臭氧活性炭组合工艺在污水再生中的应用陈燕青

天津城市建设学院学报第16卷第4期2010年12月JournalofTianjinInstituteofUrbanConstructionVol.16No.4Dec.2010收稿日期：2010-09-02；修订日期：2010-10-09基金项目：建设部基金项目(2008ZX07314-003)作者简介：陈燕青（1986—），男，河北沧州人，天津城市建设学院硕士生.环境与市政臭氧-活性炭组合工艺在污水再生中的应用陈燕青，苑宏英，李银磊(天津城市建设学院环境与市政工程系，天津300384)摘要：臭氧-活性炭组合工艺应用于各类污水的再生中，如城市污水，工业废水，养殖废水和食品废水等．各种数据表明，该组合工艺对COD，TOC，UV254，氨氮，色度等指标有很好的去除效果．其中对色度的去除最明显．根据污水处理过程中遇到的各种问题，如处理费用高，出水细菌超标，NO-3-N去除效果不理想等，臭氧-活性炭组合工艺常和其他工艺技术联用，如混凝沉淀，气浮等预处理技术、膜分离技术、反硝化生物滤池、高级氧化技术等．臭氧-活性炭组合工艺是一种新型高效的水处理方法，具有较大的应用和推广价值．关键词：臭氧活性炭；污水再生；高级氧化；反硝化生物滤池中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1006-6853(2010)04-0289-05随着经济的迅速发展，城市人口的不断增加，人民生活水平的迅速提高，以及工业化步伐的加快，城市用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，这些都加剧了水资源的短缺和水环境的恶化．根据建设部统计，2006年全国655个设市城市的污水排放量为362.5×108,m3，处理污水总量为202.6×108,,m3，污水处理率达55.7%，污水再生利用总量达9.6×108,m3，仅占处理量的4.74%．因此，在加大节水力度的同时，应积极开展污水资源化研究，提高污水回用率，从而实现城市水资源的可持续利用．水资源回用是实现污水资源化的直接措施，是解决城市水资源危机的重要途径，是保护水资源、改善水环境的必然要求，也是协调城市水资源与水环境的根本出路．污水的再生处理技术是在二级生物处理的基础上，对污水进行消毒、混凝—沉淀—过滤、活性炭吸附、曝气生物滤池、人工湿地、高级氧化、膜处理(包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等)和电渗析、离子交换等[1]．臭氧活性炭组合工艺是由臭氧氧化、活性炭吸附和活性炭上的生物降解三种反应协同作用的结果．臭氧具有强烈的氧化作用，氧化分解水中的有机物及其他还原性物质，氧化使水中难生物降解的有机物断链、开环，提高其可生物降解性能，并且氧化后水中有机物极性提高不易被活性炭吸附，降低了生物活性炭的吸附负荷．另外，臭氧化后水中溶解氧丰富，有利于微生物的生存繁殖，活性炭表面得以再生，即延长了活性炭的再生周期．臭氧活性炭工艺被认为是二十一世纪在水的深度处理方面，最有发展前途的工艺之一．1臭氧活性炭工艺在城市污水中的应用在我国北方干旱地区城市污水的再生回用日益普遍，将城市污水经处理后回用于农田灌溉、喷洒道路、冲厕、绿化景观和补充地下水等已有工程实践，北京、天津、沈阳、西安、青岛和大连等城市相继建设了污水回用工程．我国二级出水中大多为难降解有机物，可生化性很差，要实现较高的去除效率，必须首先改善其可生化性，才能充分发挥后续生化工艺净化有机物的潜力[2]．蒋以元等[3]利用臭氧生物活性炭工艺对某污水厂回用系统(采用混凝沉淀和砂滤组合工艺)的水进行深度处理．结果表明：在试验条件下，臭氧能够将大分子、难降解有机物分解为小分子、易降解的有机物，提高了水质的可生化性，所以臭氧-生物活性炭工艺能显著去除水中的有机物，改善出水水质．在臭氧消耗量和反应时间分别为5,mg/L和10,min，BAC空290天津城市建设学院学报2010年第16卷第4期床停留时间(EBCT)为10,min的条件下，对CODMn、DOC、UV254和色度的平均去除率分别为32.4%、29.2%、48.6%和80.1%，出水CODMn、DOC、UV254和色度平均值为3.3,mg/L、4.0,mg/L、0.05,cm-1和2.0倍．袁志容等[4]以西安市北石桥污水处理厂二级出水为研究对象，通过臭氧生物活性炭(O3-BAC)工艺进行了以污水再生为目的的城市污水深度处理中试试验，其运行参数如表1所示．表1试验工艺的运行参数活性炭生物滤池臭氧接触器项目数值项目数值滤池高度/m1.6接触时间/min6.4滤料当量直径/mm1水流流量/L·h-1500活性炭滤料密度/g·cm-31.494气体流量/L·h-1200～300滤层孔隙率/ε0.448臭氧投量/mg·L-11.5～2.5流速/m·h-14.5～11.3反冲周期/h24～48臭氧利用率80%注：臭氧接触器的接触方式为同向流，反映器形式为喷射器型；活性炭生物滤池的反冲方式为气水反冲．由表1可知：O3-BAC工艺能有效去除水中色、臭、味．色度的去除率为92%，出水无异臭味，表现出良好的感官效果．对UV254、TOC的去除率分别为57.9%和25.8%．同时验证了BAC柱中主要是通过微生物的新陈代谢作用对生物可降解性的有机物——主要是水中小分子有机物进行去除，而难降解性有机物仍以TOC的形式存在．2臭氧活性炭工艺在工业废水中的应用2.1在印染废水中的应用印染行业是耗水大户，生产1,kg产品需要消耗0.2～0.5,m3的水，所产生的废水约占整个工业废水的35%．我国印染企业的单位产品耗水量一般是发达国家的3倍左右，而整个纺织行业回用率不足10%．某些印染厂使用的染料有分散染料，活性染料和直接染料，使用的化学药剂有元明粉、保险粉、匀染剂、分散剂、尿素、表面活性剂等．因此，印染废水具有有机污染物含量高、色度深的特点，属于难处理的工业废水．虽然经过处理后达到了国家规定的排放标准，但远远达不到回用的要求，其中含有的物质均属于难降解的大分子有机物质．单纯使用臭氧虽然对印染废水能快速脱色，但是其氧化不彻底，处理水中含有大量的小分子有机物质，因此对CODCr的降低不是很理想，这些小分子有机物质多是有机酸、醛、醇等[5]，对回用效果有不良的影响[6-7]．刘世松等[8]利用臭氧脱色和活性炭吸附联用技术在线连续处理印染加工中的低浓度废水．实验结果表明，利用臭氧-活性炭在线连续处理染色废水有较好的处理效果，在温度为40,℃和中性偏碱的条件下对大部分染料废水脱色率达到90%以上，并能去除大部分的CODCr，有的高达80%以上，对低色度，低浓度废水可以达到快速完全脱色．此组合工艺处理后的水回用于水洗工艺有较好的效果，与常规水洗样品比较，色差很小且色牢度没有下降，基本上达到了常规水洗工艺的品质．张建俐等[9]根据山东淄博某纺织公司水质采用臭氧脱色，活性炭去除COD的二级处理组合系统处理该公司的印染废水．结果表明：臭氧化后原水中的色度(吸光率)从0.25～0.35降低到0.05～0.10，再经活性炭作用后降低到0.01～0.03．COD值由原水中的80～100mg/L降低到60～80,mg/L，又经活性炭作用降低到6～10mg/L．这个结果说明：臭氧活性炭二级处理的效果很好，色度和COD都有很好的降低．根据循环水水质标准，这种水质的水回用到企业的冷却循环系统，不易结垢，且对金属设备的酸碱腐蚀减至最小程度，不会在管道中沉积悬浮物而影响热交换及加速金属设备的腐蚀；菌藻等微生物在水中不易滋生繁殖，从而避免或减少因菌藻繁殖而形成大量的淤泥污垢，防止管道堵塞和腐蚀．2.2在炼油废水中的应用国外炼油企业的吨油耗水量和产生的废水量均很少，废水一般采用三级处理，外排水的污染物浓度很低，废水的回用率高[10-11]．国内炼油污水生化处理虽可达标排放，但因其排放水量大，污染物总量仍很高，仍对水体造成危害．这些废水常含有很多大分子微量有机物，常规深度处理方法无法有效将其去除，从而导致再生水的色度和CODCr等偏高．当再生水用于办公、生活杂用时，必须进一步去除这些物质．而无机离子如钙、镁离子及碱度等因浓度不高则不需脱除，故不宜使用电渗析法、超滤和反渗透，采用活性炭吸附处理较为合适[12]．林穗云等[13]设计了臭氧氧化-生物活性炭深度处理装置，对二级生化处理达标的炼油废水进行深度处理，结果是水质主要指标达到地表水Ⅲ-Ⅳ类水标准：COD≤13,mg·L-1，BOD5≤3.6,mg·L-1，石油类≤0.46,mg·L-1，挥发酚≤0.000,17,mg·L-1，NH4+-N≤0.9,mg·L-1．该水能够循环回用于工业生产，实现炼油污水资源化．何群彪等[14]用臭氧活性炭组合工艺去除炼化废天津城市建设学院学报陈燕青等：臭氧-活性炭组合工艺在污水再生中的应用291水中的微量有机物，达到回用水的目的．进水是经过悬浮载体生物氧化、絮凝沉淀和石英砂过滤后的出水．臭氧投加量在20,mg/L左右，经臭氧活性炭工艺处理后的出水水质优良，可回用到多种领域．进水检测出141种大分子微量有机物，总质量浓度为1,352.8μg·L-1，深度处理后，出水有44种消失，其余物质均有显著的降低，总质量浓度为231.9,μg·L-1，去除率为82.9%．表明该系统去除微量有机物的能力很强．2.3在其他废水中的应用循环养殖废水是具有高营养盐、高有机物含量的污染水体，当其大量排放后可造成水资源浪费、水体恶化及水域环境污染．郭恩彦等[15]采用臭氧-生物活性炭对循环养殖废水进行深度处理中试研究．实验结果表明，臭氧最佳投加量为4,mg/L时，可显著增强水体的可生化性，使TOC/UV254提高80%．臭氧-生物活性炭对循环养殖废水中的有机物和氨氮具有良好的去除效果．臭氧-生物活性炭对TOC、高锰酸盐指数和UV254的最终去除率比生物活性炭分别提高11.9%、13.4%和6.5%．臭氧-生物活性炭和生物活性炭对氨氮的最终去除率分别为96.0%、90.7%．食品工业是我国水源污染大户之一，废水COD排放量中食品工业占11%，居轻工业行业第二位[16]．陈金海等[17]采用臭氧活性炭组合工艺对食品厂废水进行处理，结合实际问题，最终得出臭氧活性炭组合工艺处理食品厂污水的最佳工艺条件为：臭氧处理时间为30,min，臭氧质量浓度为9.6,mg/L，水流量为0.8,m3/h．在最佳条件下，臭氧活性炭组合工艺对COD的去除率为89.8%，对UV254的去除率为97.3%，达到了农田灌溉水质(水作和旱作的灌溉)标准，基本达到蔬菜灌溉用水的标准．3联合工艺及优点3.1与混凝气浮等预处理技术联用臭氧活性炭组合工艺的处理成本比较大，为了提高臭氧的利用率，降低臭氧的生产费用，应对污水进行预处理，降低该工艺的负荷．聂英斌等[18]通过气浮＋生物接触氧化＋臭氧活性炭深度处理的方法处理酒精废水．结果表明：气浮池，生物接触氧化池和沉淀池对COD，BOD，SS和NH4+-N具有良好的去除作用，降低了后续臭氧活性炭池的负荷．李安峰等[19]采用混凝沉淀-生物活性炭工艺，将洗涤废水处理后回用于冲洗车辆，该工艺能够保证出水水质稳定达标．臭氧活性炭组合工艺对砷、铅、镉、铬、镍和锌基本没有去除作用．有文献研究证明[20]，混凝对重金属的去除有很好的作用．所以，在臭氧活性炭工艺之前加混凝沉淀作为预处理工艺，有助于对重金属的去除．3.2与膜分离技术的联用臭氧活性炭组合工艺一般为低浓度臭氧运行，并且要保证活性炭中存在一定的微生物．因此，出水中大肠菌浓度比较高，对大肠菌的去除作用不明显，去除率为99.00%左右．并且有时出水浊度较高[21]．许航等[22]为解决南方河网地区高温、高藻期臭氧生物活性炭工艺出厂水中细菌超标和活性炭颗粒随水流泄漏等生物安全性问题，进行了超滤膜(UF)工艺作为臭氧活性炭出水的安全保障技术的试验研究．结果表明，臭氧活性炭出水中滋生的细菌完全被超滤膜工艺去除．靳文礼等[23]采用臭氧活性炭超滤(O3-GAC-UF)处理石油微污染水，结果表明，超滤对色度、浊度和CODMn的去除率均接近100%．3.3与反硝化生物滤池的联用臭氧活性炭工艺对城市二级出水中的