臭氧化生物活性炭深度處理工藝安全性研究

1、臭氧化-生物活性炭深度處理工藝平安性研究論文 張金松董文藝張紅亮范潔馬軍摘要：介紹了采用臭氧化生物活性炭處理的飲用水生物穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)水的致突變性和消毒副產(chǎn)物前質(zhì)等問(wèn)題進(jìn)展分析。研究結(jié)果說(shuō)明,采用臭氧化工藝會(huì)導(dǎo)致A有所升高,但后續(xù)生物活性炭工藝將有利于進(jìn)步出水的生物穩(wěn)定性,并明顯降低水的致突變活性；臭氧化對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)和鹵乙酸前質(zhì)均具有很好的去除效果,生物活性炭對(duì)鹵乙酸前質(zhì)表現(xiàn)出較好去除效果,但對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)的去除效果有限。關(guān)鍵詞：臭氧化生物活性炭生物穩(wěn)定性致突變活性消毒副產(chǎn)物前質(zhì)0引言我國(guó)飲用水水源不同程度地存在污染情況,這對(duì)以去除濁度和細(xì)菌為主的常規(guī)處理工藝往往很難使出水到達(dá)不斷進(jìn)步的飲用

2、水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。因此,采用飲用水深度處理工藝已越來(lái)越顯得必要1。臭氧化?生物活性炭深度處理技術(shù),是集臭氧氧化、活性炭吸附、生物降解、臭氧消毒于一體,以除污染的獨(dú)特高效性而成為當(dāng)今世界各國(guó)飲用水深度處理技術(shù)的主流工藝。在歐美等國(guó)家已迅速?gòu)睦碚撗芯孔呦驅(qū)嶋H應(yīng)用2,我國(guó)的昆明、北京、常州等城市已經(jīng)先后采用臭氧化?生物活性炭深度處理技術(shù)來(lái)進(jìn)步飲用水水質(zhì),深圳、杭州、上海、廣州等城市已經(jīng)完成采用臭氧化?生物活性炭深度處理技術(shù)的方案論證,正在進(jìn)展工程的籌建或施工。但是,由于現(xiàn)代分析檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和衛(wèi)生毒理學(xué)研究的進(jìn)展,臭氧化副產(chǎn)物、臭氧對(duì)飲用水生物穩(wěn)定性影響和生物活性炭的微生物平安性等問(wèn)題已經(jīng)開場(chǎng)引

3、起人們的關(guān)注。這樣,有效地控制臭氧化副產(chǎn)物、進(jìn)步臭氧處理飲用水的生物穩(wěn)定性和生物活性炭的微生物平安性,將是此項(xiàng)技術(shù)研究的新熱點(diǎn)。這里介紹采用臭氧化?生物活性炭深度處理的飲用水生物穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)水的致突變性和消毒副產(chǎn)物前質(zhì)等問(wèn)題進(jìn)展分析。1試驗(yàn)裝置本研究主要是在中試裝置上完成的,其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：臭氧采用znia公司的FS-1A型臭氧發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)制備,以空氣為氣源,以自來(lái)水為冷卻介質(zhì)?；炷齽┎捎脡A式氯化鋁(Al23質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10)。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1生物穩(wěn)定性飲用水的生物穩(wěn)定性是指飲用水中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)能支持異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的潛力,即細(xì)菌生長(zhǎng)的最大可能性,給水管網(wǎng)中限制異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)的因素主要是有機(jī)物

4、,但由于水中許多可生物降解物質(zhì)濃度都較低,很難用化學(xué)的方法測(cè)定其詳細(xì)濃度,因此國(guó)外研究人員提出了可同化有機(jī)碳(A)的概念,并提出了通過(guò)熒光假單胞菌的生長(zhǎng)測(cè)定A濃度的生物方法。表1是A在處理工藝流程中的變化情況。表1A在處理工藝流程中的變化情況分析工程原水砂濾水臭氧化水炭濾水消毒水A(g/L)12610819410190從表1中數(shù)據(jù)可以看出：(1)原水在絮凝、沉淀和過(guò)濾后,A只有微小幅度的降低；(2)臭氧化可以導(dǎo)致砂濾后水中A增加；(3)生物活性炭對(duì)A表現(xiàn)出很好的去除作用,去除率到達(dá)47.9,絕對(duì)去除量為93gL；(4)經(jīng)過(guò)生物活性炭處理后的水再加氯消毒,A沒(méi)有增加,還有所降低,到達(dá)100gL以

5、下,可以認(rèn)為到達(dá)了生物穩(wěn)定性。表2中數(shù)據(jù)反響了不同臭氧投加量對(duì)A的影響情況。表2不同臭氧投加量對(duì)A的影響分析工程砂濾水臭氧投加量(g/L)134A(gL)142290322281從表2中數(shù)據(jù)可以看出：(2)之后大幅進(jìn)步臭氧投加量,增加到3gL,此時(shí)A升高的幅度卻不大,只有32gL；(3)繼續(xù)增加臭氧投加量,到達(dá)4gL,那么A不再升高,反有下降的趨勢(shì)。選擇臭氧投加量3gL時(shí)的臭氧化水進(jìn)展生物活性炭濾池不同濾速對(duì)A的影響情況分析,結(jié)果列于表3中。表3生物活性炭濾池不同濾速對(duì)A的影響分析工程臭氧化水生物活性炭濾池濾速(/h)16126A(gL)322211133143從表3中數(shù)據(jù)可以看出：綜合以上數(shù)

6、據(jù)可以看出,在試驗(yàn)水質(zhì)條件下,采用臭氧化工藝在解決水中存在水質(zhì)問(wèn)題的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致水中A升高,但后續(xù)的生物活性炭工藝將有利于進(jìn)步出水的生物穩(wěn)定性。分析原因,活性炭對(duì)于小分子量有機(jī)物良好的吸附才能使它對(duì)A的去除效果較好,假如活性炭運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間,形成生物炭時(shí),它對(duì)A的去除率還會(huì)進(jìn)步。因此,采用臭氧化工藝的同時(shí)必須在其后設(shè)置活性炭池來(lái)解決采用臭氧化工藝所帶來(lái)的負(fù)面影響。2.2致突變活性Aes試驗(yàn)以一定體積水樣(通常以L計(jì))所引起的回復(fù)突變菌落數(shù)表示結(jié)果,回復(fù)突變菌落數(shù)等于或超過(guò)自發(fā)回復(fù)突變菌落數(shù)的2倍,并且具有劑量?反響關(guān)系和重現(xiàn)性者斷定為陽(yáng)性結(jié)果。為了便于直觀判斷,試驗(yàn)結(jié)果以誘變指數(shù)(R)表示。R

7、值為誘變回復(fù)突變菌落數(shù)與自發(fā)回復(fù)突變菌落數(shù)的比值,均以平均值計(jì)。R值越大說(shuō)明該被測(cè)樣品的致突變活性越高,R2為陽(yáng)性結(jié)果。就被測(cè)水樣致突變活性而言,為獲得R=2時(shí)所需水量越大,那么說(shuō)明該水樣中有機(jī)污染物的致突變活性越低7。表4是對(duì)處理工藝全流程的Aes試驗(yàn)分析結(jié)果。表4處理工藝全流程Aes試驗(yàn)分析結(jié)果序號(hào)樣品名稱試樣濃度(L皿)檢測(cè)結(jié)果TA98RTA100R1原水0.544.05.31.78132.07.21.03160.311.22.44143.77.61.132107.722.54.36178.09.21.192砂濾水0.549.02.61.99179.310.01.40172.77.02.

8、94260.027.42.042117.010.14.74354.319.42.773炭濾水0.524.32.10.98129.74.01.02136.34.01.47175.76.71.38246.36.01.87194.75.51.524消毒水0.524.05.30.97131.05.61.03130.75.71.24166.010.81.30248.30.61.96192.77.51.515陰性對(duì)照物24.72.5127.74.76陽(yáng)性對(duì)照物435.349.0669.736.6從表4中數(shù)據(jù)可以看出：(1)原水對(duì)TA98菌株更為敏感,1L水即可到達(dá)陽(yáng)性,而對(duì)TA100菌株不夠敏感,在最大試

9、驗(yàn)劑量條件下誘變指數(shù)仍然小于2,沒(méi)有到達(dá)陽(yáng)性。因此,可以得出原水中的致突變活性主要是直接移碼致突變物質(zhì)所致；(2)原水在經(jīng)過(guò)絮凝沉淀和過(guò)濾處理后,水中的直接移碼致突變物質(zhì)含量沒(méi)有降低,反而有所升高,同時(shí)直接堿基置換致突變物質(zhì)含量較原水有較大升高；(3)濾后水再經(jīng)過(guò)臭氧化和炭濾池后,水中直接移碼致突變物質(zhì)含量和直接堿基置換致突變物質(zhì)含量都有很大幅度的降低,最大降低幅度到達(dá)60；(4)經(jīng)過(guò)深度處理后的水再進(jìn)展加氯消毒,水的致突變活性根本穩(wěn)定。以上結(jié)果說(shuō)明,常規(guī)處理工藝過(guò)程可能由于水中有機(jī)污染物性質(zhì)的變化,以及水中藻類等物質(zhì)在砂濾池中的積累導(dǎo)致濾后水的致突變活性增加。濾后水經(jīng)過(guò)臭氧化后這方面國(guó)內(nèi)外研

10、究結(jié)果相差較大,一般認(rèn)為臭氧不會(huì)增加出水的致突變陽(yáng)性,通常還能減少原來(lái)致突變陽(yáng)性的程度,但也有進(jìn)水為陰性,出水卻變?yōu)殛?yáng)性的報(bào)道?？磥?lái)關(guān)于臭氧化后水的致突變情況比擬復(fù)雜,可能與原水水質(zhì)等因素有關(guān)8。為此,今后還將更深化地研究臭氧化對(duì)水致突變性的影響。2.3消毒副產(chǎn)物前質(zhì)氯化消毒副產(chǎn)物一直是給水處理領(lǐng)域非常關(guān)注的問(wèn)題,特別是其中的三鹵甲烷引起世界各國(guó)的廣泛重視,深水集團(tuán)2022年供水水質(zhì)目的中規(guī)定出水中三鹵甲烷含量不能超過(guò)80gL。關(guān)于生成三鹵甲烷的反響機(jī)理尚不十清楚確,但通常認(rèn)為在消毒之前有效去除三鹵甲烷前質(zhì)將有利于控制三鹵甲烷的生成。對(duì)于臭氧化去除三鹵甲烷的研究結(jié)果相差很大,比擬公認(rèn)的結(jié)果是臭

11、氧化去除三鹵甲烷的效果波動(dòng)較大,并且在容易產(chǎn)生中間產(chǎn)物的條件下,即使采用低濃度臭氧也會(huì)增加三鹵甲烷而無(wú)抑制效果,只有在產(chǎn)生中間產(chǎn)物的前期,以及臭氧處理的產(chǎn)物分解至最終產(chǎn)物時(shí),才能起到抑制三鹵甲烷的作用9。利用投加粉狀活性炭的方法去除三鹵甲烷前質(zhì)被證明是有效的,并在實(shí)際中得到應(yīng)用。但對(duì)于利用粒狀活性炭去除三鹵甲烷前質(zhì)的效果那么要根據(jù)其不同分子量組分來(lái)確定,中低分子量的三鹵甲烷前質(zhì)容易被粒狀活性炭吸附,而大分子量組分的三鹵甲烷前質(zhì)不易進(jìn)入粒狀活性炭微孔中1。表5是三鹵甲烷前質(zhì)在處理工藝流程中的變化規(guī)律。表5三鹵甲烷前質(zhì)在處理工藝流程中的變化規(guī)律分析工程原水沉后水砂濾水臭氧化水炭濾水三鹵甲烷前質(zhì)(g

12、L)388341385173166從表5中數(shù)據(jù)可以看出：(1)原水經(jīng)過(guò)絮凝沉淀處理,對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)具有一定的去除作用,去除率到達(dá)12.1；(2)在沉后水經(jīng)過(guò)濾池后,三鹵甲烷前質(zhì)出現(xiàn)升高現(xiàn)象,分析原因可能是藻類等有機(jī)物在濾池濾料中累積引起的,因?yàn)樵孱悓儆谝环N三鹵甲烷前質(zhì)物；(3)臭氧化對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)具有很好的去除效果,去除率到達(dá)了55.1,絕對(duì)去除量有212gL；(4)生物活性炭對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)的去除效果很有限,分析原因是粒狀活性炭對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)的去除主要依靠吸附作用,而裝置中的粒狀活性炭已經(jīng)累積運(yùn)行半年以上,吸附才能已明顯降低(炭濾池中粒狀活性炭的碘吸附力只有新炭碘吸附力的5070)。同時(shí),也可

13、能炭濾池中藻類等有機(jī)物的累積對(duì)去除三鹵甲烷前質(zhì)有負(fù)面影響。為了證實(shí)砂濾池對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)的影響,歸納了砂濾池反沖洗前后的水樣分析結(jié)果,列于表6中。表6砂濾池反沖洗對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)的影響情況分析工程原水沉后水濾后水三鹵甲烷前質(zhì)(反沖洗前)(gL)320262350三鹵甲烷前質(zhì)(反沖洗后)(gL)408362352表6中數(shù)據(jù)說(shuō)明砂濾池在工作周期中對(duì)去除三鹵甲烷前質(zhì)是有不同的。由于在消毒副產(chǎn)物的總致癌風(fēng)險(xiǎn)中,鹵乙酸的致癌風(fēng)險(xiǎn)占91.9以上,而三鹵甲烷的致癌風(fēng)險(xiǎn)只占8.1以下。因此,國(guó)際上建議將飲用水中鹵乙酸濃度作為控制消毒副產(chǎn)物總致癌風(fēng)險(xiǎn)的首要指標(biāo)參數(shù)11。在進(jìn)展三鹵甲烷前質(zhì)分析的同時(shí),也進(jìn)展了水中鹵乙

14、酸前質(zhì)的分析。表7是鹵乙酸前質(zhì)在處理工藝流程中的變化情況。表7鹵乙酸前質(zhì)在處理工藝流程中的變化情況分析工程原水沉后水砂濾水臭氧化水炭濾水鹵乙酸前質(zhì)(gL)25723121012180從表7中數(shù)據(jù)可以看出：(1)原水經(jīng)過(guò)絮凝沉淀處理,對(duì)鹵乙酸前質(zhì)也有一定的去除作用,去除率到達(dá)10.1,比對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)的去除率要低一些；(2)沉后水經(jīng)過(guò)濾池后,鹵乙酸前質(zhì)進(jìn)一步降低,沒(méi)有出現(xiàn)升高現(xiàn)象(同時(shí)分析的三鹵甲烷前質(zhì)是升高的)；(3)臭氧化對(duì)鹵乙酸前質(zhì)也表現(xiàn)出很好的去除效果,去除率到達(dá)42.4,絕對(duì)去除量為89gL；(4)與對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)不同,生物活性炭對(duì)鹵乙酸前質(zhì)表現(xiàn)出較好去除效果,去除率到達(dá)了33.9,絕

15、對(duì)去除量為41g/L。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究成果也認(rèn)為粒狀活性炭是控制鹵乙酸前質(zhì)的較好方法11。綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為,對(duì)于試驗(yàn)水質(zhì)條件下,臭氧化與生物活性炭結(jié)合作用可以有效地去除水中氯化消毒副產(chǎn)物前質(zhì),但要注意經(jīng)過(guò)砂濾池后三鹵甲烷前質(zhì)有升高現(xiàn)象。3總結(jié)通過(guò)研究可以得到以下結(jié)論：(1)采用臭氧化工藝會(huì)導(dǎo)致A升高,但后續(xù)生物活性炭工藝將有利于進(jìn)步出水的生物穩(wěn)定性。(2)原水經(jīng)過(guò)常規(guī)處理工藝,水的致突變活性有所升高,但經(jīng)過(guò)后續(xù)的臭氧化和生物活性炭處理,水的致突變活性明顯降低,再進(jìn)展加氯消毒,水的致突變活性根本穩(wěn)定。(3)臭氧化對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)和鹵乙酸前質(zhì)均有很好的去除效果,生物活性炭對(duì)鹵乙酸前質(zhì)表現(xiàn)出較好

16、去除效果,但對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)的去除效果有限。參考文獻(xiàn)1王琳,王寶貞.飲用水深度處理技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社,20022張金松.臭氧化?生物活性炭除污染工藝過(guò)程研究：學(xué)位論文.哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué),19953王占生,劉文君.微污染水源飲用水處理.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,19994VanderKij,etal,Deteriningthenentratinfeasilyassiiliablerganiarbnindrinkingater,AaterrksAss,1982,74(10)：5405495陳超鵬,等.給水深度處理中的臭氧化副產(chǎn)物及其控制.凈水技術(shù),1998,17(2)：10146王占生,劉文君.微污染水源飲用水處理.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,19997陳忠林,等.高錳酸鉀與粉狀活性炭聯(lián)用去除和控制受污染飲用水源中的致突變物質(zhì).中國(guó)給水排水,1998,14(4),148PhilipS,etal,Assessingznatinresearhne