張金松
深圳市自來水（集團）有限公司

　　摘要: 根據我國地表水源普遍受到污染的現狀，通過人工配水，考察了臭氧化--生物活性炭與普通生物活性炭兩種不同工藝的處理效果。試驗結果表明，臭氧生物活性炭比普通生物活性炭能夠更多地去除有機物，其脫色、除濁能力亦優于普通生物活性炭，證明了臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者協同作用的有效性。
　　關鍵詞：深度凈化；臭氧化；生物活性炭。

1 研究內容與研究方法

　 鑒于我國地表水源污染的普遍性和嚴重性，我們在實驗室條件下人工配水，觀察臭氧化－生物活性炭與普通生物活性炭兩種不同工藝深度凈化的處理效果。在受污染水源和本試驗的人工配水中，有機物種類繁多、數量微小，不易做到單項檢測，故試驗采用測定比較簡便、結果較為可靠的COD_Mn表示有機物總量。上述指標中紫外吸光值測定基于大多數溶解性有機物對紫外光的吸收，尤其是不飽和烴類和芳香族化合物吸收紫外光更為強烈的原理，能夠快捷地反映生物活性炭對水中有機物的去除^［１］。測定溶解氧的意義在于，水中有機物是在好氧情況下由微生物降解去除，氧是最終電子受體。水通過生物活性炭吸附后的溶解氧下降量（ΔDO），實際上與水中有機污染物的總生化需氧量成正比，因而ΔDO反映了柱中好氧微生物對水中有機污染物的降解去除量。本實驗采用碘量法測定溶解氧。濁度（利用濁度儀）、色度（鉑鈷標準比色法）、水溫（水銀溫度計）、pH值（pH計）等項目的測定是為了綜合考察兩種不同工藝工藝的凈化效果。

2 試驗流程與試驗裝置

　　 根據試驗要求，設計、加工、安裝了臭氧化－－生物活性炭、普通生物活性炭試驗裝置，以人工配水進行稀釋后作為原水，具體試驗流程如下：
　　a.原水（配水）→臭氧接觸氧化→生物活性炭過濾→出水
　　b.原水（配水）→生物活性炭柱過濾→出水
　　試驗裝置示于圖1。

　　試驗設備的規格及工藝參數如下:
　　a.臭氧接觸柱
　　有機玻璃柱直徑40mm，高2.6～4.5m，用玻璃砂濾板(或鈦板)自底部布氣，濾板孔徑為20～40μm。水由水泵自原水箱提升到高位水箱，臭氧接觸柱上端進水、下端進氣，氣水逆流接觸，尾氣由柱頂排出。水在臭氧接觸柱中的流速為8～20m/hr，臭氧化接觸時間為10min，臭氧投加量控制在1～15mg/l。
　　b.臭氧發生系統
　　采用XY－1型臭氧發生器，可調電壓為8～18kV，臭氧產量為1～5gO₃／hr，空氣從大氣經過無油空壓機進入變壓吸附干燥裝置，吸附劑采用硅膠，臭氧產量可以通過調節升壓變壓器的初級電壓來控制，用轉子流量計測量進氣量。臭氧濃度用碘量法測定。
　　c.生物活性炭柱Ｉ、炭柱Ⅱ
　　兩玻璃管內徑均為30mm，炭柱Ⅰ（亦稱臭氧生物活性炭柱）、炭柱Ⅱ（亦稱普通生物活性炭柱）初裝高度為90cm，試驗過程中為保持系統穩定，取出炭樣后不再補充新炭，因而到運行后期，兩柱中炭層高度已低于初始裝炭高度。炭柱Ⅰ、Ⅱ設有取樣口，炭層下面設墊層，以免炭屑泄漏。炭柱Ⅰ、Ⅱ均采用下向流，活性炭采用ZJ－15粒狀炭，粒徑1mm，長2～3mm。過濾時間20min。
　　d.原水箱
　　有效容積0.8m³，將松花江水靜置24小時，按1：5與自來水混合作為原水。
　　試驗過程：把原水置于原水箱中，用水泵提升到高位水箱中，然后分成兩條管路：一條管路水從頂部進入臭氧接觸柱，自上而下與臭氧接觸，臭氧（臭氧含量2%）由臭氧發生器通過玻璃砂布氣板從臭氧接觸柱底部進入，在柱內水氣逆流接觸，完成傳質過程，尾氣通過頂部放空管排入大氣。出水由底部出水管進入炭柱Ⅰ頂部，按照重力流方式，自上而下，進行過濾吸附；另一條管路由貯水箱，直接從頂部進入炭柱Ⅱ，不經過臭氧接觸柱，以便進行比較。

3 試驗結果與討論

3.1 有機物去除情況
　　經測定，生物膜形成穩定需要7～10天。試驗從5月到12月為止，共運行7個多月，有機物的去除情況如下：

圖2　 兩種不同流程去除COD_Mn對比

　　兩種不同流程去除COD_Mn的處理效果見圖2。試驗結果表明，采用臭氧化－生物活性炭流程出水水質比僅有生物活性炭流程的出水水質要好得多。我們認為這是通過臭氧化、活性炭吸附和生物降解三種不同的機理協同作用的結果^[2]。
　　從圖2中可以看到，從運行開始大約7天，兩流程出水COD_Mn很低；但當運行到8～12天后，兩流程出水COD_Mn明顯升高，之后又開始下降，但這時兩流程出水COD_Mn均比運行初期略高。
　　這種現象主要是由于炭柱的物理吸附和生物降解共同作用所致。開始時，由于活性炭對有機物吸附速率較快，而炭上生物量較小，因而活性炭吸附對有機物去除起主要作用，且出水中COD_Mn較低。經過幾天之后，隨著活性炭上吸附的有機物累積量增多，吸附速率開始下降，致使出水COD_Mn升高，但隨著炭上吸附和生長的微生物的增加，生物降解開始發揮作用，使出水COD_Mn經短時間的升高后，又有所降低。
　　由圖2可見，炭柱Ｉ出水的COD_Mn明顯低于炭柱Ⅱ，其平均去除率高達68%，而炭柱Ⅱ僅為34%。這主要是由于增加了臭氧的氧化作用，降低了COD_Mn值，直接氧化降解一部分簡單的有機物，使之變為CO₂和H₂O，減輕了生物活性炭的負荷。同時，也由于臭氧投加，使炭柱Ｉ中的DO值提高，補充了水中ＤＯ消耗，創造好氧菌生長的環境，使好氧微生物活動增強，加快了有機物的降解。
　　通過水中UV值的測定，對炭柱Ⅰ及炭柱Ⅱ進出水中可溶性有機物作進一步分析，試驗結果見圖3。
　　炭柱Ⅱ出水UV值和進水相比最高去除率達47%，最低可去除22％，平均可去除34％；炭柱I出水UV和進水相比最高去除率達70％，最低去除率也能達到33％，平均去除率可達50％；
　　試驗結果表明，臭氧生物活性炭比普通生物活性炭能夠更多地去除有機物。再次證明了臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者協同作用的有效性。

圖3　 兩種不同流程出水UV值對比

3.2 色度、濁度的測定結果
　　濁度是水中懸浮顆粒的一種表征，它既是飲用水的感官性狀指標，同時在水的微生物安全方面也具有重要意義^[3]。現在對飲用水濁度要求越來越嚴格，我國新頒布的《生活飲用水衛生規范》將濁度由國標GB5749-85的3NTU，提高到1NTU^[4]；美國則要求在2002年1月1日起，濁度由0.5NTU降至0.3NTU^[5]。水中能產生色度的物質是水中溶解或膠態的帶有生色基團的有機物，如酚類、重氮、偶氮化合物；天然有機酸，如腐殖酸、黃腐酸和鞣酸等，也會產生不同程度的顏色，這些物質與鹵代消毒副產物的形成密切相關^［2］。
　　經過臭氧化，炭柱Ｉ出水的濁度、色度較炭柱Ⅱ進一步降低（見圖4、圖5），特別是色度，由于上述的大分子有機物，不容易被活性炭吸附，因此炭柱Ⅱ脫色效果不理想，但炭柱Ｉ出水色度顯著降低，這表明了臭氧化脫色和活性炭吸附脫色聯合效果，同時臭氧化改變了一些帶有生色基團有機物的結構，形成的中間氧化物更易于活性炭吸附，有利于充分發揮活性炭的吸附能力，強化了活性炭吸附脫色的效能。

圖4　 兩種不同流程去除濁度對比

圖5　 不同流程去除色度對比

3.3溶解氧的測定結果
　　進水的DO含量為4.5～5.5mg/l之間，水溫17℃～20℃，炭柱Ⅰ、炭柱Ⅱ內DO的測定結果見圖6。結果表明：

圖6　 兩種不同流程柱內溶解氧測定曲線

　　經過臭氧化的出水進入炭柱Ｉ后，出水ＤＯ明顯提高，甚至高于原水。而原水進入炭柱Ⅱ未經臭氧化，出水ＤＯ值很低，僅有微生物耗氧而無外界供氧，不能為微生物提供良好的好氧條件，從而影響了運行效果。
　　在運行過程中炭柱Ⅰ、炭柱Ⅱ的ＤＯ值均有所降低，這實際上間接反映了水中有機污染物生化需氧量的降低值（ΔBOD），進水與出水的ΔDO值就是柱中微生物對水處理所做的貢獻。

4 結論

4.1在實驗條件下，臭氧化－生物活性炭工藝流程比普通生物活性炭能夠更有效地去除有機物，其COD_Mn平均去除率高達68%，而后者僅為34%。
4.2 臭氧化－生物活性炭工藝流程對有機物去除能力優于普通生物活性炭，是臭氧化、生物氧化、活性炭吸附的三者協同作用的結果。
4.3 臭氧化能夠改變有機物生色基團的結構，并通過形成活性炭易于吸附的中間產物，強化了活性炭的脫色、除濁能力，使臭氧接觸氧化－生物活性炭工藝流程出水濁度、色度均低于普通生物活性炭。

參考文獻

[1] 黃君禮，鮑治宇. 紫外吸收光譜法及其應用[M]. 北京：中國科學技術出版社，1992.
[2] 張金松. 臭氧化－生物活性炭除微污染工藝過程研究[D].哈爾濱：哈爾濱建筑大學博士學位論文，1995.
[3] Pontius, Frederic W. WaterQuality and Treatment, 4th edition[M]. New York: Mc-Graw Hill Company,1990.
[4] 中華人民共和國衛生部，生活飲用水衛生規范[s]，2001.
[5] 張金松，范曉軍. 國際飲用水水質標準匯編[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2001.

Lab-scale Study on Ozonation/BAC Process

Zhang Jinsong

Shenzhen Water Supply (Group) Co. Ltd.

　　ABSTRACT:Insight of the widespread pollution of surface water in our country, theperformances were investigated on the ozonation/biological activated carbon(ozonation/BAC) process and ordinary activated carbon process. The results showthat ozonation/BAC process is superior to ordinary activated carbon in removalof organics, color and turbidity. The effectiveness is testified.
　　Keywords: Advancedpurification, Ozonation, Biological activated carbon.

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作者通訊處：深圳市深南中路1019號萬德大廈 518031 深圳市自來水（集團）有限公司水技術研究所