臭氧活性炭工艺中最佳臭氧投加量的确定

臭氧活性炭工艺中最佳臭氧投加量的确定李勇1，张晓健1，陈超1，张晓慧2，朱晓辉2，戴吉胜31清华大学环境科学与工程系，北京，1000842兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州，7300703东莞市东江水务有限公司，东莞，523112摘要：臭氧投加量是臭氧活性炭工艺中重要的参数。直接影响净水效果和处理费用，本文通过研究臭氧活巨炭工艺对水质指标的去除规律，确定了臭氧活性炭工艺中的最佳臭氧投加量。试验结果表明：臭氧投加量太于1．5mgO3／mgCODMn臭氧参与反应的转化率小于60％。当原水中溴离子浓度为10～15ug／L时，有效臭氧投加量超过6．6mgo3／L水时，溴酸盐的生成量超过10ug／L。对于东莞市东江水务有限公司第四水厂来说，最佳的臭氧授加量应该在1．5mg03／mgCODMn下。关键词：臭氧活性炭：臭氧投加量；CODMnUv254臭氧投加量是臭氧活性炭工艺的重要参数，直接影响净水效果和处理费用。投加量过低，达不到臭氧化的处理效果：如果投加量过高，易生成极性较强的中间产物，不利于活性炭的吸附和生物降解．大剂量地投加炱氧还有可能增加臭氧副产物的生成量，同时也大大增加臭氧发生系统投资和运行费用。因此臭氧投加量的选择是十分重要的。臭氧投加量与有机物的去除率并不是成线性关系，最佳的臭氧投加量因水中有机物的种类和浓度不同而有所差异，应通过试验确定。国外对臭氧一生物活性炭滤池的研究主要集中在对有机物、消毒副产物及其前体物物质、臭氧化副产物的去除，提高饮用水生物稳定性的研究上。对于臭氧最佳投加量评价体系的研究很少。本文通过研究臭氧活性炭工艺在东莞市东江水务有限公司第四水厂对有机物指标去除特性和消毒副产物的生成情况，确定臭氧活性炭工艺中的最佳臭氧投加量．1试验装置1．1．工艺流程滤池出水一臭氧氧化一生物活性炭滤柱1．2．试验装置规格尺寸各单元设备的规格尺寸见表1。表l试验设备的尺寸与参数臭氧接触方式采用钛板曝气，有效深度3．6m。活性炭采用破碎炭，填装在直径为300mm的有机玻璃柱内，填装高度为2m，各柱子内炭的型号如表2所示．运行时滤池出水通过曝气头与臭氧气体接触，自下而上同向流过臭氧接触反应柱，接触时间15min。臭氧化出水自上而下流过活性炭滤柱，滤速8m／h，工作周期为七天．采用气水反冲，气冲强度为55m3／(m2·h)，冲洗历时2min：水冲强度为25m3／(m2·h)，膨胀度为20％，历时7～5min。2试验材料和方法2．1．试验材料气体吸收瓶，碘量瓶，湿式气体流量计2．2．试验方法不同臭氧投加量下臭氧接触塔的传质特性和对水质指标的去除效果每天调节不同的臭氧投加量，第二天早上如图1所示取样位置取样测定水中的臭氧浓度、CODMn、TOC、UV254、氨氮、溴酸盐和尾气的臭氧浓度指标。3结果与讨论3．1．臭氧投加量对CODMn的去除图2表示了不同相对有效臭氧投加量下水中CODMn的去除规律。滤后水的CODMn在1-1．4mg/L。从图中可以看出，当相对有效臭氧投加量小于1．2mgO3/mgCODMn时，臭氧对CODMn的去除近似直线增长到O．32mg，即lmg03平均去除了O．27mgCODMn。臭氧的化学性质极不稳定，在空气和水中都会慢慢分解成氧气，在饮用水的pH7条件下，臭氧与水中有机污染物以分子臭氧的形式反应，可按下式分解：03→02+0。而理论上O→CODMn即Img0可以去除lmgCODMn，则Im903可以去除0．33mgCODMn。因此，此时所投加的臭氧的反应转化率大于82％。同理可得。当臭氧投加量在1．2mg03／mg-CODMn1．5mg03／mgCODMn时，臭氧参与反应的转化率大于60％。当臭氧投加量大于1．5mg03／mgCODMn时，臭氧参与反应的转化率大于9％。另外单独的活性炭工艺对CODMn的去除基本保持在O．25mg左右。因此从提高臭氧利用率，降低成本的角度考虑，对于CODMn的去除来说，有效臭氧投加量应该在1．5mg03／mgCODMn以下。3．2．臭氧投加量对TOC的去除图3表示了在不同有效臭氧投加量下，臭氧活性炭对TOC的去除效果，进水TOC在1．0～2．2mg/L。从图中可以看出，当有效相对臭氧投加量小于1．2mg03／mgTOC时，臭氧对TOC的去除很快上升到0．3lmg．当有效臭氧投加量大于1．2mg03／mgTOC时，臭氧出水TOC的去除摹本变化不大。当臭氧投加量小于O．7mg03／mgTOC时单独的活性炭工艺对TOC去除基本保持在0．2mg左右，当臭氧投加量大于0．7mg03／mgTOC，单独括性炭工艺对TOC的去除随着臭氧投加量的增加而增加，到臭氧投加量为1．2mg03／mgTOC时，单独活性炭对TOC的去除达到0．4mg。当臭氧投加量大于I．2mg03／mgTOC时，单独活性炭对TOC的去除变化不大。这表明经臭氧处理后的水中有一部分生物不可降解的有机物被转变成为生物可降解物质，臭氧投加量的增大，可以增加水中可生物降解有机物的比例，增加水质的可生物降解性。因此，可以认为臭氧TOC的去除主要依靠生物活性炭的生物降解和吸附。这种规律在臭氧对CODMn的去除中没有表现出来，这是因为臭氧氧化使水中的有机物更容易被高锰酸钾氧化，从而不能完全表现出臭氧对CODMn的去除作用。因此对TOC的去除来说，最佳的臭氧投加量为1．2mg03／mgTOC。一般情况下，水中的CODMn和TOC之间有一定的相关性，根据试验期间的检测，东江水务第四水厂的CODMn／TOC的平均值为0．7．即此时1．2mg03／mgTOC的投加量相当于1．6mg03／mgCODMn，这和3．3节中的结论是吻合的。3．3．臭氧投加量对uV254的去除图4表示了不同臭氧投加量条件下对uv2”的去除效果。进水uV254在0．02～o．028之问。从图中可以看出当相对有效臭氧投加量小于O．63mgO3/mg-1时，臭氧对Uv254的去除增加到O．74m一1，整个臭氧活性炭对uv254的去除基本保持在0．81m-1左右；当臭氧投加量继续增大时，臭氧和活性炭对uv254的去除基本保持不变。对于UV254的去除来说，臭氧的相对有效臭氧投加量在0．63mg03／mg-1以下。金伟、范瑾初对几种水样的拟合结果表明，紫外吸光度(UV254)与有机物耗氧量(CODMn)具有良好的线性关系。本试验中uv254×100／CODMn的平均值为2．4，即当臭氧的相对有效臭氧投加量为063mg03／m-1时，相当于2．6mgO3/mgCODMn3．4．臭氧投加量对氨氮和凯氏氮去除图5表示了在不同有效臭氧投加量下各取样点出水氧氮的变化情况。从图中可以看出进水经过臭氧处理后氨氦都有不同程度的升高，这是由于臭氧将水中的有机氮转化为氨氮所致，因此对相同臭氧投加量下凯氏氮的变化情况进行了研究。图6表示了不同有效臭氧投加量下凯氏氨的去除特性。从图中可以看出随着有效臭氧投加量的增大，凯氏氮的去除率有所增大，当相对有效臭氧投加量太于2．2mg03／mgK-N时．去除率增加的幅度已经很缓慢。因此对于凯氏氮的去除来说，相对有效臭氧投加量应该在2．2mg03／mgK-N．左右．3．5．臭氧投加量对溴酸盐的影响第四水厂源水中溴离子浓度为10．9-15ug／L，不同臭氧投加量下溴酸盐的生成情况如图7所示。从图中可以看出当有效臭氧投加量小于2．2mg03／L水时，演离子转化为溴酸盐的转化率为0，当有效臭氧投加量大于2．2mgO3/L水时，溴酸箍的转化率由30％迅速增加到60％，并且在有效臭氧投加量为6．6mg03／L水时，溴酸盐的生成量超过国家标准10ug／L。因此．从溴酸盐生成的角度考虑。适宜的有效臭氧投加量应该在2.2mg03／L为以1mg/L，此时滤后水CODMn为1mg／L．即有效臭氧投加量应该小于2．2mg03／mgCODMn．Kgrasnct',s等人认为当臭氧投量为4mg／L，pH为7～7．8，TOC为3．4mg／L时．Br-含量0．3l～0．33mg／L生成BrO3-的含量不会超过USEP^规定的标准10ug/L，这与我们的试验结果不同，可能是由于水中有机物的组成及温度不同造成的。4结论有效臭氧投加量大于1．5mgO3／mgCODMn时，臭氧参与CODMn反应的转化率低于60％。适宜的有效臭氧投加量应该在1．5mg03／mgCODMn下。臭氧活性炭对TOC、uv254、氮氮的去除特性表明，适宜的臭氧投加量应该在1．2mgO3／mgTOC、0,63mgO，，2．2mg03/mgK-N左右．当原水澳离子浓度在10～15ug／L时．有效臭氧投加量大于2．2mg03/L水时．溴酸盐的生成率大于30％。有效臭氧投加量为66m903／L水时，臭氧出水溴酸盐超出10ug/L。综合以上．臭氧投加量对各指标的去除特性以及臭氧投加量对溴酸盐的影响，对于东江水质，臭氧接触时间为15min时，最佳的相对有效臭氧投加量不应该大于1．5mg03／mgCODMn。