自来水厂臭氧活性炭深度处理工艺应用分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 02 日 作者简介：孙鹍鹏(1989)，男，汉族，湖北武汉人，硕士。-103-自来水厂臭氧活性炭深度处理工艺应用分析 孙鹍鹏 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430061 摘要：摘要：随着社会经济的发展,传统的自来水处理工艺已难以满足人民群众对饮用水质量安全性的要求。臭氧活性炭深度处理作为一种高效的深度处理新工艺,因其处理效果好、操作简便等优点而被越来越多的自来水厂所采用。臭氧是一种强氧化剂,可快速杀灭各类微生物,具有较好的消毒效果,还可破坏有机物结构。活性炭具有发达孔隙结构,可高效吸附水中残留有机物及异味物质。臭氧氧化可增加污染物对活性炭的吸附性,两者协同效应显著。相比单一的臭氧或活性炭处理,臭氧活性炭耦合工艺集消毒和吸附功能于一体,处理效果更佳。臭氧活性炭工艺应用于自来水厂后,可充分发挥臭氧的强氧化消毒作用,确保出水微生物指标达标,还可控制消毒副产物的生成。活性炭可吸附水中残留有机物、异味物质及藻类代谢产物,明显改善水质。在工艺设计时,需注意臭氧产生系统、活性炭滤池设计参数选择以及导流混合装置设置,使臭氧与水完全接触。运行时要控制水流量,保证充分反应时间,同时及时更换活性炭,处理臭氧余气,以保证出水质量安全。因此，本文通过分析总结臭氧活性炭深度处理工艺的工作原理、工艺优势及设备设计要点,为其在自来水深度处理中的应用提供参考。关键词：关键词：自来水厂；臭氧；活性炭；深度处理；工艺应用 中图分类中图分类号：号：TU99 0 引言 随着社会经济的快速发展,人们生活水平得到极大提高的同时,也对饮用水质量安全性提出了更高要求。然而,水源污染日益严重,传统的凝集沉淀等处理工艺已难以有效去除水中的微量有机污染物、病原微生物等,使饮用水质量面临着严峻挑战。为进一步提高饮用水质量,自来水厂亟需采用更先进的深度处理技术,以消除水质安全隐患。臭氧是一种强氧化剂,可快速破坏细菌细胞,具有较好的消毒效果。活性炭具有发达的孔结构和大的比表面积,可高效吸附水中残留有机物及异味物质。两者联用形成的臭氧活性炭耦合工艺,具有消毒和吸附的双重功能,处理效果显著。相比传统工艺,该新工艺具有操作简便、占地面积小、投资和运行成本较低等优点,非常适合自来水深度处理。因此,本研究拟对臭氧活性炭耦合工艺的工作原理、工艺特点及设备运行进行系统分析,重点阐述其在自来水厂深度处理中的应用效果及存在问题,以期为该新工艺的推广应用提供参考。1 臭氧活性炭工艺的优点 1.1 臭氧消毒 臭氧是一种强氧化剂,具有非常强大的杀菌作用。臭氧分子中的氧原子很不稳定,容易将自己的一个氧原子转移到其他化合物上,发生电子转移反应。当臭氧作用于细菌时,可破坏其细胞内酶、脂类等大分子,导致其失去生存能力。这种直接作用于细菌细胞内部的氧化机制,使臭氧具有极强的杀菌能力。研究表明,臭氧的杀菌效率可达 99.99%以上,消毒时间只需要几分钟,远优于氯消毒。此外,臭氧可杀灭各类细菌、病毒、阿米巴原虫等病原微生物,消毒谱广,不会产生耐药性。臭氧预氧化可破坏细菌的细胞膜、细胞壁等结构,使其更易被后续的氯杀灭,实现协同增效。利用臭氧预处理,可降低水处理所需的氯量,减少消毒副产物的生成。因此,应用臭氧活性炭工艺,可有效杀灭水中的各类微生物,确保出水微生物指标达到卫生标准。1.2 除藻 水源中经常出现大量藻类过度繁殖的藻华现象,严重影响自来水厂的正常运行。臭氧可通过破坏藻类细胞内部结构,导致其聚集并沉淀,实现快速有效的除藻作用。臭氧氧化使藻细胞膜结构破坏,细胞液外泄,进而使藻细胞破裂、死亡。死亡的藻细胞会吸附聚集在一起并沉降。臭氧除藻效果显著,可有效解决原水藻类问题。1.3 控制氯化消毒副产物 氯化消毒过程中容易产生一些危害健康的消毒副中国科技期刊数据库 工业 A-104-产物,如三氯甲烷、四环素等。这些消毒副产物的生成与水中自由残留氯反应有关。臭氧可将水中有机物氧化分解为较小的分子片段,减少其与氯的反应,从而控制消毒副产物的生成。同时,臭氧氧化也可将一些消毒副产物转化为无害的小分子化合物排出。因此,臭氧预处理可有效控制和降低氯化消毒副产物的形成。1.4 去除有机物 活性炭具有发达的孔结构和极大的比表面积,可高效地吸附水中残留的各类有机污染物,实现净化效果。一般来说,活性炭表面越多的功能基团,对某种有机物的吸附性能就越好。臭氧可以通过氧化反应改变水中有机物的化学结构,增加其分子上的羟基、醛基、酚基等活性基团,提高其对活性炭的吸附亲和力。因此,臭氧可促进活性炭对有机污染物的吸附除去。1.5 臭氧与活性炭相互促进作用 在臭氧活性炭耦合工艺中,臭氧可破坏有机物结构,增加其对活性炭的吸附性,发挥促进作用;与此同时,活性炭可吸附消耗水中部分臭氧,也可吸附有机物上新生成的氧化基团,减少臭氧的残留,起到促进臭氧利用的作用。两者相互协同,共同提高水处理效率。相比单独使用臭氧或活性炭,两者结合应用效果更佳。2 工艺流程与检测方法 2.1 水厂工艺流程及参数 某水厂设计供水能力为 20 万 m3/d,2017 年底投入运行，原水处理工艺流程包括预处理+常规处理+深度处理，其中预处理为预臭氧化，常规处理为混凝、沉淀、砂滤和氯消毒，深度处理为后臭氧活性炭过滤工艺。试验期间内部分工艺参数：预臭氧投加量为 0.51.0mg/L；混凝剂聚合氯化铝投加量为 2535mg/L；后臭氧投加量为 0.61.2mg/L，平均接触时间为 12 min；活性炭滤池滤料为煤质破碎炭，炭层厚度为 1.8m，活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝值和强度的平均值分别为995 mg/g、210 mg/L 和 95.2%，活性炭使用年限为 3年。2.2 原水水质参数 试验原水为东太湖水，试验期间内原水的水质情况如表 1 所示。2.3 检测方法 氨氮和 CODMn 的测定采用 DR1900 便携式分光光度计(美国 Hach 公司);UV254 通过 T6 新世纪紫外可见光分光光度计(中国普析公司)测定;DOC 使用 TOC-LCPH总有机碳分析仪(日本 Shimadzu 公司);浊度测定采用2100Q 型便携式浊度计(美国 Hach 公司);pH 值测定采用 pHS-3C 型 pH 计(中国生工公司);三维荧光光谱分析采用 MAX-4 型荧光光谱仪(日本 HORIBA 公司),设置條件为:激发波长 240-400nm,发射波长 280-500nm,狭缝宽度 5nm 等;消毒副产物培养条件为:10mg/L NaClO 溶液,pH 7.0,温度 25C,避光反应 24 小时;消毒副产物检测采用 GC-2010 气相色谱仪(日本岛津公司),装备ECD 电子捕获检测器,测试条件包括进样口温度等参数的设置。表 1 原水水质情况 项目 范围 水温/C 8.323.9 浊度/NTU 10.2155 pH 7.758.09 CODMn/(mgL-1)2.105.69 DOC/(mgL-1)2.427.85 UV254/cm-1 0.1270.587 NH3-N/(mgL-1)0.060.29 3 臭氧活性炭工艺运行注意事项 3.1 臭氧余气处理 臭氧活性炭处理后,由于臭氧利用率不能达到100%,水中会残留部分未反应的臭氧。这些臭氧余气如果直接排放到空气中,浓度超标时就会对空气质量造成二次污染。所以必须对残留的臭氧余气进行充分处理,确保其安全排放。臭氧余气处理方法主要有以下几种：（1）化学分解法,是使用一些强氧化剂如过氧化氢来氧化分解臭氧,将其转化为相对无害的氧气和水。过氧化氢可直接与臭氧发生反应,实现臭氧的无害化。（2）物理吸附法,是运用活性炭或MnO2等吸附剂,通过吸附作用来除去臭氧。吸附剂表面与臭氧发生物理化学反应,使臭氧分解。（3）先吸附后分解法,合并使用吸附和氧化分解两种手段,先用活性炭吸附臭氧,再用过氧化氢处理臭氧。这种方法效果更好。经过余气处理后的臭氧浓度必须降至 0.1mg/L 以下,确保达标后才能排放,防止对大气造成污染。采取适当的臭氧余气处理技术,是确保臭氧活性炭工艺环境友好运行的关键。中国科技期刊数据库 工业 A-105-3.2 活性炭更换频率（1）在臭氧活性炭处理系统中,活性炭是重要的吸附材料。但其吸附性能不可能是无限的,经过一段时间的使用后,活性炭表面会被吸附的各种物质阻塞塞住,从而导致活性下降。（2）为保证活性炭的处理效果,必须根据水质情况及使用时间来合理安排活性炭的更换频率。当出水水质指标出现明显恶化,或滤料压降上升至设计值的1.5-2 倍时,就需要及时对活性炭滤料进行更换。（3）适时更换活性炭对保障臭氧活性炭工艺的正常运行至关重要。一般而言,根据水质条件,每 6-12 个月进行一次活性炭更换,既能保证其活性,又可减少更换频次,降低运行成本。3.3 确保充分接触时间 控制水流量,保证水与臭氧、活性炭的充分接触反应时间。臭氧活性炭工艺需要保证一定的水力停留时间,以实现水与臭氧、活性炭之间的充分接触反应。通常要求的臭氧接触池停留时间至少在 4-10 分钟,活性炭滤池为 2-5 分钟。所以在系统运行过程中,必须严格控制水的流量,不能超过设计的处理能力要求,从而确保水在每个处理单元的停留时间充足。如果流量过大导致停留时间不足,会严重影响处理效果。3.4 加强运行监测 监测臭氧残留量,确保出水质量安全。同时监测滤料压降变化,作为更换滤料的依据。同时,需要加强对整个臭氧活性炭处理系统的运行监测,特别是关键技术指标,以确保出水的安全。重点监测项目包括:出水中臭氧残留量,要控制在 0.1mg/L 以下,避免残留臭氧对管网系统造成腐蚀;活性炭滤池的滤料压降变化情况,可作为评价活性炭使用情况及更换时机的重要依据之一;以及依照水质标准,定期监测出水的各项质量指标,全面评价处理效果。通过严格控制水流量及各项技术参数指标,持续监测出水质量,能够确保臭氧活性炭处理工艺平稳、有效运行,使处理系统发挥应有的效能。这需要运行管理人员提高责任感,切实抓好系统的日常运行与维护管理工作。充分利用各种在线检测及信息化手段,实时了解系统运行状态。同时,要定期对关键设备进行校验、维护保养,发现问题及时处理,使系统始终处于最佳工作状态,以保证出水水质安全。4 总结 随着社会发展和生活水平提高,人们对饮用水质量安全性的要求越来越高。而传统的自来水处理工艺已难以去除水中微量有机污染物、病原微生物等,无法满足消费者的需求。臭氧活性炭耦合工艺作为一种高效的新型深度处理技术,因其处理效果好、操作简便、投资低等优点,被越来越多的自来水厂所采用。通过本研究对臭氧活性炭工艺的剖析可知,该工艺集臭氧强氧化消毒与活性炭高效吸附于一体,可全面提高出水质量:臭氧可快速杀灭各类微生物,具有广谱且持久的消毒作用,还可氧化除藻及控制消毒副产物生成;活性炭可大量吸附残留有机污染物及异味化合物;两者相互协同,处理效果显著。该工艺设备投资省,占地面积小,非常适合自来水厂技术改造。但臭氧活性炭工艺也存在臭氧残留、活性炭更换等问题,必须严格掌握操作要点。在设计时应充分考虑水量水质情况,合理选择工艺参数;运营时要注意控制水流量,确保充分反应时间,同时监测出水质量,及时更换活性炭,妥善处理余气等,方可保证系统稳定运行,发挥最大效能。总之,臭氧活性炭耦合工艺是自来水深度处理的理想新工艺之一。它的应用可有效提升出水质量,解决水源污染问题,满足居民对优质安全水的需求。展望未来,随着技术进步,可望实现该工艺的智能化、绿色化,使其在自来水厂得到更广泛的推广应用,造福社会。臭氧活性炭工艺能发挥两者协同效应,可有效应用于自来水深度处理,但设备运行维护需要格外注意。该工艺值得进一步推广应用,以提高自来水可靠性和安全性。参考文献 1钟楚娴.臭氧-活性炭工艺污水处理厂深度处理中试研究J.水处理技术,2021(47):24.2沈恺乐,邓慧萍,沈冠杰.浙江省某水厂臭氧活性炭深度处理工艺运行效果分析J.给水排水,2021,47(7):6.3刘佩青,姚青,沈华,等.水厂臭氧发生器的经济运行分析J.净水技术,2021,40(4):85-89.4房蔚,许卫国,杭军兵,等.O_(3)-BAC 工艺对废水深度处理的研究进展J.工业用水与废水,2022,53(1):4.中国科技期刊数据库 工业 A-106-5付乐,罗国豹.城镇污水处理厂高排放标准处理工艺案例分析J.净水技术,2023,42(3):174-180.6陈斌,唐晶,叶青徽,等.改良型 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