臭氧—生物活性炭深度飲用水處理技術(shù)

1、臭氧生物活性炭深度飲用水處理技術(shù)組員：張邵輝、葛勇建、蔣貝貝、 程永清、邱 川、張凡文專題二CONTENTSPART ONEPART TWO我國飲用水處理現(xiàn)狀臭氧生物活性炭深度飲用水處理技術(shù)原理PART THREEPART FOUR工藝影響因素及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問題分析及優(yōu)化目 錄01我國飲用水處理現(xiàn)狀水源污染狀況first 全國七大水系中，一半以上河段受到不同程度的污染，達(dá)不到飲用水源的標(biāo)準(zhǔn)。second 全國 70以上的河流湖泊都遭受到不同程度的污染，特別是流經(jīng)城市的河段近 90%都受到了污染，城市內(nèi)湖水質(zhì)較差。third 全國90%的地下水遭受了不同程度的污染，其中60%污染嚴(yán)重，地下水質(zhì)污染十

2、分嚴(yán)峻。給水處理現(xiàn)狀現(xiàn)狀 我國目前絕大多數(shù)自來水廠采用的仍然是傳統(tǒng)的凈水工藝，即“混凝沉淀過濾消毒”。由 于該常規(guī)凈水工藝的主要去除指標(biāo)是濁度、色度和細(xì)菌學(xué)指標(biāo)，因此它只能有效去除水中懸浮物、膠體物質(zhì)、細(xì)菌和大腸桿菌等，而對(duì)氨氮和各種溶解性有機(jī)污染物的去除效果很差。常規(guī)工藝的缺陷不能有效去除氨氮及有機(jī)污染物，尤其是溶解性有機(jī)物不能有效去除藻類及藻毒素，臭、味及內(nèi)分泌干擾物不能被去除加氯生成副產(chǎn)物，使出廠水致突變性增加存在出廠水不穩(wěn)定及管網(wǎng)二次污染強(qiáng)化常規(guī)工藝措施123在常規(guī)工藝前加設(shè)生物預(yù)處理工藝強(qiáng)化混凝沉淀開發(fā)深度處理工藝02臭氧生物活性炭深度飲用水處理技術(shù)原理臭氧的物理化學(xué)性質(zhì)臭氧的分子式

3、為O3，在常溫下，是一種有特殊臭味的淡藍(lán)色氣體。1234臭氧的氧化力較強(qiáng)，其標(biāo)準(zhǔn)的氧化還原電位為E02.07V。臭氧溶于水，溶解度與水溫呈反比關(guān)系。在常溫條件下，溶解量約為20mg/L。臭氧在水中自行分解為氧，自行分解的速度由水溫和pH值所控制，高水溫與高pH值能夠促進(jìn)分解。臭氧的反應(yīng)機(jī)理 臭氧之所以表現(xiàn)出強(qiáng)氧化性，是因?yàn)槌粞醴肿又械难踉泳哂袕?qiáng)烈的親電子或親質(zhì)子性，臭氧分解產(chǎn)生的新生態(tài)氧原子，在水中形成具有強(qiáng)氧化作用的羥基自由基OH，它們的高度活性在水處理中被用于殺菌消毒、破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)等等，其副產(chǎn)物無毒，基本無二次污染，有著許多別的氧化劑無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以消毒殺菌，還可以氧化分解水中

4、污染物。臭氧的氧化作用臭氧與無機(jī)物反應(yīng) 臭氧能氧化大部分無機(jī)物，例如在預(yù)臭氧化中，臭氧可有效地將水中溶解性鐵、錳等無機(jī)離子轉(zhuǎn)化為難溶解性氧化物，使其從水中沉淀出來。臭氧與有機(jī)物反應(yīng)直接反應(yīng)污染物+O3產(chǎn)物或中間物 臭氧分子與有機(jī)污染物間的直接氧化作用；這是緩慢且有明顯選擇性的反應(yīng)。間接反應(yīng)污染物+OH產(chǎn)物或中間物 臭氧被分解后產(chǎn)生羥基自由基，間接地與水中有機(jī)污染物作用，這一反應(yīng)速率快，且沒有選擇性。臭氧氧化作用的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)臭氧氧化法氧化能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快、反應(yīng)條件溫和、操作簡單、無二次污染臭氧生成設(shè)備復(fù)雜、臭氧產(chǎn)率和利用率低、處理成本高、氧化反應(yīng)選擇性強(qiáng)、降解不徹底臭氧在飲用水處理中的應(yīng)用

5、123臭氧預(yù)處理，在常規(guī)凈水工藝前增設(shè)臭氧工藝 臭氧-生物活性炭處理，O3與顆?；钚蕴拷Y(jié)合，在常規(guī)凈水工藝后，對(duì)水作深度處理，以除去各種有機(jī)物和色、嗅、味等臭氧消毒，用以代替氯對(duì)水進(jìn)行消毒活性炭回顧定義分類性質(zhì) 活性炭是一種經(jīng)過氣化（炭化、活化）造成的具有發(fā)達(dá)空隙的、以炭作骨架結(jié)構(gòu)的黑色固體物質(zhì)。 按原料來源分：木質(zhì)活性炭、 礦物質(zhì)原料活性炭、其它原料制成的活性炭、 按外觀形狀分：粉末活性炭、顆?；钚蕴浚ú欢ㄐ巍A柱形、球形） 再生活性炭 活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其有很大的表面積，一般可達(dá)5001700m2/g炭，具有良好的吸附作用?；钚蕴炕仡櫾u(píng)價(jià)指標(biāo)碘 值C C E 值亞 甲 藍(lán) 值糖

6、 蜜 值交換吸附化學(xué)吸附物理吸附吸附機(jī)理活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用123 原水突發(fā)性或季節(jié)性出現(xiàn)污染物質(zhì)增高、異味、異臭和THM前驅(qū)物質(zhì)濃度很高時(shí)，作為應(yīng)急措施投加粉末活性炭。 為去除有機(jī)污染物、THM的前驅(qū)物和異味、異臭在過濾后加顆?；钚蕴课?。 與臭氧聯(lián)用，既有吸附作用，又利用其表面的生物膜的降解作用，去除污染物質(zhì)，并延長活性炭再生周期，即生物活性炭。臭氧生物活性炭技術(shù)簡介 臭氧-生物活性炭深度水處理技術(shù)被稱為飲用水凈化的第二代凈水技術(shù)。臭氧一生物活性炭技術(shù)采用臭氧氧化和生物活性炭濾池聯(lián)用的方法。將臭氧化學(xué)氧化、臭氧滅菌消毒、活性炭物理化學(xué)吸附和生物氧化降解四種技術(shù)合為一體其主要目的是在常

7、規(guī)處理之后進(jìn)一步去除水中有機(jī)污染物、氯消毒副產(chǎn)物的前體物以及氨氮。降低出水中的BDOC 和AOC。保證凈水工藝出水的化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性。TipsBDOC：biodegradable dissolved organic carbon 生物可降解溶解有機(jī)碳AOC：assimilable organic carbon 可同化有機(jī)碳臭氧化學(xué)氧化臭氧滅菌消毒活性炭生物降解活性炭物理化學(xué)吸附臭氧生物活性炭技術(shù)原理 直接降解有機(jī)物，減少進(jìn)入活性炭池中的有機(jī)負(fù)荷。 為后續(xù)活性炭工藝充氧，有利于活性炭好氧 微生物的生長。132臭氧氧化的作用 把大分子有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物，改變水中有機(jī)物的分子量分布。提高

8、水中有機(jī)物的可生化性。從而有利于強(qiáng)化后續(xù)活性炭工藝對(duì)于中小分子量有機(jī)物的吸附降解。臭氧生物活性炭技術(shù)原理生物活性炭的形成 活性炭自身具有孔隙多、比表面積大的特性，能夠迅速吸附水中的溶解性有機(jī)物，也能富集水中大量的微生物。被吸附在活性炭表面的溶解性有機(jī)物為微生物提供了營養(yǎng)源，同時(shí)炭床中大量生長繁殖的好氧菌生物降解吸附低分子有機(jī)物，這樣在活性炭表面便生長出了具有氧化降解和生物吸附雙重作用的生物膜，形成生物活性炭。臭氧生物活性炭技術(shù)原理生物活性炭的作用機(jī)理生物活性炭對(duì)廢水中有機(jī)物的去除機(jī)理主要由以下7方面組成：污染物通過液膜達(dá)到活性炭表面。1654327外擴(kuò)散：內(nèi)擴(kuò)散：污染物從活性炭表面進(jìn)入微孔道和

9、中孔道，進(jìn)而擴(kuò)散至中孔和微孔表面。吸附： 進(jìn)入微孔、中孔表面的污染物被活性炭吸附相對(duì)固定。水解：污染物與菌膠團(tuán)分泌的胞外酶反應(yīng)，水解成分子量較小的物質(zhì)。內(nèi)反應(yīng)：水解后的化合物由中孔道和微孔道擴(kuò)散至外表面生物膜吸附區(qū)。生物降解： 水解化合物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在酶作用下進(jìn)行氧化分解。外反擴(kuò)散： 降解產(chǎn)物通過液膜擴(kuò)散至污水中。臭氧生物活性炭技術(shù)原理 活性炭孔隙中的有機(jī)物被分解后，經(jīng)過反沖洗，活性炭騰出吸附位置，恢復(fù)了對(duì)有機(jī)物及溶解氧吸附能力?；钚蕴繉?duì)水中有機(jī)物的吸附和微生物的氧化分解是相繼發(fā)生的，微生物的氧化降解作用使活性炭的吸附能力得到恢復(fù)，而活性炭的吸附作用又使微生物獲得豐富的養(yǎng)料和氧氣，兩者互相促進(jìn)

10、，形成相對(duì)平衡態(tài)，得到穩(wěn)定的處理效果，從而大大延長了活性炭的再生周期。生物活性炭池的反應(yīng)過程03工藝影響因素及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用臭氧投加量臭氧投加量1 1活性炭類型活性炭類型和投加量和投加量2 2溫度溫度3 3時(shí)間時(shí)間4 4工藝影響因素工藝影響因素-臭氧投加量臭氧投加量臭氧投加量臭氧投加量1 1 將大部分有機(jī)物氧化為中間產(chǎn)物，增強(qiáng)其在活性炭上的吸附性和可生物降解性，進(jìn)而改善其生化效果。 投加臭氧目的 大劑量投加臭氧，雖然能使有機(jī)物全部轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，但高費(fèi)用，不經(jīng)濟(jì)，還會(huì)產(chǎn)生（疑為致癌物質(zhì)）、等消毒副產(chǎn)物。 研究表明，投加臭氧還會(huì)在顆?；钚蕴勘砻嫔仙梢恍┧嵝曰鶊F(tuán)，降低對(duì)苯酚的吸附能力，背離投加臭

11、氧的初衷。投加量的影響臭氧投加量1 1活性炭類型和投加量2 2溫度3 3時(shí)間4 4工藝影響因素工藝影響因素-活性炭類型和投加量活性炭類型和投加量2 2 按形狀分為（PAC）和（GAC）。 活性炭的投加劑量是該工藝運(yùn)行的一個(gè)必要參數(shù)，也是臭氧轉(zhuǎn)化為氫氧自由基的一個(gè)決定因素。 在飲用水處理工藝中，投加的PAC的劑量需根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)，通常在1100mg/l之間變化。 活性炭的類型投劑量的影響臭氧投加量1 1活性炭類型和投加量2 2溫度3 3時(shí)間4 4工藝影響因素工藝影響因素-溫度溫度3 3 溫度是活性炭濾池運(yùn)行一個(gè)重要參數(shù)，其影響，春、夏、秋季的去除效果較好，冬天的去除效果欠佳。 有研究表明：在水溫2

12、左右時(shí)，生物活性炭濾池對(duì)氨氮的去除能力相當(dāng)于6以上時(shí)去除能力的50%；在溫度6的條件下，生物活性炭濾池對(duì)氨氮的去除能力在進(jìn)水溶解氧基本相同時(shí)，不隨溫度（水溫6）的變化而發(fā)生變化。臭氧投加量1 1活性炭類型和投加量2 2溫度3 3時(shí)間4 4工藝影響因素工藝影響因素-時(shí)間時(shí)間4 4 在生物膜工藝中，延長空床接觸時(shí)間意味著延長基質(zhì)與生物膜的接觸時(shí)間，有利于基質(zhì)的生物降解。此外，接觸時(shí)間的延長也有利于污染物的礦化吸附去除。 空床接觸時(shí)間的增幅大對(duì)CODMn去除效果的改善程度較為明顯，但當(dāng)接觸時(shí)間增大到一定程度時(shí)，CODMn去除率的提高有限，這是因?yàn)檫M(jìn)水中可生物降解及吸附的物質(zhì)所占的比例一定，中間生成不

13、與臭氧發(fā)生反應(yīng)的中間產(chǎn)物草酸。飲用水處理中的應(yīng)用 1去除天然有機(jī)物（NOM）及消毒副產(chǎn)物 2去除飲用水中金屬離子4去除色度 3去除飲用水中氨氮 飲用水處理中的應(yīng)用 1去除天然有機(jī)物（NOM）及消毒副產(chǎn)物 臭氧與溶于水中的有機(jī)物通過直接與間接反應(yīng)發(fā)生作用。但其溶于水中量很小且不穩(wěn)定，使其單獨(dú)運(yùn)用有較大的局限性。 通過與顆粒活性炭聯(lián)用，一方面，增強(qiáng)有機(jī)物在活性炭表面上的吸附性及可生物降解性；另一方面，進(jìn)而提高對(duì)有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物去除效果，降低可同化有機(jī)碳（AOC）值，提高出水的生物穩(wěn)定性。 該聯(lián)合工藝不僅對(duì)、和水中均有較好的去除效果。飲用水處理中的應(yīng)用2去除飲用水中金屬離子 臭氧的電離作用，

14、更有利于金屬離子吸附。 有研究表明，活性炭被氧化后對(duì)金屬Cr的吸附量增加，氧化時(shí)間越長，增加量越多，這種效應(yīng)是由 于其表面形成氧團(tuán)體（主要是羧基群體）電離作用，增加活性炭表面和金屬離子之間的靜電交互作用。 飲用水處理中的應(yīng)用 3去除飲用水中氨氮 傳統(tǒng)工藝中，對(duì)水中氨氮的去除主要靠生物作用，當(dāng)濾后水中的氨氮濃度較高時(shí)，消毒后會(huì)產(chǎn)生難聞的氣味，且反應(yīng)生成的亞硝酸鹽對(duì)人體有害。 臭氧/生物活性炭工藝具有一定的耐氨氮沖擊負(fù)荷能力，并且當(dāng)氨氮濃度小于0.5mg/l時(shí)，去除率隨著氨氮濃度的升高而增加。 飲用水處理中的應(yīng)用 4去除色度 色度的去除主要是靠、及。 水中能產(chǎn)生色度的物質(zhì)多是帶有生色基團(tuán)的有機(jī)物，

15、如重氮、偶氮化合物等天然有機(jī)物。這些物質(zhì)都帶有不飽和鍵，臭氧可以選擇與不飽和鍵發(fā)生反應(yīng)，從而使顯色物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成中間產(chǎn)物。 活性炭的比表面積大、表面能高，中間產(chǎn)物被吸附在活性炭表面上。 。飲用水處理中的應(yīng)用 深度處理工藝混合裝置絮凝池沉淀池過濾池接觸池顆?；钚蕴繛V池清水池出水Cl2臭氧臭氧混凝劑進(jìn)水水的深度處理工藝（第二代城市飲用水凈化工藝）04問題分析及優(yōu)化 問題分析臭氧化副產(chǎn)物問題微生物安全問題藻毒素問題進(jìn)水濁度、濾池殘余臭氧控制1.臭氧化副產(chǎn)物第一類溴酸鹽和次溴酸鹽溴酸鹽具有強(qiáng)致癌性；我國將飲用水中溴酸鹽控制標(biāo)準(zhǔn)定為10ug/L。第二類臭氧化有機(jī)物后產(chǎn)生的小分子有機(jī)物有較強(qiáng)的生物毒性第

16、一類溴酸鹽和次溴酸鹽溴酸鹽具有強(qiáng)致癌性；我國將飲用水中溴酸鹽控制標(biāo)準(zhǔn)定為10ug/L。第一類溴酸鹽和次溴酸鹽第二類臭氧化有機(jī)物后產(chǎn)生的小分子有機(jī)物有較強(qiáng)的生物毒性第二類臭氧化有機(jī)物后產(chǎn)生的小分子有機(jī)物1.臭氧化副產(chǎn)物（1）（2）（3）合理控制臭氧投加量，降低溴酸鹽的生成量；預(yù)氧化工藝中采用高錳酸鉀鹽和臭氧復(fù)合氧化；后臭氧氧化過程中，設(shè)用分次投加方式。第一類解決方法1.臭氧化副產(chǎn)物第二類 臭氧化有機(jī)物后產(chǎn)生的小分子有機(jī)物小分子有機(jī)物（如醛類、脂肪酸、羧酸、酮類、AOC等）一定程度降解這些有機(jī)物經(jīng)生物活性炭處理吸附作用、生物降解作用AOC（可同化有機(jī)物）概念飲用水的生物穩(wěn)定性是指飲用水中有機(jī)營養(yǎng)基

17、質(zhì)能支持異養(yǎng)細(xì)菌生長的潛力，即細(xì)菌生長的最大可能性，給水管網(wǎng)中限制異養(yǎng)細(xì)菌生長的因素主要是有機(jī)物，但難用化學(xué)的方法測(cè)定其濃度，因此國外研究人員提出了可同化有機(jī)碳（AOC）的概念。AOC（可同化有機(jī)物）AOC在水處理工藝流程的變化情況分析項(xiàng)目原水砂濾水臭氧化水炭濾水消毒水AOC/g/L12610819410190表中數(shù)據(jù)可得：1.原水在絮凝、沉淀和過濾后，AOC只有微小幅度的降低； 2.臭氧化能導(dǎo)致砂濾后水中AOC增加； 3生物活性炭對(duì)AOC表現(xiàn)出很好的去除作用，去除率達(dá)47.9% 4經(jīng)生物活性炭處理后再加氯消毒，AOC沒有增加，還有降 低，達(dá)到90g/L，可以認(rèn)為達(dá)到生物穩(wěn)定性。AOC（可同化

18、有機(jī)物）實(shí)踐證明由于AOC包括了許多易被生物降解的化合物，為微生物提供了生成基質(zhì)和代謝能量，因此它的濃度對(duì)水中微生物的生長有較大影響。水進(jìn)行臭氧化會(huì)提高水中AOC濃度，臭氧化中間產(chǎn)物分子量更小，更容易細(xì)菌降解2.微生物安全首先胞外分泌物其中有一些胞外分泌物具有一定毒性。其次微生物穿透炭床再次微生物被包裹在細(xì)微顆粒之中進(jìn)入到出水中的微生物往往被包裹在細(xì)微顆粒之中，因此很難接觸到消毒劑。這些微生物會(huì)穿透活性炭床進(jìn)入到出水中去，而且由于這些微生物經(jīng)過了臭氧消毒后存活下來，對(duì)消毒劑一般具有更強(qiáng)的耐受能力。因此，加大了后續(xù)消毒工藝的難度其次微生物穿透炭床這些微生物會(huì)穿透活性炭床進(jìn)入到出水中去，而且由于這些微生物經(jīng)過了臭氧消毒后存活下來，對(duì)消毒劑一般具有更強(qiáng)的耐受能力。其次微生物穿透炭床2.微生物安全（1）（2）（3）砂濾池置于炭濾池后炭濾池下設(shè)砂濾池BAC-UF聯(lián)用控制方式（1）砂濾池置于炭濾池后這樣可以將炭濾池內(nèi)泄漏的微生物殺死并截留，防止微生物進(jìn)入管網(wǎng)，確保用水安全炭濾池砂濾池混合池可加助濾劑或加消毒劑不足：炭濾池位