臭氧生物活性炭膜法处理自来水探究

臭氧生物活性炭膜法处理自来水探究

徐尔东

江苏优联环境发展有限公司

摘要：受粗放管理模式的影响，人类不合理的资源开发与植被砍伐，引发严重的生态失衡，也加剧水污染。这也使得近几年人们不得不面对饮用水源危机的困扰。部分地区饮用水源污染严重，供应受限，这一形势也对饮用水工艺改良提出了客观要求。其中臭氧生物活性炭膜法作为自来水深度处理的有效技术，可有效去除净水中残存的有机污染物，对氨氮及消毒副产品也有良好的去除效果，在自来水处理中得到了大力推广。本文主要就臭氧生物活性炭膜法在自来水处理中的运用问题进行探讨，明确具体的应用策略，并结合案例分析及应用效果。

关键词：臭氧净化；生物活性炭；污水处理；净化水质；有机物

工业前期快速发展的背后是巨大的生态牺牲，水污染、大气污染、土壤污染等问题日益突出。而水资源污染关系到人们的饮水安全，时刻为我们敲响发展的警钟。据统计我国不少河流、湖泊遭受不同程度的污染，无法提供安全的饮用水源。水质污染主要是水中含有一定的有机污染物，水厂常规处理办法难以较好地去除有机污染物，在消杀的过程中甚至产生消毒副产物，引发人类亚健康。基于此，自来水处理中也开始着手水处理工艺的改良，其中臭氧生物活性炭膜法得以推广应用，实现自来水的高效净化处理，提升水质标准，提升人们生活质量。

一、臭氧生物活性炭膜法概述

我国近几年陆续将臭氧生物活性炭工艺用于自来水处理，取得了良好的使用效果，但也不乏工艺使用中存在出水微生物泄漏、藻类及水生动物过度繁殖等问题，也需要引起关注。总体来说臭氧生物活性炭膜法处理自来水可有效去除微量有机污染物或消毒副产物的前体物，保证饮用水质安全，同时出水水质优良。其超滤工艺能够有效去除隐孢子虫、贾第虫等传统处理工艺不能去除的微生物类型。微纳滤可以去除杀虫剂、除草剂抗生素等突发性的污染水体。臭氧生物活性炭膜系统场地面积较小，建设周期较短，方便推广，且膜系统对应较高的自动化作业水平，工艺流程较短，使用更灵活。臭氧生物活性炭最早由德国研究者提出，后传入我国，并因其良好的自来水处理效果得到推广应用。

二、臭氧生物活性炭膜法的净水原理

（一）有机物的净化去除

常规模式下的自来水处理工艺，在处理有机物方面往往受限，去除率整体较低。即便是一二线城市比较先进的自来水处理工艺下，这些物质的去除率仅维持在20%-30%。而选择臭氧生物活性炭膜法，能将该数据提升到60%-80%，让降解更充分、更彻底。

（二）消毒副产物及前体物的有效处理

常规的自来水处理工艺下，有机物在消杀的过程中会与消毒剂产生反应，对应一些消毒副产物，影响饮水品质。已经探明的消毒副产物多达700多种，严重威胁人类健康，也引起了自来水工艺研究者的关注。从我国饮用水卫生标准研究情况看，现有的饮用水消毒及指标已从最初的一项增加到四项。毒性指标与消毒副产物相关的项目也多了三卤甲烷、氯酸盐、三氯乙酸等新指标。而使用臭氧生物活性炭膜法有效去除消毒副产物及其前提物。这是因为臭氧生物活性炭膜法可对由蛋白质、氨基酸等亲水性小分子有机物构成的消毒副产物及前体物进行活化处理。虽然自来水常规处理工艺能有效去除大分子疏水性物质，但在小分子有机物识别和滤除方面却往往束手无策。

（三）臭味物质的有效去除

要想保证自来水水质好，也应去除自来水臭味物质。水体平衡被破坏会加剧水体富营养化发展，使得水体发臭发黑。已经探明的自来水中的臭味物质主要有土臭素、2－甲氧基－3－异丙基吡嗪等，这些臭味物质会引起用水者的饮水反感。常规的自来水处理工艺无法有效将臭味物质控制在人的嗅域范围内，使用臭氧生物活性炭膜法发挥其吸附、高级氧化、生物降解等多重作用，能及时除臭，达到微生物科学降解、优化水质的目的。有学者研究发现，使用臭氧生物活性炭法进行臭味物质的处理，去除率能达到86%。

（四）重金属的有效去除

重金属的存在直接威胁人类健康。若重金属于人体内蓄积，会引发贫血、神经机能失调、肾损伤等系列疾病。我国生活饮用水卫生标准对重金属浓度作出明确限制，自来水中的重金属主要针对铝、镍、驼等重金属来说。我国水体中重金属含有问题十分突出。据相关调查显示，我国城市河流中有35%的河段存在总汞超标的情况，有18%的河段出现总镉超标的情况，有25%的河段出现总铅超标的情况。使用常规自来水处理工艺进行重金属的去除，效果并不明显，且不同重金属污染需要不同的工艺支持。例如用铁盐还原沉淀法或离子交换法，可有效去除镉元素。用酸碱值调节法可去除汞元素。而臭氧生物活性炭膜法相较于前面提到的这几种处理工艺，将重金属主要是镉和铅的去除率从30%提升到90%，效果十分明显。

（五）农药的检出与去除

近几年饮用水中农药检出频次越来越高，部分水源具有农药高污染特征。我国生活饮用水卫生标准也对农药指标作了具体说明，要求其必须在合理限制。但使用常规的自来水处理工艺农药取出效果并不理想，使用臭氧活性炭膜法可有效去除有机磷农药乐果、有机氯农药六氯苯，去除率能在50%以上，对比传统去除方法22%的去除率，效果十分明显。

三、臭氧生物活性炭膜法处理自来水实例

自来水厂选择臭氧生物活性炭膜法重在对饮用水做深层次的过滤处理、杂质去除处理。分析其工艺流程，主要分分质供水流程和净水站工艺流程。其中分质供水流程为自来水厂到供水管网到生活小区再到净水站，再到净水管网，再到用户直接引用。而净水站工艺流程为供水管网到前氧化塔O3氧化到超滤到头CIO2到成品水箱到出水管网。

（一）主要设备及相关参数

所选择的臭氧发生机型号为SP38—A0，产量为35g／L，臭氧接触反应塔对应的处理水量为10m3／h，规格为直径500毫米，高5000毫米。活性炭罐设计处理水量为10m3／h。罐体规格方面，直径为1500毫米，高为3000毫米。石英砂、炭层高度分别对应300毫米、1300毫米，接触时间为25分钟，滤速为3m／h。臭氧生物活性炭膜处理要求臭氧发生器运行前对臭氧发生器必须吹扫，流量为额定气量的20%。系统操作由主控制柜MCC上触摸屏完成，分单步、一步化、全自动运行三种操作方式，进行臭氧浓度、臭氧投加量、放电电流等运行参数的设定、修改，并可观察实际运行的测定参数，实现自来水处理全过程的科学把控。全自动运行系统能根据接触池进水流量做好前馈控制，并指导臭氧浓度、尾气臭氧浓度的有效控制，实现自动化状态下参数的科学校正。

（二）臭氧生物活性炭膜法处理实效分析

1、余氯去除效果分析

原水自来水总余氯为0．02～0．15mg／L，在经过臭氧生物活性炭膜法处理后，余氯降为0．01mg／L，肯定该方法去除余氯的理想效果。出厂水中余氯为0．05～0．25mg／L，主要来自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变化幅度相似，通过管网及用户取样发现管网水、用户水龙头水中的细菌不超标。由此可认为原水经过臭氧活性炭膜处理后可生物同化有机碳处于稳定状态，原水经过臭氧生物活性炭膜法超滤膜处理后再用二氧化氯消毒，能确保管网安静干净卫生。

2、浊度的去除效果分析

从表1可以看出，原水浊度在经过臭氧活性炭膜法处理后有明显的下降趋势。经过微滤后持续降低，最后超滤膜处理后浊度不高于0.1 NTU，总去除率达到了72%。投加二氧化氯后浊度有所回升，回流水浊度有升高，但不超过0.3 NTU，可考虑为水流对管网冲刷导致管网管垢漂浮及生物膜带回。

表1 各处理单元对浊度的去除率

3、有机物去除效果分析

有机物去除效果分析主要分高锰酸盐指数、UV254指数，TOC指数。高锰酸盐指数方面，原水的高锰酸盐指数平均值为2.67 2．67mg／L。臭氧生物活性炭膜法处理使得去除率上升到56%，高锰酸盐去除效果良好。这是因为臭氧发挥强氧化优势，将大分子难降解的有机氧化物分解为容易被活性炭吸附的小分子物质，延长活性炭的使用寿命，提升其有机物的去除效果。在臭氧活性炭和膜处理后，自来水中高锰酸盐指数从最初的2.67 mg／L下降到0.85 mg／L。使用臭氧生物活性炭膜法进行自来水处理，对UV254的去除效果也比较理想，去除率在75.6%左右，而超滤膜去除率相对来说较低，仅为7.4%。总去除率为83%。TOC去除方面，原自来水TOC平均值为2630.46μg／L。使用臭氧化方法处理自来水TOC去除率为8.7%，可考虑是原水中能够被臭氧彻底氧化为H2O和 CO2的有机物偏少，使用活性炭处理法去除率达到了34%。由此可见，臭氧生物活性炭膜法对去除水源水中的TOC具有理想效果，供水水质有所保障。

4、氮的去除

臭氧具有强氧化属性，能将亚硝酸盐进行氧化处理生成硝酸盐。因此，经臭氧生物活性炭膜法处理后的自来水出水的硝酸盐。但浓度较高，但该浓度已低于检测线，且生物活性炭供氧充足，使得反硝化过程受抑制，后续不再产生亚硝酸盐氮。可以肯定臭氧生物活性炭膜法对亚硝酸盐氮的去除效果理想。

4 臭氧生物活性炭膜法的应用总结

近几年我国自来水污染问题十分突出，形势严峻，常规的自来水处理工艺无法完全保证水质质量，要想让出水水质达到新的质量标准，必须做好新处理技术的推广，其中臭氧生物活性炭膜法作为自来水深度处理的有效方法，在水质净化处理方面发挥实效。活性炭与臭氧处理能力强，实现有机物大部分的去除，通过控制一定的回流比保证出水水质卫生安全，且口感良好。在使用臭氧生物活性炭膜法处理自来水后，臭氧活性炭和超滤膜的处理也带来高锰酸盐等指数的下降，去除率较高。同时UV254、TOC的去除率也比较理想。可以说明，臭氧生物活性炭膜法能有效去除致突变物质。

结束语：氧生物活性炭膜法处理自来水可发挥臭氧与活性炭的处理优势，降低氨氮含量，且将出水硝酸盐氮浓度控制在标准限值以内，使得生物活性炭具有良好的运行效能。生物活性炭膜法处理自来水也能使出水水质生物特性稳定，有效抑制大肠杆菌等微生物的滋生。使用该新型的联合工艺，可有效去除三氯甲烷等前体物。在应对消毒副产物方面也有积极作用，基本去除率能保证在50%以上，实现水质的显著提升，为人们饮水、用水安全提供保障。在臭氧生物活性炭膜法的工艺支持下，自来水基本实现了浊度、色度、CODMn、氨氮等常规指标的达标排放，即便在低温、低浊期，这些指标也相对稳定。因此，臭氧活性炭膜自来水处理效果值得肯定，技术值得推广。

参考文献：

[1]刘青. 催化臭氧—生物活性炭技术深度处理印染废水的研究[D].南京师范大学,2014.

[2]张鹏程. 预臭氧—常规处理—臭氧生物活性炭工艺对太湖原水的中试研究[D].兰州交通大学,2016.

[3]龙雨涛. 臭氧—生物活性炭组合净化技术研究[D].吉林大学,2016.

[4]张翔. 臭氧生物活性炭联用超滤处理微污染窖水实验研究[D].兰州交通大学,2015.

[5]安娜,张德明,刘嘉琪,刘丽君. 臭氧生物活性炭工艺净水效果综述[J]. 净水技术,2018,37(07):18-25.