活性炭在洁净饮用水处理中的作用

随着水污染日益严重,大量的污染物尤其是有机污染物通过不同的方式进入水体,饮用水水源受到日趋广泛的污染。目前,世界上大多数国家,特别是发展中国家的饮用水净化基本上采用“混凝→沉淀→砂滤→投氯消毒”的常规处理工艺,虽然能够使水澄清、消除水传染病原菌,但是现代工业产生的许多有毒、有害物质,特别是大量有机污染物并不能得到很好的去除,对人类健康构成了威胁。洁净饮用水处理技术是针对臭氧、活性炭、生物活性炭、紫外消毒等单元工艺去除水中微量有机物效果进行的研究。特别是把生物工程应用到活性炭上,当活性炭载上活性生物菌种以后,使活性炭既有原来的吸附作用又有生物降解的作用,大大地提高了去除微量有机物的效果。研究结果表明这是一种先进的饮用水深度净化工艺,可有效地提高水处理的效果,满足健康优质饮用水基本的要求,技术上是可行的。

1 方法原理
1.1 基本原理
研究采用的是“絮凝沉淀、臭氧氧化、生物活性炭吸附、紫外消毒”等单元方法的优化组合。这四个单元的主要功能是:①絮凝沉淀:物理处理方法,去除水中泥沙等大量杂质。②臭氧氧化:可以使大部分有机物转化为臭氧氧化中间产物。③生物活性炭:它既有活性炭吸附的功能,又有生物降解的功能。④紫外消毒:其功能是杀死微生物病菌,保证饮水健康。
1.2 生物活性炭去除水中微量有机污染物的原理所谓生物活性炭就是以活性炭为载体进行生物膜的培养和驯化后得到的可以降解水中有机污染物的活性炭。生物膜表层膜内栖息着大量好氧性生物、细菌、原生动物和后生动物,形成了有机污染物—细菌—原生动物(后生动物)的食物链,通过细菌的代谢活动,水中有机污染物的降解是在好氧生物膜内进行的,好氧降解有机物的效率高、速度快。该工艺还充分利用了生物活性炭的优良的吸附性能,特别能有效的吸收水中产生臭和味的有机物,给微生物的生长创造了良好的条件。

1.3 臭氧氧化法处理水中有机污染物的原理
研究将陶粒滤料添装在臭氧氧化反应柱中,目的是提高臭氧的利用率、增强臭氧氧化阶段去除有机物及原水色度和浊度的能力,以减轻后续生物活性炭处理阶段的负荷。羟基自由基氧化反应可分为两类:除氢反应、加成反应,羟基自由基更易与芳香族化合物或不饱和烃类化合物发生加成反应,终将其氧化成二氧化碳、水、以及小分子羧酸等无害物质。还生成一些短链的中间有机物,就容易被生物降解或被活性炭吸附除去。
2 实验部分
2.1 试验流程
本研究经优选终采用“絮凝沉淀→沙滤→臭氧氧化→生物活性炭→紫外消毒”工艺流程处理有机微污染水,试验流程见图1。
图1 水处理流程示意图
2.2 主要设备、材料和试验运行参数
(1)主要设备:臭氧发生器、紫外消毒器。
(2)主要材料:活性炭、生物活性炭。
(3)试验运行参数:(略)。
3 实验结果分析
3.1 实验水的水质分析
实验用水取自A河水,经絮凝、沉淀处理后沙滤而成,进行全面的水质分析,其结果见表1。按照“地面水环境质量标准”对实验水的分析结果进行评价,发现实验水的CODMn、色度、浊度、细菌总数、大肠菌群均超过三类水的标准,说明水源的有机污染十分严重。因此把该实验水作为目标原水进行深度处理技术研究。
3.2 实验水的微量有机物的分析与鉴定
对实验水进行富集、浓缩预处理,然后应用色谱—质谱联用仪进行分析和鉴定。结果在实验水中共检出69种有机物,其中对人体有明显毒性的苯及其多元取代物4种,酚类3种,芳香卤代物3种,芳香族硝基化合物4种,稠环类化合物2种,含氮、含硫杂环化合物2种,共计18种,占检出有机物总数的31%。根据美国国家环保局(USEPA)对饮用水中有机毒物的分类,A河水已受到严重的有机污染。
 
3.3 臭氧氧化—生物活性炭—紫外消毒系统去除
污染物实验
上面已经分别研究了单个单元处理水中微量污染物的试验,即臭氧氧化单元、活性炭单元、生物活性炭单元处理水中微量污染物的试验效果。由于单个单元处理水中微量污染物都有一些局限性,经试验把各单元进行科学的组合来处理水中微量污染物。佳组合的流程见图1。各种实验结果:
(1)对浊度、COD、NH3-N、三氯甲烷的去除试验:系统连续运转三个月,运转期中每隔日定时采样检测浊度、COD、NH3-N、三氯甲烷(CHCl3)等指标的浓度,试验结果见表2。
从表2中看出系统的去除率COD达86.7%、浊度达90%、NH3-N达91.1%,其去除能力远比单个单元即纯活性炭、纯生物活性炭、纯臭氧的能力要高。系统中臭氧—陶粒装置在运行过程中陶粒表面也有生物膜生成,对水中有机物的降解和细微悬浮物的过滤也有一定的作用。试验水经过臭氧化—生物活性炭吸附、降解、过滤后,后出水中CODMn大幅度降低,去除率达86.7%,即降至出水的1.68 mg/L。根据前人的研究结果,当水中CODMn<2.0 mg/L时,水中微量有机物基本都低于致病、致害的阈值,在加氯消毒后,亦不致产生有机氯代物。从表中看出,特别可喜的是采用该技术流程,实验中没有检出三氯甲烷。
表2 臭氧生物活性炭紫外系统去除浊度

    (2)致突变(Ames)试验。①试验样本:经絮凝、沉淀、过滤后的水;经臭氧—生物活性炭柱出水。②试验方法:(略)。③结果:TA100菌株在各水样中均未表现出Ames试验阳性。④TA98菌株的试验结果(略)。实验水经过臭氧—生物活性炭工艺处理后,由致突变阳性转变为致突变阴性。经该系统处理后的水没有致突变性的疑虑了,是安全可靠的饮用水。
(3)对水中细菌的去除试验。系统对水中细菌的去除是极有效的,试验水中细菌总数为4300个/L,总大肠菌群100个/mL,采集紫外消毒器出水,作细菌实验,结果为水中细菌总数为10个/L,总大肠菌群小于3个/L。达到国家饮用水标准。
(4)对消毒副产物(CHCl3和CCl4)的去除试验。CHCl3和CCl4是自来水加氯后生成的主要消毒副产物,是致癌物,所以引起世界各国的重视。国外发达国家现在不以氯作为自来水的消毒剂,消除了这个隐患。实验表明,采用该技术来处理微污染水的情况下没有检出三氯甲烷。但是,我国大部分自来水厂还是以氯作为自来水的消毒剂。因此,本实验特意在原水中加入一定浓度的CHCl3和CCl4有机物,研究臭氧—生物活性炭系统对CHCl3和CCl4的去除作用。通过气相色谱分别测定试验进水和通过系统后出水的CHCl3和CCl4的含量,探讨臭氧—生物活性炭系统对消毒副产物的去除率,其结果如表3。
表3  CHCl3和CCl4在系统的进水和出水的浓度

   由表3可看出,通过臭氧—生物活性炭工艺,能够去除有毒有害副产物CHCl3和CCl4。
(5)对有机污染物—多环芳烃的去除试验。多
环芳烃是一大类重要的有机化合物,其中有几个化合物毒性很大,甚至是致癌物质。对原水、实验水、臭氧化柱出水、生物活性炭吸附柱出水这4种水样采用色—质联机对多环芳烃进行分析。结果表明,原水经过絮凝、沉淀、过滤、臭氧氧化、生物活性炭吸附后,有机物的综合指标大幅度降低,水中致癌、致畸、致突变的有机物——多环芳烃被去除。达到饮用水标准要求。同时水中浊度、色度和COD进一步降低,细菌指标达到国家饮用水标准,说明经过本系统深度净化达到了消除污染和改善水质的目的。
4 结 论
(1)“臭氧氧化—生物活性炭—紫外消毒”系统对水中的浊度、COD、NH3-N有很好去除效果,去除率分别为90.0%、86.7%和91.1%。
(2)当进水水质为有机物超标2~3倍(CODMn≤12~18 mg/L),其他指标优于三类的地面水时,出水水质的CODMn≤1.8 mg/L。
(3) Ames试验证实该系统可以使水体致突变阳性转为突变阴性,对保障人民身体健康起到极好的作用。
(4)采用本系统处理后的水不含三氯甲烷。Ames致突变试验呈阴性。在特定添加了有机物——CHCl3和CCl4情况下,表明本系统可以去除水中的CHCl3和CCl4。
(5)本系统的生物活性炭单元寿命长,运行三个月,未经反冲,其除COD效果一直保持良好。经本系统处理后的水微生物指标(细菌总数、大肠菌群)都达到了卫生饮用水标准。
(6)整个系统的工艺流程简单,有望成为一种高效低耗的水质净化新工艺。