臭氧化—生物活性炭技術(shù)在水凈化中的應(yīng)用與研究

常興麗++王慧

摘 要：概述國(guó)內(nèi)外臭氧化-生物活性炭的發(fā)展歷史，分析和介紹國(guó)外該工藝技術(shù)應(yīng)用的典型案例，并指出臭氧化-生物活性炭工藝當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：臭氧 活性炭 臭氧化-生物活性炭 消毒副產(chǎn)物 致病微生物

隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，飲用水的衛(wèi)生和安全也受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。由于水源污染日趨嚴(yán)重，水微量分析技術(shù)不斷進(jìn)步，在飲用水中越來(lái)越多的有機(jī)、有毒污染物被檢測(cè)出來(lái)，并通過(guò)流行病學(xué)調(diào)查研究和對(duì)污染物毒理學(xué)的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)某些污染物與居民發(fā)病率具有密切的相關(guān)性，從而更引起了人們對(duì)飲用水安全的高度重視。

調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飲用水的有機(jī)污染已遍及整個(gè)美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)也調(diào)查了城市地下水及地面水加氯消毒后揮發(fā)性鹵代烴的存在情況，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果修訂了本國(guó)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。隨著這些研究和調(diào)查的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，常規(guī)的混凝沉淀-砂濾-投氯消毒處理技術(shù)不能充分保障飲用水的衛(wèi)生與安全，因此，以去除水中有機(jī)污染物為目標(biāo)的飲用水深度凈化技術(shù)得到日益廣泛的研究和應(yīng)用。臭氧與活性炭聯(lián)用的飲用水除污染新技術(shù)，即臭氧化-生物活性炭處理工藝，以其氧化性強(qiáng)、副產(chǎn)物少、吸附與降解效果顯著等特點(diǎn)，日益受到重視，并迅速地從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。

與此同時(shí)，飲用水中隱孢子蟲(chóng)、賈第蟲(chóng)等新的致病微生物因子不斷出現(xiàn)，嚴(yán)重影響飲用水的生物學(xué)安全。70年代以來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家暴發(fā)了多起由賈第蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)等致病原生動(dòng)物，引起的較大規(guī)模水介流行病。鑒于這兩種致病原生動(dòng)物已經(jīng)構(gòu)成對(duì)飲用水微生物安全的主要危脅，各國(guó)相繼開(kāi)展水源水、出廠中賈第蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)的監(jiān)測(cè)，修訂飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)展相關(guān)的工藝技術(shù)研究，其中值得注意的是臭氧化-生物活炭深度處理技術(shù)對(duì)這兩種致病原生動(dòng)物具有很好處理效果。臭氧對(duì)隱孢子蟲(chóng)卵囊的滅活能力明顯高于游離氯和氯氨。在1mg/L臭氧、接觸5分鐘可以對(duì)隱孢子蟲(chóng)卵囊滅活90%，而達(dá)到同樣的去除率，則需要80mg/L的自由氯和氯氨接觸近90分鐘。這表明，除臭氧外，水廠通常使用的消毒劑不能用來(lái)滅活隱孢子蟲(chóng)卵囊粒狀活炭過(guò)濾去除賈第蟲(chóng)孢囊、隱孢子蟲(chóng)卵囊與砂濾池或雙層濾料濾池的效果大致相同，也就是說(shuō)臭氧化-生物活性炭工藝中的炭濾可以在原有工藝的基礎(chǔ)上，增加一道安全屏障。臭氧化-生物活性炭技術(shù)的這一新的優(yōu)勢(shì)，使其應(yīng)用又呈現(xiàn)出更快的增長(zhǎng)勢(shì)頭。

2.臭氧化-生物活性炭技術(shù)發(fā)展概況

2.1臭氧化技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用

臭氧是氧的同素異構(gòu)體，由3個(gè)氧原子組成，常溫常壓下是一種不穩(wěn)定的淡紫色氣體，并可自行分解為氧氣。它的密度是氧氣的1.5倍，在水中的溶解度是氧氣的10倍。臭氧具有極強(qiáng)的氧化能力，在水中氧化還原電位僅次于氟而居第二位。臭氧本身的特性決定了臭氧化技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①臭氧由于其氧化能力極強(qiáng)，可去除其它水處理工藝難以去除的物質(zhì)；②臭氧化的反應(yīng)速度較快，從而可以減小反應(yīng)設(shè)備或構(gòu)筑物的體積；③剩余臭氧會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為氧氣，既不產(chǎn)生二次污染，又能增加水中溶解氧；④在殺菌和殺滅病毒的同時(shí)，可除嗅、除味；⑤臭氧化有助于絮凝，可以改善沉淀效果。

為了提高臭氧氧化的效果，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外逐漸開(kāi)展了臭氧與H2O2、UV聯(lián)合氧化工藝的研究，發(fā)現(xiàn)在H2O2或UV存在下，一些與臭氧不能直接反應(yīng)的有機(jī)物得以氧化，但氧化的效果則與有機(jī)物的種類和水的pH值等密切相關(guān)，因而這一工藝尚難以實(shí)際應(yīng)用7。目前，解決飲用水微污染問(wèn)題的有效途徑之一是在對(duì)原水進(jìn)行臭氧化以后，再進(jìn)行過(guò)濾吸附處理，特別是臭氧化與粒狀活性炭結(jié)合使用。

2.2活性炭吸附特性與凈水工藝

活性炭通常是以木質(zhì)、煤質(zhì)果殼（核）等含碳物質(zhì)為原料，經(jīng)化學(xué)活化或物理活化過(guò)程制成?；钚蕴课⒖装l(fā)達(dá)，孔徑10-105A°，擁有巨大的比表面積，一般700～1600m2/g。因此，活性炭具有很強(qiáng)的吸附能力，在凈水過(guò)程中對(duì)水中有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、離子型或非離子型雜質(zhì)都能有效去除。西歐一些水廠使用顆?；钚蕴浚骄山档退?0～30%的總有機(jī)碳。一般活性炭對(duì)溶解性有機(jī)物吸附的有效范圍為：分子大小在100A0～1000A0之間；分子量400以下的低分子量的溶解性有機(jī)物。極性高的低分子化合物及腐殖質(zhì)等高分子化合物難于吸附。有機(jī)物如果分子大小相同，則芳香族化合物較脂肪族化合物易于吸附，支鏈化合物比直鏈化合物易于吸附。

活性炭的應(yīng)用是從消除水中嗅味的實(shí)踐開(kāi)始的。由于具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，活性炭能有效地吸附產(chǎn)生嗅味的有機(jī)物，美國(guó)早在20世紀(jì)20年代就用粉末炭（PAC）去除水中由藻類產(chǎn)生的季節(jié)性嗅味，采用的工藝流程，其工藝特點(diǎn)是：使用PAC以混懸吸附方式除去水中產(chǎn)生嗅味的污染物。一般PAC與混凝劑同時(shí)投加，并在同一個(gè)混合池和反應(yīng)池中混合、吸附、絮凝，然后在沉淀池中沉淀除去。由于PAC作業(yè)條件惡劣，污泥處置困難，失效PAC的再生問(wèn)題難以解決等原因，在水處理中逐漸被粒狀活性炭（GAC）所取代。

進(jìn)入本世紀(jì)六十年代以來(lái)，由于全球性的環(huán)境問(wèn)題日益加劇，飲用水水源的有機(jī)污染成為威脅飲用水安全的主要因素之一，人們逐漸把注意從僅僅去除水中嗅味轉(zhuǎn)移到去除致癌、致畸、致突變的有機(jī)物上來(lái)，而活性炭去除有機(jī)物的壽命遠(yuǎn)低于去除嗅味的壽命，因而水處理的費(fèi)用大大提高，人們開(kāi)始尋求強(qiáng)化活性炭的凈化效能、延長(zhǎng)其使用壽命的途徑。臭氧與活性炭聯(lián)用的處理技術(shù)，臭氧化-生物活性炭技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。

3.臭氧化-生物活性炭技術(shù)的研究與應(yīng)用

從六十年代末開(kāi)始?xì)W美發(fā)達(dá)國(guó)家在飲用水處理中較普遍地采用了活性炭，以進(jìn)一步去除水中的有機(jī)污染物，這時(shí)活性炭處理前多采用預(yù)氯化。在此情況下，炭床進(jìn)水中含有游離氯，微生物的生長(zhǎng)受到抑制，炭床中沒(méi)有明顯的生物活性。

以預(yù)臭氧化代替預(yù)氯化，可以使水中一些原來(lái)不易生物降解的有機(jī)物變成可生物降解的有機(jī)物，臭氧化的同時(shí)還可提高水中溶解氧的含量。此外，水中溶解臭氧的濃度很低，自分解速度又快，活性炭對(duì)溶解臭氧有催化分解作用，因此不會(huì)抑制床中微生物的生長(zhǎng)，與預(yù)氯化時(shí)的情況完全不同。上面這些因素都可促進(jìn)床中微生物的生長(zhǎng)。在適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和運(yùn)行條件下，活性炭床中保持好氧狀態(tài)，在炭粒表面生長(zhǎng)著大量的好氧微生物，充分發(fā)揮了它們對(duì)有機(jī)物的分解作用，顯著地提高了出水水質(zhì)，并延長(zhǎng)了活性炭的使用周期，由于這種活性炭具有明顯的生物活性，后來(lái)被稱之為生物活性炭。

這些國(guó)家臭氧化-生物活性炭技術(shù)的應(yīng)用，為我國(guó)飲用水深度凈化工藝技術(shù)研究提供了有益的借鑒，對(duì)我國(guó)開(kāi)發(fā)具有中國(guó)特色的臭氧化-生物活性炭技術(shù)起到積極的促進(jìn)作用。