臭氧－生物活性炭工艺介绍

　　臭氧－生物活性炭工艺介绍

　　近年来许多调查与研究的结果已经让人们认识到，常规的“混凝沉淀à砂滤à加氯消毒”处理技术及预氯化方法（折点加氯法）不能充分保障饮用水的卫生和安全，因此以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。其中臭氧－生物活性炭净水工艺以其高效去除水中溶解性有机物和致突变物质，出水安全、优质而备受瞩目。

　　一、臭氧－生物活性炭工艺净水原理

　　臭氧－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、生物氧化降解4种技术合为一体的工艺。简单地说，它的做法是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、将大分子有机物氧化为小分子有机物，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，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。好氧微生物以活性炭表面吸附的有机物为养料，将它们转化为二氧化碳和生物量，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，从而具有继续吸附有机物的能力，即大大地延长了活性炭的使用寿命和再生周期。

　　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）通过活性炭表面微生物的生物活动降解有机物。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－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；随着过滤柱吸附能力的饱和和运转时间增长，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。活性炭表面出现明显的生物活性大约需要运行5-20天的时间。

　　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碳化物的双键产生酮和醛，这些产物是管网系统内微生物的养料，如果在处理过程中没有去除这些养料，微生物就会在管网中迅速滋生。为了避免这种现象，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微生物所降解。避免管网中滋生微生物的另一个手段是在处理厂出水前投加少量氧化剂，如氯气、二氧化率等，如果没有活性炭这种生物过滤，就必须增加氧化剂的投加量。当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。

　　二、影响臭氧－生物活性炭工艺净水效果的因素

　　臭氧－生物活性炭工艺一般设置在砂滤之后，去除有机物的效果取决于水中有机物的性质、活性炭的特性、操作条件、温度等。

　　在臭氧－生物活性炭工艺中，臭氧的重要作用是将大分子有机物降解为小分子有机物，提高原水的可生化性。研究结果表明，根据水中有机物的类型和浓度，存在一个最佳臭氧投量，臭氧投加量高于此最佳值时，并不会提高原水的可生化性。

　　活性炭柱承担着吸附和生物降解有机物的双重作用，延长水与活性炭柱的接触时间对去除有机物有利；而反冲洗条件对保护某些菌落很重要。

　　在臭氧－生物活性炭工艺中，出水的BDOC（可生化降解的有机碳）的去除效果随着空床接触时间的增加而提高。

　　微生物生命活动对水温、pH值等因素的变化很敏感，容易导致炭床中生物降解效率发生波动。当温度低于5℃时，水处理效果极差。

　　为了维持活性炭的生物平衡和避免高于微生物生命形式的发展，活性炭定期冲洗是维护生命活动的重要手段。活性炭冲洗一般采用水洗、气洗、气水同时冲洗等几种方式。反冲后重新启动时水质一般较差，将持续10-20min，以使扰乱的炭层复原到正常过滤状态。工程实践证明，反冲效果的好坏直接影响处理水质。

　　三、臭氧－生物活性炭技术的评价

　　颗粒活性炭的吸附作用是去除水中溶解性及有机微污染物的一种有效的方法。但是，对于一些挥发性较低、难以生物降解、分子量较大的高分子有机物则不易通过颗粒炭吸附除去，这些物质的可吸附性能还与有机物所带官能团及分子结构有关。另外，当采用活性炭深度净水工艺进行大规模给水处理时，必须考察活性炭的置换及再生问题。

　　水经臭氧预处理后，利用臭氧氧化电位很高的特点，将许多大分子有机物氧化分解成较小的或是含氧较多的小分子有机物，改变了它们的形态结构和性质，提高了处理水的可生化性，使其中的有机物更易于被活性炭吸附；被吸附的溶解性有机物，为维持炭床中的微生物活动提供了营养源。同时，由于臭氧供氧充分，炭床中大量生长繁殖好氧微生物，它们有足够的时间降解所吸附的小分子物质，这样，炭床中的活性炭吸附和微生物生物降解作用同时进行，使颗粒活性炭对水中溶解性有机物的累计吸附负荷大大超过根据吸附等温线所预期的负荷，通水量较单独使用活性炭可以提高2-5倍，延长了活性炭吸附工作的周期。根据运行经验，在臭氧－生物活性炭工艺中，活性炭滤池可以运行3年或更长时间无需更换。

　　在水处理厂，臭氧－生物活性炭工艺一般设在砂滤池之后，生物活性炭滤池的出水经加氯消毒后进入供水管线，到达用户。实际运行结果标明，该工艺对控制饮用水中THMs的浓度极为有效。虽然臭氧化不能明显改变处理水的需氧量，但它能提高需氯有机物的可生化性及可吸附性，使它们在生物活性炭池中得以去除，即臭氧－生物活性炭工艺能够去除THMs的前驱物，从而不仅减少了消毒所需的加氯量，降低了饮用水中THMs的浓度，而且减少了过量加氯引发嗅味的机会。

　　臭氧－生物活性炭工艺去除有机物的同时，可以获得对氨、铁、锰、嗅味的去除，由于微生物的分解速度慢，因此须控制生物活性炭滤池进水的有机负荷不能太大。

　　臭氧－生物活性炭技术是一种先进的饮用水深度处理工艺，但目前该工艺存在着电耗较大、制水成本高的问题。生产臭氧的原料主要是空气和电能，其优点是不必运输和贮存原料，臭氧的生产由电能控制，易于管理和实现自动化。但是生产臭氧的电耗大，臭氧发生器的设备复杂，需要大量贵金属，因而造价较高；臭氧无法贮存和运输，只能在现场边生产边使用。此外，活性炭设备在使用一段时间后，需要更换新炭，活性炭的再生成本及再生炭的处理效率在很大程度上决定着臭氧－生物活性炭技术的费用。

　　综上所述，臭氧－生物活性炭工艺能够有效地去除水中的有机物、氨氮，对水中的无机还原性物质、色度、浊度也有很好的去除效果，并且能有效降低出水的致突变活性，保证了饮用水的安全。但该技术在使用过程中仍存在一些需要注意的问题。比如，如果原处理工艺中采用预加氯工艺，生成的三氯甲烷等有机卤化物，即使再使用臭氧－生物活性炭工艺对其进行深度处理，效果也不明显。另外，如果原水中氨氮含量太高，则硝化反应将进行得不彻底，只能进行到亚硝化这一步，结果使出水中亚硝酸盐浓度急剧升高，因此该技术对污染原水的指标（如氨氮含量）及原处理工艺（如预氯化）都有一定的要求。