝氏贾第鞭毛虫和隐孢子虫等微生物学指标，对以珠江为水源的水厂提出 了很高的要求，促使广州市自来水公司对照新标准提出对水厂进行技术改造，增加 新的净水单元，从而有效地去除珠江原水中的高氨氮和有机污染物以及更加可靠地 进行消毒，实现供水水质全面达到广州市饮用水净水水质标准的要求。 目前国内外针对高有机物、高氨氮及高藻的这种高浓度微污染水处理技术主要 有生物预处理、“臭氧一生物活性炭”( 0 3 b a c ) 工艺以及膜技术。本研究进行的“臭 氧一生物活性炭”给水深度处理工艺中试系统就是以上三种工艺与常规给水处理工 艺的联合应用。而本论文则侧重于仉一b a c 处理高浓度微污染水的研究。 本论文研究内容是广州市自来水公司与华南理工大学的合作课题“臭氧一生物 活性炭”给水深度处理工艺中试研究的子课题。 1 4 研究内容 本论文作为“臭氧一生物活性炭”给水深度处理工艺中试研究的重要子课题之 一，通过对高浓度微污染水进行臭氧一生物活性炭( 0 3 _ b a c ) 深度处理，探讨其对水 中有机物、三氮、浊度、色度等项指标的去除效果，掌握0 3 一b a c 工艺对水中主要污 染物的去除规律、对微生物的灭活效果以及“臭氧一生物活性炭”工艺的水质适用 范围。并根据砚一b a c 工艺的消毒副产物、生物稳定性以及致突变性，评价其水质安 全性。确定“臭氧一生物活性炭”系统的工艺流程、运行参数和生物活性炭的选型， 为工程应用提供依据。 8 第一章绪论 1 5 目的及意义 臭氧一生物活性炭( 时b a c ) 给水深度处理，是利用臭氧氧化和生物活性炭的吸 附降解的协同效应，可以有效的去除水中的有机物，并同时去除三氮和色、嗅、味 等指标，是目前行之有效的且在国际上已经得到广泛应用的一种给水深度处理技术。 在我国南方地区，对常年气温较高和珠江水源水质的特殊情况进行针对性的实 验，通过对0 3 - b a c 工艺对水中有机物、三氮以及浊度等指标的去除情况的分析，确 定一套适合处理我国南方地区劣类地面水的0 3 - b a c 给水深度处理的工艺参数。以 期得到一套最为经济的o 。- b a c 运行参数，为整个中试系统各个工艺流程的优化组合 提供依据，并为工程大规模使用提供依据。 9 广州大学工学硕士学位论文 第二章中试装置简介 2 1 中试装置的设计 2 1 1 设计规模及工艺目标 中试系统位于广州市鹤洞水厂，设计规模为1 5 m 3 h ，以珠江后航道水为水源，流 程见图1 ，可依据进水水质和试验目的组合成不同的处理工艺和处理能力。试验分两 个阶段运行：第一阶段，珠江原水直接进入预臭氧塔，之后进入常规处理流程，后臭 氧塔、生物活性炭炭柱；第二阶段，珠江原水首先进入曝气生物滤池( b a f ) 进行预 处理后再进入预臭氧塔、常规处理流程、后臭氧塔和生物活性炭炭柱。 第一阶段厂- - 遁垂e 三旧 篆e 毳面岖卜田咂叫驷 蛔 图2 - 1 中试流程简图 f i 9 2 一lt h es k e t c ho ft h ep i l o t s c a l et r e a t m e n t 第一阶段运行期间，进水流量为1 0 1 5 m 3 h ；水源水质为地面水类v 类水 质；常规给水工艺的设计陆“o 出水水质达到生活饮用水卫生标准。“臭氧一生物活性 炭”深度处理的设计出水水质指标达到饮用净水水质标准，以及广州市的广州市 饮用水净水水质标准，并可通过调整运行参数达到公司最终制定的深度处理水质 标准。 第二阶段运行期间，进水流量为2 1 5 m 3 h ；水源水质为地面水类v 类水质。 由于水源水质较差，且水中有机物和氨氮含量很高，考虑到“臭氧一生物活性炭”深 度处理工艺进水n h 3 一n 浓度过高会引起n 0 2 一- n 在炭层内积累，可能生成致癌的亚硝 胺类化合物；另外由于硝化反应过度消耗溶解氧，影响( h - b a c 工艺去除有机物的效 率。所以在第二阶段采用生物预处理同常规处理和o , - b a c 工艺联用的方式。最终， “臭氧一生物活性炭”深度处理中试装景的设计出水水质指标达到饮用净水水质标 准，以及广州市饮用水净水水质标准，并可通过调整运行参数达到公司最终制 定的深度处理水质标准。 2 1 ，2 主要工艺设计参数 第一阶段：原水首先进入预臭氧接触塔，然后加絮凝剂进入反应池和斜管沉淀 1 0 第二章中试装置简介 池，沉淀出水流入砂滤池、后臭氧接触塔和生物活性炭滤池。 第二阶段，原水首先进入生物陶粒曝气滤池，出水经预臭氧接触塔后加絮凝剂 进入反应器和斜管沉淀池，沉淀出水再流入砂滤池、后臭氧接触塔和生物活性炭滤 池。 ( 1 ) 常规给水处理中试装置的工艺流程如图2 - 2 所示。 臭氧絮凝剂 原水 图2 2 常规给水处理工艺流程 f i 9 2 2t y p i c a ld r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ( 2 ) 常规给水处理中试装置对应于1 5 m 3 h 流量的主要工艺参数为：预氧化臭氧投加 量为2 m g l ，预臭氧接触时间为9 m i n ；采用聚合氯化铝p a c 作为絮凝剂，投加量 为2 3m 1 m i n ，絮凝反应时间为1 4 r a i n ；沉淀池表面负荷为6 5 m 3 ( m 2 h ) ：砂滤的滤 速为7 5 m h 。 ( 3 ) “臭氧一生物活性炭”给水深度处理中试装置的工艺流程如图2 - 3 所示。 臭氧 图2 - 3 “臭氧一生物活性炭”深度处理工艺流程 f i 9 2 3 “0 b b a c ”a d v a n c e dd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ( 4 ) “臭氧一生物活性炭”中试装置对应于1 5 m 3 h 流量的主要工艺参数为：后臭氧投 加量为4 m g 几，后臭氧接触时间为l o m i n ； 采用直径0 7 m 高5 m 的活性炭滤柱4 个；滤速：6 9 m h 。四个炭柱中的两个装 压块破碎炭，分别称压块一和压块二；另外两个装原煤破碎炭和柱状炭，四个炭柱 的炭层高度都为2 m 。压块一和压块二串联，同时与原煤和柱状并联运行。 ( 5 ) 预处理中试的工艺流程如图2 4 所示。 图2 - 4 生物预处理中试工艺流程 f i 9 2 4t h eb i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n t ( 6 ) 生物预处理中试装置对应于1 5 m 3 h 流量的主要工艺参数为：水力负荷为4 5 m 3 ( m 2 h ) ；空床接触时间为1 6 2 4m i n ：气水比为( 1 6 - 2 4 ) ：l ；向下流的反冲 广州大学工学硕士学位论文 洗周期为3 5 d ，采用气水联合反冲，气、水反冲强度均为1 0 1 5l ( 酽s ) ，反冲 时间为5 1 0 m i n ；曝气方式采用底部设不锈钢穿孔曝气盘，连续曝气；曝气生物滤 池填料高度为2 3 m 。 2 1 3 中试装置的型号及规格 原水箱尺寸：中1 5 m 1 6 m l t ，有效容积：2 3 m 3 ； 原水泵型号：i s 6 5 - - 4 0 - - 2 0 0 ，流量：1 5 m 3 h ，扬程：l l m 。功率：1 1 k w ； 曝气生物滤池尺寸：中1 5 m x5 o m ，有效容积8 9m 3 ，h r t l 6 2 4m i n ； 预臭氧接触塔尺寸：m o 7 m 5 8 m h ，有效容积：2 3 m 3 ，h r t ：8 1 2 m i n ； 反应器尺寸：4 中o 5 m 4 6 m ，有效容积：3 2 m 3 ，h r t ：1 3 l g m i n ； 沉淀器尺寸：1 7 m 1 7 m x 4 3 m ，表面负荷：5 7 5 m v ( m 2 h ) ； 砂滤器尺寸：o1 5 m x 4 o m ，滤速：6 9 m h ； 中间水箱尺寸：中1 5 m 1 - 6 m h ，有效容积：2 3 m 3 ，2 个； 提升泵型号：i s 6 5 4 0 一2 0 0 ，流量：1 5 m 3 h ，扬程：1 1 m ，功率：1 1 黼； 反冲泵型号：i s l 2 5 一1 0 0 - - 2 0 0 a ，流量：9 5 一h ，扬程：l l m ，功率：5 5 k w ； 气冲鼓风机型号：山东章丘t a i k s s r 5 0 ，功率：2 2 k w ，转速1 4 5 0 r m i m 后臭氧接触塔尺寸：m o 7 m x5 8 m ，有效容积