臭氧活性炭工艺运行参数优化探索——以凤凰路水厂为例_安迪.pdf

污染与治理-112-臭氧活性炭工艺运行参数优化探索以凤凰路水厂为例安 迪，安 鹏，张彦菊，徐 慧，李劲松（济南水务集团有限公司，山东 济南 250001）摘要：针对臭氧-活性炭工艺特点，本研究选择处理引黄水库水的凤凰路水厂为研究对象，对其工艺运行原理及影响因素做了简要说明，提出了针对此类研究对象的解决方案，为同类型水厂参数优化提供了思路。本研究在不影响水厂正常供水的情况下进行了生产试验，选择衡量有机微污染物质含量的指标，通过监测不同工艺段微污染物质含量，判断不同臭氧投加量下的净化效果并分析原因，结果表明0.8 mg/L的臭氧投加量最适合凤凰路水厂运行。关键词：臭氧；臭氧-活性炭工艺；深度处理工艺；饮用水中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-04-38Optimization of Operating Parameters of Ozone Biological Activated Carbon TechnologyTake Fenghuang Road Water Plant As an ExampleAn Di,An Peng,Zhang Yanju,Xu Hui,Li Jinsong(Jinan Water Group Co.,Ltd.,Jinan 250001,China)Abstract:According to the characteristics of O3-BAC,Fenghuang road water plant,which is used to treat the water from the Yellow river reservoir,is selected as the research object.The process operation principle and influencing factors are briefly described,and a scheme for such research is proposed,which provides ideas for the optimization of parameters of the same type of water plants.Under the condition of not affecting the normal water supply of the water plant,the production test was carried out to select indicators to measure the content of organic micro pollutants,monitor the content of micro pollutants in different process sections,judge the purification effect under different ozone dosage and analyze the reasons.The results showed that 0.8 mg/L ozone dosage was most suitable for the operation of Fenghuang road water plant.Key words:ozone;O3-BAC;advanced treatment process;drinking water1研究背景臭氧-生物活性炭工艺20世纪60年代问世，它集臭氧氧化、活性炭吸附、微生物降解于一体，是目前世界普遍采用的饮用水深度处理工艺1。该工艺中臭氧投加量是臭氧-生物活性炭工艺的重要参数，直接影响净水效果和处理费用2，同时也会影响后续活性炭的吸附效果。目前，济南市已有多个水厂应用臭氧-生物活性炭工艺，使用引黄水库水的凤凰路水厂是济南东部城区水生态综合治理规划的重点工程，也是关系到济南市东部城区百万市民的重大民生工程3，2017年6月正式并网供水，为济南市东部城区约36平方公里内的50余万人提供供水服务。本研究选择凤凰路水厂进行生产试验，调节臭氧投加量，探讨原水水质处理过程中的最佳效能，为未来水厂的工艺运行和调整积累重要的水质数据资料，并提供研究思路。2研究理论依据影响臭氧-活性炭工艺运行效果的因素多种多样，包括水质处理状况、臭氧发生器功率及臭氧制造效率、炭池规格及形状、炭料种类及厚度、曝气时长、水流速度及方向等4。其中对净水效果和处理费用影响最大的因素是臭氧投加量，同时该参数还会影响后续活性炭的吸附效果。臭氧投加后，首先对水中的有机物和还原性物质进行初步氧化分解，这样就降低了生物活性炭滤池的有机负荷，同时使水中有机物断链、开环，使其能够被生物降解。活性炭表面的吸附作用可以使有机物在生物膜降解，不可生物降解的扩散到活性炭的微孔中，被吸附到活性炭的内表面5。同时臭氧在接触过程中使水中的溶解氧含量增加，M.Sanchez-Polo等6研究发现，在活性炭存在的情况下，臭氧的分解常数将会增大，有利于活性炭上附着好氧微生物的活动。3研究过程3.1确定监测方案3.1.1 监测点位选择凤凰路水厂取鹊山水库引黄水库水，经混凝、沉淀、过滤后通过进水管道进入臭氧接触池（共两格），经过臭氧消毒氧化后，通过炭滤池进水渠道进入炭滤池（共6格，采用上向流过滤方式，活性炭采用煤质压块破碎炭，滤料层厚度为2.5 m，冲洗方式采用单独气反冲洗），经过活性炭的吸附过滤后，通过上部设置的不锈钢集水槽收集出水，再经出水渠道进入V型砂滤池，经过石英砂的沉淀过滤后，进入出水池、工艺管道，进入下游清水池。为掌握整个工艺流程的水质变化情况，采样位置共选择六个：臭氧接触池进水、臭氧接触池出水、炭池出水、砂滤池出水、出厂水、1号炭池出水。3.1.2 监测时间安排凤凰路水厂臭氧-活性炭工艺已运行五年，目前处理水量约 第一作者简介：安迪（1997-），女，本科，助理工程师，研究方向：水处理技术.污染与治理-113-为8万 m3/d，未达到臭氧接触池10万 m3/d的设计处理规模，臭氧设计最大投加量为2.5 mg/L，设计停留时间约为16 min，在接触池下部采用臭氧上向流、水流下向流的密闭曝气。在实际生产运行中，为保证臭氧发生器正常运行，臭氧最小加注量为0.8 mg/L，最大加注量为1.5 mg/L。为探究最优臭氧投加量，需要在排除炭池反冲洗时间的影响下，得到不同臭氧投加量对微污染物质的去除效果。为不影响水厂正常供水，调试前依据经验确定臭氧投加量设定范围，采取逐步缩小浓度梯度的思路进行生产试验。运行4小时后采集各质控点水样，为避免炭池运行周期对臭氧投加量的影响，每轮臭氧投加量调试在炭池反冲洗7天后进行。3.2选择检测指标 本研究选择了浊度、CODMn、UV254、氨氮、亚硝酸盐氮、TOC水质指标作为衡量净化效能的主要指标，选择溴酸盐、甲醛、菌落总数和总大肠菌群作为调试过程中不影响出厂水水质的监测指标，同时现场检测臭氧接触池出水处的余臭氧浓度并采集炭池炭料进行生物量检测，以掌握其生物活性。其中浊度与水中悬浮物质的含量、大小、形状及折射系数等有关；CODMn、UV254和TOC均可以表示水质微污染程度，其中CODMn可以检测水中能被高锰酸钾氧化的物质含量；UV254能检测芳香族化合物和具有共轭双键的有机化合物含量，主要是憎水性有机物和大分子有机物；TOC是以碳的含量表示水中有机物的总量，水的TOC值越高，说明水中有机物含量越高；氨氮是水体中的主要耗氧污染物，会导致水体富营养化；溴酸盐及甲醛是常见的臭氧消毒副产物；细菌学指标可以衡量臭氧的消毒效果。本研究中，浊度、CODMn、氨氮、亚硝酸盐氮、菌落总数、总大肠菌群、溴酸盐、甲醛和臭氧等指标采用生活饮用水标准检验方法（GB 5750.15750.13-2006）7进行测定；UV254采用紫外分光光度法测定；TOC采用仪器分析仪（TOC-V CPH SHIMADZU）测定。4研究成果4.1对CODMn的去除效果试验调试期间，原水CODMn值在1.511.84 mg/L之间，出厂水CODMn在0.621.10 mg/L之间，优于GB 5749-20068的要求，根据图1可以看出，不同臭氧投加量下，工艺各阶段出水CODMn值均延工艺流程呈降低趋势，根据表1的去除率计算结果，凤凰路水厂整个工艺阶段可以将CODMn去除48.3%以上。图1为不同臭氧投加量下各工艺阶段出水CODMn值。图1不同臭氧投加量下各工艺阶段出水CODMn值表1不同臭氧投加量下的CODMn去除率臭氧投加量（mg/L）总去除率臭氧去除率 炭池去除率臭氧-活性炭去除率053.7%2.0%21.2%22.8%0.859.9%12.0%21.5%30.9%0.953.6%13.6%16.6%28.0%1.148.3%11.0%9.4%19.3%1.354.3%13.4%20.3%31.0%投加臭氧后，臭氧接触氧化阶段对CODMn的去除率至少提高了9.0%，随臭氧投加量的增加，去除率提升并不明显，这主要是因为CODMn指标用来表征水中的还原性物质，臭氧的氧化效果除了氧化还原性物质外，还可以将大分子有机物氧化成小分子有机物，而这部分的去除效果无法通过CODMn的去除率体现。生物活性炭阶段CODMn的去除效果在整个工艺阶段最明显，这说明生物炭池的吸附和生物降解在CODMn的去除上起到了主要作用，臭氧氧化除了改变有机物分子的大小外，还可以改变有机物的极性，当臭氧投加过量时，不仅会影响炭料上的生物活性，也会产生极性较强的酸类、醛类等低分子量物质9，降低后续单元的处理效率，因此适当的臭氧投加量才会使生物炭池的效能最大化。在本研究中，因臭氧调试试验为短时间内进行，炭滤池本身存在生物活性，因此不投加臭氧时，炭池对CODMn的去除率仍较高，综合检测结果分析，从使CODMn的去除率最高方面考虑，凤凰路水厂选择0.8 mg/L的臭氧投加量是合适的。4.2对TOC的去除效果图2为 不同臭氧投加量下各工艺阶段出水TOC值。图2不同臭氧投加量下各工艺阶段出水TOC值原水TOC在1.9002.290 mg/L之间，出厂水TOC在0.9232.430 mg/L之间，根据图2可以看出，除不投加臭氧外，在不同臭氧投加量下，生物活性炭阶段TOC的降低最明显，表2是去除率计算结果，调试过程中凤凰路水厂整个工艺阶段可以将TOC去除40.4%以上。当臭氧投加量增加后，臭氧氧化对TOC的含量变化影响并不明显，这是因为TOC可以理解为水中含碳有机物的总量，臭氧可以使它们分解为分子量更小的含碳有机物，这部分有机物可能会在水中挥发或者被水中的微生物利用，更多的会在炭池中被吸附和利用，因此评价臭氧投加对TOC的影响时不能仅参考臭氧氧化的结果，应考虑整体臭氧-生物活性炭的去除效果，这与CODMn的去除规律相似。不投加臭氧时，因含碳有机物分子量污染与治理-114-太大，难以进入活性炭微孔，也难以被微生物利用，因此TOC的去除率较低，当臭氧投加量为0.8 mg/L时，TOC去除率显著提升23%，继续增加臭氧投加，去除率反而降低，说明0.8 mg/L的投加量适合凤凰路水厂炭池的运行现状。表2不同臭氧投加量下的TOC去除率臭氧投加量（mg/L）总去除率臭氧去除率炭池去除率臭氧-活性炭去除率041.7%-3.3%2.3%-0.8%0.844.1%3.6%19.4%22.3%0.944.8%3.0%8.0%10.7%1.140.4%0.2%21.0%21.2%1.343.3%2.6%18.4%20.5%4.3对UV254的去除效果图3为不同臭氧投加量下各工艺阶段出水UV254值，UV254主要代表分子量大于3 000的有机物，据图3可以明显看出，其含量沿工艺流程逐渐降低，臭氧投加后，臭氧接触阶段UV254含量降低明显，说明臭氧可以使大分子有机物断链、开环。表3是UV254的去除率情况，臭氧氧化阶段UV254的去除效果随投加量的