臭氧/生物活性炭聯(lián)用工藝在水處理中的應(yīng)用
                             徐越群1）趙巧麗2）
（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）河北石家莊050041石家莊綜合地質(zhì)大隊(duì)2）河北石家莊050081）
    摘要：隨著水質(zhì)污染的日益嚴(yán)重和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，常規(guī)的水處理工藝往往達(dá)不到理想的處理效果。因此，以高效去除水中溶解性有機(jī)物和致突變物的飲用水深度凈化技術(shù)——臭氧化——生物活性炭聯(lián)用技術(shù)日益受到重視。綜述臭氧化——生物活性炭聯(lián)用技術(shù)的作用機(jī)理及在水處理中的應(yīng)用研究，并對(duì)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行分析。
    關(guān)鍵詞：臭氧氧化生物活性炭水處理
    中圖分類號(hào)：TV4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-1816(2010)04-0034-04
    目前，給水處理廠常規(guī)的凈水工藝為“混凝沉淀——砂濾——加氯消毒”，該項(xiàng)工藝在不能有效地去除水源水中微量可溶性有機(jī)污染物，并且其氯化消毒工藝過程中又產(chǎn)生了以氯仿為代表的鹵代有機(jī)物，這其中有許多致癌、致畸、致突變的三致物質(zhì)[1]。因此，去除水中有機(jī)污染物為目標(biāo)的飲用水深度凈化技術(shù)得到廣泛的研究，臭氧化-生物活性炭聯(lián)用工藝日益受到重視，并迅速從理論走到實(shí)際應(yīng)用，其凈水工藝以高效去除水中溶解性有機(jī)物和致突變物，出水安全、優(yōu)質(zhì)而備受矚目[2]。該工藝在國外運(yùn)用已經(jīng)比較成熟，歐洲國家如德意荷等國家已經(jīng)廣泛地將其應(yīng)用于上千座水廠中，該工藝在我國近年來受到重視，正在逐步推廣應(yīng)用。
    1·臭氧——生物活性炭技術(shù)的發(fā)展概況
    1.1臭氧氧化技術(shù)
    臭氧氧化技術(shù)應(yīng)用最廣泛、最成功的領(lǐng)域是飲用水處理。臭氧是一種很強(qiáng)的氧化劑和消毒劑，其氧化還原電位在堿性環(huán)境中僅次于氟。臭氧氧化在飲用水深度處理中的作用有:氧化有機(jī)物、減少消毒副產(chǎn)物、消毒、去除色度、促進(jìn)混凝等[3,4]。
    一般來說，單純的臭氧氧化工藝需要的能量和費(fèi)用較高，不太適合大規(guī)模的優(yōu)質(zhì)飲用水的制取，它只能是有選擇地將危害性較大的有毒有害物質(zhì)變成危害較小的物質(zhì)，或與其他的處理單元結(jié)合，才有可能廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐[5]。
    1.2生物活性炭技術(shù)
    生物活性炭（Biological Activated Carbon，BAC）由美國米勒和里根等人首次提出，指水處理過程中，有意識(shí)地助長在粒狀活性炭吸附中的好氧生物活性的處理工藝[6]。國內(nèi)外研究和實(shí)際應(yīng)用表明，在對(duì)飲用水深度處理中，BAC對(duì)水中化學(xué)需氧量（COD）、濁度、色度有很好的去除效果[7]。生物活性炭不足之處在于一般采用自然掛膜方式，時(shí)間較長；進(jìn)水濁度高時(shí)，活性炭微孔極易被阻塞，導(dǎo)致活性炭的吸附性能下降，在長期高濁度情況下，會(huì)造成活性炭的使用周期縮短，進(jìn)水水質(zhì)的pH值適用范圍窄，抗沖擊負(fù)荷差等[8]。研究的重點(diǎn)是降低投資成本和增加各種預(yù)處理措施與BAC聯(lián)用提高處理效果。
    1.3臭氧生物活性炭聯(lián)用技術(shù)
    臭氧氧化和生物活性炭技術(shù)都各自有其局限性，到了上個(gè)世紀(jì)六七十年代，一種新型組合工藝“臭氧——生物活性炭”（ozone-biological activated carbon，O3-BAC）技術(shù)誕生了，它具有優(yōu)異的去除污染物效能，尤其是有機(jī)污染物，因而受到人們的高度重視。臭氧——生物活性炭的第一次聯(lián)合使用是1961年在德國Dusseldorf市Amstaad水廠中開始的，它的成功引起了德國以及西歐水處理工程界的重視。在1967年P(guān)arkhrust等人首次肯定了微生物在活性炭上生長的有利性[9,10]，大大延長了顆粒活性炭（oranular Activated Carcon簡稱GAC）的使用壽命，最終確立了臭氧-生物活性炭技術(shù)。1978年由美國學(xué)者米勒（G.W.Miller）和瑞士學(xué)者R.G.Rice首次采用了“生物活性炭”這一術(shù)語[11]。臭氧——生物活性炭聯(lián)用技術(shù)在20世紀(jì)70年代傳入我國，并從20世紀(jì)80年代開始得到應(yīng)用。臭氧——生物活性炭工藝凈水是依靠臭氧的強(qiáng)烈氧化作用，使一部分有機(jī)物氧化，臭氧化水中剩余的臭氧分解成氧，使活性炭處于富氧狀態(tài)，導(dǎo)致好氧微生物在活性炭表面繁殖，并通過生物吸附氧化作用，提高活性炭去除有機(jī)污染物的能力，并顯著延長了活性炭的使用壽命[2]。
    2·臭氧——生物活性炭聯(lián)用技術(shù)的作用機(jī)理[2]
    臭氧——生物活性炭是將活性炭物理化學(xué)吸附、臭氧化學(xué)氧化、生物氧化降解及臭氧滅菌消毒四種技術(shù)合為一體的工藝。
    簡單地說，在傳統(tǒng)水處理工藝的基礎(chǔ)上，以預(yù)臭氧化代替預(yù)氯化，在快濾池后設(shè)置生物活性炭濾池。臭氧具有強(qiáng)烈的氧化作用，利用臭氧預(yù)氧化作用，初步氧化分解水中的有機(jī)物及其他還原性物質(zhì)，以降低生物活性炭濾池的有機(jī)負(fù)荷，同時(shí)臭氧氧化能使水中難以生物降解的有機(jī)物斷鏈、開環(huán)，使它能夠被生物降解。另外，臭氧還能起到充氧作用，使生物活性炭濾池有充足的溶解氧用于生物氧化作用?；钚蕴磕軌蜓杆俚匚剿械娜芙庑杂袡C(jī)物，同時(shí)也能富集水中的微生物。活性炭表面吸附的大量有機(jī)物也為微生物提供了良好的生存環(huán)境。有豐富的溶解氧的環(huán)境下微生物以有機(jī)物為養(yǎng)料生存和繁殖，同時(shí)也使活性炭表面得以再生，從而具有繼續(xù)吸附有機(jī)物的能力，即大大延長了活性炭的再生周期。同時(shí)后續(xù)的活性炭又能吸附臭氧氧化過程中產(chǎn)生的大量中間產(chǎn)物，包括解決了臭氧無法去除的三鹵甲烷及其前驅(qū)物質(zhì)，并保證了最后出水的生物穩(wěn)定性。
    在水處理過程中臭氧與生物活性炭兩者的作用表現(xiàn)出互補(bǔ)性，臭氧能有效的氧化大分子有機(jī)物，剩下的小分子有機(jī)物由活性炭吸附，因此臭氧與活性炭聯(lián)用能提高去除有機(jī)物的效果。經(jīng)過臭氧處理后進(jìn)行活性炭處理主要發(fā)揮三種作用：（1）破壞水中殘余臭氧，一般發(fā)生在最初炭層的幾厘米處；（2）通過吸附去除化合物或臭氧副產(chǎn)物；（3）通過活性炭表向細(xì)菌的生物活動(dòng)降解物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究表明，在活性炭處理過程中，同時(shí)發(fā)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——生物活性炭聯(lián)用技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究
    臭氧化-生物活性炭技術(shù)是一種先進(jìn)的飲用水深度處理工藝，歐洲、美國、日本和我國都進(jìn)行了許多研究和實(shí)際應(yīng)用。
    3.1臭氧——生物活性炭聯(lián)用技術(shù)在國內(nèi)研究應(yīng)用概況
    據(jù)報(bào)道，有人曾對(duì)哈爾濱松花江水進(jìn)行：（1）活性炭直接吸附；（2）臭氧氧化＋砂濾＋活性炭吸附；（3）臭氧氧化＋砂濾；（4）臭氧氧化＋活性炭吸附，四種工藝流程的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：在除鐵、錳、濁度、色度等方面，后兩種流程都有較好的效果，在有機(jī)物的去除效果上，第四種效果最好。哈爾濱建筑工程學(xué)院用臭氧——生物活性炭法進(jìn)行處理飲用水的中試結(jié)果表明，臭氧——生物活性炭工藝可以去除絕大部分的有機(jī)物和全部的三致物。上海自來水公司也應(yīng)用該工藝對(duì)自來水進(jìn)行深度處理研究，Ames試驗(yàn)表明自來水經(jīng)臭氧——生物活性炭工藝處理后出水可轉(zhuǎn)為陰性，說明該法對(duì)減少水中至突活性物質(zhì)也有良好的處理效果[12,13]。
    3.2臭氧——生物活性炭聯(lián)用技術(shù)在國外的研究應(yīng)用概況
    20世紀(jì)60年代中期[14]，德國杜塞爾多夫水處理廠首先采用臭氧——生物活性炭法凈水工藝，結(jié)果濾后水中沒有出現(xiàn)平皿菌落數(shù)增高的現(xiàn)象，但在活性炭濾池內(nèi)仍有活性微生物。為此德國布萊梅自來水公司對(duì)生物活性炭濾池進(jìn)行了深入廣泛的研究。在這些小試和中試基礎(chǔ)上，德國慕尼黑多奈自來水廠對(duì)其水處理工藝進(jìn)行了大量的技術(shù)改造。隨后意大利的都靈市新水廠、改建的佛羅倫薩市水廠、羅馬市布拉契諾湖水廠和日本的幾座水廠均采用臭氧生物活性炭工藝。德國慕尼黑多奈自來水廠采用新的水處理工藝流程能使出水中溶解性有機(jī)碳比原來水處理工藝減少50%，同時(shí)，因去除了預(yù)氯化工藝，無有機(jī)氯化物的產(chǎn)生，活性炭再生周期從原來的2～4個(gè)月延長到2年以上。另外，出水氨氮含量顯著降低。
    國內(nèi)外成功的運(yùn)用臭氧——生物活性炭工藝的實(shí)例都從一定程度說明這項(xiàng)技術(shù)有獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    （1）能更有效的去除溶解性有機(jī)物；
    （2）臭氧可以提高生物活性炭的吸附容量，延長活性炭的使用壽命；   （3）氨氮以生物轉(zhuǎn)化方式得到去除，取代了折點(diǎn)加氯法去除氨氮，消除了大量有機(jī)氯化物的形成；
    （4）臭氧總投量比單獨(dú)使用時(shí)少，比單一使用臭氧或活性炭費(fèi)用低且效果好；
    （5）處理后水質(zhì)可全面提高，而且出水穩(wěn)定、管理方便。只需投加少量消毒殺菌劑，就可保證整個(gè)配水系統(tǒng)的全面衛(wèi)生。
    結(jié)語與展望
    國內(nèi)外學(xué)者對(duì)臭氧——生物活性炭系統(tǒng)的研究和該工藝越來越多的工程實(shí)踐應(yīng)用無不表明它所受到的關(guān)注與重視。但是目前還存在相當(dāng)多的問題有待解決。臭氧——生物活性炭系統(tǒng)中仍有一些機(jī)理性的問題沒有研究清楚[15]，從而使設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，甚至產(chǎn)生誤導(dǎo)，影響對(duì)運(yùn)行的管理和控制，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
    （1）不能用解析的方法計(jì)算出系統(tǒng)中存在的最佳臭氧投量問題。臭氧能改變有機(jī)物的分子量和結(jié)構(gòu)，它的投量會(huì)影響生物活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附性能，實(shí)驗(yàn)表明適量的提高臭氧量可提高生物活性炭對(duì)有機(jī)物的去除性能，這說明進(jìn)水水質(zhì)、臭氧量、生物活性炭吸附性能之間存在著適當(dāng)?shù)呐浜详P(guān)系。
    （2）工藝對(duì)有機(jī)物降解的過程及去除機(jī)理研究尚不透徹?；钚蕴课胶蜕锝到庠谟袡C(jī)物降解過程中的作用關(guān)系沒有建立系統(tǒng)的量化模型。
    （3）對(duì)生物活性炭的再生機(jī)理還不十分明確，還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前生物再生的主要理論是Rodlllan和Porroti等人70年代提出的胞外酶再生假說，但迄今為止還沒有一種令人信服的方法論證這一論點(diǎn)，許多研究工作者也從不同角度對(duì)此提出疑義。
    （4）不能建立系統(tǒng)模型已明確進(jìn)水水質(zhì)、臭氧及生物活性炭裝置的停留時(shí)間、臭氧投量之間存在的關(guān)系，不能為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
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