臭氧-生物活性炭技術(shù)在水深度處理中的應(yīng)用進(jìn)展

王雅茹 , 崔小東 , 王薪淯

(1.南寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530002；2.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，同時(shí)水體污染也日益嚴(yán)重。由于水源污染物的復(fù)雜性，傳統(tǒng)凈水工藝如活性污泥法、A/O法等已無(wú)法滿足現(xiàn)行的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。為了有效降低飲用水水源中的各種有機(jī)污染物含量，臭氧-生物活性炭技術(shù)(O3-BAC)和膜處理技術(shù)等飲用水深度處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。相比于現(xiàn)階段普遍采用的氯消毒、O3-BAC工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單，處理效果好，產(chǎn)生的O3本身無(wú)毒，分解生成O2也不會(huì)污染環(huán)境，產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物也相對(duì)較少。近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 臭氧—生物活性炭技術(shù)及其機(jī)理

臭氧在水處理中的應(yīng)用歷史悠久，可用來(lái)處理污水，達(dá)到脫色、滅藻、除臭等目的，還可以降低水中的COD和色度，已經(jīng)被應(yīng)用到諸多方面。臭氧與有機(jī)污染物的反應(yīng)機(jī)理涉及兩個(gè)方面，一是直接反應(yīng)，即臭氧分子直接氧化有機(jī)污染物：另外是臭氧生成羥基自由基，在水中發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[1]。臭氧工藝流程簡(jiǎn)單、耗時(shí)短，但氧分子的氧化能力有限且有較強(qiáng)的選擇性，臭氧制備系統(tǒng)耗能過(guò)大阻礙了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)臭氧與其他技術(shù)的聯(lián)用取得了不錯(cuò)的效果，在水處理領(lǐng)域煥發(fā)出新的生機(jī)。

臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工藝將臭氧氧化，與活性炭物理、化學(xué)吸附及生物氧化降解技術(shù)合為一體，以達(dá)到凈水目的。該工藝處理的污水水質(zhì)得到明顯提髙，同時(shí)大大降低了處理成本。在水處理過(guò)程中，臭氧與生物活性炭?jī)烧叱驶パa(bǔ)作用：臭氧將大分子有機(jī)物氧化分解成小分子有機(jī)物進(jìn)入水體，可作為底物被生物生長(zhǎng)代謝利用，提高水體的可生化性，剩下的小分子有機(jī)物由生物活性炭吸附降解。由于臭氧供氧充分，炭床中生長(zhǎng)繁殖了種類繁多的好氧微生物，它們可以利用水中的溶解氧進(jìn)一步降解吸附有機(jī)物，通過(guò)這種方式使活性炭得以不斷生長(zhǎng)更新，使生物活性炭能夠保持對(duì)有機(jī)物和溶解氧的降解作用，在炭床中逐漸形成具有生物吸附和生物氧化降解雙重作用的生物膜[2]。臭氧催化氧化及其聯(lián)用技術(shù)在兼顧有機(jī)物去除與氧化副產(chǎn)物含量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以使活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附性能提高近一倍[3]。

該技術(shù)的作用機(jī)理表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①臭氧具有較高的氧化還原電位(EV=2.07 V)；②對(duì)于不易被生物降解的有機(jī)物，臭氧氧化在一定程度上提高其可生化性并使有機(jī)物更易被吸附；③臭氧在反應(yīng)中會(huì)分解為氧氣，為活性炭上好氧微生物提供有利的生長(zhǎng)條件；④活性炭的空隙結(jié)構(gòu)為微生物提供了較好的附著場(chǎng)所[4-5]。

2 O3-BAC工藝在飲用水處理中的應(yīng)用

O3-BAC工藝去除輕度石油污染的地下水、制藥廢水中過(guò)量的抗生素，去除效果良好，能削減污染物、降低毒性、提高廢水可生化性[2,6-7]。該工藝還用于處理污水廠二沉池出水，進(jìn)一步提高處理水水質(zhì)。石銳等[8]研究表明：掛膜期間O3-BAC工藝對(duì)水中濁度、CODMn及氨氮具有較好的去除效果。MARC WESSELER等[9]報(bào)道了O3-BAC技術(shù)在昆山?jīng)芎铀畯S、昆山第三水廠(二期)飲用水深度處理中的應(yīng)用情況，表明該技術(shù)對(duì)NH3-N去除率比常規(guī)處理工藝提高了27.9%，對(duì)CODMn的去除率提高了32.8%，經(jīng)處理后的出水中CODMn≤3.0 mg/L。該工藝以生物轉(zhuǎn)化的方式提高了氨氮的去除率，取代了折點(diǎn)加氯法，避免了出水中殘留大量的有機(jī)氯化物，影響水質(zhì)[4]。臭氧總投量比單獨(dú)使用時(shí)有所降低，比單一使用臭氧或活性炭的費(fèi)用低且處理效果好；處理后水質(zhì)指標(biāo)得到了全面提高，出水水質(zhì)穩(wěn)定且工藝設(shè)施設(shè)備便于管理。李樹(shù)苑等[10]介紹了兩座以Ⅲ～Ⅳ類湖水為水源的深度處理水廠，經(jīng)一年多的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)處理后出水中的COD由3.51mg/L下降至2.27 mg/L；濁度由0.45 NTU下降至0.28 NTU；氯化消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷的含量也降低了79%。劉博才[11]發(fā)現(xiàn)O3-BAC工藝對(duì)微污染水源水凈化效果很好，發(fā)現(xiàn)其對(duì)色度總體去除率達(dá)80%，對(duì)濁度總體去除率近100%，對(duì)鐵離子總體去除率達(dá)98%，對(duì)錳離子總體去除率達(dá)90%。龍雨濤[12]發(fā)現(xiàn)O3-BAC工藝可以改善出水水質(zhì)的生物穩(wěn)定性，抑制水中大腸桿菌等微生物滋生，對(duì)水中氯化消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷的前質(zhì)物去除率達(dá)到49.3%。高旭等[13]在中試規(guī)模上研究了O3-BAC工藝對(duì)飲用水中微量鄰苯二甲酸酯的去除效果，發(fā)現(xiàn)該工藝對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量小的鄰苯二甲酸酯的去除率高于相對(duì)分子質(zhì)量大的。

3 O3-BAC工藝在污水處理中的應(yīng)用

O3-BAC工藝不僅用于凈水技術(shù)，在污水處理中也發(fā)揮著重要作用，主要用于二沉池出水的深度處理。我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)出水總體排放量大，TN含量較高，有機(jī)污染較低且可生化性差，采用深度處理技術(shù)則主要是把二級(jí)處理過(guò)程中去除不掉和不能去除的污染物進(jìn)一步去除[14-15]。周春橋等[16]研究經(jīng)過(guò)O3-BAC處理的污水，其出水指標(biāo)值均小于中水回用要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。鄭志洋[17]對(duì)單獨(dú)臭氧氧化和O3-BAC兩種方法進(jìn)行了條件優(yōu)化研究，從經(jīng)濟(jì)及技術(shù)效果角度篩選出O3-BAC更適合作為后續(xù)生物處理的預(yù)處理方法。劉青[18]在研究O3-BAC對(duì)印染廢水的處理效果時(shí)，加入鐵鹽作為催化劑，并發(fā)現(xiàn)鐵鹽投加量越大，污染物去除效果越好，二價(jià)鐵催化劑的效果要優(yōu)于三價(jià)鐵。鄒展[1]發(fā)現(xiàn)O3-BAC工藝對(duì)污水的處理效果較單獨(dú)使用臭氧氧化或活性炭的吸附工藝有明顯的優(yōu)越性，對(duì)化工園區(qū)難降解的污水中的COD去除率最高可達(dá)82%。賈鼎等[19]采用生物濾池-臭氧氧化-生物活性炭聯(lián)用工藝深度處理保定護(hù)城河某段微污染河水，發(fā)現(xiàn)對(duì)于CODMn、NH3-N、色度、濁度的去除率都達(dá)到80%以上。

4 工藝存在的不足及后續(xù)研究方向

雖然O3-BAC工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各地水廠，但目前的應(yīng)用中還存在以下問(wèn)題：①工藝所需設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，阻礙其在生產(chǎn)生活中的大規(guī)模應(yīng)用；②暫時(shí)無(wú)法建立系統(tǒng)模型，裝置中的水體停留時(shí)間、濾速、臭氧投加量和臭氧濃度之間的關(guān)系尚不明確，無(wú)法從理論上指導(dǎo)實(shí)際工藝的生產(chǎn)應(yīng)用；③活性炭顆粒度、表面化學(xué)性能、電子狀態(tài)以及其對(duì)細(xì)菌的附著等機(jī)理還不明確，有待于進(jìn)一步研究；④投加的臭氧無(wú)法將微污染水源中的有機(jī)物完全氧化成無(wú)機(jī)物，氧化過(guò)程中會(huì)生成各種中間產(chǎn)物(副產(chǎn)物)，這些副產(chǎn)物留在水體中依然會(huì)對(duì)水質(zhì)造成一定影響；⑤生物活性炭的運(yùn)行效果受多種因素影響，如：水溫、pH值、菌種等，運(yùn)行效果不穩(wěn)定；⑥臭氧化后，大分子有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成少部分小分子的臭氧化產(chǎn)物，這些物質(zhì)中的一部分被微生物利用，仍然剩余少部分停留在水體中，而生物活性炭上附著的微生物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的降解物和微生物本身進(jìn)入水體中，這部分物質(zhì)對(duì)人體是否會(huì)產(chǎn)生某些危害需進(jìn)一步研究；⑦活性炭存在失活問(wèn)題，應(yīng)對(duì)所選活性炭吸附能力的衰減狀況深入研究，并進(jìn)一步考慮活性炭再生的可行性和運(yùn)行成本[1,20-24]。

5 結(jié)論

O3-BAC工藝能有效地去除污水中的有機(jī)物及其他雜質(zhì)，改善出水水質(zhì)，在飲用水的深度處理中具有較大優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。但目前仍需要科研團(tuán)隊(duì)積極研發(fā)相關(guān)新技術(shù)，提高對(duì)工藝的運(yùn)行控制水平，降低工藝設(shè)備的投資和運(yùn)行維護(hù)成本，充分發(fā)揮O3-BAC技術(shù)降低水中污染的效能，體現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)越性，促進(jìn)工藝在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用。