活性炭在潔凈飲用水處理中的作用

隨著(zhù)水污染日益嚴重,大量的污染物尤其是有機污染物通過(guò)不同的方式進(jìn)入水體,飲用水水源受到日趨廣泛的污染。目前,世界上大多數國家,特別是發(fā)展中國家的飲用水凈化基本上采用“混凝→沉淀→砂濾→投氯消毒”的常規處理工藝,雖然能夠使水澄清、消除水傳染病原菌,但是現代工業(yè)產(chǎn)生的許多有毒、有害物質(zhì),特別是大量有機污染物并不能得到很好的去除,對人類(lèi)健康構成了威脅。潔凈飲用水處理技術(shù)是針對臭氧、活性炭、生物活性炭、紫外消毒等單元工藝去除水中微量有機物效果進(jìn)行的研究。特別是把生物工程應用到活性炭上,當活性炭載上活性生物菌種以后,使活性炭既有原來(lái)的吸附作用又有生物降解的作用,大大地提高了去除微量有機物的效果。研究結果表明這是一種先進(jìn)的飲用水深度凈化工藝,可有效地提高水處理的效果,滿(mǎn)足健康優(yōu)質(zhì)飲用水基本的要求,技術(shù)上是可行的。

1 方法原理
1.1 基本原理
研究采用的是“絮凝沉淀、臭氧氧化、生物活性炭吸附、紫外消毒”等單元方法的優(yōu)化組合。這四個(gè)單元的主要功能是:①絮凝沉淀:物理處理方法,去除水中泥沙等大量雜質(zhì)。②臭氧氧化:可以使大部分有機物轉化為臭氧氧化中間產(chǎn)物。③生物活性炭:它既有活性炭吸附的功能,又有生物降解的功能。④紫外消毒:其功能是殺死微生物病菌,保證飲水健康。
1.2 生物活性炭去除水中微量有機污染物的原理所謂生物活性炭就是以活性炭為載體進(jìn)行生物膜的培養和馴化后得到的可以降解水中有機污染物的活性炭。生物膜表層膜內棲息著(zhù)大量好氧性生物、細菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物,形成了有機污染物—細菌—原生動(dòng)物(后生動(dòng)物)的食物鏈,通過(guò)細菌的代謝活動(dòng),水中有機污染物的降解是在好氧生物膜內進(jìn)行的,好氧降解有機物的效率高、速度快。該工藝還充分利用了生物活性炭的優(yōu)良的吸附性能,特別能有效的吸收水中產(chǎn)生臭和味的有機物,給微生物的生長(cháng)創(chuàng )造了良好的條件。

1.3 臭氧氧化法處理水中有機污染物的原理
研究將陶粒濾料添裝在臭氧氧化反應柱中,目的是提高臭氧的利用率、增強臭氧氧化階段去除有機物及原水色度和濁度的能力,以減輕后續生物活性炭處理階段的負荷。羥基自由基氧化反應可分為兩類(lèi):除氫反應、加成反應,羥基自由基更易與芳香族化合物或不飽和烴類(lèi)化合物發(fā)生加成反應,終將其氧化成二氧化碳、水、以及小分子羧酸等無(wú)害物質(zhì)。還生成一些短鏈的中間有機物,就容易被生物降解或被活性炭吸附除去。
2 實(shí)驗部分
2.1 試驗流程
本研究經(jīng)優(yōu)選終采用“絮凝沉淀→沙濾→臭氧氧化→生物活性炭→紫外消毒”工藝流程處理有機微污染水,試驗流程見(jiàn)圖1。
圖1 水處理流程示意圖
2.2 主要設備、材料和試驗運行參數
(1)主要設備:臭氧發(fā)生器、紫外消毒器。
(2)主要材料:活性炭、生物活性炭。
(3)試驗運行參數:(略)。
3 實(shí)驗結果分析
3.1 實(shí)驗水的水質(zhì)分析
實(shí)驗用水取自A河水,經(jīng)絮凝、沉淀處理后沙濾而成,進(jìn)行全面的水質(zhì)分析,其結果見(jiàn)表1。按照“地面水環(huán)境質(zhì)量標準”對實(shí)驗水的分析結果進(jìn)行評價(jià),發(fā)現實(shí)驗水的CODMn、色度、濁度、細菌總數、大腸菌群均超過(guò)三類(lèi)水的標準,說(shuō)明水源的有機污染十分嚴重。因此把該實(shí)驗水作為目標原水進(jìn)行深度處理技術(shù)研究。
3.2 實(shí)驗水的微量有機物的分析與鑒定
對實(shí)驗水進(jìn)行富集、濃縮預處理,然后應用色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行分析和鑒定。結果在實(shí)驗水中共檢出69種有機物,其中對人體有明顯毒性的苯及其多元取代物4種,酚類(lèi)3種,芳香鹵代物3種,芳香族硝基化合物4種,稠環(huán)類(lèi)化合物2種,含氮、含硫雜環(huán)化合物2種,共計18種,占檢出有機物總數的31%。根據美國國家環(huán)保局(USEPA)對飲用水中有機毒物的分類(lèi),A河水已受到嚴重的有機污染。
 
3.3 臭氧氧化—生物活性炭—紫外消毒系統去除
污染物實(shí)驗
上面已經(jīng)分別研究了單個(gè)單元處理水中微量污染物的試驗,即臭氧氧化單元、活性炭單元、生物活性炭單元處理水中微量污染物的試驗效果。由于單個(gè)單元處理水中微量污染物都有一些局限性,經(jīng)試驗把各單元進(jìn)行科學(xué)的組合來(lái)處理水中微量污染物。佳組合的流程見(jiàn)圖1。各種實(shí)驗結果:
(1)對濁度、COD、NH3-N、三氯甲烷的去除試驗:系統連續運轉三個(gè)月,運轉期中每隔日定時(shí)采樣檢測濁度、COD、NH3-N、三氯甲烷(CHCl3)等指標的濃度,試驗結果見(jiàn)表2。
從表2中看出系統的去除率COD達86.7%、濁度達90%、NH3-N達91.1%,其去除能力遠比單個(gè)單元即純活性炭、純生物活性炭、純臭氧的能力要高。系統中臭氧—陶粒裝置在運行過(guò)程中陶粒表面也有生物膜生成,對水中有機物的降解和細微懸浮物的過(guò)濾也有一定的作用。試驗水經(jīng)過(guò)臭氧化—生物活性炭吸附、降解、過(guò)濾后,后出水中CODMn大幅度降低,去除率達86.7%,即降至出水的1.68 mg/L。根據前人的研究結果,當水中CODMn<2.0 mg/L時(shí),水中微量有機物基本都低于致病、致害的閾值,在加氯消毒后,亦不致產(chǎn)生有機氯代物。從表中看出,特別可喜的是采用該技術(shù)流程,實(shí)驗中沒(méi)有檢出三氯甲烷。
表2 臭氧生物活性炭紫外系統去除濁度

    (2)致突變(Ames)試驗。①試驗樣本:經(jīng)絮凝、沉淀、過(guò)濾后的水;經(jīng)臭氧—生物活性炭柱出水。②試驗方法:(略)。③結果:TA100菌株在各水樣中均未表現出Ames試驗陽(yáng)性。④TA98菌株的試驗結果(略)。實(shí)驗水經(jīng)過(guò)臭氧—生物活性炭工藝處理后,由致突變陽(yáng)性轉變?yōu)橹峦蛔冴幮�。�?jīng)該系統處理后的水沒(méi)有致突變性的疑慮了,是安全可靠的飲用水。
(3)對水中細菌的去除試驗。系統對水中細菌的去除是極有效的,試驗水中細菌總數為4300個(gè)/L,總大腸菌群100個(gè)/mL,采集紫外消毒器出水,作細菌實(shí)驗,結果為水中細菌總數為10個(gè)/L,總大腸菌群小于3個(gè)/L。達到國家飲用水標準。
(4)對消毒副產(chǎn)物(CHCl3和CCl4)的去除試驗。CHCl3和CCl4是自來(lái)水加氯后生成的主要消毒副產(chǎn)物,是致癌物,所以引起世界各國的重視。國外發(fā)達國家現在不以氯作為自來(lái)水的消毒劑,消除了這個(gè)隱患。實(shí)驗表明,采用該技術(shù)來(lái)處理微污染水的情況下沒(méi)有檢出三氯甲烷。但是,我國大部分自來(lái)水廠(chǎng)還是以氯作為自來(lái)水的消毒劑。因此,本實(shí)驗特意在原水中加入一定濃度的CHCl3和CCl4有機物,研究臭氧—生物活性炭系統對CHCl3和CCl4的去除作用。通過(guò)氣相色譜分別測定試驗進(jìn)水和通過(guò)系統后出水的CHCl3和CCl4的含量,探討臭氧—生物活性炭系統對消毒副產(chǎn)物的去除率,其結果如表3。
表3  CHCl3和CCl4在系統的進(jìn)水和出水的濃度

   由表3可看出,通過(guò)臭氧—生物活性炭工藝,能夠去除有毒有害副產(chǎn)物CHCl3和CCl4。
(5)對有機污染物—多環(huán)芳烴的去除試驗。多
環(huán)芳烴是一大類(lèi)重要的有機化合物,其中有幾個(gè)化合物毒性很大,甚至是致癌物質(zhì)。對原水、實(shí)驗水、臭氧化柱出水、生物活性炭吸附柱出水這4種水樣采用色—質(zhì)聯(lián)機對多環(huán)芳烴進(jìn)行分析。結果表明,原水經(jīng)過(guò)絮凝、沉淀、過(guò)濾、臭氧氧化、生物活性炭吸附后,有機物的綜合指標大幅度降低,水中致癌、致畸、致突變的有機物——多環(huán)芳烴被去除。達到飲用水標準要求。同時(shí)水中濁度、色度和COD進(jìn)一步降低,細菌指標達到國家飲用水標準,說(shuō)明經(jīng)過(guò)本系統深度凈化達到了消除污染和改善水質(zhì)的目的。
4 結 論
(1)“臭氧氧化—生物活性炭—紫外消毒”系統對水中的濁度、COD、NH3-N有很好去除效果,去除率分別為90.0%、86.7%和91.1%。
(2)當進(jìn)水水質(zhì)為有機物超標2~3倍(CODMn≤12~18 mg/L),其他指標優(yōu)于三類(lèi)的地面水時(shí),出水水質(zhì)的CODMn≤1.8 mg/L。
(3) Ames試驗證實(shí)該系統可以使水體致突變陽(yáng)性轉為突變陰性,對保障人民身體健康起到極好的作用。
(4)采用本系統處理后的水不含三氯甲烷。Ames致突變試驗呈陰性。在特定添加了有機物——CHCl3和CCl4情況下,表明本系統可以去除水中的CHCl3和CCl4。
(5)本系統的生物活性炭單元壽命長(cháng),運行三個(gè)月,未經(jīng)反沖,其除COD效果一直保持良好。經(jīng)本系統處理后的水微生物指標(細菌總數、大腸菌群)都達到了衛生飲用水標準。
(6)整個(gè)系統的工藝流程簡(jiǎn)單,有望成為一種高效低耗的水質(zhì)凈化新工藝。