臭氧-生物活性炭處理富營(yíng)養(yǎng)化巢湖水的運(yùn)行研究

陳 程 肖 燕 李 瑞

（巢湖市水業(yè)有限公司，安徽巢湖 238000）

1.引言

巢湖是我國(guó)的五大淡水湖泊之一，為半封閉型水域，由于工農(nóng)業(yè)排污量的增加，使巢湖水體污染嚴(yán)重，導(dǎo)致湖泊中有機(jī)污染物、氮磷等富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)不斷累積，易發(fā)生水華現(xiàn)象[1]，給制水生產(chǎn)帶來(lái)較大影響。由于常規(guī)飲用水處理工藝無(wú)法完全有效去除有機(jī)微污染物、氨氮等，并且氯化過(guò)程易增加消毒副產(chǎn)物前驅(qū)體。而臭氧生物活性炭技術(shù)采用臭氧氧化和生物活性炭濾池聯(lián)用將臭氧化學(xué)氧化、活性炭物理化學(xué)吸附、生物氧化降解等技術(shù)聯(lián)用，去除原水中微量有機(jī)物和氯消毒副產(chǎn)物的前體物等有機(jī)指標(biāo)，提高飲用水的安全性。本文就巢湖三水廠采用預(yù)臭氧工藝和臭氧-生物活性炭深度處理工藝處理巢湖水運(yùn)行進(jìn)行了總結(jié)研究，為臭氧生物活性炭工藝對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化原水處理效果及運(yùn)行過(guò)程提供一定的參考。

2.臭氧-生物活性炭濾池機(jī)理

臭氧作為強(qiáng)氧化劑，有較強(qiáng)的氧化能力，反應(yīng)速度快，投加一定量的臭氧，能夠?qū)υ孱惖闹饕袡C(jī)成分進(jìn)行氧化，阻礙藻類新陳代謝作用，同時(shí)降解大分子有機(jī)物，將大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，從而被活性炭、微生物吸附?；钚蕴康奈阶饔眉拔⑸锏慕到庾饔孟嗷ソY(jié)合，有效地去除有機(jī)物，同時(shí)對(duì)甲醛、氨氮、消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物以及AOC等也都有一定的去除效果。臭氧-生物活性炭工藝是綜合利用臭氧的氧化作用、微生物的降解能力以及顆?；钚蕴康奈阶饔?，三者相互作用，進(jìn)一步提升水質(zhì)。

3.水廠工藝概況

巢湖水業(yè)三水廠一期工程2018年6月建設(shè)完成并投產(chǎn)，處理能力為10×104m3/d，深度處理工藝到目前運(yùn)行有兩年半時(shí)間。凈水工藝采用臭氧預(yù)氧化、絮凝反應(yīng)、平流沉淀、V型濾池過(guò)濾、臭氧-生物活性炭深度處理工藝，巢湖水業(yè)三水廠工藝流程圖如下：

圖1 巢湖三水廠工藝流程

巢湖原水富營(yíng)養(yǎng)化，夏、秋季節(jié)大量藻類產(chǎn)生，甚至高藻暴發(fā)，且水中鐵、濁度、色度高。在制水過(guò)程中，夏季容易發(fā)生沉淀池、濾池長(zhǎng)藻現(xiàn)象。因此，在常規(guī)制水工藝的基礎(chǔ)上，改善水處理工藝，設(shè)置臭氧-生物活性炭深度處理單元，強(qiáng)化常規(guī)水處理工藝，減少濾池負(fù)荷，降低出廠水濁度、色度、嗅和味等，改善口感，保證優(yōu)質(zhì)供水。

3.1 臭氧接觸池

預(yù)臭氧單元由3組預(yù)臭氧接觸池構(gòu)成，接觸時(shí)間為5min，水深為8.2m，臭氧通過(guò)水射器投加，采用 DN150鈦盤曝氣盤曝氣，單盤曝氣量3~4m3/h，池頂設(shè)置一臺(tái)功率2.6kW的尾氣破壞器。主臭氧接觸池分為兩格，構(gòu)造為密閉式池型，總平面尺寸 11.4×24.0m，水深6.8m。由于進(jìn)入后臭氧接觸池的水中懸浮固體含量很低，所以采用微孔鈦盤布?xì)?，保證臭氧在水中均勻有效擴(kuò)散。O3投加量為1.5~3.0mg/L，接觸時(shí)間10min，分為串聯(lián)的三級(jí)，每級(jí)分為接觸及反應(yīng)兩段。三級(jí)接觸反應(yīng)時(shí)間分別為2.5min、3.5min、4.5min（不計(jì)連通渠），三段臭氧投加量依次為50%、30%、20%。

3.2 生物活性炭濾池

生物活性炭濾池一期工程設(shè)立1座炭濾池，共5格，單格的過(guò)濾面積為90m2，每格均可獨(dú)立運(yùn)行，濾速9.6m/h，強(qiáng)制濾速12.0m/h，接觸時(shí)間12.5min，濾料厚2m，采用水處理煤質(zhì)柱狀活性炭，直徑D=1.5mm，長(zhǎng)度L=1.0~2.5mm，濾料上水深1.5m，過(guò)濾周期5~7d。

4.工藝處理效果

本文以三水廠2019年1月至2020年6月期間水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究三水廠臭氧-生物活性炭深度處理工藝運(yùn)行1年多以來(lái)，對(duì)濁度、氨氮、CODMn、UV254、藻類等的去除效果。

4.1 對(duì)濁度的去除

圖2顯示巢湖原水月平均濁度為12~50NTU，三水廠出廠水的月平均濁度為0.09~0.17NTU，月平均去除率為98.7%~99.7%。通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出三水廠制水工藝對(duì)濁度有顯著的去除效果，出廠水月平均濁度保持在0.20NTU以下，遠(yuǎn)低于國(guó)家限值標(biāo)準(zhǔn)。巢湖為半封閉湖泊水，水中影響絮凝反應(yīng)成份較多。在常規(guī)制水處理工藝的基礎(chǔ)上，用預(yù)臭氧化處理代替次氯酸鈉預(yù)氧化，改善凈水劑的混凝效果，進(jìn)一步降低出廠水濁度。

圖2 對(duì)濁度的去除

4.2 對(duì) CODMn 的去除

巢湖原水月平均CODMn為4.0~5.0mg/L，三水廠出廠水月平均CODMn為1.2~1.9mg/L，月平均去除率為57.3%~70.4%。三水廠深度處理工藝采用預(yù)、主臭氧氧化工藝，可以分解水中大分子有機(jī)物，改善水的絮凝效果，提高水的可生化性，同時(shí)使水中溶解氧充足，讓活性炭具有炭吸附床及生物床雙重作用，利用活性炭的吸附作用和表面生物的降解作用去除有機(jī)物，大大提高了CODMn的去除率[2]。

圖3 對(duì)CODMn的去除

4.3 對(duì)氨氮的去除

巢湖原水月平均氨氮為0.14~0.43mg/L，三水廠出廠水月平均氨氮為0.05~0.07mg/L，月平均去除率為53.9%~82.7%。臭氧-生物活性炭工藝對(duì)氨氮的去除主要是利用生物降解、亞硝化和硝化反應(yīng)的作用，在充足的溶解氧條件下，水中的氨氮首先由亞硝化細(xì)菌氧化成亞硝酸鹽，然后再由硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。生物活性炭在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)形成生物膜，產(chǎn)生生物效應(yīng)，能有效去除氨氮，使整個(gè)制水工藝對(duì)氨氮具有很好的去除效果。

圖4 對(duì)氨氮的去除

4.4 對(duì)藻類的去除

巢湖原水月平均藻類數(shù)量為192~2872萬(wàn)個(gè)/L，三水廠出廠水月平均藻類數(shù)量為0.1~1.3萬(wàn)個(gè)/L，月平均去除率為99.37%~99.99%。巢湖原水含量較高，夏季更容易發(fā)生大面積藍(lán)藻集聚。氧是強(qiáng)氧化劑，在含藻水中投加一定量的臭氧，能夠?qū)⒃孱惖闹饕袡C(jī)成分氧化，阻止藻類的代謝作用，提高混凝效果，有效的去除水中的藻類。

圖5 對(duì)藻類的去除

4.5 對(duì) UV254 的去除

UV254作為水中芳香環(huán)有機(jī)物的指示指標(biāo)，可作TOC和THMs前驅(qū)物的代用參數(shù)，與三鹵甲烷前驅(qū)物有很好的相關(guān)性。圖6顯示臭氧-生物活性炭工藝對(duì)UV254的去除效果較為明顯，其平均去除率達(dá)69.7%。這與臭氧氧化對(duì)原水中芳香環(huán)有機(jī)物的氧化開環(huán)作用是分不開的。

圖6 對(duì)UV254的去除

4.6 消毒及氧化副產(chǎn)物

在生活飲用水消毒過(guò)程中氯與水中的有機(jī)物反應(yīng)主要生成揮發(fā)性三鹵甲烷（THMs）消毒副產(chǎn)物，在活性炭濾池前投加臭氧可氧化水中有機(jī)物和生物難降解有機(jī)物，但過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生CHO、BrO3-氧化副產(chǎn)物，具有致癌作用，會(huì)對(duì)人體健康造成損壞，因此在凈水工藝中有效降低副產(chǎn)物含量極其重要。

臭氧預(yù)氧化可消除一些礦物化合物、色度、濁度和懸浮顆粒物以及嗅味，部分降解NOM并滅活微生物，強(qiáng)化混凝[3]。在臭氧-生物活性炭工藝中，臭氧的強(qiáng)氧化性可以對(duì)水中難降解的有機(jī)物進(jìn)行斷鏈、開環(huán)，將大分子有機(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，增強(qiáng)原水中有機(jī)物的可生化性和可吸附性，而之后的活性炭濾池又能吸附降解有機(jī)物，大大減少消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)體量。

表1將深度處理工藝與常規(guī)工藝相對(duì)比，數(shù)據(jù)顯示臭氧-生物活性炭深度處理技術(shù)可有效去除消毒副產(chǎn)物前質(zhì)，降低了消毒副產(chǎn)物的生成。由于活性炭可以還原BrO3-，生物降解CHO，使出廠水中的CHO、BrO3-濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 深度處理工藝及常規(guī)工藝消毒劑氧化副產(chǎn)物

4.7 出廠水水質(zhì)全分析

從表2中可以看出，臭氧生物活性炭深度處理工藝可有效的降低出廠水濁度、耗氧量、氰化物等，符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)供水。

表2 出廠水水質(zhì)分析部分指標(biāo)

5.臭氧系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)

5.1 氣源選擇

臭氧發(fā)生系統(tǒng)選擇液氧作為氣源，相對(duì)于空氣和氣態(tài)氧的投資多、噪音大、能耗高等問(wèn)題，液氧制備過(guò)程便于管理、更加經(jīng)濟(jì)。

5.2 控制內(nèi)外循環(huán)水溫度及水量

臭氧外循環(huán)水采用廠區(qū)自用水，內(nèi)循環(huán)水需采用去離子水。在極寒天氣時(shí)，須適當(dāng)減少外循環(huán)水量，使內(nèi)循環(huán)水的溫度不至于太低，保證發(fā)生器運(yùn)行環(huán)境溫度。在夏季炎熱天氣時(shí)，須增大外循環(huán)水量，保持外循環(huán)水壓力高于0.2MPa，增加與內(nèi)循環(huán)水的熱交換，使內(nèi)循環(huán)水的溫度不至于太高，保證發(fā)生器正常運(yùn)行。

5.3 定期檢查曝氣胎盤

臭氧投加分預(yù)臭氧和后臭氧，預(yù)臭氧投加采用水射器擴(kuò)散方式，而后臭氧投加采用微孔曝氣盤曝氣投加。預(yù)臭氧和后臭氧投加管路均采用316L不銹鋼材質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，管式曝氣器和曝氣胎盤易發(fā)生雜質(zhì)堵塞、腐蝕脫落等情況，需定期對(duì)其進(jìn)行檢查，保證臭氧投加效果。

6.臭氧制水成本分析

在常規(guī)工藝的基礎(chǔ)上，增加臭氧系統(tǒng)，因臭氧系統(tǒng)投用不久，暫不考慮臭氧設(shè)備折舊費(fèi)、臭氧維保費(fèi)，新增運(yùn)行成本主要包括液氧原料費(fèi)、臭氧系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)。平均每天制水4.57萬(wàn)噸，消耗液氧1.77噸，臭氧系統(tǒng)用電量1200KW，每日臭氧系統(tǒng)增加制水費(fèi)用2357元，制水成本增加0.05元/噸。

7.結(jié)語(yǔ)

巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化較重，水質(zhì)隨季節(jié)變化較大，基本上為Ⅲ類或Ⅳ類水源。采用預(yù)臭氧-砂濾-主臭氧-生物活性炭濾-消毒的深度處理工藝對(duì)湖水進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)2019年1月至2020年6月期間運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，臭氧-生物活性炭深度處理對(duì)濁度、TOC、耗氧量、氨氮、藻類等有良好的去除效果，出廠水pH在7.10~7.86，色度＜5，濁度＜0.2NTU，無(wú)肉眼可見物，口感上也有了很大改善，大大提高了生活飲用水的水質(zhì)安全，達(dá)到優(yōu)質(zhì)供水標(biāo)準(zhǔn)。