臭氧活性炭处理污染原水的研究王宝贞

臭氧一活性炭处理污染原水的研究王宝贞为净化哈尔滨段的松花江水和该市受污染的地下水,我们采用臭氧一活性炭技术对去除嗅味、色度、浊度、铁、锰、有机物、细菌等进行了试验。研究了合理的臭氧氧化程度,氧化时间及氧化位置,臭氧改善活性炭吸附功能和生物氧化延长活性炭寿命的效果;试验确定臭氧、活性炭组合的工艺步骤和各单元的工艺参数,并对除污染机理进行了探讨。一、试验方法首先建造了一套净化能力为8吨/日的试验装置,进行活性炭直接吸附(“c”);臭氧化。砂滤*活性炭吸附(03+砂+C);臭氧化*砂滤(03十砂);臭氧化一活性炭吸附(03+C)等四种不同工艺流程的对比试验,研究净化效果和去除污染机理。后来又建造一套0.4吨/日的小型装置,深人研究臭氧化后生物活性炭去除有机物的效果及机理。工艺流程见图1。低浓度臭氧(2%O:)由微孔扩散器从塔底布入接触氧化塔,在塔Tl水气逆流相遇。在塔TZ水气顺流相遇进行氧化反应,完成传质过程。剩余尾气用活性炭过滤经催化还原成氧气排入大气。吸附操作采用上向流膨胀过滤,这样能田金质}}},,乙乙图1臭氧化一活性炭吸附工艺流程图充分利用滤料表面的生物氧化作用,减少水头损失并节约反冲洗水量,也便于更换废炭补充新炭。二、试验水样及选择的工艺参数枯水期,直接使用哈尔滨下游江段水和多项水质指标不合格的自来水。丰水期,用自来水加城市污水,摸拟枯水期水质。地下水取自化工区受污染井水。试验选择的工艺参数列于表1三、试验结果与讨论1.去除浊度、色度和嗅味两种水体进行除污染的试验说明,只要保持合理的使用周期,四种流程都能有效地去除浊度。对脱色效果,“C”流程不够理“产、,声侧、,沪尸、.产、.尸、卜户尹、丫尹,护洲气“沪、曰尸、`产弓.尸沪、,产、“沪、`尸、,尹、,尸、“户、.沪、,沪,尸口、.尸、“产、叼产、护尸、,产抽叼护气卜`产.曰尸,甘矛、.尸、~尹、护尹气“尹,“口、.尹门`必内夕口月`了产、,沪气济效果就不同。按第一种情况调度,单耗降低1.6度/千吨水;按第二种情况调度,就升高1.6度/千吨水。每一水厂都有自己的一套送水压力和泵组运行的单耗数据,实际上就有了公式(6)。应用公式(6)可以按照服务供应的压力要求订出耗电指标。这里确定压力指标是主要的,压力在满足服务供应的要求下,尽可能地小。在计划执行中,还可以预测完成的情况。这样,耗电指标完成与否,就排除了因供水压力不适当的降低而自然受益。应根据水泵的运行特性和输水管的特性采取必要的技术措施,降低单位耗电量。1.合理控制水泵运行的台数,这一措施仍须加以应用。2.努力提高水泵机组的效率和管道输水效率。提高了效率,就是降低了电耗。DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.1982.05.003臭氧氧化臭氧发生器:电压电流臭氧浓度微孔扩散器臭氧投加量臭氧利用率水气体积比水气接触时间尾气处理水空塔流速15000~18000伏l安培2%(按重量计)孔直径4~6微米选一5毫克/升80%16:13~5分钟ZJ一工5粒炭、高30厘米24~30米/时过滤吸附活性炭石英砂炭层高砂十炭层高水空柱流速过滤时间反仲洗时间反冲洗流速反冲洗膨胀率ZJ一15粒炭粒径0.5~1.5毫米1.20米1.20米砂0.52米、炭0.68米8一10米/时7~1.0分钟10~15分钟50一60米/时50一80写想;“03十砂”流程有一定的脱色能力;“03+C”和“03+砂+炭”两种流程效果最好,达到饮用水质要求。这是由于臭氧破坏了有机生色基团,活性炭也有一定脱色效果。活性炭吸附除臭能力很强,臭氧和曝气都有助于进一步脱臭,改善水味。在四种流程中“03+砂十C”有实用价值,因为增加砂过滤,可以截留固体物质,保护活性炭,使其更好地发挥吸附溶解性有机物作用。2.除铁和除锰水中的F+e十被臭氧氧化成不溶性Fe(OH):,然后过滤除去。而Mn+卡比Fe+十难氧化,但是臭氧也能迅速使其氧化成MnO:沉淀。当臭氧投量高达03,Mn十1.78时,M朴直接氧化成MnO丁。MnO。能被滤料截留,而溶解态的MnO丁不能被截留,但能被活性炭吸附,再催化还原成MnOZ。试验过程中发现“C”流程几乎不能除去Mn++,“03+砂”和“03+C”除M+n十效率很高,达70%一95%。臭氧投量过高时产生MnO了,影响去除效果,使“03+砂”流程除锰效率低于“03+C”流程。3.去除有机物松花江水和化工区地下水中有机物浓度都较高,但BOD值都不超过CODMn的30%,这说明能被生物降解的成分不多,是工业废水污染的特点。四种流程对比试验结果见图2,从图2可知,“03+砂十C”和“03+C”的出水水质比“C”和“03+砂”好得多,符合饮3.水泵保持在高效率下运行。单靠台数控制运行就解决不了,水泵必须采用调速运行。4.随机取样,预测执行实绩,随时调整水泵的运行状态,这就要求采用电子计算机来解决了。要做好水厂泵组高效运行,节省电能,合理而经济的调度是一个方面。如何能保持泵组高效运行,没有正确的维护也是办不到的。维修的目的除提高机组运行的安全性外,还应消除影响水泵运行效率各种不利因素,确保质量标堆,达到提高水泵运行的效率。对输水管道来说,要提高输水效率,对老的输水管道继续进行刮管涂料,降低阻耗。同时还要抓好基础工作,定期校正计量(流量、压力、电度等)仪表,使经常处于良好状态,保持一定的测量精度。运行计量正确与否,对调度执行的结果影响很大。9二峨衬’`”公.,二、一、二交汤戈沐般一二少户书熟姆,/”、、斌产___`。,,一.、少;1一。“0,+砂”、代人一,尸象拱凿肖花00七,沪户`气、一~V产、丫产/,.尹.-,一`一二一`少C’1~一、一爪卜刁/`、、。缩扁运转时间4月17日7号峰所示),经活性炭吸附后这种新物质消失了。7号峰所示物质具有良好的可吸附性,体现了臭氧改变有机物形态的功效。试验发现,“C”流程出水水质很快变坏,根据对柱中炭取样做碘值分析表明,其碘值消耗很少(见图5)。碘值反映微孔比表面积大小,说明“C”流程中活性炭的微孔未被充分利用。相反,经臭氧化后的水再经活性炭吸附,柱中图2四种工艺流程去除CODM。效率曲线用水水质要求。分析其原因,我们认为水中有机污染物是通过臭氧化、活性炭吸附和生物氧化三种不同机理协同作用被去除的。现分述如下:(1)臭氧的作用1)臭氧把一部分有机物直接氧化成CO:和H:0,降低CODM值,减轻活性炭吸附负荷。图2是投加2~4毫克/升臭氧时,绘制的CODM。效率曲线,从图中可知臭氧使COD、,11降低20%左右。图3是各流程的出水有机物色谱峰值对照图。原水中存有9种物质,臭氧化去除3种,其余6种有所减弱,经活性炭吸附,水中只残留2种物质,反映出“03十C,,流程优于其它流程。“C”流程出水残留6种,吸附不够完全。如果要达到相同水质要求,石“03+C”中的活性炭承受负荷比“c”。的减轻20%,臭氧化起到减轻活性炭的:吸附负荷,增加其使用时间的作用。`2)臭氧化改善活性炭吸附性能`碘值比前者耗消得多,见图5中“。3+C”与“03十砂+C”所示“S”曲线、半“S”曲线。说明活性炭吸附容量被利用的较充分,出水水质好。结合色谱分析看,活性炭对一些易挥发的,较小分子的物质吸附较好,对大分子的吸附较差。臭氧能将大分子物质打碎,变成小分子物质,见图4中7号峰所示新物质。分析不同流程中的活性炭碘值变化规律,反映出臭氧通过改变水中有机物的结构和性质的途径达到提高活性炭吸附能力的目的,从而提高处理效果。3)用臭氧降解有机物臭氧化减少COD、的同时,使部分有机物转化为无毒或能被生物降解的新物质。利用松花江水试验时,BOD值有增加,有利于生物降解。图4的7号峰经砂滤后也消失了,砂粒没有吸附能力,这时分析出水,发投加2一4毫克/升臭氧时,有机物坦中只有极少部分被氧化成co。和H:0,弩大部分被氧化降解成中间产物,与其前质相比分子物质更简单而小些。这些物质的形态、结构有利于活性炭吸附。图4所示臭氧化水中出现一种新物质(见人.原水B.’o。:,0,+砂C.不C,+C,旧D.’C,粥了\价工2a46石785五0111213汪4时间t(分)图31980年12月份松花江水试验色谱图成分做了单项考察,结果活性炭吸附的最佳臭氧投量列于表2。郁一人C苯改善活性炭*吸附性能的最佳臭氧投量表2污染成分03投量克/〔M」克污染成分03投量克/〔M〕克O(不加)爹入.原水日.“O`少C.`’0+C’.D.`C”E.“O:、十砂”苯胺苯酚邻苯二酚间苯二酚间苯三酚CN-ABS马家沟污水(以CODM计,0.231.162.1~2。7门曰日éé日日.一门曰日é曰曰日曰日ù川曰曰日日日日门ù月日ùa口d只`路01铆卜巳图4!共=井拼粤气咋笋平于时l可t(分)81年3月30日去除有机物色谱图为ZJ一15型炭。哈市地下水除污染试验证明,去除COD。效率随臭氧投量增高而缓慢上升,在低臭氧投量时,生成的中间产物有利于活性炭吸附;投量过大时,产生的有机物碎片过分细小,极性增强反不利于吸附,适宜的臭氧投量为4毫克/升左右。(2)活性炭吸附与生物效应1)充分发挥活性炭吸附性能活性炭具有巨大的比表面积和孔隙结构,但是有吸附能力的为18一20埃的微孔隙,占比表面积95%以上(国产炭)。有待去除的水中有机污染物多数是大分子物质,形状不规则,不可能进人微孔内,即使有的能进人孔隙,也会造成堵塞,阻止其它小分子物质通向孔隙深处。由于臭氧化的结果就充分地利用了活性炭吸附容量。在保证水质要求的同时,延长了活性炭的使用寿命。“03+砂+C”和“O,+C”流程获得较好的处理效果,就证实了这一结论。2)活性炭的生物活性显微镜下观测到活性炭附着的生物膜,呈胶团状,胶团之间初期是不连续的,有渗透性。水中的有机物和溶解氧都可透过生物膜或间隙进到活性炭内部。温度升高时,生物膜长势迅速,积累代谢产物过多,生物膜变厚则连成一片,包住炭粒,影响吸附能力,降低出水质量,因此需定期反冲洗,及时淘汰(带酬勺侧迎健赛,.O,+C玄母JSO45口25妇碘沮(毫克/克.炭)碘值变化图现有103个/毫升数量的细菌,可以确定是砂床生长的生物膜吸附和降解所至。另外臭氧化处理后,增加了水中的溶解氧,促进好氧菌生长,强化生物降解效果。4)臭氧投加量臭氧化的目的是用少量臭氧改变有机物结构和形态,形成中间产物,降低毒性,增加其可吸附性和可生化降解性,因此选择适量的臭氧就显得更为重要。我们对8种污染奥氧一生物活性炭去除有机物平均效果表3力一…一…JZ一15型炭处理单元CODM。去除BODM。去除CODM。去除BODM。去除分析次数{平均刀%}分析次数}平均刀%分析次数}平均刀%分析次数乎均刃%叮.44,é口自2qù口ù9222臭氧化活性炭臭氧十活性炭2,{26`。`28}3-7各4272425。8641.8926.0131。4825.8635.7228}62.8967.7557。5061.58老化膜,让活性炭保持不连续的较薄的生物膜,以保持生物氧化和活性炭吸附的净化效能。从砂床的生物活性来推测活性炭的生物活性,其净化CODM的效率超过10%以上。活性炭上富集了氮、磷等营养物质,给微生物创造了有利的生存条件,细菌,霉菌及酵母菌,少量的藻类都能在大孔和过渡孔区内生存。虽然它们无法进人微孔区,但是它们分泌的酶和辅酶能渗透到微孔中并被吸附富集起来。酶有多种,按催化反应可分为氧化酶,还原酶,脱水酶,水解酶,脱氨基酶,脱梭酶等,这些酶共同参加催化反应,把吸附在微孔中的有机物降解成COZ和HZO,或者合成新的微生物机体,从吸附位置上解脱出来,因而活性炭恢复了吸附能力,得到再生。虽然这种生物再生只能从吸附位置上解脱可生物降解的那部分有机物,不能使活性炭完全再生,但是至少能延长使用周期,节省部分再生经费。根据试验结果计算zJ一15炭可用1.5一2年。4.后臭氧化杀菌臭氧一活性炭处理后出水存活细菌约10弓个/毫升,在送到管网之前需灭活细菌。对松花江水净化处理后用臭氧灭活细菌和大肠杆菌时发现:其杀菌效果不仅与臭氧投量、杀菌时间有关,而且与水中有机物浓度呈负相关