（环境工程专业论文）臭氧与活性炭深度处理北江源水试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 水源污染不断加尉，而随着人们生活水平的提高。饮用水的卫生和安全越来越 被关注，因此必须研究和发展饮用水深度处理技术以获得优质饮用水。本课题采用 臭氧与活性炭净水技术，针对北江源水进行深度处理中试，研究臭氧与活性炭净水 技术对水中污染物质的去除效能。结果表明： 1 ) 臭氧是一种强氧化剂，臭氧预氧化时，可氧化去除有机污染物质及氯消毒副 产物前体物，尤其是对提高u v 2 5 4 及，r i o c 所代表的有机物的去除率具有明显的作用。 另外，臭氧可以改变水中悬浮固体颗粒的表面特性，有利于混凝，同时，臭氧的微 絮凝效应也有助于有机胶体和颗粒物的混凝。臭氧预处理后，常规工艺出水浊度平 均值 0 1 n t u ；氯消毒副产物比无预处理时减少8 6 5 。 2 ) 颗粒活性炭( g a c ) 具有良好的吸附性能，对有机污染物能保持长期有效的 去除作用；臭氧生物活性炭( 0 3 b a c ) 将臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解融为一 体，在去除有机污染物、延长活性炭使用寿命等方面比o a c 具有更优越的性能。g a c 和0 3 _ b a c 深度处理工艺出水中，c o d m i l 的平均去除率分别为6 8 1 2 、7 2 5 7 ，分 别比常规处理去除率提高了1 7 3 6 、2 1 。7 2 ；u v 2 5 4 的平均去除率分别为8 7 7 9 、 9 2 2 3 ，比常规处理也有明显提高，且出水水质稳定。 3 ) 活性炭吸附对氨氮的去除几乎无效；能吸附去除c h c l 3 ，但随着炭层上吸附 量达饱和后，原来吸附的c h c l 3 会析出，出水c h c l 3 含量会高于进水；生物炭滤池 中，生物降解能去除氨氮，但不能降解去除c h c l 3 、苯酚等物质。 4 ) 常规出水的浊度很低时，g a c 和0 3 - b a c 深度处理工艺对浊度的去除效果不 明显，平均出水浊度分别为o 】o 、0 。1 2 。生物膜的脱落会影响0 3 - 】b a c 工艺对浊度的 去除效果。 5 ) “预臭氧+ 常规处理+ 0 3 - b a c ”是一种较优的饮用水深度处理工艺，能有效去 除饮水中的有毒有害物质，保证饮水安全性。 关键词：北江水臭氧活性炭深度处理 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o ni sb e c o m m gi n t e n s i f 沁d ，w i l i kw i mt 1 1 ei m p m v e m e n to fh l 删a n s l i v i n gs 诅n d a r d ，m o r ea t t c m i o n 哪p a i dt o _ c l l es 删o n 纽ds a f 音t yo fd r i k i n gw a t e ls o s t u d y i n ga i l dd e v e l o p i n ga d v a n c e dd r i 戚n gw a 钯rp 面f i c 嘶o ns 垴u st oo 砸i i i lm 9 1 lq 1 1 a l i t y w a t e ri sn e c e s s a t h i ss m d ya d o p t so z o n ea i l da c t i v e dc a r b o nw a t e fp 晡f i e dt e c h o l o 甄 c o n d u c t sp i l o tp l 趾t 咖d yo na d v a i l c e d 骶砌e n to fb e 巧i a n gm v e rs o u r c ew 峨m a k e sa r e s e a r c ho nn l ee m c i e n c yo f e l i m i n 瓶n g 钠由口p o l h l t a n t 贼c hb y 也em e 吐l o 耐a b o v e t h e r e s u l t ss h o wt 1 1 a t ： 1 ) o z o n ei sak i n do fp o 啊，e r f i l lo x i d a n t ，d 嘶n gt 1 1 ep e r i o do fp r e - o z o n a t i o i l ，i ti s p o s s i b l et oe l i m i n a t e 也ep o l l u t e do 蟹蛐cm a t 时鹊w e i la sh m 伍p a i l do b v i o l l se 鼢t s a r ep r e s e m e do ni n c 咒硒协gt 1 1 eo l 蝥m i cr c m d v a l 眦w h i c hi sr e p r e s e n t e db yu v 2 5 4a n d t o c i na d d i t i o n ，o z o n ec 弛c h 缸g et h e 吼l f f 址ep e r f o 咖粕c eo fs u s p e n d e ds o l i d 口a i n s ， w h i c hw i l lb e9 0 0 df o rn o c c m 蕊o n ，砒m em e m 畦m e ，t l l ei n i c r o f l o c c u l 砒i o ne 妇睹c to f o z o n ei sh e l p 如1f o rc o a g u l a t i o no fo 垮商cc o l l o i d 柚d 印曲u l e a f t e rp r e o z o r m t i o n ，l h e t u r b i d i t yi ne m u e n c eo fc o n v e m i o l l a lt e c h n o l o g yi sb d l 0 wo 1 n 1 ui i la v e r a g c ，a n dn m i sd e c r e a s e db y8 6 5 2 ) g r a n u l a ra e t ；v e dc a r b o n ( g a c ) h 舔a 舭ts 呻t i o np e r f o | m a n c e ，晒c he a l l c o n s e r v et 1 1 er e m o v a la _ b i l 毋o fo r g 吼i cs u b s t a n c e so f 锄sp r o c sc o n s i s t e m l yf o ral o n g t i m e ；0 z o n e 雠db i o l o g i c a la c t i v a t e dc 8 r b o n ( 0 3 - b a c ) c o m b i n e so z o n a t i o n ，a c t i v e d c a r b o na b s o r p t i o na n db i o d c 粤锄讪i i 时t o g e 也e r ，s oi ti sb ( 斌e rt l l a 珏g a co nr e m o v a lr a t i o a n da c t i v e dc a r b o n sl o n g e v i 够d l l r 如gt h e0 3 b a c 髓dg a c p m c e s s ，t l l er e m o v a ir a t i oo f c o d m na r e6 8 1 2 a n d7 2 5 7 ，c o h 巾a r i n g 丽m 棚u e n c eo fc o n v e n t i o n a lt e c l l i l o l o g y t h er e m o v a lr a t i oo f c o d m ni n c r e 勰e1 7 3 6 强d2 1 7 2 b ye a c ha d v a t l c e dp r o c e s s ；廿1 e r e m o v a lr a t i oo fu v 2 5 4a r e8 7 7 9 锄d9 2 2 3 ，t l l a ya r eb e t t e rt h 觚r l v t i o n a l t e c h n o l o g y ，a n dt h ee m u e n c ew a t e rq u a l 畸a 陀m o r e 姐b i l e 3 ) a c t i v e dc a r b o na d s o r p d o nc o u l dn o tr e m o v en h 3 - n ；c o u l d ；l ；d s o r b e dc h c l 3 ，b u t a f t e r i tw a ss a t u r a t i o n ，恤c h c l 3c o n c e 腑a t i o no f e m u e m w 孙h i g h e rt 1 1 a n 恤i n n u e m ：i n t h eb a cf i l t e r ，b i o d e g r a d a b i l 时c o l l l dr e m o v en h 3 - n b u tc o u l dn o tr e n ec h c l 3a i l d 华中科技大学硕士学位论文 p h e n 0 1 4 ) w h e nm et i l 】 b l d i t y o ft h ee f n u e n c eo fc o n v e m i o n a lt e c h n o l o g yi sv e r y1 0 w 0 3 b a ca n d ( j a cp m c e s sh a sn o to b v i o u se 舵c to nr e m o v a lo ft i l r b i d “y ，i nt l l ee m u e n c e o ft h e m ，t h et u r b i d 埘a r c0 1 0 n t ua n do 1 2n 1 1 j o 唱a l l i 锄d e s q u 咖a t i n g 、v o l l l d d i s s e r v et h ew a t e rq u a l 姆o f t h ee m 啪c eo f b a c 5 ) “p r c o z o n a t i o n + c o n v e n t i o 叫删e fp 诚f i c a t i o n + 0 3 _ b a c ” i sas u p e r i o r c o m b i n e dp r o c e s s ，i tc a ne 仃色c t i v e l yr e m o v em eh a z a r d o l l s 趾dt o x i cs u b s 诅n c e sf b m “n k i n gw a t e r ，a n d 也u si m p r o v e i t ss 出y k 科w o r d s ：b e i j i a i l g r i v e r w a t e r0 2 0 i m t i o na c t i v e dc a r b o na d v 姐c e d 订c a 恤e n t h l 华中科技大学项士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 椽田搀 日期：上声一嫜j 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密文 ( 请在以上方框内打“”) 学位做作者龆托 r 期：2 撕j ，月8 同 指导教师签名： 日期：口占锈月两 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 绪论 水是生命之源，是人类赖以生存的物质基础，是人类社会可持续发展的制约因 素。随着社会的发展和人口的增加，水资源短缺和水源污染问题日益严重。与此同 时，随着生活水平的提高，对水质的要求也越来越严格。根据我国国情，水环境污 染只益加剧的趋势无法在短对间内得到遏制，为了解决水源污染加剧和水质标准提 高之间的矛盾，在加强水资源保护的同时，必须研究和发展各种饮用水深度处理技 术。 1 1 1 水源水质污染加剧 水是不可替代的宝贵自然资源。地球表面7 0 覆盖羞水，水的总量约为1 3 6 1 0 8 k m 3 ，其中海水占9 7 3 ，淡水( 包括冰川、地下水、湖泊、河流等) 占2 7 。 我国是水资源相对贫乏的国家，虽总量丰富，位屠世界第六，但人均占有资源量每 年仅2 7 0 0m 3 【2 j ，约为世界人均占有量的1 “，居世界第1 1 0 位，被联合国列为全世 界1 3 个贫水国之一。并且水资源时空分布不均匀，长江以北地区人口占全国人口的 4 5 3 ，而水资源仅占1 9 ；水资源在时间上也分布不均，6 9 月四个月占全年的 6 0 一8 0 ，其他季节则较少；降水年季分布不均，最大僮与最小值之比在北方达4 2 0 倍。农业用水量占总用水量7 0 一8 0 ，灌溉技术落后，水的有效利用率仅为3 0 左右，浪费严重，并导致与工业和城市争水，而后者用水浪费也很严重。 近二十年来，随着工业化的发展和人类物质生活水平的提高，水环境的污染日 益严重，水体接纳了很多未经处理的城市污水、工业废水、固体废物等，此外还有 非点源污染如农田径流挟带大量化肥、农药进入承源中，大气沉降使其中的污染物 如挥发物、重金属、放射性化合物和有机化合物等进入水体。这些污染物直接或者 间接地进入了饮用水水源或饮用水中，致使源水中有毒有害污染物质日益增多，污 染物成分越来越复杂，给饮水安全造成严重威胁。目前我国8 0 水域，4 5 地面水 受到污染，同时由于工业废水等的渗入，地下水也受到不同程度的污染。建设部副 部长仇保兴2 0 0 5 年l o 月3 1 日在首届中国城镇水务发展战略国际研讨会上的演 华中科技大学硕士学位论文 讲中表明，2 0 0 4 年有监测数据的7 4 5 个水体断面中( 其中河流断面4 8 9 个，湖库点 位2 5 6 个) ，i 类占3 8 ，i i 类占1 6 9 ，i i i 类占1 7 o ，类占2 0 5 ，v 类占 1 3 ，6 ，劣v 类占2 8 2 。统计情况表明，水质符合或优于m 类以上水体断面仅占 3 7 7 。据检测发现，给水中有2 2 2 1 种有机物，其中7 5 6 种合成有机物存在于饮水 中，2 0 种为确认致癌物，2 3 种为可疑致癌物，1 8 种为促癌物，5 6 种为致突变物， 这些物质在常规处理工艺中难以有效去除，长期饮用会对人体产生极性或慢性、直 接或间接的致毒作用p 。一些无机化学污染物，尤其是含重金属的废水污染，也严重 威胁着人类健康，在日本发生了震惊全世界的两大公害病：水俣病和骨痛病。中国 环境监测总站结合我国的水污染实际情况，1 9 9 0 年列出水中优先控制污染物黑名单 1 4 类6 8 种有毒污染物，其中包括三卤甲烷、挥发酚类及多氯联苯等危害人体健康的 有机污染物和近十种重金属及其化合物。 水环境污染严重，导致很大比例的水资源不能用作城市饮用水水源，大大加剧 了城市缺水，使水资源危机更加严重。联合国1 9 9 7 年就提醒人们，水资源缺乏很可 能引发“地方的或地区的灾难”，还可能引发“能导致世界危机的对抗”。随着越来 越多的人认识到淡水是一种稀有资源，认为水理所当然是取之不尽的时代将一去不 复返。西方经济经历了先污染后治理的过程，近年来总的情况是发达国家比较重视 环保事业，投入了大量财力，水污染控制较好，水源水质总趋势是向好的方向发展。 而发展中国家由于重视生产发展，往往忽视环境保护，即使重视环保，但因经济实 力有限还不能在环保上投入更多的资金，因此饮用水源污染日趋严重。我国也不例 外，随着我国经济的快速发展，工业废水和城市污水的排放量及排放的污染物总量 仍在不断增长，近期我国的国力及投入的资金都无法消除污染，只能控制污染使环 境不再继续恶化，我国的水环境污染情况2 l 世纪只能向逐步好转努力，但污染仍将 是长期存在的问题【4 j 。 水环境的污染已是当今世界范围内普遍存在的问题，水资源的短缺和水污染的 加剧，使水处理工艺面临着叛的挑战。严峻韵事实促使全人类共同行动，控制污染， 保护水源，也促进了水处理工艺尤其是饮用水深度净化工艺的不断发展【5 1 。 1 1 2 饮用水水质标准提高h ” 每次饮用水处理技术的发展与进步，都与饮用水源污染的加重有关，也与随着 人们生活水平的提高对饮用水水质要求及相应标准不断提高有关。 2 华中科技大学硕士学位论文 人类历史上第一个关于水质优劣的标准是由罗马人于公元前一世纪提出来的， 但真正意义上的饮用水标准直到2 0 世纪初才在美国首次出现。尽管该水质标准仅对 细菌学指标( 细菌总数和大肠杆菌) 作出了规定，但对保护饮用者的健康起到了十分重 要的作用。真正具有现代意义的饮用水的水质标准是在本世纪初在美国首次出现， 即1 9 1 4 年颁布的公共卫生署饮用水水质标准。本世纪中期以后，由于天然水体 中污染成分的种类及浓度迅速增加，对化学物质分析技术的不断提高以及医学、生 物学和化学等学科对水质的不断研究，对于水质与人体健康的关系积累了丰富的资 料。目前，全世界有许多不同的饮用水水质标准，对饮用水中的有机物的种类和含 量作出了严格的限制，其中具有国际权威性、代表性的有三部：世晃卫生组织( w h o ) 的饮用水水质准则，欧盟( e c ) 的饮用水水质指令以及美国环保局( u s e p ：a ) 的国家饮用水水质标准，其他国家或地区的饮用水标准大都以这三种标准为基础 或重要参考，来制定本国的标准。 我国政府十分重视饮用水对人民身体健康带来的影响，生活饮用水卫生标准也 在逐年提高。我国政府于1 9 5 9 年颁布了第一个饮用水水质标准，包括6 项指标，1 9 7 6 年修订的标准则将水质指标增加到2 3 项。目前执行的生活饮用水水质标准 g b 5 7 4 9 8 5 则是根据我国的国情于1 9 8 5 年提出的，此标准正式规定的限量参数共3 5 项。中国城镇供水协会于1 9 9 3 年制定了城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划， 该规划根据供水规模和供水的重要性将城市自来水公司分为四类，分别提出了相应 的要求，其中一类水水质指标为8 8 项，有机物指标占3 s 项，二类水水质指标5 l 项。 有机物指标1 9 项，三、四类是仍然执行现有的水质标准。从而在水质标准的制定和 执行上逐步与国际接轨。 1 9 9 9 年9 月2 8 日建设部颁布了饮用水水质标准c j 9 4 1 1 9 9 9 ，规定于2 0 0 0 年3 月1 日实施。该标准规定了以自来水或符合生活饮用水水源水质标准的水为原水， 经深度净化后可直接供给用户饮用的管道供水和罐装水。2 0 0 0 年6 月为了进一步改 善饮用水水质，尤其是饮用水的消毒副产物，我国卫生部又重新修订了饮用水水质 卫生标准。修订的生活饮用水水质标准中增加了耗氧量作为水质指标，是全面提出 市政供水水质的一个重要措施。该标准在非常规检验项目中增加了有关农药、除草 剂、消毒副产物( 三卤甲烷、卤乙酸、氯胺等) 及其它有害有机物，在水源选择时还要 对常规与非常规检验项目外3 2 种有害物质进行测定。2 0 0 5 年建设部又颁布了城市 供水水质标准( c j t 2 0 6 - 2 0 0 5 ) ，该标准分析了国内现行标准、规范和执行状况， 华中科技大学硕士学位论文 参考了世界卫生组织、欧盟以及美、英、法、德等国际组织和发达国家的水质标准， 既体现了国际先进水平的要求，同时也结合我国国情，充分考虑了供水行业的实际 情况和发展趋势。随着水质标准的发展，控制污染物项目在增多。标准也越来越高。 水环境污染日益加剧的趋势尚未得到扭转，而水质标准不断提高，这对我国整 个饮用水行业是个很大的挑战。许多水厂的出水面临不达标的危险。因此，探求 经济有效地降低和去除饮用水中污染物质的新的饮用水处理方法，成为当今人们关 注的焦点【8 。 1 2 饮用水深度处理技术研究进展 饮用水的净化技术是保障人们饮水卫生安全的重要措施，是人类在与水源污染 及由此引起的疾病所做的长期斗争中产生的，并随着水源污染及由此引起的疾病的 变化而不断发展和完善。饮用水污染对人体造成的直接或间接的危害已有悠久的历 史，饮用水净化技术也从最初的简单沉淀净水方法到传统的常规工艺水处理方法， 以及发展到现在的饮用水深度处理工艺【9 j 。 1 2 1 饮用水净化技术发展历程 最早的给水设施建设是随着农业灌溉而发展起来的，给水设旌只有输配水系统。 但随着工业的发展和人口的增加，尤其是1 8 世纪工业革命以后，大量工业废水和生 活污水排入水体，严重污染了水源，造成霍乱、痢疾、伤寒等水传染疾病的多次大 规模爆发和蔓延，夺去了成千上万人的生命。这些惨熏的教训促进了饮用水去除和 消灭细菌技术的发展。1 8 0 4 年英国派斯利( p a i s l e y ) 建成世界上第一座城市慢砂滤 池水厂，距今已有二百多年的时间。从世界范围来看，饮用水净水技术可以分为两 个阶段。 第一阶段是从1 9 世纪初到2 0 世纪6 0 年代。在此阶段，欧美一些城市由于排放 的污水、粪便和垃圾等使地表水和地下水源收到严重污染，以过滤和加氯消毒为主 的饮用水处理工艺在1 9 世纪末2 0 世纪初逐步形成，使这种大规模水介微生物污染 引起的饮用水污染、传染病爆发现象得到了有效的控制，直至现在包括我国在内的 许多国家仍然把控制和去除细菌、病原菌等微生物作为饮用水除污染技术的首要任 务。此阶段的代表性工艺流程为混凝一沉降砂滤一氯消毒，即当今的饮用水常规 处理工艺。 4 华中科技大学硕士学位论文 第二阶段是从2 0 世纪6 0 年代至今。随着工业和城市的迅速发展，饮用水水源 受到更多城市污水和工业废水的污染，而这些污染物质在常规处理工艺中难以有效 去除，长期饮用含有多种微量污染物( 尤其是致癌、致畸、致突变污染物) 的自来水会 严重危害居民群的身体健康，因此，从饮用水中去除这些微量污染物成为第二阶段 净水的首要任务，饮用水需要在常规处理基础上进行深度处理。饮用水污染出现的 新问题，促使人们寻求一个全面的综合措施来提高饮用水水质安全性【1 0 】，美国、欧 洲、日本等国家或地区广泛地开展饮用水去除微污染物质的新技术的试验研究，出 现了各种新工艺。 1 2 2 饮用水净化新技术研究现状 从2 0 世纪6 0 年代开始，水处理研究人员开发出了许多净水新工艺，有的已经 在实际中得到应用，取得了较好的效果。这些工艺主要可以分为三类：强化传统处 理工艺、预处理技术和深度处理技术。 1 ) 强化常规处理工艺 强化常规处理包括强化混合、絮凝、沉淀、过滤各环节，主要有强化混凝和强 化过滤。影响混凝效果的因素很多，包括混凝剂的种类、混凝剂的投加量、原水水 质、混凝p h 值、碱度、混凝搅拌程度以及混凝剂与助凝剂的投加顺序等，强化混凝 是通过选用适合源水水质的絮凝剂、调节源水p h 值等方法确定混凝的最佳条件，发 挥混凝的最佳效果，尽可能地去除能被混凝阶段能够去除的成分，特别是有机成分， 如n o m 。对于过滤工艺采取强化措施是多方面的，可以通过对滤速进行控制、使用 新型滤料、以及投加助滤剂等，还可以对普通滤料进行生物强化，滤料由生物滤料 和石英砂滤料组合而成。目前国内采用较多的是气水反冲均质滤料滤池。马军等对 强化沉淀与气浮技术进行的试验研究表明，建立的薪型气浮沉淀固液分离工艺模型 的平均去除率可提高l o 2 0 ：即使对于低温低浊水质原水，实际工艺系统经常出 现浊度高于原水的情况下，试验模型也可保证7 0 8 0 的浊度去除率；而且对水中 有机物的去除率也达到了6 0 8 0 【1 1 1 。强化常规处理工艺不增加任何新设施，只是 在原有净水流程的基础上略做调整，在我国现实情况下具有十分重要的实际意义。 2 ) 预处理技术 预处理通常是指在常规工艺前面，采用适当的物理、化学和生物的处理方法 1 2 l ， 对水中的污染物进行初级去除，改善后续处理出水效果，主要包括吸附、化学氧化 华中科技大学硕士学位论文 及生物预处理。吸附预处理是在混合池中投加吸附剂，如粉末活性炭、黏土等，利 用其强大吸附性能改善混凝沉淀效果来去除水中污染物。化学氧化预处理是依靠氯 气、紫外光、二氧化氯、臭氧等氧化剂的氧化能力来分解和破坏污染物，有效去除 水中有机污染物的数量，并使有机物的可生化性提高，但同时也可能产生一些“三 致”物质，如卤代有机物，而这些物质难以在后续工艺中有效去除。生物预处理是 借助微生物群体的代谢活动，去除水中污染物。反应器基本上都是生物膜型，主要 有生物滤池、生物转盘、生物滤塔、生物接触氧化池等。该工艺对污染物的去除经 济有效，不产生“三致”物质，减少混凝剂和消毒剂的用量，但运行效果受原水水 质、水温、操作管理水平等诸多因素的影响，且启动时闻稍长，需要一定的成熟期。 3 ) 深度处理技术 深度处理是在常规处理后，采用适当的方法，将常规处理不能有效去除的污染 物或消毒副产物的前体物加以去除。目前较流行的深度处理技术有光催化氧化、活 性炭吸附、臭氧一生物活性炭联合工艺等。为了从饮用水中去除有害的微量污染物， 水处理研究者从上世纪6 0 年代开始广泛开展了应用于饮用水除污染新技术的试验研 究，对活性炭吸附、臭氧、二氧化氯、高锰酸钾、过氧化氢等氧化剂氧化除污染方 法及由其组成的净化系统进行了大量的研究，并形成了以臭氧氧化和生物活性炭为 代表的深度净化工艺【3 j 。 1 2 3 饮用水深度处理技术研究现状 应用较广泛的深度处理技术有：活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜分离 技术和深度氧化等，以及这些工艺的组合工艺【1 3 】。 1 ) 活性炭吸附 活新炭是一种多孔性物质，内部具有发达的孔隙结构，有巨大的比表面积和很 强的吸附能力，是目前所有饮用水深度处理技术中应用最广泛的一种。活性炭的孔 隙一般可分为大孔、过渡孔和微孔。大孔主要分布在活性炭表面，对有机物的吸附 作用甚微；过渡孔是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进入微孔的通道： 微孔构成的内表面积占总面积的9 5 以上，是活性炭吸附有机物的主要区域【1 4 】。活 性炭可经济有效地去除嗅、味、色度、氯化有机物、农药、放射性有机物及其它人 工合成有机物，且生产方便，其孔径特点决定了它对不同分子大小有机物的去除效 果不同。常用的活性炭主要有粉末活性炭( p a c ) 和颗粒活性炭( g a c ) 两大类。美国 6 华中科技大学硕士学位论文 环保署( u s e p a ) 饮用水标准的6 4 项有机物指标中，有5 l 项将g a c 列为最有效技 术( b a t ) 。 2 ) 臭氧氧化法 臭氧是自然界中最强的氧化剂之一，在水中氧化还原电位( 2 0 7 v ) 仅次于氟而 居第二位。臭氧具有卓越的杀菌消毒作用，也可以氧化去除有机污染物质，或破坏 有机污染物的分子结构，改变污染物性质以便于在后续处理工艺中去除。但是， 臭氧与有机物的反应具有较强的选择性，如它对水中已形成的三卤甲烷几乎没有去 除作用。同时臭氧氧化还可导致水中可生物降解物质的增多，使出厂水的生物稳定 性降低，容易引起细菌繁殖。这些因素的存在，使得臭氧很少在水处理工艺中单独 使用。臭氧在饮用水处理的主要应用有预氧化和后氧化。预臭氧化主要用途有改善 感观指标：氧化铁、锰以及其它重金属；去除藻类；助凝：将大分子有机物氧化为 小分子有机物；氧化无机物质如硝化物等。后臭氧化主要与生物活性炭联用即臭氧 生物活性炭( 0 3 一b a c ) 法。目前对臭氧氧化机理的研究和如何利用臭氧更有效去 除饮用水中有机物的研究成为给水处理中关注的重点l 。 3 ) 生物活性炭法 生物活性炭( b a e ) 是指水处理过程中，有意识地助长在活性炭吸附中的好氧生物 活性的处理工艺。微生物和活性炭有多种结合方式，它取决于炭粒大小和微生物种 属，以及水中基质的条件等。对颗粒炭而言，微生物群落可以分散在炭段表面，也 可以成膜覆盖在整个炭粒外表面。活性炭是一种兼有吸附、触媒和化学反应活性的 多功能载体。微生物附着其上，可以发挥生化和物化处理的协同作用，从而延长活 性炭的工作周期，大大提高处理效率，改善出水水质1 1 6 1 并能处理那些采用单纯生 化处理或炭吸附法法所不能去除的污染物质。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，活性炭微孔极易被阻塞，导致活性炭的吸附 功能下降，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p h 值 适用范围窄，抗冲击负荷差等。今后的研究重点是降低投资成本和增加各种预处理 措施与b a c 联用提高处理效果。生物活性炭( b a c ) 技术已在给水深度处理中受到 广泛重视。随着深度处理技术的发展，臭氧与活性炭联合显示出了较大的优越性， 在试验、生产实践中已有广泛应用。 4 ) 膜分离技术1 1 7 1 华中科技大学硕士学位论文 膜分离是指在某种外加推动力的作用下，利用膜的透过能力，达到分离水中离 子或分子以及某些微粒的目的。膜分离法的最大特点是分离过程中不伴随有相的变 化，仅靠一定的压力作为驱动力就能获得很高的分离效果。膜分离技术在饮用水深 度处理中有广泛的应用，例如微滤( m f ) 、超滤( u p ) 、纳滤( n f ) 和反渗透( r o ) 等【。 膜分离可以完成其他过滤所不能完成的任务，可以去除更细小的杂质、溶解态的有 机物和无机物，甚至是盐。微滤技术是层前所有膜技术应用最广泛的一种膜分离技 术，主要用于过滤0 1 一l oum 大小的颗粒、细菌、胶体，微滤作为较经济的微过滤 方式在饮用水处理方面应用广泛，它在水质波动较大时仍可连续处理，占地面积小。 超滤孔径范围为o 0 5 1 砌，主要用于去除固体颗粒、悬浮物、大分子有机物和胶体。 纳滤介于反渗透和超滤之间，其操作压力通常为o 5 m p a 1 o m p a ，纳滤膜的一个显 著特点是具有离子选择性，它对二价离子的去除率高( 9 5 以上) ，一价离子的去除率 低( 4 0 一8 0 ) ，因此纳滤广泛应用于河水及地下水中三卤甲烷潜体、低分子有机物、 农药、异味、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质的去除。反渗透膜几乎对所 有的溶质都具有很高的脱除率，反渗透出水水质很高，在水处理中通常用于最后的 精制。随着膜技术的发展，在膜性能提高的同时，制膜成本大幅度下降，以膜技术 为核心的饮用水深度处理技术得到了迅猛的发展。我国的膜技术在饮用水深度处理 领域的应用与世界先进水平尚有较大差距，今后的研究重点是开发、制造高强度、 长寿命、抗污染、高通量的膜材料，对于不同的污染源采用不同的膜技术及相应的 配套工艺，以达到降低投资和运行成本。在膜使用中着重要解决的是膜污染、浓差 极化及清洗等关键问题。 5 ) 深度氧化技术 饮用水深度氧化法( a d v a n c e dc b d d 撕o np r o c e s s ，简称a o p ) 是指用产生羟基自由 基的方式来对原水中的污染物质进行更彻底的氧化。该技术的特点是具有极强的氧 化能力，有机物去除效率高。对水中有机优先控制污染物如三氯甲烷、四氯化碳、 四氯乙烯、六氯苯及多氯联苯等也能有效进行分解且没有选择性。近年来，以提高 “- o h ”生成量及生成速度为主要研究内容的深度氧化技术( a o t ) 得到了长足的发 展，出现了过氧化氢和紫外线( h 2 0 2 ，i r v ) 、过氧化氢和二氧化锰( h 2 0 2 l v i n 0 2 ) u 9 】、臭 氧和紫外线( 0 3 ，u v ) 、紫外线和二氧化钛( i 用0 2 ) 等技术【舡删。深度氧化法的处理 费用高，设备复杂，还只限于中试或小水量规模的处理。研究还指出，饮用水深度 氧化处理时的耗氧速度不高，反应速率受水温变化影响较小，而且p h 值变化对催化 盛 华中科技大学硕士学位论文 剂活性没有影响，使得在饮用水处理中无需调整p h 值。但深度氧化法的处理费用高， 设备复杂，该技术还处于实验室和中试阶段，在经济上还只限于小水量规模的处理。 在实际工程应用中解决长期运行过程催化剂的中毒及寻求理想的再生方法和深度氧 化处理装簧实现简捷、小型化是今后的研究重点。 另外，还有很多其他的水质深度处理技术，如吹脱技术、超声空化技术、磁分 离技术等，其中大部分仍处于实验室或中试阶段。 1 3 臭氧与活性炭净水技术研究现状 1 3 1 臭氧技术研究和应用现状 臭氧化技术应用广泛，其中最成功的领域是饮用水处理口6 】。臭氧在水处理领域 中的研究始于1 8 8 6 年，但由于设备和运行费用昂贵，当时并朱得到应用，直到1 9 0 6 年，在法国尼斯( n i c e ) 市建起的一座臭氧处理水厂成功运行后，才得到日益广泛的应 用。目前，世晃上己有1 0 0 0 余座水厂应用臭氧处理，主要集中在法国、西德、瑞士 等西欧国家，德国8 5 的水厂采用了臭氧处理技术。北美应用臭氧处理饮用水的起 步较晚，1 9 7 7 年美国只有5 座水厂应用臭氧处理，加拿大也仅有2 3 座。1 9 8 4 年， 美国和加拿大己分别增加到2 0 和5 0 座。美国虽然起步晚、数量少，但于1 9 8 7 年在 洛杉矶却建成了世界上最大的臭氧处理装置，日处理水量近2 3 0 万立方米。 洛杉矶a f 水厂多年的运行经验充分证实【2 7 】：与预加氯工艺相比，臭氧有助于 加速絮凝，并加快过滤速度，过滤速度由2 2 r n m 提高到3 3 i n m ，使滤池的数目减少了 三分之一；凝聚剂用量降低3 3 ，臭氧可有效地控制味与色：臭氧不产生三卤甲烷， 并可减少三卤甲烷的前驱物质；试验研究还发现，若建设费用和运行费用均计算在 内，臭氧比氯或二氧化氯成本低，效用高。法国巴黎附近c h o a r y l e r 面水厂的 运行实践表明，臭氧处理有机物可使水的需氯量降低5 0 ，并且t h m 的生成量从 3 0u l 降至5ug ，l 。英国1 1 砌e s 水厂采用预臭氧化工艺，其流程为：原水一预臭 氧接触池一絮凝池一气浮池一后臭氧接触池一g a c 滤池一出水。 我国臭氧技术的研究和应用近年来也取得迅猛发展，己被用于食品加工业、医 疗卫生、污水处理、饮用水处理等各个行业中。瓶装水在我国近多年来发展迅速， 粗略估计，矿泉水、纯净水水厂就有一千多家，其中约6 0 以上均采用臭氧消毒。 臭氧作为水的预处理和深度处理手段，己被广泛地用于水处理工艺的各个环节。2 0 9 华中科技大学硕士学位论文 世纪8 0 年代，上海市相关单位开始臭氧技术的研究，并在周家渡水厂进行试验，目 前国内昆明五水厂、北京九水厂、上海周家渡水厂、以及深圳、大庆、常州、广州 等地的水厂己应用运行。 1 9 9 3 年，北京市政设计研究院阮如新等对预加臭氧对饮用水净化中的作用进行 了系统研究。结果表明：预加臭氧与预氯化相比，可使过滤出水浊度更低、产水量 增加、嗅阈值降低一个等级、有机物总量减少、t h m s 生成量极微、a m e s 试验为阴 性，出水水质更为安全。2 0 0 3 年，深圳自来水公司张金松等研究了臭氧化一生物活 性炭处理的饮用水生物稳定性，同时对水的致突变性和消毒副产物潜质等问题迸行 分析。研究结果表明。采用臭氧化工艺会导致a o c 有所升高，但后续生物活性炭工 艺将有利于提高出水的生物稳定性，并明显降低水的致突变活性，臭氧化对三卤甲 烷潜质和卤乙酸潜质均具有很好的去除效果，生物活性炭对卤乙酸潜质表现出较好 去除效果，但对三卤甲烷潜质的去除效果有限口引。 2 0 世纪初，法国n i c e 城就开始使用臭氧作为饮用水消毒剂，到2 0 世纪6 0 年代 术，臭氧开始用于饮用水原水预氧化。发展到今天臭氧化用于水处理已是比较成熟 的技术，并且主要目的已转变为去除水中有机污染物质，尤其是难生物降解有机物 的氧化降解或完全矿化。近年来由于实践中碰到的困难。如原水中有毒有害有机污 染物质的增多，臭氧水处理技术因其卓越的净水效能越来越受到重视，随着臭氧发 生设备性能的提高，臭氧化技术也得到了长足的改进和发展。除了臭氧处理单元和 其它处理单元如絮凝、气浮、生化吸附等联合使用外，臭氧氧化由最初的直接氧化、 经碱催化氧化发展形成光催化、金属催化氧化等口0 】。 1 3 2 活性炭净水技术研究霸应用现状 活性炭最初使用的目的是去除饮用水中的色度和嗅味，在上世纪五十年代初期 先后应用于西欧和美国的部分自来水厂，由于其丰富的多孔性结构对有机物的吸附 作用，能有效去除引起水中臭味的土臭素( g e o s m i n ) 和2 一甲基异茨醇( m m ) 。 目j ；i ，活性炭吸附已发展成为国内外深度处理的主流工艺之一。研究表明，活 性炭易于吸附苯类化合物、小分子量腐殖质等，对分子量在5 0 0 1 0 0 0 的腐殖质可 吸附面积达活性炭吸附面积的2 5 【3 l l ：能吸附氯仿、致突变物，但当再生周期过长 时，出水的氯仿浓度高于进水，且a m e s 试验呈阳性。工程实践表明，粒状活性炭能 有效降低管道分质供水中净水余氯浓度、t o c 与v o c s 等影响口感物质的含量，明 l o 华中科技大学硕士学位论文 显改善口感而对其他指标无不良影响，可作为终端过滤。饱和活性炭通过各种再生 方法使其恢复吸附性能也是活性炭大范围应用的价值所在。传统的加热再生法炭损 失大，多达5 1 0 ，运输费用大，但再生效率较高。 常用的活性炭主要有粉末活性炭( p a c ) 和颗粒活性炭( g r a n u l a r a c t i v e d c a r b o n g a c ) 两大类。p a c 价格便宜，基建投资省，不需增加特殊设备和构筑物。尤其适 用于水质季节性及突发性事故的水源净化处理。近年来，国外对粉末活性炭的研究 较多，已经深入到对各种具体污染物的吸附能力的研究。我国还处于初步尝试阶段， g a c 在应用水处理中应用较多，处理效果也较稳定。美国环保署( u s e p a ) 饮用水 标准的6 4 项有机物指标中，有5 1 项将g a c 列为最有效技术( b a t ) 。g a c 处理工 艺的缺点是基建和运行费用较高，且存在易滋生细菌产生亚硝酸盐等致癌物，相对 短期或突发性污染适应性差等。如何进一步降低基建投资和运行费用，降低活性炭 再生成本将成为今后的研究重点。 人们在使用g a c 进行水处理时，发现活性炭表面极易于微生物繁殖，并发现具 有微生物繁殖的活性炭使用寿命比无微生物的g a c 要长，于是，国外科学家在6 0 年代初提出了生物活性炭( b i o l o g i c a l a c 畦v e d c 矗b o n b a c ) 这一技术。在生化与物 化的协同作用下，生物活性炭具有良好的净水效果。臭氧与生物活性炭联用技术将 活性炭吸附、臭氧氧化与生物降解融为一体，能在较长的时间内保证对u v 2 5 4 、 c o d m 。、t 0 c 等有机物的有效去除，对n h 3 _ n 、浊度、色度、藻类等也有明显的去 除效果。0 3 b a c 现己广泛地推广应用于欧洲国家如法、德、意、荷等上千座水厂中， 在欧洲，臭氧活性炭技术已被公认为处理污染原水、减少饮用水中有机物浓度的最 有效技术p “。 1 3 3 臭氧与活性炭联用净水技术研究理状 臭氧一活性炭是2 0 世纪7 0 年代发展起来的联合处理工艺，最初起源于欧洲， 首先用于德国的杜赛尔多夫水厂。1 9 6 9 年起，德国不来梅水厂对臭氧预处理和活性 炭滤池进行了为期3 年的生产性试验，发现活性炭对有机物的去除率能保证在一定 范围而不会减弱，并被许多研究证明，之后迅速推广到法国、瑞士、荷兰和比利时。 这些国家共有8 个自来水厂开始采用臭氧处理后用活性炭作为附加处理，以抵消地 面水系的递增污染。运行结果表明，这种工艺的处理阶段所去除的溶解有机物和氨， 可比单独用臭氧处理或活性炭处理期望去除的更多。目前欧洲的地表水厂多使用臭 华中科技大学硕士学位论文 氧活性炭工艺，至1 9 9 0 年法国有7 0 0 家，其中巴黎有1 2 家水厂使用臭氧，臭氧设 备总产量5 0 0 k g l l ，日产水量3 0 0 万立方米。瑞士2 0 世纪5 0 年代开始使用臭氧，至 1 9 8 8 年，全国4 0 的水厂使用臭氧处理地表水，其中8 0 和活性炭滤池联用。德国 有7 0 多家水厂应用臭氧生物活性炭工艺。在欧洲，臭氧活性炭技术己被公认为处理 污染原水、减少饮用水中有机物浓度的最有效技术印j 。 我国于上世纪6 0 年代从国外引进活性炭净水技术，8 0 年代开始研究臭氧活性炭 联用工艺。由于水源受工业废水、农业化学农药和城市污水等排放污染【3 5 1 ，尤其 是在自来水中观测到因加氯消毒而与有机物衍生出来的三卤甲烷和一些致癌物，臭 氧及活性炭在水处理中扮演越来越重要的角色。目前臭氧与活性炭净水技术在国内 已得到了广泛的研究及应用，并取得了良好的效果p 6 j 。目前，大庆石化总厂、北京 石化总厂、北京燕山石油化工区、北京田山村、广州南洲水厂等采用此法深度处理 源水，都达到了预期的效果口订。研究与实践表明，在生物活性炭前采用预臭氧化工 艺，具有如下优点：( 1 ) 在致突交活性方面，预加臭氧出水水质a i n e s 试验通常为阴 性：( 2 ) 预臭氧能够有效去除源水中三氯甲烷前驱物，使过滤出