浅谈臭氧,臭氧活性炭的技术应用

浅谈臭氧-生物活性炭深度水处理工艺

摘要主要探讨臭氧—生物活性炭深度水处理工艺的优缺点，总结工艺设计的要点，并介绍了它们的一些具体运用，为臭氧-生物活性炭深度水处理工艺的进一步推广提供技术支持。

关键词臭氧活性炭城市供水工艺设计

1臭氧－生物活性炭深度水处理工艺(O3-BAC) 概述

臭氧-生物活性炭深度水处理技术被称为饮用水净化的第二代净水技术，臭氧-生物活性炭技术采用臭氧氧化和生物活性炭滤池联用的方法，将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附和生物氧化降解四种技术合为一体。其主要目的是在常规处理之后进一步去除水中有机污染物、氯消毒副产物的前体物以及氨氮，降低出水中的BDOC和AOC，保证净水工艺出水的化学稳定性和生物稳定性。

臭氧是氧的同素异性体，分子式为O3，常态呈气体，淡蓝色，有特殊气味；臭氧是自然界最强的氧化剂之一，具有广谱杀微生物作用，其杀菌速度高于氯气。臭氧投加在水中以后，主要有三个作用，一方面直接降解有机物，减少进入活性炭池中的有机负荷；一方面把大分子有机物降解为小分子有机物，改变水中有机物的分子量分布，提高水中有机物的可生化性，从而有利于强化后续活性炭工艺对于中小分子量有机物的吸附降解；最后一个作用就是为后续活性炭工艺充氧，有利于活性炭好氧微生物的生长。

活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原材料来制造，这包括木材、锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油脚、皮革废物、纸厂废物等等，近来有的国家倾向于用天然煤和焦炭制造粒状活性炭。活性炭的主要特征是比表面积大和带孔隙的构造，因而显示出良好的吸附性能。活性炭分粉末活性炭和颗粒活性炭两种，两者不同之处是颗粒大小不同，其吸附性能没有本质上的区别。活性炭作为一种多孔物质，能够吸附水中浓度较低、其它方法难以去除的物质，同时，还可以去除水中的浊度、嗅味、色度，改善水的口感，而且能够有效地吸附合成洗涤剂、阴离子表面活性剂等活性物质；活性炭还具有催化作用，催化氧化臭氧为羟基自由基，最终生成氧气，增加水中的溶解氧(DO)的浓度。活性炭空隙多，比表面积大，能够迅速吸附水中的溶解性有机物，同时也能富集水中的微生物。粒状活性炭吸附水中溶解性有机物，但对一些挥发性较低，难以生物降解，分子量在10000以上的高分子有机物不易吸附去除，而且吸附性能还受有机物所带官能团及分子结构的影响。利用臭氧电位高的特点，易将许多不易生物降解的有机物分解成许多更易生物降解的较小的或含氧较多的低分子有机物，从而改变了有机物的结构形态和性质，使其易被活性炭吸附去除，而被吸附的溶解性有机物也为维持炭床中微生物的生命活动提供营养源。同时，由于臭氧供氧充分，炭床中大量生长繁殖好氧菌，有足够时间来生物降解所吸附的低分子有机物，这样，也就在炭床中形成生物膜。该生物膜具有生物氧化降解和生物吸附的双重作用，而活性炭孔隙中的有机物被分解后，经过反冲洗，活性炭孔隙腾出吸附位置，恢复了对有机物与溶解氧的吸附能力。活性炭对水中有机物的吸附和微生物的氧化分解是相继发生的，微生物的氧化分解作用，使活性炭的吸附能力得到恢复，而活性炭的吸附作用又使微生物获得丰富的养料和氧气，两者相互促进，形成相对稳状态，得到稳定的处理效果，从而大大地延长了活性炭的再生周期。活性炭附着的硝化菌还可以转化水中的氨氮化合物，降低水中NH3- N的浓度。

臭氧－生物活性炭深度水处理工艺(O3-BAC)是指臭氧和活性炭吸附结合在一起的水处理方法，采取先臭氧化后活性炭吸附，并利用活性炭表面生长微生物的生物降解作用，完成对水中有机污染物的有效去除，它集臭氧氧化、杀菌消毒、活性炭物理吸附和微生物生物氧化作用为一体，充分发挥各自特长，互相促进，取得了去除有机污染物的多重效应，从而达到水质深度净化的目的。臭氧-生物活性炭滤池联合工艺能有效降解和去除水中的有机物、农药、藻类，去除异臭、异味、色度，去除部分重金属、氰化物、放射性物质、氨氮等。

2臭氧－生物活性炭深度水处理工艺的优缺点

优点：臭氧－生物活性炭滤池工艺是将活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒四种技术合为一体，与传统水处理工艺相比，具有明显的优势，主要体现在：

①常规加氯工艺处理的自来水的Ames致突变试验结果多为阳性，而臭氧-生物活性炭工艺处理后为阴性；②臭氧－活性炭工艺对有机污染物的去除率为50％以上，比常规处理提高15～20个百分点；③提高色度和嗅味的去除率，改善感官性指标；④提高对铁、锰的去除率；⑤可以去除氨氮到90％左右，水中的氨氮和亚硝酸盐可被生物氧化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，降低了三卤甲烷等消毒副产物的生成；⑥有效去除AOC、蛋白氨氮，提高处理水的生物稳定性，提高管网水质。

另外臭氧和活性炭联合使用，还可以延长活性炭的运行寿命，减少运行费用。

缺点：尽管臭氧－生物活性炭滤池深度处理技术对于控制饮用水质污染和改善水质发挥了较好的作用，但也存在局限性。主要表现在：

①臭氧氧化处理饮用水存在臭氧利用率低、氧化能力不足等缺陷；②臭氧可以有效降解含有不饱和键或者部分芳香类有机污染物，而对于部分的稳定性有机污染物(如农药、卤代有机物和硝基化合物等)难以氧化降解。臭氧对一些有机物的降解仅仅局限与母体化合物结构上的变化，可能会生成毒性更大且不易被生物活性炭降解的中间氧化产物；③臭氧可以将大分子有机物氧化成小分子有机物，而有研究表明，活性炭吸附对分子质量为500～3000Da的有机有较好的去除效果，而对大分子和小分子的有机物去除效果较差。臭氧氧化后有机物的分子质量变小，将不利于活性炭的吸附；④当水中含有溴化物（Br-）时，臭氧氧化将会生成溴酸根（BrO3-）及溴代三卤甲烷（Br-THM）等有害副产物，对人体健康有很大的影响。

3臭氧－生物活性炭深度水处理工艺在国内外的应用

臭氧活性炭深度水处理工艺最早于1961在西德Dusseldorf市Amestaad水厂投入使用。从20世纪60年代以后，臭氧-生物活性炭技术逐渐被欧洲、美国、加拿大、日本等发达国家广泛地应用到微污染水的深度处理中，并且对净化饮用水水中各种污染物取得良好的效果；发展中国家应用最广泛的国家有以色列、南非、纳米比亚等。其中有代表性的是德国的不来梅水厂、缪尔海姆水厂、法国的梅里苏瓦茨水厂、瑞士的苏黎世里格湖水厂、美国洛杉矶水厂和日本东京市的金盯净水厂、大阪市的柴岛水厂和澳大利亚的Edeope水厂等。

日本的金町净水厂位于东京市，现有供水能力约160万m3/d，占东京市水道局总供水量的23%，服务人口约250万，原水从Tone河取水。自1972年以来，由于Tone河流域的城市化过程加快，金町净水厂取用的原水受到严重污染，尤其是在夏季，水中有很严重的霉味。经过调查，东京市水道局发现引起霉味的主要源物质是二甲基异冰片(2- MIB)。从1984开始，净水厂试图使用粉末活性炭去除霉味，但是由于原水中二甲基异冰片浓度的变化很快，粉末活性炭难以有效去除嗅味。从1984年到1990年，东京市水道局进行深度处理工艺的中试测试研究。1992年6月在金町净水厂建立了一期臭氧活性炭深度处理工艺流程，处理水量为26万m3/d，约占水厂总供水能力的六分之一。水厂的出厂水则是将常规处理以及深度处理的水混合均匀以后对外供应，水质良好并且没有异味。深度处理工艺流程中，臭氧活性炭池是设计