臭氧-生物活性炭-膜法处理自来水
论文作者：李绍峰1 黄君礼1 伦中财1 李海波2 张秀忠2 杨观乐2
摘要：经臭氧—生物活性炭与膜组合工艺处理，将自来水浊度从0.3～0.8NTU降至0.1NTU以下;高锰酸盐指数由1.5～4mg/L降至0.5～1.5mg/L，去除率达68.0%;UV254由0.07～0.12cm-1降为0.009～0.020cm-1，去除率为83%;TOC由2400～2900μg/L降为700～1600μg/L;Ames试验由阳性转变为阴性;将0.1～0.45mg/L的亚硝酸盐氮和0.03～0.35mg/L的氨氮降至检测限以下，同时出水硝酸盐氮浓度≤10mg/L，说明该 系统具有良好的运行效能。
关键词：分质供水 深度处理 臭氧化 生物活性炭 膜
管道分质供水一般采用以臭氧—生物活性炭和超滤膜为核心处理单元的饮用水深度处理技术[1、2]。
1 工艺流程
分质供水流程为：
2 主要设备和参数
① 臭氧发生机型号：SP38-A0，产量为35g/L。
② 臭氧接触反应塔设计处理水量为10m3/h，罐体直径为500mm、高为5000mm，接触时间为6min。
③ 活性炭罐的设计处理水量为10m3/h，罐体直径为1500mm、高为3000mm，石英砂、炭层高度分别为300mm、1300mm，炭种为颗粒椰壳活性炭，接触时间为25min，滤速为3m/h，两两串联后并联使用。
④ 微滤膜采用中空纤维膜，型号为HX0340-1.5T-304A，孔径为5μm，主要作用是滤除从活性炭罐中冲出的炭粒和大颗粒物，以免堵塞超滤膜。
⑤ 超滤膜采用聚醚砜卷式膜，型号为PES8321，截留分子质量为20000u，孔径为0.01μm，膜面积为30.7m2，工作压力为455 kPa，水回收率为75%，处理水量为64.3m3/d。
⑥ 二氧化氯发生机为Bellozon型CDVA，投量控制在0.20mg/L。
⑦ 供水管网采用恒压变频调速供水方式，为保证水质，从生产到运输采取全封闭设计，并像热水供应系统一样设有循环管网系统，循环水量按管网总水量的50%进行设计，即保证 用户用水是在12h内生产的。
3 运行结果
3.1 余氯的去除
原水(即自来水)的总余氯为0.02～0.15mg/L，经炭滤后降为0.01mg/L，说明活性炭脱除余氯的效果很好;出厂水中余氯为0.05～0.25mg/L，主要来自在超滤出水中投加的二氧化氯;回流水的总余氯值变化幅度与原水余氯的变化基本相同。经近两年的管网和用户取样，发现管网水、用户龙头水和回流水中的细菌和大肠菌均不超标。有 研究 表明，地下水经过臭氧化后[3]AOC由413μg/L上升为3069μg/L，再 经GAC处理后降为257μg/L，最后用臭氧处理AOC为257μg/L，这说明原水经臭氧、活性炭处理后可生物同化有机碳已基本稳定。故原水经臭氧—生物活性炭—超滤膜处理后再采用二氧化氯消毒可保证管网具有很好的卫生学安全性。
各处理单元对余氯的去除效果见图1。
3.2 浊度的去除
各处理单元对浊度的去除效果见图2和表1。
表1 各处理单元对浊度的去除率项目原水臭氧、活性炭微滤超滤出厂水回流水
浊度(NTU)0.500.230.200.090.10.16
去除率(%)54.06.022.0
由图2、表1可知，原水的浊度一般为0.3～0.8NTU，经臭氧、活性炭处理后降至0.2～0.3NTU，再经微滤有所降低，最后经聚醚砜超滤膜处理后浊度<0.1NTU，基本低于检测限，总去除率达72%。投加二氧化氯后浊度略有回升，回流水浊度有所升高(但一般不超过0.3NTU)，可能是由于水流对管网的冲刷将管垢和生物膜带回的缘故。
3.3 有机物的去除
① 高锰酸盐指数
各处理单元对高锰酸盐指数的去除效果见图3、表2。
表2 各处理单元对高锰酸盐指数的去除率项目原水臭氧化出水炭滤出水超滤出水
高锰酸盐指数(mg/L)2.672.411.170.85
去除率(%)9.746.411.9
由图3和表2可知，原水的高锰酸盐指数平均为2.67mg/L(高于饮用净水2mg/L的标准)，臭氧化对其去除率平均只有9.7%，而生物活性炭对其去除率高达46.4%(二者的总去除率为56.1%)，这与吴舜泽等[4、5]和张金松等[6]的研究结果基本一致。在本研究 中活性炭运行已近两年，仍然保持对高锰酸盐指数的良好去除效果，这主要是由于臭氧的强氧化性将大分子难降解有机物氧化分解为易于被活性炭吸附和微生物利用的小分子物质，甚至是H2O和CO2，同时O3在水中成为溶解氧而利于后续生物活性炭处理，延长了活性炭 的使用寿命并提高了其对有机物的去除效果。超滤对高锰酸盐指数的去除率为11.9%，其主要作用是降低浊度并去除细菌、病毒和部分有机物。经过臭氧、活性炭和膜处理，高锰酸盐指数已降至0.85mg/L，总去除率达68.0%。
② UV254
各处理单元对UV254的去除效果由图4、表3可以看出，臭氧—活性炭工艺对UV254的去除率达到75.6%，而超滤膜对其去除率较低(仅为7.4%)，成品水的UV254为0.014cm-1，总去除率为83.0%。
表3 各处理单元对UV254的去除率项目原水臭氧化出水炭滤出水超滤出水
UV254(cm-1)0.0820.0510.020.014
去除率(%) 37.837.87.4
③ TOC
各处理单元对TOC的去除效果见图5。
由图5可见，原水的平均TOC值为2630.46μg/L，臭氧化对TOC的去除率仅为8.73% (这可能是由于原水中能够被臭氧彻底氧化为H2O和CO2的有机物较少);经活性炭处理后TOC降为1490.08μg/L，去除率达34.48%;超滤膜对TOC的平均去除率为13.12%，说明活性炭出水中仍可能存在分子质量>20000u的有机物分子，超滤出水的TOC值平均为1145.08μg/L，回流水TOC为1346.02μg/L，其值略有升高(可 能是由管网冲刷带回的有机物质造成的)但仍远远低于饮用纯水的4mg/L的标准，这说明供 水水质是能够得到保证的。
④ Ames试验
Ames试验是快速筛检致突变物质的生物学 方法 之一。试验中分别取原水、臭氧化出水、活性炭出水和超滤出水水样各60L，经XAD-2大孔树脂富集后测定水样的致突变性 。采用TA98和TA100，在加与不加S9活化系统的条件下以平皿渗入法进行试验。样品以DMSO(二甲亚砜)作为溶剂进行稀释，同时做阴性对照DMSO和阳性对照SA(NaN3)、2-A F(2-氨基芴)、2，7-AF,每个样品配成3个剂量组。致突变试验结果以致突变比值MR值(平皿回落数与自发回变菌落数之比)表示，凡MR值≥2且有剂量反应关系的水样即为致突变结果阳性，检测结果见表4。
表4 各处理单元出水Ames试验结果项目剂量(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
超滤出水0.51.301.201.000.97
1.01.341.421.011.05
2.01.731.751.111.22
由表4可见，所有水样对TA100菌株均没有致突变性;自来水对TA98菌株有较强的致突变性;经臭氧化处理后，MR值>2，由于无明显的剂量反应关系，因此判断试验结果可能为阳性;经活性炭和超滤处理后结果呈阴性，说明所采用的深度处理工艺具有较高的毒 理学 安全性。
3.4 氮的去除
各处理单元对亚硝酸盐氮的去除效果见图6。原水的亚硝酸盐氮浓度平均为0.299mg/L，臭氧化出水的亚硝酸盐氮浓度已低于检测限，又由于生物活性炭供氧充足，反硝化过程受到抑制，后续单元也没有再产生亚硝酸盐氮，可见臭氧对亚硝酸盐氮具有较好的去除效果。
因臭氧的强氧化作用将亚硝酸盐氧化成为硝酸盐，故出水的硝酸盐氮浓度升高(见表5)。
表5 各处理单元的硝酸盐氮变化 mg/L项 目原水臭氧出水活性炭出水
硝酸盐氮4.6005.0705.369
经臭氧化后氨氮浓度由0.088mg/L升高至0.100mg/L(见图7)，其原因还有待于进一步 研究 。活性炭出水中的氨氮浓度低于检测限，而硝酸盐氮浓度则由4.600mg/L上升为5.369mg/L ，在检测期间出厂水硝酸盐氮浓度一直低于10mg/L的美国EPA标准，这从另一个侧面说明生物活性炭运行状态良好。
4 结论
① 活性炭具有良好的脱除余氯的能力，可将余氯由0.15mg/L降至0.01mg/L;在有机物大部被去除的情况下，出厂水投加0.18 mg/L以下的ClO2，通过控制一定的回流比，可以保证较高的卫生学安全性且口感良好。通过各单元的处理可以将浊度降至0.01NTU以下。
② 经过臭氧、活性炭和超滤膜的处理，可将高锰酸盐指数由原水的2.67mg/L降至0.85mg /L，去除率达到68.0%;UV254由原水的0.082cm-1降至0.014cm-1，去除率达83.0%;TOC由2630.46μg/L降至1145.08μg/L，去除率为56.33%;Ames试验由阳性转为阴性，具有较好的去除致突变物质的效能。
③ 臭氧、活性炭可以将原水中0.299mg/L的亚硝酸盐氮和0.088mg/L的氨氮降至检测限以下，同时出水硝酸盐氮浓度≤10mg/L，说明生物活性炭具有良好的运行效能。
参考 文献 ：
[1]王琳，王宝贞，聂梅生,等.膜与臭氧化生物活性炭组合工艺的运行效能[J]. 中国 环境 科学 ，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]张淑琪，刘彦竹，胡江泳，等.臭氧氧化自来水生物稳定性研究[J].环境科学，1998，19(5)：34-36.
[4]吴舜泽.饮用水深度处理工艺技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨建筑大学，1999.
[5]杨玉楠.饮用水深度处理技术去除微污染有机物的研究[D].哈尔滨：哈尔滨建筑大学，2000.
[6]张金松，朱佳.臭氧化—生物活性炭工艺参数的研究[J].净水技术，2000，18(3)：29-31.
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