活性炭過濾與臭氧-活性炭深度處理的對比研究

王蘇女， 張曉娜， 劉清華

(東莞市東江水務(wù)有限公司， 廣東 東莞 523112)

全國各地自來水廠正相繼開展深度處理工藝升級改造工作，以進(jìn)一步提高水質(zhì)[1]。臭氧-活性炭工藝能有效去除水中有機(jī)污染物，是飲用水深度處理的重要手段，已得到較為廣泛的推廣使用[1-2]。筆者以東莞市某水廠正在運(yùn)行中的臭氧-活性炭深度處理工藝為研究對象，通過控制臭氧接觸氧化工藝段的臭氧投加，對比研究了活性炭過濾和臭氧-活性炭兩種深度處理工藝的運(yùn)行效果。

1 試驗流程與方法

1.1 試驗流程

東莞市某水廠的設(shè)計規(guī)模為50×104m3/d，其在常規(guī)工藝的基礎(chǔ)上，增加了臭氧-活性炭深度處理工藝(臭氧接觸氧化+生物活性炭過濾)，工藝流程如圖1所示。

臭氧接觸池：設(shè)計規(guī)模為50×104m3/d，分設(shè)2座，有效水深為6.2 m，每池設(shè)3個投加點(diǎn)，順?biāo)鞣较虻耐都颖壤秊? ∶1∶1。臭氧接觸時間為15.2 min，臭氧投加量為0.8～1.0 mg/L，臭氧余量為0.1～0.2 mg/L。

圖1 水廠工藝流程Fig.1 The flow chart of waterworks

活性炭濾池：分2座，每座分6格，每格濾池的面積為158.2 m2；濾料上層采用顆?；钚蕴?，厚度為2.3 m，有效粒徑為0.65～0.75 mm，下層采用粗砂，濾料厚度為0.30 m，有效粒徑為2～3 mm；設(shè)計水力停留時間為10 min，濾速為14.1 m/h。

1.2 試驗方法

試驗期間的原水水質(zhì)較為穩(wěn)定，濁度為12.0～18.0 NTU，pH值為7.0～7.1，氨氮為0.2～0.4 mg/L，耗氧量為1.76～2.08 mg/L，聚合氯化鋁的有效投加量為1.2～1.5 mg/L，次氯酸鈉的有效投加量為1.5～1.7 mg/L。

東江原水進(jìn)入水廠后，經(jīng)過混凝、沉淀、V型砂濾池過濾、臭氧-活性炭深度處理后再進(jìn)行消毒處理。試驗通過臭氧發(fā)生器投加設(shè)備，控制深度處理工藝中臭氧的投加。

1.3 分析方法

CODMn：酸性高錳酸鉀滴定法；濁度：HACH 2100N濁度儀；UV254：水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，用紫外分光光度計測定；三氯甲烷和三氯乙醛：Tekmar 3100吹掃-捕集濃縮器富集進(jìn)樣，Agilent 7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 對濁度的去除效果

試驗期間砂濾出水濁度在0.20 NTU左右，活性炭過濾出水濁度在0.12 NTU左右，平均去除率約為40.0%；臭氧接觸氧化+活性炭池過濾共同作用后的出水濁度在0.10 NTU左右，平均去除率約為50.0%，如圖1所示。與活性炭過濾相比，臭氧-活性炭對濁度的去除率僅提高了10個百分點(diǎn)，這表明活性炭濾池的過濾對濁度的去除起主要作用。這和胡志光等人的研究結(jié)果一致，在臭氧-活性炭深度處理過程中濁度的去除主要通過活性炭濾池的吸附、截留及生物降解作用[3]。

圖2 對濁度的去除效果Fig.2 Removal effect of turbidity

2.2 對CODMn的去除效果

試驗期間砂濾出水CODMn在1.0 mg/L左右，經(jīng)活性炭和臭氧-活性炭深度處理后的出水CODMn均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，分別在0.85 和0.66 mg/L左右，平均去除率分別約為15.0%和34.0%，如圖3所示。單獨(dú)的活性炭池對有機(jī)物的去除效果有限，臭氧氧化對CODMn去除起重要作用。臭氧接觸可氧化一部分有機(jī)物，同時將難生物降解的大分子有機(jī)物氧化成中、小分子有機(jī)物，使其更容易被后續(xù)活性炭吸附和生物降解去除[4]。此外，臭氧接觸氧化過程可對水體充氧，使活性炭濾池中有充足的溶解氧，更利于微生物對有機(jī)物的生物降解。因此，臭氧-活性炭深度處理工藝能更好地實(shí)現(xiàn)對有機(jī)物的有效去除。

圖3 對CODMn的去除效果Fig.3 Removal effect of CODMn

2.3 對UV254去除的影響

試驗期間砂濾出水UV254在0.022 cm-1左右，活性炭池過濾和臭氧-活性炭出水的UV254分別在0.018和0.010 cm-1左右，平均去除率分別約為18.2%和54.5%，如圖4所示。相比于活性炭池過濾作用，臭氧-活性炭深度工藝對UV254的去除率提高了約2倍，臭氧接觸氧化對砂濾出水中UV254類物質(zhì)的去除起到了關(guān)鍵性作用。臭氧接觸氧化既可以直接氧化降解UV254類物質(zhì)，又可提高活性炭濾池進(jìn)水的可生化性和溶解氧[1]，從而進(jìn)一步改善生物活性炭濾池對UV254類有機(jī)物的生物降解效果，有利于更好地控制后期消毒副產(chǎn)物的生成[5]。

圖4 對UV254的去除效果Fig.4 Removal effect of UV254

2.4 對消毒副產(chǎn)物的去除

臭氧-活性炭深度處理工藝可有效去除消毒副產(chǎn)物前體物質(zhì)，大大減少出廠水消毒副產(chǎn)物的生成量[6]。如圖5所示，活性炭過濾處理后出廠水中三氯甲烷生成量為0.003～0.014 mg/L，三氯乙醛生成量為0.003～0.008 mg/L；臭氧-活性炭處理后出廠水中三氯甲烷和三氯乙醛的生成量基本在0.001～0.002 mg/L的低水平。經(jīng)過2種深度工藝處理后，出廠水中三氯甲烷、三氯乙醛均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5049—2006)要求。

圖5 對三氯甲烷、三氯乙醛的去除效果Fig.5 Removal effect of trichloromethane and trichloroacetaldehyde

相比活性炭池,臭氧-活性炭深度處理工藝對三氯甲烷和三氯乙醛的生成量分別平均減少0.005和0.003 mg/L。有研究表明自來水消毒副產(chǎn)物的前體物主要為UV254類物質(zhì)[4]。臭氧接觸氧化能更有效地去除UV254類物質(zhì)，降低出廠水中三氯甲烷和三氯乙醛的含量，更有利于保障出廠水水質(zhì)。

3 結(jié)論

① 在正常原水條件下，單獨(dú)的活性炭過濾和臭氧-活性炭對濁度、CODMn和UV254均有良好的去除效果，出水滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。相比于活性炭過濾深度處理，臭氧-活性炭工藝對濁度、CODMn和UV254的去除率均有一定程度的提高?；钚蕴窟^濾對濁度的去除起主導(dǎo)作用，臭氧接觸氧化通過氧化分解大分子有機(jī)物，增強(qiáng)了活性炭池對有機(jī)物的吸附和生物降解作用，顯著加強(qiáng)了對有機(jī)物的去除效果。

② 經(jīng)活性炭過濾或臭氧-活性炭處理后的出廠水中，三氯甲烷和三氯乙醛均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。相比活性炭過濾，經(jīng)臭氧-活性炭處理后的出廠水中三氯甲烷和三氯乙醛平均含量分別下降0.005和0.003 mg/L，大大降低了消毒副產(chǎn)物超標(biāo)風(fēng)險。