臭氧-生物活性炭工藝設(shè)計的設(shè)計及運行管理

1、. 【臭氧- -生物活性炭工藝】的設(shè)計與運行管理 臭氧- 生物活性炭工藝的設(shè)計與運行管理金松, 潔, 喬鐵軍(市水務(wù)集團, 518031)摘要: 針對臭氧生物活性炭工藝設(shè)計和運行管理的重點問題,首先對工藝設(shè)計中的活性炭濾料選擇、活性炭濾層構(gòu)造設(shè)計、活性炭池型選擇、臭氧系統(tǒng)選擇、臭氧接觸池優(yōu)化設(shè)計和復(fù)合預(yù)氧化設(shè)計等容進展了研究和總結(jié),并且對工藝運行管理中存在的微生物平安、大型微生物控制、活性炭濾池初濾水管理及pH控制、預(yù)臭氧和主臭氧工藝的運行管理等問題,提出了相應(yīng)的解決方案,以及今后應(yīng)用中應(yīng)重點注意的假設(shè)干問題。關(guān)鍵詞: 臭氧活性炭; 設(shè)計; 運行管理; 微生物平安; 標(biāo)準(zhǔn)深水集團所屬梅林水廠和

2、筆架山水廠的臭氧生物活性炭工藝分別于2005 年和2006 年投入運行,對水廠進一步提高有機物、氨氮的去除效果,降低嗅味,全面改善水質(zhì)發(fā)揮了重要作用。但在實際運行中,也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些國外文獻(xiàn)未曾報道過的新問題,如生物活性炭導(dǎo)致pH值大幅降低,出水有劍水蚤、線蟲等微型動物檢出等水質(zhì)問題。因此,如何通過更好的設(shè)計和運行管理,從技術(shù)上解決這些問題,無論在理論上還是在實踐中均具有非常重要的意義。1工藝設(shè)計1.1活性炭性能指標(biāo)的選擇標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)制造原料不同,活性炭可分為木質(zhì)炭、果殼炭和煤質(zhì)炭等,其中煤質(zhì)活性炭因其具有多孔性和高硬度的優(yōu)點,且來源穩(wěn)定和價格較低,在大規(guī)模水處理工程中得到廣泛應(yīng)用。在水處理工程中

3、,國外多采用不定型炭(主要是壓塊破碎炭) ,而國柱狀炭的應(yīng)用最為廣泛。近些年來,不定型炭(主要是柱狀破碎炭)在國得到越來越多的關(guān)注,并已經(jīng)被應(yīng)用在一些新建水廠中。研究結(jié)果說明,活性炭濾池出水水質(zhì)與活性炭性能指標(biāo)之間具有*種相關(guān)性。根據(jù)分析結(jié)果和實際運行情況,并參考國外活性炭選擇的標(biāo)準(zhǔn),制定了適合于我國南方地區(qū)飲用水中活性炭選擇的性能指標(biāo),如表1所示。1.2活性炭濾層構(gòu)造活性炭濾層厚度一般不低于1. 2 m,根據(jù)要去除的不同污染物,接觸時間在630 min之間,但在一些應(yīng)用中可高于或低于這個圍。通常,以去除嗅味為主時,接觸時間一般為8 10 min; 以去除CODMn為主時,接觸時間一般為121

4、5 min。研究結(jié)果說明,砂墊層對濁度有去除效果,但是去除率不高,當(dāng)砂墊層進水濁度為0. 10 NTU時,濁度的平均去除率為6. 5%;石英砂墊層對高錳酸鹽指數(shù)和氨氮根本沒有去除作用。然而砂墊層對微生物有較好的截留作用?；钚蕴恐诜礇_洗后的運行初期,石英砂墊層能夠有效地截留活性炭出水中的局部細(xì)菌,而運行一段時間后(一般為數(shù)周) ,石英砂墊層就失去了對水中細(xì)菌的截留作用。但是,活性炭柱經(jīng)過再次反沖洗后,石英砂墊層將恢復(fù)對水中細(xì)菌的局部截留作用。因此,為了保障出水水質(zhì),砂墊層的設(shè)計考慮采用濾料級配為0. 81. 2 mm的石英砂,砂墊層厚度為300 mm。從長期生產(chǎn)運行情況看,砂墊層起到了預(yù)期效果

5、。1.3活性炭濾池池型活性炭濾池可以分為重力式和壓力式。重力式活性炭濾池可以采用鋼筋混凝土構(gòu)造,因此在大中型水廠中應(yīng)用通常是經(jīng)濟的。重力式活性炭濾池的構(gòu)造與普通砂濾池相似,只是把濾料層換成了活性炭炭層,但活性炭炭層厚度較砂濾池中的砂層厚。重力式活性炭濾池雖然有利于懸浮物的去除,但為了防止懸浮物和微生物產(chǎn)生的粘液堵塞活性炭濾層,必須重視反沖洗國已建成水廠中的活性炭池型多采用普通快濾池、虹吸濾池、V型濾池、翻板濾池,且在技術(shù)上都是可行的,其中以V型濾池和翻板濾池相對更具吸引力和代表性。1.4臭氧系統(tǒng)選擇臭氧系統(tǒng)由氣源、發(fā)生系統(tǒng)、接觸池、尾氣破壞系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五局部組成 。氣源臭氧氣源主要有三種,即

6、使用成品純液態(tài)氧、現(xiàn)場用空氣制備純氣態(tài)氧和直接利用空氣。為了提高臭氧濃度,同時節(jié)省能耗,降低設(shè)備及管道尺寸,目前較先進的臭氧發(fā)生器多采用前兩種方式制備臭氧,第三種方式適用于臭氧產(chǎn)量較小的場合。臭氧發(fā)生系統(tǒng)臭氧發(fā)生是由臭氧發(fā)生器來完成的,目前使用最廣的臭氧發(fā)生器一般分為石英管和瓷管兩類。臭氧發(fā)生器的備用率一般應(yīng)大于30% ,備用的方式有設(shè)備臺數(shù)備用(硬備用)與設(shè)備發(fā)生能力備用(軟備用)兩種。每臺臭氧發(fā)生器臭氧發(fā)生量的調(diào)節(jié)圍不應(yīng)小于10%100%。接觸池預(yù)臭氧接觸池一般設(shè)1個臭氧投加點,較多采用水射器投加方式,臭氧投量通常為0. 51. 5 mg/L,反響時間為35 min,水中余臭氧一般為零或很

7、少。主臭氧接觸池一般設(shè)多個臭氧投加點(通常為23個) ,采用微孔曝氣投加方式,臭氧投加量通常為1. 53. 0 mg/L (水中余臭氧為0. 20. 4 mg/L) ,反響時間一般不小于10 min。為了保證對隱孢子蟲和賈第蟲的殺滅效果, CT值一般要大于4。尾氣破壞系統(tǒng)尾氣破壞系統(tǒng)是收集臭氧接觸池排出的剩余臭氧并將其分解成對環(huán)境無害的氧(保證排出的氣體臭氧濃度 0. 050. 1 mg/L) ,主要有催化氧化法和加熱分解法,目前兩種方法均得到廣泛應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)預(yù)臭氧投加控制一般根據(jù)水量進展比例投加,投加濃度根據(jù)鐵錳等復(fù)原物質(zhì)含量確定。主臭氧投加控制一般根據(jù)水量和水中余臭氧進展雙因子復(fù)合環(huán)投加

8、控制(水量是前饋條件, 余臭氧是后饋條件) 。1.5臭氧接觸池優(yōu)化設(shè)計為了提高臭氧接觸池效率,采用計算流體力學(xué)作為模擬工具,對A水廠的臭氧接觸池進展了分析和優(yōu)化,結(jié)果說明,原設(shè)計下接觸池廊道的高寬比過大,造成較嚴(yán)重的短流現(xiàn)象, T10 /HRT比值僅為0. 4,說明水力效率較低。通過分析,決定在池適當(dāng)位置增加導(dǎo)流板,以改變池的流態(tài),使流速分布更為均勻,從而減少短流現(xiàn)象。增加導(dǎo)流板后,反響室的流場得到明顯改善,降低了短流現(xiàn)象,大幅提高了水力效率。T10 /HRT的數(shù)值增加到0. 66,比原設(shè)計中的T10 /HRT比值增加了0. 26,相當(dāng)于在原設(shè)計根底上增加了73%。因此,進展臭氧接觸池設(shè)計時,

9、應(yīng)最大限度地提高臭氧接觸池效率。如果條件允許,應(yīng)考慮采用盡量大的高寬比,另外,從曝氣室到反響室的連通處應(yīng)增加穿孔墻,以改變流體進入反響室的流態(tài)。當(dāng)條件不允許時,可考慮增設(shè)導(dǎo)流板。1.6復(fù)合預(yù)氧化工藝當(dāng)臭氧作為預(yù)氧化劑時,能夠去除色度、嗅味,降低三鹵甲烷等氯化消毒副產(chǎn)物含量,對混凝沉淀也有一定作用。但是,臭氧氧化也會對混凝產(chǎn)生不利的影響。一般情況下,臭氧在低劑量下( 0. 4 1. 5 mg/L)可以起到良好的助凝作用,但濃度過高則會使結(jié)果惡化。臭氧還會在水中產(chǎn)生AOC問題,在原水中存在溴離子情況下,會產(chǎn)生溴酸鹽問題,該物質(zhì)是強烈的致癌物質(zhì)。臭氧應(yīng)用的本錢也比擬高。為了發(fā)揮高錳酸鹽和臭氧這兩種氧

10、化劑的優(yōu)點,減少其各自不利的影響,可采用兩者聯(lián)用的復(fù)合氧化技術(shù),其處理效能在一定程度上優(yōu)于單一氧化劑預(yù)氧化,克制了臭氧預(yù)氧化對混凝的不利影響,提高了對有機物、藻類和嗅味的去除效果。研究和生產(chǎn)運行結(jié)果說明,高錳酸鹽和臭氧的復(fù)合氧化作用可以提高處理后水質(zhì),對濁度、色度、藻類、有機物和氨氮等的去除率, 一般均能增加10%以上;有效降低水中可生物降解有機物的含量,提高對AOC的去除,在現(xiàn)有水質(zhì)條件下( TOC為2. 0 mg/L左右時) , AOC去除率可以比單獨臭氧化提高20%30%;可以控制水中臭氧化副產(chǎn)物如溴酸鹽和甲醛的生成。同時,高錳酸鹽的投加,可以節(jié)省其他預(yù)氧化藥劑(氯和臭氧)的投量,節(jié)省混

11、凝劑投量10% 30%,初步核算每噸水可以節(jié)約本錢0. 006元,降低了運行費用。2運行管理2.1微生物學(xué)平安性臭氧生物活性炭技術(shù)的微生物平安性包括以下容:致病性微生物(主要包括病毒、病原菌、兩蟲、攜帶寄生蟲的后生動物等)及代產(chǎn)生的有毒物質(zhì)。從研究和運行實踐來看,臭氧生物活性炭工藝產(chǎn)生了豐富的微生物群落,但在活性炭上并未發(fā)現(xiàn)致病性微生物,且出水中也未發(fā)現(xiàn)明顯致病性微生物。另外,臭氧活性炭工藝可以提高水質(zhì)的生物穩(wěn)定性,能夠改善濁度和顆粒數(shù)的去除效果,有利于保障微生物平安。迄今為止,臭氧生物活性炭技術(shù)還不存在微生物平安問題,但是,對這個問題必須引起足夠重視,同時也要注意加強運行管理。2.2大型微生

12、物控制臭氧生物活性炭工藝為微生物生長提供了良好載體,同時臭氧作用造成的大量營養(yǎng)物質(zhì)使濾池產(chǎn)生了豐富的微生物群落。微生物群落可以表征炭上微生物膜的成熟程度,在群落形成過程中,可能會發(fā)生不斷變化,最后形成以大量菌膠團、原生動物和后生動物等組成的微生物群落。在我國已經(jīng)運行的臭氧生物活性炭濾池和出水中已發(fā)現(xiàn)了一些較大的微型動物,例如紅蟲、劍水蚤、輪蟲以及其他不明微生物,這些動物一方面可能是*些病原微生物的寄主,另一方面會影響水質(zhì)的感觀指標(biāo)。但是目前國外在這方面的研究報道非常少。為了防止因大型微生物過量孳生繁殖而影響水質(zhì),除了要加強上游常規(guī)工藝的管理外,還要定期對活性炭濾池作藥劑浸泡處理,每月一次,可以

13、根據(jù)季節(jié)不同,適當(dāng)延長或縮短周期。一般采用的藥劑有氨、氯、氯胺、食鹽等。2.3活性炭濾池初濾水管理初濾水指從反沖洗完成到濾池過濾性能根本恢復(fù)期間,從濾池所排出的過濾水。研究結(jié)果說明, 初濾水的顆粒數(shù)高達(dá)6 000個/mL,過濾成熟期(35 h)后,顆粒數(shù)可以降低到50個/mL,甚至更低(見圖1) ,因此,要加強初濾水管理。根據(jù)運行經(jīng)歷,過濾初期( 0. 51 h) 、過濾后期和過濾過程中仍存在著出水濁度超標(biāo)的可能。其中,過濾過程濁度超標(biāo)是由于進水水質(zhì)發(fā)生突變和運行管理不當(dāng)造成的,可以通過科學(xué)運行管理解決,過濾后期超標(biāo)可以通過及時反沖洗解決,而解決過濾初期超標(biāo)問題還需要進一步研究,建議設(shè)計時可考

14、慮采用專門的排出管道。214活性炭濾池出水pH水廠出水pH值要控制在一定的圍,低pH值易導(dǎo)致管道及構(gòu)筑物的腐蝕,會影響水的嗅味和感觀;高pH值一般伴隨著高堿度和較高濃度的鈣、鎂等離子,會影響到水處理的管道和器械,顯著增加消毒過程的耗氯量,導(dǎo)致管網(wǎng)中的余氯含量降低,影響消毒效果,給水質(zhì)的衛(wèi)生平安性帶來隱患?；钚蕴康脑虾椭圃旃に嚨牟煌墒蛊湮叫阅鼙憩F(xiàn)出一定的差異。在一些活性炭濾池初期運行時,會出現(xiàn)pH值顯著升高的現(xiàn)象,一般可升到10。為了解決這個問題,可以采用連續(xù)浸泡法、間歇浸泡法、稀釋法和酸洗法等。由于酸洗法在工程中難以實現(xiàn),且處理本錢較高,因此,活性炭投池后,采用其他三種方法處理較容易實現(xiàn)

15、。隨著運行時間的延長,活性炭濾池出水pH值會逐漸降低,相對于砂濾出水,降幅達(dá)1 2 個pH單位。為了保證出水pH值,一些水廠通常增加混凝過程中石灰投加量,這會導(dǎo)致沉淀后濁度顯著上升,混凝投藥量增加。當(dāng)使用鋁鹽作為混凝劑時,還存在著鋁超標(biāo)風(fēng)險。當(dāng)原水堿度低時,這種現(xiàn)象更加明顯。pH值降低可能是由于以下幾個方面原因造成的:微生物作用(有機物降解和硝化作用) 、活性炭外表性質(zhì)變化和臭氧氧化作用。一般來說,可以通過調(diào)節(jié)出廠水pH值、抑制微生物過程以及增加水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性等途徑加以解決。2.5預(yù)臭氧工藝運行管理在試驗原水水質(zhì)條件下,預(yù)臭氧的助凝作用不是很明顯,且經(jīng)常對沉淀出水造成不利影響,但是卻可以提高濾

16、后水濁度的去除率。預(yù)臭氧的投加量越大,砂濾池對濁度的去除效果就越好,在投加量為0. 7 mg/L時,濁度去除可提高17%,為0. 9 mg/L時,可提高20%。預(yù)臭氧可以顯著提高低游常規(guī)工藝對有機物的去除效果。應(yīng)用預(yù)臭氧之后,沉后水和濾后水中對CODMn和UV254的去除率顯著提高。隨著預(yù)臭氧投加量增加,下游工藝對TOC的去除率增加,投加量在0. 91. 2 mg/L圍, TOC的去除率均維持在一個較高的水平上,但當(dāng)投加量超過*個值時,對TOC的去除率呈降低的趨勢。預(yù)臭氧對活性炭深度處理工藝的影響規(guī)律與以上根本一致。2.6主臭氧工藝運行管理最正確投加比例在主臭氧接觸池運行管理中,臭氧投加一般分

17、兩點或三點投加兩種方式,但是各個水廠投加比例分配有所不同。根據(jù)研究成果,就對污染物質(zhì)的處理效果而言,三點投加時,臭氧的最正確投加比例為4 3 3;兩點投加時,最正確投加比例為1 1。相對而言,三點投加比兩點投加要好,說明臭氧投加比例越均勻,工藝出水水質(zhì)越好,越穩(wěn)定。且當(dāng)臭氧均勻投加時, CT值相對較大。因此,在臭氧生物活性炭工藝運行管理中,應(yīng)盡量均勻調(diào)節(jié)投加比例。余臭氧與CT值控制國對主臭氧作用一直存在一種誤解,認(rèn)為應(yīng)用主臭氧的主要目的是作為活性炭濾池的預(yù)處理,分解難以分解的大分子有機物質(zhì),以利于后續(xù)生物活性炭降解。然而,國外應(yīng)用主臭氧的更重要作用是消毒,特別是殺滅以兩蟲(賈第蟲和隱孢子蟲)為

18、代表的抗氯性較強的微生物。要滿足消毒要求, CT值不得小于4,這是殺滅兩蟲的最低要求。為了便于運行管理,主臭氧接觸池第二或第三格出水的余臭氧濃度一般控制在一定數(shù)值以上。CT值大小主要取決于原水水質(zhì)、接觸池池型、余臭氧濃度和接觸時間等因素。在一定水質(zhì)條件下,為了提高CT值,除了優(yōu)化接觸池設(shè)計外,加強日常的運行管理也非常必要。根據(jù)研究和運行經(jīng)歷,隨著臭氧量的增加,余臭氧量也增加,且有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0. 98,因此,依靠改變臭氧的投加量可以實現(xiàn)改變臭氧出水中余臭氧量的目的。在一定臭氧投量條件下,不同的投加比例所產(chǎn)生的水中余臭氧量是不同的,臭氧量分配越均勻,臭氧出水中的余臭氧量越高,而且在整

19、個臭氧投加流程上,余臭氧量的積累速度也相對較快。3應(yīng)該注意的幾個問題3.1微生物平安性目前對微生物平安性的概念尚未達(dá)成共識,特別是在該技術(shù)應(yīng)用初期。因此,對臭氧生物活性炭技術(shù)進展系統(tǒng)和科學(xué)的評價,建立對該技術(shù)的正確認(rèn)識,顯得尤為必要。3.2臭氧化副產(chǎn)物控制臭氧化處理能夠產(chǎn)生種類繁多的副產(chǎn)物,與水質(zhì)等因素有關(guān),大體可分成有機副產(chǎn)物和無機副產(chǎn)物兩類。有機副產(chǎn)物主要為醛類和羧酸類(蟻酸、乙酸、乙二酸及丙酮酸等) 。其中,醛類代表產(chǎn)物甲醛是致癌、遺傳毒性和變異原性物質(zhì),攝入生物體會產(chǎn)生肺癌等。無機副產(chǎn)物主要是溴酸鹽,國際癌研究部門,將溴酸根分類為致癌性2B,即可能致癌物。隨著研究和應(yīng)用的不斷開展,臭氧

20、副產(chǎn)物問題將會日益引起人們關(guān)注。3.3運行控制標(biāo)準(zhǔn)在水廠實際運行過程中,各工藝出水指標(biāo)一般控制在一定圍,但是,當(dāng)應(yīng)用深度處理技術(shù)后,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和運行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將可能會發(fā)生變化。國外對這個問題還沒有進展專門研究,一般是技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)歷確定,缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo),從系統(tǒng)和經(jīng)濟角度,可能并不是最優(yōu)的。然而,這對于國應(yīng)用深度處理技術(shù)的水廠卻具有非常重要的意義。因此,有必要從系統(tǒng)集成角度,對深度處理技術(shù)應(yīng)用后,水處理工藝過程的控制參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)進展系統(tǒng)研究,提出最優(yōu)的控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。水是不可替代的自然資源，是人類生存和生產(chǎn)活動中不可缺少的物質(zhì)和原料。但隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛開展，許多工業(yè)廢水和生活污水未經(jīng)處理就直接排入水

21、體，造成河體嚴(yán)重污染。城市水廠的水源受到污染，致使常規(guī)的混合、絮凝、沉淀、過濾等凈水工藝漸難以適應(yīng)優(yōu)質(zhì)飲用水的要求。為此，改良常規(guī)處理技術(shù)、增加深度處理工藝是提高水質(zhì)的客觀要求。而臭氧-生物活性炭工藝作為集臭氧氧化、活性炭吸附、生物降解和臭氧消毒于一體，是目前國外公認(rèn)效果較佳的飲用水深度處理技術(shù)。 為響應(yīng)市市委、市政府提出的將建立成為國際化大都市的號召，實現(xiàn)提高供水質(zhì)量的目標(biāo)，市自來水公司下屬的南洲水廠需按照國際先進水平建立，建成后需向大學(xué)城、珠江新城以及海珠區(qū)、東山區(qū)、天河區(qū)局部地區(qū)供給水質(zhì)指標(biāo)到達(dá)飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ94-1999)要求的優(yōu)質(zhì)自來水。根據(jù)這個建立思路，市自來水公司和華南理工大學(xué)合作開展了常規(guī)處理+臭氧-生物活性炭濾池的水處理工藝中試，中試結(jié)果說明：原水經(jīng)過該處理工藝后，出水水質(zhì)指標(biāo)能到達(dá)飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(C