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文檔簡介
1、 臭氧-活性炭深度處理工藝的一些改進(jìn)措施及工程應(yīng)用袁煦1 鄭志民2 黃天寅1 王縱2 鄔亦俊2(1蘇州科技學(xué)院; 2上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司)摘 要: 針對(duì)目前臭氧活性炭深度處理工藝應(yīng)用過程中遇到的一些問題進(jìn)行總結(jié)分析,提出進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)措施,并在國內(nèi)水廠取得成功的案例,為臭氧活性炭工藝更加科學(xué)合理運(yùn)用提供依據(jù)。關(guān)鍵詞: 臭氧活性炭 活性炭濾池 高密度沉淀池 微生物 溴酸鹽為應(yīng)對(duì)污染日益嚴(yán)重的原水水質(zhì)和貫徹執(zhí)行國家新版飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB2006-5749)要求,在傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝無法滿足出水水質(zhì)的情況下,臭氧活性炭深度處理工藝得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用,同時(shí),國內(nèi)各大研究
2、機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究,驗(yàn)證該工藝對(duì)不同原水水質(zhì)的適應(yīng)性,為工藝設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)??梢哉f,臭氧活性炭工藝的應(yīng)用對(duì)國內(nèi)飲用水水質(zhì)的進(jìn)一步提高發(fā)揮著舉足輕重的作用,深受國內(nèi)供水行業(yè)的青睞。但經(jīng)過一段時(shí)期的生產(chǎn)運(yùn)行,臭氧活性炭深度處理工藝反映出一些值得注意的問題,如活性炭濾池微生物泄露和溴酸鹽超標(biāo)等,這些問題直接影響到出水水質(zhì)和安全運(yùn)行,必須對(duì)臭氧活性炭工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和適當(dāng)改進(jìn),使其更加趨于完善。目前一些較好的改進(jìn)措施已在國內(nèi)部分水廠中得到成功應(yīng)用。1 防止活性炭濾池微生物泄露的改進(jìn)措施及工程應(yīng)用由于生物活性炭濾池的氧氣充足,營養(yǎng)充分,水溫合適,微生物生存條件好,濾池會(huì)孳生水蚤和紅蟲等水
3、生動(dòng)物,并發(fā)生泄漏,出水中細(xì)菌和水蚤等時(shí)有超標(biāo),如南方某水廠實(shí)際運(yùn)行中,炭池出水檢測出劍水蚤等微型動(dòng)物的水質(zhì)問題。劍水蚤抗氯性很強(qiáng),出水生物安全性下降。此外,攝入含有受感染的劍水蚤自來水,將致病。因此,活性炭濾池設(shè)計(jì)需考慮避免微生物滋生和泄漏的措施。目前有以下幾種可行的改進(jìn)措施:(1)活性炭濾池置于砂濾池之后該工藝組合模式為混凝-沉淀-臭氧-活性炭濾池-砂濾池-清水池,其最大特點(diǎn)是活性炭濾池采用上向流方式,活性炭濾層處于流化狀態(tài),微生物和紅蟲不宜聚積在炭層中生長,而易被水帶走?;钚蕴繛V池后設(shè)有混合池,可以投加助濾劑或消毒劑,后進(jìn)入砂濾池,將活性炭出水中可能出現(xiàn)的微生物殺死并截留,克服了活性炭濾
4、池泄露微生物殺滅的困難,防止微生物進(jìn)入供水管網(wǎng),確保出水安全性。為防止活性炭濾池堵塞,縮短吸附周期,現(xiàn)行室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50013-2006)規(guī)定“炭吸附濾池進(jìn)水濁度應(yīng)小于1NTU”。如果活性炭濾池置于砂濾池之前,就對(duì)沉淀池出水提出很高標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于原水水質(zhì)較差的水廠而言,傳統(tǒng)的平流沉淀池、斜管沉淀池和澄清池都難以滿足沉后水質(zhì)要求。因此,該組合工藝大多采用高密度沉淀池,這也成為該組合工藝未能廣泛使用的限制條件之一。目前國內(nèi)率先采用該組合工藝的水廠為嘉興南郊水廠,該廠原水為劣V類水,運(yùn)行至今未出現(xiàn)生物泄漏,出水水質(zhì)穩(wěn)定。此外,該工藝組合在日本豬名川水廠和吹田市的泉水廠得到成功應(yīng)用。嘉興南郊水廠
5、工藝流程詳見圖1。圖1 南郊水廠工藝流程圖(2)活性炭濾池下設(shè)砂濾層目前國內(nèi)老廠水質(zhì)升級(jí)改造和新水廠建設(shè)中采用最多的工藝組合模式為傳統(tǒng)常規(guī)處理(混凝-沉淀-砂濾池)+深度處理(臭氧-生物活性炭濾池)工藝,此種改進(jìn)措施也是在該工藝組合模式下應(yīng)運(yùn)而生的。活性炭濾池置于砂濾池之后,如不采取截留措施,會(huì)出現(xiàn)微生物泄漏現(xiàn)象,影響水質(zhì)安全。有研究表明,在炭濾池濾料下增設(shè)200500mm厚砂濾層,并適當(dāng)減少砂濾料粒徑,加上活性炭濾料本身的截留作用,可有效地減少微生物穿透,同時(shí)設(shè)置初濾水排放,減少截留的微生物及有機(jī)物進(jìn)入清水池的機(jī)率。此外,砂濾池出水濁度較低,一般在0.5NTU以下,炭濾池可采用帶長柄濾頭的氣
6、水反沖洗普通快濾池池型,取消V型槽和表掃功能,簡化炭池構(gòu)造和投資。采用該種工藝組合模式的自來水廠基本采取在炭層下增設(shè)一定厚度的砂濾層的改良型活性炭濾池,以防止微生物泄露和濁度升高。如上海、江蘇、浙江、廣東等地深度處理工程基本都采用這種模式。以上海源江水廠為例,石英砂有效粒徑為0.9mm,K801.40,厚度為50mm。帶長柄濾頭的氣水反沖洗活性炭濾池構(gòu)造見圖2。圖2 帶長柄濾頭的氣水反沖洗活性炭濾池(3)活性炭濾池+超濾膜組合工藝臭氧活性炭工藝可有效地去除有機(jī)物,改善口感;超濾膜能幾乎將細(xì)菌、病毒、兩蟲、藻類及水生生物全部去除,出水濁度可以到達(dá)0.1NTU。超濾膜設(shè)在活性炭濾池之后可有效去除泄
7、漏的微生物,確保出水水質(zhì)安全。隨著超濾膜價(jià)格降低,該組合工藝必將會(huì)逐步得到應(yīng)用。上海青浦三水廠一期和杭州清泰水廠都采用該組合工藝模式。其中青浦水廠一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模10萬m3/d,工藝流程見圖3。目前該工程正在建設(shè)中。圖3 上海青浦三水廠一期工藝流程圖(4)活性炭濾池池頂加設(shè)蓋板或屋頂,以防止炭池受陽光照射,滋生藻類和蚊蟲,同時(shí)可以防止池頂雨水污染,加蓋形式見圖2。2 控制臭氧化副產(chǎn)物溴酸鹽的措施及工程應(yīng)用臭氧作為強(qiáng)氧化劑,可以有效去除水中色度、嗅味、三鹵甲烷前驅(qū)物以及農(nóng)藥等微污染物,另外,臭氧氧化可以改變有機(jī)物的分子量分布,提高水中有機(jī)物的可生化性和可吸附性,從而提高生物活性炭的作用效果,但是
8、在臭氧氧化含有溴離子的原水時(shí)會(huì)產(chǎn)生溴酸鹽副產(chǎn)物,溴酸鹽具有致癌和致突變性,已被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)定為2B級(jí)(較高致癌可能性)潛在致癌物。新版國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB2006-5749)也增加了溴酸鹽項(xiàng)目,限值為10g/L。最近幾年,控制溴酸鹽含量已是飲用水行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。在確保臭氧有效氧化有機(jī)物等污染物的同時(shí),如何采取措施控制溴酸鹽的生成,以保證出水溴酸鹽不超標(biāo),已成為一個(gè)亟待解決的問題。通常認(rèn)為,臭氧化過程中溴酸根離子的生成途徑有兩種:一是臭氧分子直接氧化溴酸根離子,一是羥基自由基(OH)氧化溴離子生成的。除了水中溴離子濃度外,影響溴酸鹽生成的因素主要還有臭氧投加量及投加方式、pH、堿度、
9、溫度、NOM等。有研究表明,水中溴離子濃度增加,臭氧投加量增加,水溫和pH值增加,都有助于溴酸鹽生成,因此,降低臭氧投加量,優(yōu)化臭氧投加方式,降低pH值,加氨,加H2O2等措施都可以減少溴酸鹽的生成量。2.1分析水中溴離子濃度,合理選取臭氧投加量水中溴離子是生成溴酸鹽的主要原料,其濃度對(duì)溴酸鹽生成量產(chǎn)生直接影響,因此了解水中溴離子濃度是控制溴酸鹽的首要前提,遺憾的是溴離子濃度是非常規(guī)檢測項(xiàng)目,水廠日常水質(zhì)化驗(yàn)是不檢測的,一般來說,很難評(píng)價(jià)溴酸鹽生成風(fēng)險(xiǎn)。早期設(shè)計(jì)僅憑工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范設(shè)定臭氧加量,致使設(shè)計(jì)投加量過大,造成臭氧設(shè)備閑置。如南方某水廠臭氧活性炭工藝上馬較早,對(duì)溴酸鹽的認(rèn)識(shí)不足,未對(duì)原水
10、溴離子濃度和溴酸鹽潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)際運(yùn)行表明,臭氧投加量超過設(shè)計(jì)投加量50%時(shí),出水溴酸鹽就會(huì)超過10g/L,造成近半數(shù)臭氧設(shè)備閑置。經(jīng)檢測,原水溴離子濃度已高達(dá)150g/L,可見,分析原水中溴離子濃度對(duì)控制溴酸鹽生成是必不可少的前提工作。地表水中溴離子主要來自礦物質(zhì)溶解、采礦廢水,化雪及海水入侵。調(diào)查顯示,地表水中溴離子濃度一般范圍為14.7g/L200g/L。當(dāng)水中含有一定濃度溴離子時(shí),采用臭氧活性炭工藝幾乎不可避免地生成溴酸鹽。盧寧等人對(duì)上海長江原水溴酸鹽風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn),研究表明,在臭氧初始溶解濃度1.6mg/L、25、pH 7.3、溴離子濃度100g/L條件下,長江原水經(jīng)臭氧
11、化30min后就生成了15.2g/L,超過國家10g/L限值。這說明長江原水經(jīng)過臭氧化后存在產(chǎn)生溴酸鹽的風(fēng)險(xiǎn)。由于原水水質(zhì)不同,水中污染物含量差別較大,采用相同臭氧投加量,氧化含有相同濃度溴離子的原水,溴酸鹽生成量也會(huì)所差別。因此,在上臭氧活性炭工藝前,針對(duì)不同原水,需進(jìn)行小試或中試實(shí)驗(yàn),合理選取臭氧投加量,以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行。2.2優(yōu)化臭氧投加方式,必要時(shí)投加高錳酸鹽除合理選取臭氧投加量外,臭氧投加方式也是影響溴酸鹽生成量的主要因素。研究表明,通過增加臭氧投加點(diǎn)數(shù)量,縮短臭氧的平均接觸時(shí)間和降低水中剩余臭氧的平均濃度,從而減少臭氧與溴離子反應(yīng)時(shí)的ct值,可以達(dá)到降低溴酸鹽生成量的目的。
12、李繼等人【6】研究表明以單點(diǎn)投加臭氧生成的溴酸鹽為基準(zhǔn),采用2個(gè)投加點(diǎn),可使溴酸鹽生成量減少1/3;采用3個(gè)投加點(diǎn)可使溴酸鹽生成量減少40%,繼續(xù)增加投加點(diǎn)對(duì)溴酸鹽的減少不明顯,最多可以使溴酸鹽生成量降低70%。在實(shí)際工程應(yīng)用中,考慮工程投資和運(yùn)行效果,一般采用投加點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)居多。除此之外,在水廠整個(gè)工藝流程上,臭氧也可采用兩點(diǎn)投加,一是在混合前投加,即預(yù)臭氧,一是后臭氧(主臭氧)。對(duì)于有機(jī)物污染比較嚴(yán)重,且溴離子濃度較高的原水,建議增設(shè)高錳酸鹽投加設(shè)施,必要采取與預(yù)臭氧復(fù)合氧化的方式,減少溴酸鹽的生成。馬軍等人通過研究認(rèn)為投加高錳酸鹽可以降低20%左右溴酸鹽生成量。嘉興南郊水廠(見圖1)和
13、連云港第三水廠均采用預(yù)臭氧和后臭氧,并設(shè)有高錳酸鹽投加點(diǎn),可與預(yù)臭氧復(fù)合氧化,且后臭氧分三段投加,確保出水溴酸鹽濃度小于10g/L要求。2.3添加催化氧化劑有文獻(xiàn)報(bào)道,利用臭氧催化氧化的作用,可提高臭氧的利用效率,有效降低剩余臭氧濃度,減少溴酸鹽的生成。嘉興石臼漾水廠擴(kuò)建工程中就引入該技術(shù),在臭氧接觸池內(nèi)布置了含催化劑的填料,經(jīng)過生產(chǎn)運(yùn)行表明,與單一臭氧氧化工藝相比,臭氧催化氧化技術(shù)有效消減了剩余臭氧量,溴酸鹽也大幅減少,出水濃度均在10g/L以下。濟(jì)南鵲華水廠深度處理工藝也采用了臭氧催化氧化技術(shù)。2.4其他控制措施(1)投加氨溴酸鹽生成機(jī)理可知,溴酸鹽是由臭氧,OH或兩者共同氧化而生成的,其
14、中間產(chǎn)物為次溴酸鹽(HOBr/OBr-)。由于氨能和HOBr反應(yīng)生成溴氨,消耗掉了可生成BrO3-的HOBr,從而控制溴酸鹽的生成量。因此,加氨可以降低溴酸鹽的生成。有研究表明,在一定條件加氨可以降低40%50%以上的溴酸鹽生成量。但投加氨,需要增設(shè)加氨設(shè)備,不但增加成本,建筑物需要防爆,管理比較麻煩,因此未能在工程中得到廣泛應(yīng)用。(2)降低pH值有研究認(rèn)為,pH從8.0降到6.0可以減少50%的溴酸鹽生成量,但對(duì)一般堿度的地表水,新版國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了PH范圍為6.58.5,所以pH只能降低很少,溴酸鹽控制效果不明顯。通過降低pH來控制溴酸鹽生成的方法目前也沒有廣泛推廣,相關(guān)案例鮮少報(bào)
15、道。(3)加H2O2相對(duì)來說,加H2O2對(duì)溴酸鹽的控制效果好,賈瑞寶等人通過對(duì)濟(jì)南某引黃水庫水研究發(fā)現(xiàn),在投加H2O2的臭氧化浮濾池工藝過程中無溴酸鹽產(chǎn)生。但由于食品級(jí)的H2O2費(fèi)用較高,且具有一定的危險(xiǎn)性,貯存運(yùn)輸較為麻煩,管理相對(duì)繁瑣,致使目前水廠深度處理工藝中是很少采用的。濟(jì)南鵲華水廠只在臭氧前預(yù)留了H2O2投加點(diǎn),為控制溴酸鹽的生成留有余地。由上述可知,通過降低pH值、加H2O2,加氨等措施都可以有效地控制溴酸鹽的生成,但都要向水中添加物質(zhì),不僅增加制水成本,還有可能引起其他的水質(zhì)問題和降低臭氧氧化效果,實(shí)際應(yīng)用較少,而合理選擇臭氧投加量和優(yōu)化臭氧投加方式等措施控制溴酸鹽生成是經(jīng)濟(jì)合理
16、、簡單易行的,目前已在水廠中得以廣泛應(yīng)用。3 確保中間提升泵房安全運(yùn)行的有效措施及工程應(yīng)用由于水力高程的限制,在現(xiàn)有常規(guī)處理工藝流程后增加臭氧-活性炭濾池必須設(shè)置中間提升泵房。但在臭氧活性炭工藝設(shè)計(jì)時(shí),往往忽視提升泵房吸水井容積大小的考慮,如果吸水井容積較小,吸水井內(nèi)水位變幅較大,且頻率較高,造成水泵頻繁開停,加上水泵沒有變頻調(diào)速,大大增加運(yùn)行難度,嚴(yán)重時(shí)無法安全運(yùn)行。國內(nèi)已有許多工程發(fā)生過此類問題,逐步引起相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注,并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。目前主要有四種優(yōu)化措施:增大吸水井容積;水泵采用變頻調(diào)速或大小泵搭配,且水泵配置需結(jié)合生產(chǎn)系列規(guī)??紤];活性炭濾池不采用砂濾池后水反沖,盡量采用炭濾池后水反沖,或屋頂水箱沖洗,以減少吸水井進(jìn)水水量的變化頻率;采用橫流量、恒揚(yáng)程的運(yùn)行模式,并在泵房出水井側(cè)設(shè)回流管和回流調(diào)節(jié)閥,通過吸水井內(nèi)的液位計(jì)來連續(xù)控制回流閥的開啟度。當(dāng)提升流量大于上游來水時(shí),回流管上調(diào)節(jié)閥逐步開大將多余提升水量回流到吸水井內(nèi),以保證吸水井的液位恒定。當(dāng)上下游水量平衡市,回流閥將關(guān)閉。目前前三個(gè)優(yōu)化措施已在供水行業(yè)內(nèi)得到普遍認(rèn)可,并已逐步推廣,近幾年實(shí)施的大部分深度處理工程都已采用。此外,杭州市南星橋水廠技術(shù)改造及擴(kuò)建一期工程采取第四種優(yōu)化措施,確保提升泵房安全運(yùn)行,效果很好。4 小結(jié)在臭氧活性炭廣泛應(yīng)用的過程中,不斷地出現(xiàn)活性炭微生物泄漏、溴酸鹽超標(biāo)、提升泵房
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