臭氧化生物活性炭深度净化饮用水试验研究

臭氧化-生物活性炭深度净化饮用水试验研究摘要：通过色—质联机方法对G厂地表水源及常规处理出水进行了分析和评价，说明该厂地表水源已受到严重的有机污染，采用常规给水处理流程无法去除其中的有毒、有害有机物。臭氧接触氧化—生物活性炭吸附降解—木鱼石过滤流程的动态小试结果表明，该流程能够控制和消除水中微量有机物的污染，可提供安全的优质饮用水。关键词：饮用水；臭氧化；生物活性炭；木鱼石；深度处理ExperimentalStudiesonAdvancedPurificationonDrinkingWaterbyOzonation/BACProcessZHANGJinsong１，WANGJiayin１，WANGBaozhen２(1.ShenzhenWaterSupply〈Group〉Co.Ltd.,Shenzhen518031,China;2.SchoolofMunicandEnviron.Eng.,HarbinUniv.ofCivilEng.andArchitec.,Harbin150008,China)Abstract：ThewaterqualityofsurfacewatersourcefortheGOilRefineryandtheeffluentfromitsconventionalwatertreatmentplantwereanalyzedbyGC/MSmethod.Aheavypollutionofthesourcewaterwasfoundanditcannotberemovedbyconventionaltreatment.Theresultsfromlab-scaleexperimentsbyaprocessofozonation/biologicalactivatedcarbon/Muyu-Stonefiltrationindicatethattheprocesscaneliminatethepollutionandofferasafedrinkingwaterofhighquality.Keyword：drinkingwater;ozonation;biologicalactivatedcarbon;MuyuStone;advancedtreatment1试验原水的水质分析1.1地表水源及常规处理出水的水质按国家饮用水水质标准以及原欧共体(EEC)水质标准［1］，对G厂的水源水和混凝沉淀出水进行水质全面分析，发现水源水和沉淀出水的色度、浊度、肉眼可见物、合成洗涤剂、铁、铜、挥发酚、细菌总数、大肠菌群、CODMn(按EEC标准)均不合标准，其中浊度、铁、合成洗涤剂、细菌总数、大肠菌群和CODMn经过长时间静置沉淀后仍然超标，特别是CODMn长时间静置沉淀后超过EEC标准1.75倍，说明水源的有机污染十分严重。1.2水中微量有机物的分析与鉴定国际上开展饮用水中微量有机污染分析评价以来，色谱—质谱—计算机联机(简称色—质联机)分析方法被确认是能够在复杂样品中鉴定出大量的微量有机化合物，并可将误差降至最低水平的唯一可行手段[2]。对水源水和沉淀水分别进行了富集、浓缩，并应用FINNIGAN—MAT4600色谱—质谱联用仪对水样进行分析和鉴定。1.2.1水源水在水源水中共检出119种有机物，其中对人体有明显毒性的苯及其多元取代物7种，酚类8种，芳香卤代物3种，芳香族硝基化合物4种，稠环类化合物5种，含氮、含硫杂环化合物13种，共计40种，占检出有机物总数的33%。根据美国国家环保局(USEPA)对饮用水中有机毒物的分类，有6种是明确规定的重点污染物，对人体危害极大。另有10种有机污染物的官能团与重点污染物相同，虽然在水中检出频率不高而未列入重点污染物，但对人体危害程度与重点污染物亦相似，可称其为“类重点污染物”［3］。1.2.2沉淀后水水源水经沉砂、混凝沉淀，并且在取样分析前又静置沉淀了7d，浊度降至4.6NTU，接近于滤后水，也是饮用水深度净化系统的原水，水中有机污染物得到一定程度去除，但经色—质联机分析，仍然检出81种有机物，其中苯及其多元取代物3种，酚类7种，芳香卤代物2种，芳香族硝基化合物4种，稠环类化合物3种，含氮、含硫杂环化合物12种，共计31种，占检出有机物总数38%。在上述有机污染物中，USEPA规定的重点污染物有5种，类重点污染物6种。以上色—质联机分析结果表明，G厂地表水源已受到严重的有机污染，采用常规给水处理流程无法去除其中的有毒、有害有机物。根据流行病学和有机物毒理资料，含有上述污染物的水如果长期饮用，对人体健康会造成严重危害。因此，该地表水源经常规给水处理后须再进行深度净化。2深度净化试验及结果2.1深度净化试验针对G厂地表水源有机污染严重、水中硬度偏低这一情况，采用臭氧化—生物活性炭处理后，增加木鱼石过滤流程，以调节水中微量无机元素的含量，使之更符合人体健康需要。为验证处理后的效果，确定有关的工艺参数，进行了室内小型动态试验，试验流程为：原水→臭氧接触氧化→生物活性炭吸附降解→木鱼石过滤→出水试验原水采自该厂供水车间沉淀池出水，经测试，浊度达19NTU，不符合臭氧化—生物活性炭处理工艺的进水水质要求。经长时间静置沉淀，使水中浊度降至5NTU左右，取其上清液移置于原水箱中，作为臭氧化—生物活性炭吸附—木鱼石过滤的原水。经过比较和调整，采用图1所示试验装置，工艺参数如下：进水流量Q＝80mL/min；臭氧投量D＝3.2～3.6mgO.3/L；臭氧接触反应时间t1＝15min；活性炭吸附过滤时间t2＝20min；木鱼石过滤时间t3=10min。2.2试验结果对水源水、沉淀出水、臭氧化—生物活性炭吸附出水、木鱼石过滤出水进行了水质全面分析，并对上述4种水样分别进行色—质联机分析。结果表明，原水经过臭氧化—生物活性炭吸附—木鱼石过滤后，有机物的综合指标大幅度降低，水中致癌、致畸、致突变有机物全部被消除，同时水中浊度、色度和CODMn进一步降低，水中以硬度为代表的有益矿物质以及微量元素锶、锂等则明显增加，说明经过深度净化完全达到了消除污染和改善水质的目的。2.2.1产生色度和浊度物质的去除经过静置沉淀，水中色度和浊度都大幅度降低，色度由18度降至10度，浊度由19NTU降至4.6NTU，经过深度净化水的色度变化见图2，浊度变化见图3。由图2和图3可见，尽管经过长时间静置沉淀，原水的色度、浊度都已降至很低，但深度净化工艺仍然对水中产生色度和浊度的剩余物质有很高的去除率，使最后出水色度和浊度均达到0，说明经过深度净化，水质在感官方面完全达到了优良的标准。2.2.2CODMn的去除对水源水和沉淀出水两种水样的色—质联机分析发现，水中含有苯及其同系物、酚类、酰胺、脂肪烃等有机物多达百余种，含量微小，不易做到单项定量检测，因此采用CODMn这一综合指标代表有机物的量,其去除效果见图4。由图4可见，原水经过臭氧化—生物活性炭吸附、降解—木鱼石过滤后，最后出水中CODMn大幅度降低，去除率达70%，即从进水的4.64mg/L降至出水的1.40mg/L，低于原欧共体(EEC)规定的标准(2.0mg/L)。根据以往研究结果，当水中CODMn2.0mg/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。2.2.3水中硬度及其他无机物的变化为了改善和调节水中矿物质的含量，同时截留、滤除生物活性炭出水中脱落的生物膜、原生动物及水流挟带的活性炭碎屑，在生物活性炭柱后设置了木鱼石滤柱。木鱼石是一种细晶铁质白云岩，SiO2、CaO含量较高，并且富含微量元素Sr、Li等，与水接触后能溶出对人体有益的微量元素Sr和H2SiO3，并且能使水中硬度增加。试验发现，通过木鱼石滤床过滤，能溶出一定量的钙、镁，增加水的硬度，主要是碳酸钙和碳酸氢钙组成的暂时硬度，同时析出锶、锂、锌、锗、钴、铍、偏硅酸等多种对人体有益的矿物质和微量元素。从而在去除污染的同时，也使水中的有益成分得到调控。深度净化后水中硬度变化见图5。可见，水中硬度经过臭氧化、活性炭吸附后变化不明显，但经过木鱼石过滤，硬度由70mg/L增至98mg/L，增加了40%。在硬度增加的同时，水中的镉、铬、铅等重金属元素的含量基本不变或略有降低。这说明经过深度净化，改善和调节了水中有益无机元素的含量，锶含量增至80～150μg/L，同时并没有使重金属含量增加，不会产生新的污染。2.3深度净化水的色—质联机分析与评价原水(即沉淀后出水再经过长时间静置)经过臭氧化—生物活性炭处理后，其水样经色质联机分析，仅有2种有机物检出，基本上属于无毒或毒性很低的物质。木鱼石滤柱出水水样的色—质联机分析结果与臭氧化—活性炭出水基本相同，但离子强度(RIC)值有所降低。将水源水沉淀后出水、臭氧化—活性炭出水和木鱼石滤柱出水的总离子流色谱图进行比较可以发现，深度净化后水中有机物浓度已大幅度降低，在谱图上只剩下2个峰且均非重点污染物。综上所述，G厂饮用水深度净化不仅必要而且切实可行。色—质联机的分析说明，深度净化能够控制和消除水中微量有机物的污染和危害，可提供安全的优质饮用水；水质全分析数据则揭示，经深度净化后，水质不仅符合国家饮用水水质标准，而且完全符合原欧共体(EEC)的先进标准。3结论①G厂地表水源已受到严重的有机污染，常规给水处理工艺无法去除其中的有毒、有害有机物，必须进行深度净化。②原水经过臭氧化—生物活性炭吸附、降解—木鱼石过滤后，出水中CODMn从进水的4.64mg/L降1.40mg/L，去除率达70%。同时，色—质联机的分析也说明，深度净化能够有效控制和消除水中微量有机物的污染和危害。③通过木鱼石滤床过滤，能溶出一定量的钙、镁，增加水的硬度，同时析出锶、锂、锌、锗、钴、铍、偏硅酸等多种对人体有益的矿物质和微量元素，从而在去除污染的同时使水中的有益成分得到调控。