臭氧-生物活性炭-膜法處理自來水
論文作者：李紹峰1 黃君禮1 倫中財(cái)1 李海波2 張秀忠2 楊觀樂2
摘要：經(jīng)臭氧—生物活性炭與膜組合工藝處理，將自來水濁度從0.3～0.8NTU降至0.1NTU以下;高錳酸鹽指數(shù)由1.5～4mg/L降至0.5～1.5mg/L，去除率達(dá)68.0%;UV254由0.07～0.12cm-1降為0.009～0.020cm-1，去除率為83%;TOC由2400～2900μg/L降為700～1600μg/L;Ames試驗(yàn)由陽性轉(zhuǎn)變?yōu)殛幮?將0.1～0.45mg/L的亞硝酸鹽氮和0.03～0.35mg/L的氨氮降至檢測限以下，同時(shí)出水硝酸鹽氮濃度≤10mg/L，說明該 系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行效能。
關(guān)鍵詞：分質(zhì)供水 深度處理 臭氧化 生物活性炭 膜
管道分質(zhì)供水一般采用以臭氧—生物活性炭和超濾膜為核心處理單元的飲用水深度處理技術(shù)[1、2]。
1 工藝流程
分質(zhì)供水流程為：
2 主要設(shè)備和參數(shù)
① 臭氧發(fā)生機(jī)型號(hào)：SP38-A0，產(chǎn)量為35g/L。
② 臭氧接觸反應(yīng)塔設(shè)計(jì)處理水量為10m3/h，罐體直徑為500mm、高為5000mm，接觸時(shí)間為6min。
③ 活性炭罐的設(shè)計(jì)處理水量為10m3/h，罐體直徑為1500mm、高為3000mm，石英砂、炭層高度分別為300mm、1300mm，炭種為顆粒椰殼活性炭，接觸時(shí)間為25min，濾速為3m/h，兩兩串聯(lián)后并聯(lián)使用。
④ 微濾膜采用中空纖維膜，型號(hào)為HX0340-1.5T-304A，孔徑為5μm，主要作用是濾除從活性炭罐中沖出的炭粒和大顆粒物，以免堵塞超濾膜。
⑤ 超濾膜采用聚醚砜卷式膜，型號(hào)為PES8321，截留分子質(zhì)量為20000u，孔徑為0.01μm，膜面積為30.7m2，工作壓力為455 kPa，水回收率為75%，處理水量為64.3m3/d。
⑥ 二氧化氯發(fā)生機(jī)為Bellozon型CDVA，投量控制在0.20mg/L。
⑦ 供水管網(wǎng)采用恒壓變頻調(diào)速供水方式，為保證水質(zhì)，從生產(chǎn)到運(yùn)輸采取全封閉設(shè)計(jì)，并像熱水供應(yīng)系統(tǒng)一樣設(shè)有循環(huán)管網(wǎng)系統(tǒng)，循環(huán)水量按管網(wǎng)總水量的50%進(jìn)行設(shè)計(jì)，即保證 用戶用水是在12h內(nèi)生產(chǎn)的。
3 運(yùn)行結(jié)果
3.1 余氯的去除
原水(即自來水)的總余氯為0.02～0.15mg/L，經(jīng)炭濾后降為0.01mg/L，說明活性炭脫除余氯的效果很好;出廠水中余氯為0.05～0.25mg/L，主要來自在超濾出水中投加的二氧化氯;回流水的總余氯值變化幅度與原水余氯的變化基本相同。經(jīng)近兩年的管網(wǎng)和用戶取樣，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)水、用戶龍頭水和回流水中的細(xì)菌和大腸菌均不超標(biāo)。有 研究 表明，地下水經(jīng)過臭氧化后[3]AOC由413μg/L上升為3069μg/L，再 經(jīng)GAC處理后降為257μg/L，最后用臭氧處理AOC為257μg/L，這說明原水經(jīng)臭氧、活性炭處理后可生物同化有機(jī)碳已基本穩(wěn)定。故原水經(jīng)臭氧—生物活性炭—超濾膜處理后再采用二氧化氯消毒可保證管網(wǎng)具有很好的衛(wèi)生學(xué)安全性。
各處理單元對(duì)余氯的去除效果見圖1。
3.2 濁度的去除
各處理單元對(duì)濁度的去除效果見圖2和表1。
表1 各處理單元對(duì)濁度的去除率項(xiàng)目原水臭氧、活性炭微濾超濾出廠水回流水
濁度(NTU)0.500.230.200.090.10.16
去除率(%)54.06.022.0
由圖2、表1可知，原水的濁度一般為0.3～0.8NTU，經(jīng)臭氧、活性炭處理后降至0.2～0.3NTU，再經(jīng)微濾有所降低，最后經(jīng)聚醚砜超濾膜處理后濁度<0.1NTU，基本低于檢測限，總?cè)コ蔬_(dá)72%。投加二氧化氯后濁度略有回升，回流水濁度有所升高(但一般不超過0.3NTU)，可能是由于水流對(duì)管網(wǎng)的沖刷將管垢和生物膜帶回的緣故。
3.3 有機(jī)物的去除
① 高錳酸鹽指數(shù)
各處理單元對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除效果見圖3、表2。
表2 各處理單元對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率項(xiàng)目原水臭氧化出水炭濾出水超濾出水
高錳酸鹽指數(shù)(mg/L)2.672.411.170.85
去除率(%)9.746.411.9
由圖3和表2可知，原水的高錳酸鹽指數(shù)平均為2.67mg/L(高于飲用凈水2mg/L的標(biāo)準(zhǔn))，臭氧化對(duì)其去除率平均只有9.7%，而生物活性炭對(duì)其去除率高達(dá)46.4%(二者的總?cè)コ蕿?6.1%)，這與吳舜澤等[4、5]和張金松等[6]的研究結(jié)果基本一致。在本研究 中活性炭運(yùn)行已近兩年，仍然保持對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的良好去除效果，這主要是由于臭氧的強(qiáng)氧化性將大分子難降解有機(jī)物氧化分解為易于被活性炭吸附和微生物利用的小分子物質(zhì)，甚至是H2O和CO2，同時(shí)O3在水中成為溶解氧而利于后續(xù)生物活性炭處理，延長了活性炭 的使用壽命并提高了其對(duì)有機(jī)物的去除效果。超濾對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率為11.9%，其主要作用是降低濁度并去除細(xì)菌、病毒和部分有機(jī)物。經(jīng)過臭氧、活性炭和膜處理，高錳酸鹽指數(shù)已降至0.85mg/L，總?cè)コ蔬_(dá)68.0%。
② UV254
各處理單元對(duì)UV254的去除效果由圖4、表3可以看出，臭氧—活性炭工藝對(duì)UV254的去除率達(dá)到75.6%，而超濾膜對(duì)其去除率較低(僅為7.4%)，成品水的UV254為0.014cm-1，總?cè)コ蕿?3.0%。
表3 各處理單元對(duì)UV254的去除率項(xiàng)目原水臭氧化出水炭濾出水超濾出水
UV254(cm-1)0.0820.0510.020.014
去除率(%) 37.837.87.4
③ TOC
各處理單元對(duì)TOC的去除效果見圖5。
由圖5可見，原水的平均TOC值為2630.46μg/L，臭氧化對(duì)TOC的去除率僅為8.73% (這可能是由于原水中能夠被臭氧徹底氧化為H2O和CO2的有機(jī)物較少);經(jīng)活性炭處理后TOC降為1490.08μg/L，去除率達(dá)34.48%;超濾膜對(duì)TOC的平均去除率為13.12%，說明活性炭出水中仍可能存在分子質(zhì)量>20000u的有機(jī)物分子，超濾出水的TOC值平均為1145.08μg/L，回流水TOC為1346.02μg/L，其值略有升高(可 能是由管網(wǎng)沖刷帶回的有機(jī)物質(zhì)造成的)但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于飲用純水的4mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，這說明供 水水質(zhì)是能夠得到保證的。
④ Ames試驗(yàn)
Ames試驗(yàn)是快速篩檢致突變物質(zhì)的生物學(xué) 方法 之一。試驗(yàn)中分別取原水、臭氧化出水、活性炭出水和超濾出水水樣各60L，經(jīng)XAD-2大孔樹脂富集后測定水樣的致突變性 。采用TA98和TA100，在加與不加S9活化系統(tǒng)的條件下以平皿滲入法進(jìn)行試驗(yàn)。樣品以DMSO(二甲亞砜)作為溶劑進(jìn)行稀釋，同時(shí)做陰性對(duì)照DMSO和陽性對(duì)照SA(NaN3)、2-A F(2-氨基芴)、2，7-AF,每個(gè)樣品配成3個(gè)劑量組。致突變試驗(yàn)結(jié)果以致突變比值MR值(平皿回落數(shù)與自發(fā)回變菌落數(shù)之比)表示，凡MR值≥2且有劑量反應(yīng)關(guān)系的水樣即為致突變結(jié)果陽性，檢測結(jié)果見表4。
表4 各處理單元出水Ames試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目劑量(L/P)MR值
TA98-S9TA98+S9TA100-S9TA100+S9
原水0.51.731.731.081.06
1.03.913.771.391.24
2.06.466.081.541.36
臭氧化出水0.51.021.201.040.98
1.01.621.601.091.02
2.01.862.201.231.12
活性炭出水0.51.301.111.040.96
1.01.301.131.170.98
2.01.321.421.371.02
超濾出水0.51.301.201.000.97
1.01.341.421.011.05
2.01.731.751.111.22
由表4可見，所有水樣對(duì)TA100菌株均沒有致突變性;自來水對(duì)TA98菌株有較強(qiáng)的致突變性;經(jīng)臭氧化處理后，MR值>2，由于無明顯的劑量反應(yīng)關(guān)系，因此判斷試驗(yàn)結(jié)果可能為陽性;經(jīng)活性炭和超濾處理后結(jié)果呈陰性，說明所采用的深度處理工藝具有較高的毒 理學(xué) 安全性。
3.4 氮的去除
各處理單元對(duì)亞硝酸鹽氮的去除效果見圖6。原水的亞硝酸鹽氮濃度平均為0.299mg/L，臭氧化出水的亞硝酸鹽氮濃度已低于檢測限，又由于生物活性炭供氧充足，反硝化過程受到抑制，后續(xù)單元也沒有再產(chǎn)生亞硝酸鹽氮，可見臭氧對(duì)亞硝酸鹽氮具有較好的去除效果。
因臭氧的強(qiáng)氧化作用將亞硝酸鹽氧化成為硝酸鹽，故出水的硝酸鹽氮濃度升高(見表5)。
表5 各處理單元的硝酸鹽氮變化 mg/L項(xiàng) 目原水臭氧出水活性炭出水
硝酸鹽氮4.6005.0705.369
經(jīng)臭氧化后氨氮濃度由0.088mg/L升高至0.100mg/L(見圖7)，其原因還有待于進(jìn)一步 研究 ；钚蕴砍鏊械陌钡獫舛鹊陀跈z測限，而硝酸鹽氮濃度則由4.600mg/L上升為5.369mg/L ，在檢測期間出廠水硝酸鹽氮濃度一直低于10mg/L的美國EPA標(biāo)準(zhǔn)，這從另一個(gè)側(cè)面說明生物活性炭運(yùn)行狀態(tài)良好。
4 結(jié)論
① 活性炭具有良好的脫除余氯的能力，可將余氯由0.15mg/L降至0.01mg/L;在有機(jī)物大部被去除的情況下，出廠水投加0.18 mg/L以下的ClO2，通過控制一定的回流比，可以保證較高的衛(wèi)生學(xué)安全性且口感良好。通過各單元的處理可以將濁度降至0.01NTU以下。
② 經(jīng)過臭氧、活性炭和超濾膜的處理，可將高錳酸鹽指數(shù)由原水的2.67mg/L降至0.85mg /L，去除率達(dá)到68.0%;UV254由原水的0.082cm-1降至0.014cm-1，去除率達(dá)83.0%;TOC由2630.46μg/L降至1145.08μg/L，去除率為56.33%;Ames試驗(yàn)由陽性轉(zhuǎn)為陰性，具有較好的去除致突變物質(zhì)的效能。
③ 臭氧、活性炭可以將原水中0.299mg/L的亞硝酸鹽氮和0.088mg/L的氨氮降至檢測限以下，同時(shí)出水硝酸鹽氮濃度≤10mg/L，說明生物活性炭具有良好的運(yùn)行效能。
參考 文獻(xiàn) ：
[1]王琳，王寶貞，聶梅生,等.膜與臭氧化生物活性炭組合工藝的運(yùn)行效能[J]. 中國 環(huán)境 科學(xué) ，1999，19(6)：566-568.
[2]Melley J P Jr,Eighmy T T,Collins M R,et al. The performance and microbiology of ozone-enhance biological filtration [J].J AWWA,1993,85:47-57.
[3]張淑琪，劉彥竹，胡江泳，等.臭氧氧化自來水生物穩(wěn)定性研究[J].環(huán)境科學(xué)，1998，19(5)：34-36.
[4]吳舜澤.飲用水深度處理工藝技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué)，1999.
[5]楊玉楠.飲用水深度處理技術(shù)去除微污染有機(jī)物的研究[D].哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué)，2000.
[6]張金松，朱佳.臭氧化—生物活性炭工藝參數(shù)的研究[J].凈水技術(shù)，2000，18(3)：29-31.
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