臭氧-活性炭?jī)羲畬?shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

劉 佳， 徐竟成， 沈 洪， 施鼎方， 唐賢春

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092)

0 引言

臭氧-活性炭技術(shù)是一種新型高效的微污染水處理工藝，該工藝主要利用臭氧的氧化性能和活性炭的催化吸附性能對(duì)微污染水中的有機(jī)物進(jìn)行處理。臭氧氧化技術(shù)的特點(diǎn)是其在較大pH值和溫度范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的氧化性能且不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物等有害物質(zhì)［1］。活性炭技術(shù)可以有效去除原水中的有機(jī)物、顏色、嗅味及藻毒素類物質(zhì)，提高了供水的安全性［2-3］。臭氧-活性炭技術(shù)以其高效去除水中的溶解性有機(jī)物包含致突變物等可保證出水安全、優(yōu)質(zhì)，因而受到人們重視［4］，在地表水凈化、飲用水深度處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外自上世紀(jì)60年代開始在水廠采用臭氧-活性炭工藝對(duì)飲用水進(jìn)行深度處理，經(jīng)過近年來的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也有20多家水廠開始采用臭氧活性炭深度處理工藝［5-7］。臭氧-活性炭工藝對(duì)水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)都有很好的提高作用［8］，需多研究結(jié)果表明該工藝對(duì)水中濁度、色度、嗅味、鐵、猛、有機(jī)質(zhì)、氨、氮等都具有較好的去除效果［9-10］。

同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)臭氧技術(shù)在給水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了多年的潛心研究，相應(yīng)的研究成果也在“給水工程”課中為同學(xué)們進(jìn)行了講解，然而臭氧-活性炭?jī)羲畬?shí)驗(yàn)教學(xué)尚未建設(shè)和開展，此外臭氧-活性炭?jī)羲畬?shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置也尚未開發(fā)。基于臭氧-活性炭技術(shù)的重要性和本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，本項(xiàng)目擬開展臭氧-活性炭?jī)羲畬?shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)。

1 臭氧-活性炭?jī)羲畬?shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目

1．1 實(shí)驗(yàn)原理

臭氧-活性炭技術(shù)的實(shí)驗(yàn)原理在于臭氧的氧化性和活性炭的催化吸附特性。臭氧分解產(chǎn)生的氧原子和在水中形成具有強(qiáng)氧化作用的羥基自由基能夠氧化許多難降解有機(jī)物，如鏈型不飽和化合物、芳香族、染料、腐殖質(zhì)等，它可以破壞有機(jī)污染物的分子結(jié)構(gòu)，使水中部分難以生物降解的大分子有機(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，從而使原來不能被生物降解的有機(jī)物變?yōu)榭缮锝到獾挠袡C(jī)物，提高了處理水的可生化性［11-12］。活性炭是一種多孔性物質(zhì)其中小孔(微孔)半徑在2 nm以下，對(duì)有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附性能。臭氧-活性炭聯(lián)用，一方面活性炭可催化臭氧，提高臭氧的氧化性能;另一方面活性炭作為吸附劑可以對(duì)有機(jī)物進(jìn)一步吸附去除，降低水中有機(jī)物的含量［13］。

由于在天然水體中存在著較多致嗅致色的難降解物質(zhì)，其中腐植質(zhì)是其典型污染物之一，因此本實(shí)驗(yàn)以腐植酸濃度表征天然水體中難降解有機(jī)物的濃度，采用自行研制的臭氧-活性炭?jī)羲b置對(duì)校園微污染水體進(jìn)行處理，考察臭氧-活性炭技術(shù)對(duì)難降解有機(jī)物的處理效果。

1．2 實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器單元包括:臭氧發(fā)生器、氣體流量計(jì)、臭氧-活性炭?jī)羲b置和臭氧尾氣吸收池(10%碘化鉀溶液吸收)。其中臭氧-活性炭?jī)羲b置由有機(jī)玻璃制成(直徑為10 cm)，由臭氧預(yù)接觸柱、活性炭催化臭氧柱和活性炭吸附柱3部分構(gòu)成，每部分當(dāng)中采用穿孔板(孔徑為2 mm)作為隔斷，采用法蘭借口進(jìn)行連接。

臭氧預(yù)接觸柱:主要進(jìn)行臭氧和水的充分混合并對(duì)待處理水進(jìn)行預(yù)氧化;活性炭催化臭氧柱中:在其中投加一定量的活性炭催化臭氧進(jìn)一步對(duì)水體中的難降解物質(zhì)進(jìn)行氧化，使其氧化成為小分子(活性炭投量為10 g/L);活性炭吸附柱:在其中填充活性炭，對(duì)氧化成小分子的有機(jī)物進(jìn)行吸附處理，以達(dá)到較高的處理效果。

1．3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展

本次實(shí)驗(yàn)課是在“水處理實(shí)驗(yàn)技術(shù)(二)”中展開的，整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括“反應(yīng)器組裝與管路連接”、“腐植酸標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制”和“反應(yīng)器對(duì)天然水體中有機(jī)物的去除研究”3個(gè)部分，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是由同學(xué)親自動(dòng)手完成。

(1)反應(yīng)器組裝與管路連接。①連接管路，檢驗(yàn)管路連接的氣密性，保證反應(yīng)器中臭氧不漏氣。②調(diào)試進(jìn)水流量，調(diào)試臭氧流量;

(2)腐植酸標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制。① 吸取濃度為50 mg/L 的腐植酸貯備液 0．00、1．00、2．00、5．00、10．00、20．00 mL到100 mL容量瓶中;② 用蒸餾水定容至100 mL，搖勻;在254 nm波長(zhǎng)下以蒸餾水為參比，測(cè)定其UV254，繪制成腐植酸濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線;

(3)反應(yīng)器對(duì)天然水體中有機(jī)物的去除研究。①打開進(jìn)水蠕動(dòng)泵，將待處理的水打入到反應(yīng)器中，開啟臭氧發(fā)生器，運(yùn)行穩(wěn)定一段時(shí)間;②在一定反應(yīng)時(shí)間后，從反應(yīng)器的出水口取樣，測(cè)定水樣UV254，每個(gè)水樣測(cè)定3次;③對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與處理，參照腐植酸標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線計(jì)算臭氧-活性炭對(duì)校園天然水體中有機(jī)物的處理效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過采用“臭氧-活性炭?jī)羲b置”可以有效的去除校園天然水體的有機(jī)物，從視覺上可以發(fā)現(xiàn)處理后的出水更加澄清。其中一組同學(xué)在試驗(yàn)中設(shè)定的處理?xiàng)l件為:臭氧濃度為5 mg/L、總停留時(shí)間為30 min，得到的處理效果如圖1、2所示，其中圖1為腐植酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線，R2=0．997說明該標(biāo)準(zhǔn)曲線可以滿足數(shù)據(jù)分析的要求;圖2為校園水體中有機(jī)物去除率隨時(shí)間的變化。從圖中可知，在反應(yīng)時(shí)間的前60 min內(nèi)，臭氧-活性炭?jī)羲b置處于運(yùn)行初期，對(duì)有機(jī)物的去除率呈現(xiàn)不斷增加的變化規(guī)律;之后該裝置對(duì)有機(jī)物的去除率趨于穩(wěn)定，去除率最大可達(dá)58%左右，說明臭氧-活性炭?jī)羲b置能夠有效去除天然水體中腐植酸類的難降解有機(jī)物。

圖1 腐植酸濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 校園水體中有機(jī)物去除變化規(guī)律

目前，傳統(tǒng)的混凝、過濾等技術(shù)對(duì)微污染水體中的難降解物質(zhì)的去除效果具有一定的局限性，而臭氧-活性炭技術(shù)處理效率高且不產(chǎn)生二次污染，具有一定的先進(jìn)性。將該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)處理方法的有力補(bǔ)充，有助于學(xué)生了解最新技術(shù)前沿，提高他們的理論聯(lián)系實(shí)際能力和解決問題的能力。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)和進(jìn)一步完善

3．1 實(shí)驗(yàn)裝置中活性炭的選取

在實(shí)驗(yàn)裝置研制過程中發(fā)現(xiàn)，不同來源、不同種類的活性炭吸附性能差異較大，使得不同活性炭應(yīng)用時(shí)對(duì)水體有機(jī)物的處理效果存在明顯差異。在本教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn):粉末活性炭吸附性好但是其堅(jiān)固性較差，在臭氧曝氣和水流沖擊作用下，粉末活性炭容易斷裂產(chǎn)生殘?jiān)细。瑥亩绊懥顺鏊|(zhì);普通的顆粒活性炭，堅(jiān)固性能較好，但吸附性略差;而不定型顆粒活性炭兼具較強(qiáng)的吸附性能和堅(jiān)固性能，且可根據(jù)需要選擇合適的粒度，因此比較適宜應(yīng)用于臭氧-活性炭?jī)羲b置。當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展前，還是需要根據(jù)待處理水質(zhì)特點(diǎn)、處理要求等方面對(duì)不同活性炭進(jìn)行比選，以保證獲得較好的處理效果。

3．2 綜合性、自主性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

臭氧-活性炭技術(shù)具有較強(qiáng)的處理效果，可以廣泛應(yīng)用于微污染的地表水、水庫(kù)水、工業(yè)污水等水體中的有機(jī)物的去除［14-15］。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展過程中，可以進(jìn)一步將本實(shí)驗(yàn)設(shè)置為綜合性、自主性實(shí)驗(yàn)，例如:進(jìn)行不同水體處理效果的比較，不同停留時(shí)間下對(duì)有機(jī)物去除效果的比較等。在這樣的實(shí)驗(yàn)過程中，能夠更加激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的興趣，培養(yǎng)他們的專業(yè)素養(yǎng)。

4 結(jié)語

臭氧氧化聯(lián)合活性炭吸附技術(shù)是一種深度凈水技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。研發(fā)了適用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的臭氧-活性炭?jī)羲畬?shí)驗(yàn)裝置，該裝置對(duì)于微污染水體中有機(jī)物的去除具有較好的處理效果。將該裝置應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可幫助學(xué)生強(qiáng)化臭氧的高級(jí)氧化特性和活性炭催化吸附特性的理論知識(shí)，并增強(qiáng)了學(xué)生的科研能力和實(shí)踐能力。后期研究中，可以繼續(xù)對(duì)該裝置進(jìn)行優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出綜合性、自主性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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