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臭氧生物活性炭技术在我国饮用水深度处理的研究进展

发布时间:2021-06-08 17:01所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:本文系统梳理了我国实施水专项前后在臭氧生物活性炭技术领域的研究成果,主要介绍了臭氧生物活性炭技术在我国的应用情况与研究现状,并将该技术凝练为臭氧投加优化控制、活性炭吸附池结构与工艺选择、活性炭选择、更换与再生、溴酸盐控制技术和生物风

  摘要:本文系统梳理了我国实施水专项前后在臭氧——生物活性炭技术领域的研究成果,主要介绍了臭氧——生物活性炭技术在我国的应用情况与研究现状,并将该技术凝练为臭氧投加优化控制、活性炭吸附池结构与工艺选择、活性炭选择、更换与再生、溴酸盐控制技术和生物风险预防与控制技术五类技术进行简要阐述,最后提出了该技术的未来发展趋势。

  关键词:饮用水;臭氧—生物活性炭;深度处理

臭氧生物

  近几十年来,随着我国工业化的迅速发展以及城市化进程的加剧和人口数量的大幅度增长,水源日益受到城市污水、工业废水以及农业灌溉用水等不同程度的污染,这给饮用水的处理带来了一定的困难,也给人们对饮用水的使用安全带来了威胁。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)自2012年7月起全面实施并强制执行后,大量实例表明,自来水厂传统的常规水处理工艺无法适应现有水源的变化和满足水质标准的提高。

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  为了有效的去除原水中的有机物,尤其是水中新出现的微污染有机物,保障广大人民群众的饮水安全和身体健康,持续提升我国饮用水安全保障能力,需要开发新的组合工艺和深度处理技术对饮用水进行处理。目前,我国对给水深度处理技术进行全范围内的推广应用。据不完全统计,截止2019年,中国给水深度处理的日处理水量达到了4000万m3/d,占城市供水总量的1/3以上[1]。其中运用得最为广泛的深度处理技术就是臭氧—生物活性炭技术。

  1.臭氧-生物活性炭技术在我国的研究现状

  1.1臭氧-生物活性炭技术的研究进展

  在我国水专项实施前,该技术处于技术尝试与探索阶段,即在20世纪80年代,我国净水厂开始采用了臭氧—生物活性炭技术进行饮用水的深度处理,主要以原水中较高浓度有机物、氨氮为主要处理目标[2],通过臭氧——生物活性炭技术,实现有机物和氨氮的去除,当时只有极少数大型企业的净水厂开始采用。北京田村山水厂[3]是我国第一座采用臭氧——生物活性炭技术进行深度处理的中型城市自来水厂,建设规模为17万m3/d,1985年投产运行,该水厂处理工艺对浊度、CODMn及臭味的去除效果良好,出水水质满足要求,运行稳定。

  1986年开始建设北京市第九水厂,分三期建设,建设总规模150万m3/d,均采用了活性炭技术,取得较好的出水水质,有效改善了首都供水的水质。昆明市六水厂南分厂针对滇池水源低浊高藻特征,于1996年底建成了10万m3/d的以臭氧—生物活性炭技术为核心的深度处理厂,调试正常投入运行后处理效果良好[4]。由于技术在各方面还未成熟,处理成本较高,没有得到大规模的推广与运用。随着我国研究人员对技术的不断深入了解与研究,进入21世纪以来,臭氧——生物活性炭技术迅速发展。

  在“十一五”期间,臭氧—生物活性炭技术处于技术成熟与示范阶段,可有效处理微污染原水、高藻水、含溴离子原水等,应用形式和改进方案也逐渐呈现多样化特征。以高藻和高有机物、高氨氮和高有机物、高嗅味和高溴离子、微污染等原水水质以及湖泊型、江河型、引黄河水库、南方湿热地区等水源类型作为问题导向,通过有机物去除和微生物作用的协同原理、工艺设计与优化如臭氧接触池设计、短流程工艺、上向流活性炭工艺等以及臭氧化副产物溴酸盐、微生物安全等次生风险控制技术研究,在平湖古横桥水厂(4.5万m3/d)、无锡中桥水厂(15万m3/d)、济南鹊华水厂(40万m3/d)、上海临江水厂(60万m3/d)、东莞第二水厂(1万m3/d)、沙头角水厂(4万m3/d)、深圳梅林水厂(60万m3/d)、广州南洲水厂(100万m3/d)等一大批水厂进行了分散式单点工程的示范应用。“十二五”期间是工艺衔接与集成应用阶段。

  臭氧——生物活性炭技术可根据原水水质特征、出水水质要求进行动态调节,以满足不同的处理目的。对太湖流域为代表的长三角地区,如江苏、浙江、上海等典型城市、南水北调受水区,如山东、京津冀等进行了应对复杂水质下臭氧——生物活性炭技术为核心的水厂工艺集成以及多级屏障的协同效应,在江苏、上海、深圳为代表的大中城市进行了全面推广和大规模应用。

  “十三五”期间是技术处于标准化及推广应用阶段。通过梳理、总结、凝练水专项实施前后臭氧—生物活性炭技术的研究成果与各示范工程的应用现状,进行补充完善技术的评估和验证后,对成熟度高的技术进行下一步的标准化、规范化,进一步提高臭氧—生物活性炭技术的产业化水平,形成系列化、可复制、可推广和可持续的饮用水安全保障整体解决方案,全面支撑我国的饮用水安全保障工作。

  1.2臭氧-生物活性炭技术的技术分类

  水专项实施以来,臭氧——生物活性炭技术的研究主要集中在臭氧投加优化控制、活性炭吸附池结构与工艺选择、活性炭选择、更换与再生、溴酸盐控制技术、生物风险预防与控制技术五个方面,取得了一批重要技术成果,形成了一系列标准规范技术指南等科技成果。该技术在关键技术突破、集成优化提升和产业化支撑方面,破解了臭氧——生物活性炭技术针对我国不同水源水质应用的障碍,极大促进了大规模推广应用,有效提升了受污染水源的饮用水水质。

  1.2.1臭氧投加优化控制

  针对需臭氧量没有准确、实用的测量方法,导致臭氧投加量随意性较强,且臭氧接触池在实际设计和运行中,存在臭氧投加量、臭氧投加点和投加比、臭氧接触池水力停留时间等设计参数,以及相应的运行参数都缺乏有效的依据,只是参考已有的设计和运行经验。在臭氧投加的原则上,已通过臭氧化功能的定位和水质与投加量的关系,建立了臭氧投加量优化的原则,依据原水水质和出水水质指标,量化控制臭氧投加量。

  该技术已列入《臭氧—活性炭深度净水工艺设计与运行管理技术规程》,并成功应用于南洲水厂示范工程中。在臭氧的传质以及臭氧的反应动力学上,结合流体力学、臭氧传质动力学和臭氧反应动力学,建立了臭氧接触池数值模型,并在此基础上建立了臭氧投加量、投加比和水力停留时间的优化方法,目前已完成实验室验证研究工作,拟开展中试和实际水厂的验证工作。[1]

  1.2.2活性炭吸附池结构与工艺选择

  针对生物活性炭吸附池在池型选择、设计关键技术、运行管理注意点等问题,根据水专项期间多年的臭氧—生物活性炭技术设计经验和相关工程实例,对臭氧——生物活性炭技术的活性炭吸附池前置、后置以及上向流、下向流的优缺点进行分析,结合水质和处理目标确定相应活性炭吸附池池型和工艺流程。为活性炭吸附池的设计应用提供技术参考。已重点突破了臭氧——微膨胀上向流生物活性炭、双层滤料升流式曝气生物活性炭滤池[1]、炭砂滤池短流程深度处理[1]等技术,且该技术在济南鹊华水厂、东莞第二水厂得到了示范应用,提高了在实际工程设计与运行管理的可操作性,对于臭氧活性炭深度处理水厂的设计具有重要的指导意义。

  2.臭氧-生物活性炭技术的发展趋势

  臭氧—生物活性炭技术具有应用范围广、水源水质针对性强、水质保障能力强、出水稳定性高、技术成熟等优点[7],在饮用水的深度处理中效果显著,值得大规模进行的工程推广应用,如何对该技术进行扬长避短,完善该技术的不足仍需研究人员进一步深入的研究与探讨。根据水专项相关成果以及实际工程现状的调研,将臭氧—生物活性炭技术的发展前景归纳为以下几点:

  2.1臭氧投加量的研究

  臭氧投加量是臭氧——生物活性炭技术的关键点之一,投加过多或过少的臭氧都会导致生物活性炭出水水质变差,这表明原水水质、臭氧及生物活性炭装置的停留时间、滤速、臭氧投加量和臭氧浓度之间存在一定的关系,但目前尚无通过数学分析计算最佳臭氧剂量的方法。尽管相关的规范或准则已经定义了一些过程工艺参数,但当原水水质复杂时,必须根据原水水质通过测试再次确定,给设计人员带来不便。因此,有必要对现有的实验研究和实际工程案例进行全面的调研、统计和分析,创建一个数据库,阐明过程参数与处理效果之间的关系,确定数学系统模型,提出确定合理的工艺参数。

  2.2活性炭使用的研究

  臭氧—活性炭工艺的运行与处理效果受活性炭的影响。生物活性炭的运行效果受诸如水温、pH、菌种、滤速、反冲洗强度与周期、使用年限和其它因素的影响,活性炭性能会因此发生变化。尤其是在微生物挂膜期间,需要进一步探究活性炭生物膜的合适生长条件,筛选、驯化优势菌种等。对于活性炭颗粒的大小、表面化学性质、电子状态以及对细菌的附着力等确切机理的进一步研究,可以更好的固定化生物活性炭,延长生物活性炭的寿命。此外,在判别活性炭失活后进行再生时,关于生物活性炭的再生机理、再生时间也没有统一的结论。

  2.3水生微型动物控制的研究

  对于南方湿热地区,微型动物繁殖和穿透问题一直是臭氧活性炭深度处理工艺的一个难题,由于国际国内的饮用水水质标准中没有微型动物的相关要求,因此,对水生微型动物的研究起步相对较晚。在过往的水专项研究中,也形成了一系列深度处理工艺微型动物风险控制集成技术,并进行了工程的示范应用。但这些集成技术存在一定的局限性,即控制点相对较多,增加了运行管理工作量;目前只在珠江下游地区应用,其他地区的效果有待进一步验证。因此有必要继续研究深度处理技术对水中微型动物的控制,打破现有技术存在的局限,进一步进行成果的推广验证。

  3.结语

  从我国各地水厂的实际运行情况来看,臭 氧—生物活性炭技术在水厂的深度处理工艺中扮演着重要的角色。在今后的技术研究与推广应用中,需充分考虑进行饮用水深度处理的成本效益问题,从我国目前的经济发展状况出发,进行全面规划和整体设计。因此,我们需要继续深入研究,不断总结已有的工作经验,同时吸取学习国外的先进技术,以寻求更具成本效益和处理效率的饮用水深度处理方法。

  参考文献:

  [1]王占生,孙文俊.我国给水行业深度处理发展趋势[C].给水排水,2019

  [2]JamesP.Malley,T.TaylorEighmy,M.RobinCollins,etc.ThePerformanceandMicrobiologyofOzone-EnhancedBiologicalFiltration[J].AmericanWaterWorksAssociation.1993,85(12):47~57

  [3]王胜军,董红,郄燕秋等.田村山水厂改扩建及实际运行效果分析研究[J].给水排水,2012,38(s2):103~106

  [4]左金龙,崔福义,赵志伟等.国内外臭氧活性炭工艺在饮用水处理中的应用实例[J].中国给水排水,2006,22(10):68~72

  [5]张金松,刘丽君.饮用水深度处理技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2017

  作者:黄美心1 邹苏红2 张金松2

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