臭氧化-生物活性炭技术的研究与应用

臭氧化-生物活性炭技术的研究与应用

摘要：概述国内外臭氧化-生物活性炭的发展历史，分析和介绍国内外该工艺技术

应用的典型案例，并指出臭氧化-生物活性炭工艺当前的技术难点和发展趋势。

关键词：臭氧活性炭臭氧化-生物活性炭消毒副产物致病微生物

1. 引言

随着世界各国经济的高速发展，人们的生活水平不断提高，饮用水的卫生和安全也受到

越来越广泛的关注。由于水源污染日趋严重，水微量分析技术不断进步，在饮用水中越来

越多的有机、有毒污染物被检测出来，并通过流行病学调查研究和对污染物毒理学的

验证，发现某些污染物与居民发病率具有密切的相关性，从而更引起了人们对饮用水安全

的高度重视。

在美国，六十年代初曾对 30 个大城市、11590 个城镇的饮用水进行调查，调查指出，

饮用经氯化以后的地表水可能对人体健康造成潜在危险。在 1974～1977 年间，美国环保局

又组织了两次全国性的调查，一次是调查 80 个城市的饮用水中 4 种卤代烃浓度，并对

10 个城市饮用水中所含的有机物质作了详细的分析；另一次是调查俄亥俄，印地安纳、伊利

诺斯、威斯康星、明尼苏达、密执安等州的 83 个城市饮用水中三卤甲烷的存在情况。调查结果发现，饮用水的有机污染已遍及整个美国 1。德国、英国、加拿大等国也调查了城市地下

水及地面水加氯消毒后挥发性卤代烃的存在情况，并根据调查结果修订了本国的水质标准。随着这些研究和调查的不断深入，人们逐渐认识到，常规的混凝沉淀－砂滤－投氯消毒

处理技术不能充分保障饮用水的卫生与安全，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日益广泛的研究和应用。臭氧与活性炭联用的饮用水除污染新技术，

即臭氧化－生物活性炭处理工艺，以其氧化性强、副产物少、吸附与降解效果显著等特点，日益受到重视，并迅速地从理论研究走向实际应用。

与此同时，饮用水中隐孢子虫、贾第虫等新的致病微生物因子不断出现，严重影响

饮用水的生物学安全。70 年代以来，欧美发达国家暴发了多起由贾第虫、隐孢子虫等致病

原生动物，引起的较大规模水介流行病。鉴于这两种致病原生动物已经构成对饮用水微生物

安全的主要危胁，各国相继开展水源水、出厂中贾第虫、隐孢子虫的监测，修订饮用水水质

标准，并开展相关的工艺技术研究，其中值得注意的是臭氧化-生物活炭深度处理技术对这两

种致病原生动物具有很好处理效果。臭氧对隐孢子虫卵囊的灭活能力明显高于游离氯和氯氨。在 1mg/L 臭氧、接触 5 分钟可以对隐孢子虫卵囊灭活 90，而达到同样的去除率，则需要

80mg/L 的自由氯和氯氨接触近 90 分钟。这表明，除臭氧外，水厂通常使用

的消毒剂不能用来灭活隐孢子虫卵囊 2。粒状活炭过滤去除贾第虫孢囊、隐孢子虫卵囊与

砂滤池或双层滤料滤池的效果大致相同 3，也就是说臭氧化-生物活性炭工艺中的炭滤可

以在原有工艺的基础上，增加一道安全屏障。臭氧化-生物活性炭技术的这一新的优势，

使其应用又呈现出更快的增长势头

2．臭氧化-生物活性炭技术发展概况 2.1 臭氧化技术的特点与应用

臭氧是氧的同素异构体，由 3 个氧原子组成，常温常压下是一种不稳定的淡紫色气体，并可自行分解为氧气。它的密度是氧气的1.5 倍，在水中的溶解度是氧气的10 倍。臭

氧具有极强的氧化能力，在水中氧化还原电位仅次于氟而居第二位。臭氧本身的特性决定

了臭氧化技术具有以下特点：臭氧由于其氧化能力极强，可去除其它水处理工艺难以去

除的物质；臭氧化的反应速度较快，从而可以减小反应设备或构筑物的体积；剩余臭

氧会迅速转化为氧气，既不产生二次污染，又能增加水中溶解氧；在杀菌和杀灭病毒的

同时，可除嗅、除味；臭氧化有助于絮凝，可以改善沉淀效果。

自1785 年由Van Marum 发现臭氧后，1886 年Meritens 证实臭氧具有极强的杀菌能力4，本世纪初，开始作为自来水的消毒净化剂。随后证明臭氧还可有效地去除水中的酚、氰、硫、铁、锰，降低 COD 和 BOD，并能脱色、除臭和杀藻。但由于臭氧设备费和运行费较高，未能广泛应用。二次世界大战后，臭氧发生器的研制取得很大进展，其规模和效率也有了

大幅度提高，特别是进入 20 世纪70 年代，臭氧化技术得到迅速发展，因此已成为水处理

的重要手段之一 5。

臭氧化技术应用以欧洲大陆最为普遍。法国和瑞士臭氧化工艺的应用有着悠久的历史

，臭氧化设备也居世界领先地位；德国全国 85的水厂采用了臭氧深度处理技术。目前

这些国家在臭氧化技术发展的进程中仍处在世界前列。在 70 年代，世界上约有 1039 座水

厂应用了臭氧消毒技术，而其中有近 1000 座位于欧洲。到 90 年代，应用臭氧技术的水厂在

欧洲已达近 2000 家左右，成为世界上最集中的地区。与此同时，多种复合型臭氧水处理技

术首先在这些国家得到开发和正式投入生产应用。

在美国、加拿大、澳大利亚等国家，臭氧技术的发展在 60 年代以来一直比较稳定，

但其应用规模都比较小，到了 80 年代，这些国家在臭氧技术的开发和应用上明显加快了步伐。以美国为例，1977 年，全美只有 2 个小型水厂应用臭氧，进入八十年代以来，由于美国环保局提出了新的水质标准，对出厂水和管网水的消毒作了更加严格的规定，同时又对减少

水中的消毒副产物作出进一步的限制，这双重的压力迫使国内的水厂不得不考虑采用臭氧化、强化混凝和生物过滤等技术来达到供水要求。因而臭氧化深度处理技术改造已在全国范围内

兴起，。1989 年，有 55 座采用臭氧化工艺的水厂投入运行，进入新千年，美国已有 200

余座水厂已经应用了臭氧化技术，还有许多类似的水厂则正在设计或建设之中6。