【臭氧-生物活性炭工艺】的设计与运行管理

【臭氧- -生物活性炭工艺】的设计与运行管理

臭氧- 生物活性炭工艺的设计与运行管理

张金松, 范洁, 乔铁军

(深圳市水务〈集团〉有限公司, 深圳518031)

摘要: 针对臭氧—生物活性炭工艺设计和运行管理的重点问题,首先对工艺设计中的活性炭滤料选择、活性炭滤层结构设计、活性炭池型选择、臭氧系统选择、臭氧接触池优化设计和复合预氧化设计等内容进行了研究和总结,并且对工艺运行管理中存在的微生物安全、大型微生物控制、活性炭滤池初滤水管理及pH控制、预臭氧和主臭氧工艺的运行管理等问题,提出了相应的解决方案,以及今后应用中应重点注意的若干问题。

关键词: 臭氧活性炭; 设计; 运行管理; 微生物安全; 标准

深水集团所属梅林水厂和笔架山水厂的臭氧—生物活性炭工艺分别于2005 年和2006 年投入运行,对水厂进一步提高有机物、氨氮的去除效果,降低嗅味,全面改善水质发挥了重要作用。但在实际运行中,也陆续发现了一些国内外文献未曾报道过的新问题,如生物活性炭导致pH值大幅降低,出水有剑水蚤、线虫等微型动物检出等水质问题。因此,如何通过更好的设计和运行管理,从技术上解决这些问题,无论在理

论上还是在实践中均具有非常重要的意义。

1 工艺设计

1.1 活性炭性能指标的选择标准

根据制造原料不同,活性炭可分为木质炭、果壳炭和煤质炭等,其中煤质活性炭因其具有多孔性和高硬度的优点,且来源稳定和价格较低,在大规模水处理工程中得到广泛应用。

在水处理工程中,国外多采用不定型炭(主要是压块破碎炭) ,而国内柱状炭的应用最为广泛。近些年来,不定型炭(主要是柱状破碎炭)在国内得到越来越多的关注,并已经被应用在一些新建水厂中。

研究结果表明,活性炭滤池出水水质与活性炭性能指标之间具有某种相关性。根据分析结果和实际运行情况,并参考国内外活性炭选择的标准,制定了适合于我国南方地区饮用水中活性炭选择的性能指标,如表1所示。1.2 活性炭滤层结构活性炭滤层厚度一般不低于1. 2 m,根据要去除的不同污染物,接触时间在6～30 min之间,但在一些应用中可高于或低于这个范围。通常,以去除嗅味为主时,接触时间一般为8 ～10 min; 以去除CODMn为主时,接触时间一般为12～15 min。

研究结果表明,砂垫层对浊度有去除效果,但是去除率不高,当砂垫层进水浊度为0. 10 NTU时,浊度的平均去除率为6. 5%;石英砂垫层对高锰酸盐指数和氨氮基本没有去除作用。然而

砂垫层对微生物有较好的截留作用。活性炭柱在反冲洗后的运行初期,石英砂垫层能够有效地截留活性炭出水中的部分细菌,而运行一段时间后(一般为数周) ,石英砂垫层就失去了对水中细菌的截留作用。但是,活性炭柱经过再次反冲洗后,石英砂垫层将恢复对水

中细菌的部分截留作用。因此,为了保障出水水质,砂垫层的设计考虑采用滤料级配为0. 8～1. 2 mm的石英砂,砂垫层厚度为300 mm。从长期生产运行情况看,砂垫层起到了预期效果。

1.3 活性炭滤池池型

活性炭滤池可以分为重力式和压力式。重力式活性炭滤池可以采用钢筋混凝土结构,因此在大中型水厂中应用通常是经济的。重力式活性炭滤池的构造与普通砂滤池相似,只是把滤料层换成了活性炭炭层,但活性炭炭层厚度较砂滤池中的砂层厚。

重力式活性炭滤池虽然有利于悬浮物的去除,但为了避免悬浮物和微生物产生的粘液堵塞活性炭滤层,必须重视反冲洗国内已建成水厂中的活性炭池型多采用普通快滤池、虹吸滤池、V型滤池、翻板滤池,且在技术上都是可行的,其中以V 型滤池和翻板滤池相对更具吸引力和代表性。

1.4 臭氧系统选择

臭氧系统由气源、发生系统、接触池、尾气破坏系统和控制

系统五部分组成。

①气源

臭氧气源主要有三种,即使用成品纯液态氧、现场用空气制备纯气态氧和直接利用空气。为了提高臭氧浓度,同时节省能耗,降低设备及管道尺寸,目前较先进的臭氧发生器多采用前两种方式制备臭氧,第三种方式适用于臭氧产量较小的场合。

②臭氧发生系统

臭氧发生是由臭氧发生器来完成的,目前使用最广的臭氧发生器一般分为石英管和陶瓷管两类。臭氧发生器的备用率一般应大于30% ,备用的方式有设备台数备用(硬备用)与设备发生能力备用(软备用)两种。每台臭氧发生器臭氧发生量的调节范围不应小于10%～100%。

③接触池

预臭氧接触池一般设1个臭氧投加点,较多采用水射器投加方式,臭氧投量通常为0. 5～1. 5 mg/L,反应时间为3～5 min,水中余臭氧一般为零或很少。主臭氧接触池一般设多个臭氧投加点(通常为2～3个) ,采用微孔曝气投加方式,臭氧投加量通常为1. 5～3. 0 mg/L (水中余臭氧为0. 2～0. 4 mg/L) ,反应时间一般不小于10 min。为了保证对隐孢子虫和贾第虫的杀灭效果, CT值一般要大于4。

④尾气破坏系统

尾气破坏系统是收集臭氧接触池排出的剩余臭氧并将其分

解成对环境无害的氧(保证排出的气体臭氧浓度< 0. 05～0.

1 mg/L) ,主要有催化氧化法和加热分解法,目前两种方法均得到广泛应用。

⑤控制系统

预臭氧投加控制一般根据水量进行比例投加,投加浓度根据铁锰等还原物质含量确定。主臭氧投加控制一般根据水量和水中余臭氧进行双因子复合环投加控制(水量是前馈条件,

余臭氧是后馈条件) 。

1.5 臭氧接触池优化设计

为了提高臭氧接触池效率,采用计算流体力学作为模拟工具,对A水厂的臭氧接触池进行了分析和优化,结果表明,原设计下接触池内廊道的高宽比过大,造成较严重的短流现象, T10 /HRT比值仅为0. 4,说明水力效率较低。

通过分析,决定在池内适当位置增加导流板,以改变池内的流态,使流速分布更为均匀,从而减少短流现象。增加导流板后,反应室内的流场得到明显改善,降低了短流现象,大幅提高了水力效率。T10 /HRT的数值增加到0. 66,比原设计中的T10 /HRT比值增加了0. 26,相当于在原设计基础上增加了73%。因此,进行臭氧接触池设计时,应最大限度地提高臭氧接触池效率。如果条件允许,应考虑采用尽量大的高宽比,另外,从曝气室到反应室的连通处应增加穿孔墙,以改变流体进入反应室的流态。当条件不允许时,可考虑增设导流板。

1.6 复合预氧化工艺

当臭氧作为预氧化剂时,能够去除色度、嗅味,降低三卤甲烷等氯化消毒副产物含量,对混凝沉淀也有一定作用。但是,臭氧氧化也会对混凝产生不利的影响。一般情况下,臭氧在低剂量下( 0. 4 ～1. 5 mg/L)可以起到良好的助凝作用,但浓度过高则会使结果恶化。臭氧还会在水中产生AOC问题,在原水中存在溴离子情况

下,会产生溴酸盐问题,该物质是强烈的致癌物质。臭氧应用的成本也比较高。

为了发挥高锰酸盐和臭氧这两种氧化剂的优点,减少其各自不利的影响,可采用两者联用的复合氧化技术,其处理效能在一定程度上优于单一氧化剂预氧化,克服了臭氧预氧化对混凝的不利影响,提高了对有机物、藻类和嗅味的去除效果。研究和生产运行结果表明,高锰酸盐和臭氧的复合氧化作用可以提高处理后水质,对浊度、色度、藻类、有机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机物的含量,提高对AOC的去除,在现有水质条件下( TOC为2. 0 mg/L左右时) , AOC去除率可以比单独臭氧化提高20%～30%;可以控制水中臭氧化副产物如溴酸盐和甲醛的生成。同时,高锰酸盐的投加,可以节省其他预氧化药剂(氯和臭氧)的投量,节省混凝剂投量10% ～30%,初步核算每吨水可以节约成本0. 006元,降低了运行费用。

2 运行管理

2.1 微生物学安全性

臭氧生物活性炭技术的微生物安全性包括以下内容:致病性微生物(主要包括病毒、病原菌、“两虫”、携带寄生虫的后生动物等)及代谢产生的有毒物质。

从研究和运行实践来看,臭氧生物活性炭工艺产生了丰富的微生物群落,但在活性炭上并未发现致病性微生物,且出水中也未发现明显致病性微生物。另外,臭氧活性炭工艺可以提高水质的生物稳定性,能够改善浊度和颗粒数的去除效果,有利于保障微生物安全。迄今为止,臭氧生物活性炭技术还不存在微生物安全问题,但是,对这个问题必须引起足够重视,同时也要注意加强运行管理。

2.2 大型微生物控制

臭氧—生物活性炭工艺为微生物生长提供了良好“载体”,同时臭氧作用造成的大量营养物质使滤池内产生了丰富的微生物群落。微生物群落可以表征炭上微生物膜的成熟程度,在群落形成过程中,可能会发生不断变化,最后形成以大量菌胶团、原生动物和后生动物等组成的微生物群落。

在我国已经运行的臭氧—生物活性炭滤池内和出水中已发现了一些较大的微型动物,例如红虫、剑水蚤、轮虫以及其他不明微生物,这些动物一方面可能是某些病原微生物的寄主,另一方面会影响水质的感观指标。但是目前国内外在这方面

的研究报道非常少。

为了防止因大型微生物过量孳生繁殖而影响水质,除了要加强上游常规工艺的管理外,还要定期对活性炭滤池作药剂浸泡处理,每月一次,可以根据季节不同,适当延长或缩短周期。一般采用的药剂有氨、氯、氯胺、食盐等。

2.3 活性炭滤池初滤水管理

初滤水指从反冲洗完成到滤池过滤性能基本恢复期间,从滤池所排出的过滤水。

研究结果表明, 初滤水的颗粒数高达6 000个/mL,过滤成熟期(3～5 h)后,颗粒数可以降低到50个/mL,甚至更低(见图1) ,因此,要加强初滤水管理。根据运行经验,过滤初期( 0. 5～1 h) 、过滤后期和过滤过程中仍存在着出水浊度超标的可能。其中,过滤过程浊度超标是由于进水水质发生突变和运行管理不当造成的,可以通过科学运行管理解决,过滤后期超标可以通过及时反冲洗解决,而解决过滤初期超标问题还需要进一步研究,建议设计时可考虑采用专门的排出管道。

214 活性炭滤池出水pH

水厂出水pH值要控制在一定的范围内,低pH值易导致管道及构筑物的腐蚀,会影响水的嗅味和感观;高pH值一般伴随着高碱度和较高浓度的钙、镁等离子,会影响到水处理的管道和器械,显著增加消毒过程的耗氯量,导致管网中的余氯含量降低,影响消毒效果,给水质的卫生安全性带来隐患。

活性炭的原料和制造工艺的不同可使其吸附性能表现出一定的差异。在一些活性炭滤池初期运行时,会出现pH值显著升高的现象,一般可升到10。为了解决这个问题,可以采用连续浸泡法、间歇浸泡法、稀释法和酸洗法等。由于酸洗法在工程中难以实现,且处理成本较高,因此,活性炭投池后,采用其他三种方法处理较容易实现。

随着运行时间的延长,活性炭滤池出水pH值会逐渐降低,相对于砂滤出水,降幅达1 ～2 个pH单位。为了保证出水pH 值,一些水厂通常增加混凝过程中石灰投加量,这会导致沉淀后浊度显著上升,混凝投药量增加。当使用铝盐作为混凝剂时,还存在着铝超标风险。当原水碱度低时,这种现象更加明显。pH值降低可能是由于以下几个方面原因造成的:微生物作用(有机物降解和硝化作用) 、活性炭表面性质变化和臭氧氧化作用。一般来说,可以通过调节出厂水pH值、抑制微生物过程以及增加水质化学稳定性等途径加以解决。

2.5 预臭氧工艺运行管理

在试验原水水质条件下,预臭氧的助凝作用不是很明显,且经常对沉淀出水造成不利影响,但是却可以提高滤后水浊度的去除率。预臭氧的投加量越大,砂滤池对浊度的去除效果就越好,在投加量为0. 7 mg/L时,浊度去除可提高17%,为0. 9 mg/L时,可提高20%。

预臭氧可以显著提高下游常规工艺对有机物的去除效果。应

用预臭氧之后,沉后水和滤后水中对CODMn和UV254的去除率显著提高。随着预臭氧投加量增加,下游工艺对TOC的去除率增加,投加量在0. 9～1. 2 mg/L范围内, TOC的去除率均维持在一个较高的水平上,但当投加量超过某个值时,对TOC的去除率呈降低的趋势。预臭氧对活性炭深度处理工艺的影响规律与以上基本一致。

2.6 主臭氧工艺运行管理

①最佳投加比例

在主臭氧接触池运行管理中,臭氧投加一般分两点或三点投加两种方式,但是各个水厂投加比例分配有所不同。根据研究成果,就对污染物质的处理效果而言,三点投加时,臭氧的最佳投加比例为4 ∶3 ∶3;两点投加时,最佳投加比例为1 ∶1。相对而言,三点投加比两点投加要好,说明臭氧投加比例越均匀,工艺出水水质越好,越稳定。且当臭氧均匀投加时, CT值相对较大。因此,在臭氧生物活性炭工艺运行管理中,应尽量均匀调节投加比例。

②余臭氧与CT值控制

国内对主臭氧作用一直存在一种误解,认为应用主臭氧的主要目的是作为活性炭滤池的预处理,分解难以分解的大分子有机物质,以利于后续生物活性炭降解。然而,国外应用主臭氧的更重要作用是消毒,特别是杀灭以“两虫”(贾第虫和隐孢子虫)为代表的抗氯性较强的微生物。要满足消毒要求, CT

值不得小于4,这是杀灭“两虫”的最低要求。为了便于运行管理,主臭氧接触池第二或第三格出水的余臭氧浓度一般控制在一定数值以上。

CT值大小主要取决于原水水质、接触池池型、余臭氧浓度和接触时间等因素。在一定水质条件下,为了提高CT值,除了优化接触池设计外,加强日常的运行管理也非常必要。根据研究和运行经验,随着臭氧量的增加,余臭氧量也增加,且有较好的相关性,相关系数为0. 98,因此,依靠改变臭氧的投加量可以实现改变臭氧出水中余臭氧量的目的。在一定臭氧投量条件下,不同的投加比例所产生的

水中余臭氧量是不同的,臭氧量分配越均匀,臭氧出水中的余臭氧量越高,而且在整个臭氧投加流程上,余臭氧量的积累速度也相对较快。

3 应该注意的几个问题

3.1 微生物安全性

目前对微生物安全性的概念尚未达成共识,特别是在该技术应用初期。因此,对臭氧—生物活性炭技术进行系统和科学的评价,建立对该技术的正确认识,显得尤为必要。

3.2 臭氧化副产物控制

臭氧化处理能够产生种类繁多的副产物,与水质等因素有关,大体可分成有机副产物和无机副产物两类。有机副产物主要为醛类和羧酸类(蚁酸、乙酸、乙二酸及丙酮酸等) 。其中,

醛类代表产物甲醛是致癌、遗传毒性和变异原性物质,摄入生物体会产生肺癌等。无机副产物主要是溴酸盐,国际癌研究部门,将溴酸根分类为致癌性2B,即可能致癌物。

随着研究和应用的不断发展,臭氧副产物问题将会日益引起人们关注。

3.3 运行控制标准

在水厂实际运行过程中,各工艺出水指标一般控制在一定范围内,但是,当应用深度处理技术后,设计标准和运行技术标准将可能会发生变化。国内外对这个问题还没有进行专门研究,一般是技术人员根据经验确定,缺乏科学的理论指导,从系统和经济角度,可能并不是最优的。然而,这对于国内应用深度处理技术的水厂却具有非常重要的意义。因此,有必要从系统集成角度,对深度处理技术应用后,水处理工艺过程的控制参数及标准进行系统研究,提出最优的控制技术标准。

水是不可替代的自然资源，是人类生存和生产活动中不可缺少的物质和原料。但随着工农业的迅猛发展，许多工业废水和生活污水未经处理就直接排入水体，造成河体严重污染。城市水厂的水源受到污染，致使常规的混合、絮凝、沉淀、过滤等净水工艺渐难以适应优质饮用水的要求。为此，改进常规处理技术、增加深度处理工艺是提高水质的客观要求。而臭氧-生物活性炭工艺作为集臭氧氧化、活性炭吸附、生物

降解和臭氧消毒于一体，是目前国内外公认效果较佳的饮用水深度处理技术。为响应广州市市委、市政府提出的将广州建设成为国际化大都市的号召，实现提高供水质量的目标，广州市自来水公司下属的南洲水厂需按照国际先进水平建设，建成后需向广州大学城、珠江新城以及海珠区、东山区、天河区部分地区供应水质指标达到《饮用净水水质标准》(CJ94-1999)要求的优质自来水。根据这个建设思路，广州市自来水公司和华南理工大学合作开展了常规处理+臭氧-生物活性炭滤池的水处理工艺中试，中试结果表明：原水经过该处理工艺后，出水水质指标能达到《饮用净水水质标准》(CJ94-1999)要求。于是，在2004年6月30日建成投产，设计供水规模为100万m3/d的南洲水厂采用了跟中试相同的水处理工艺。三年多的运行情况表明，南洲水厂出厂水的各项水质指标均达到或优于《饮用净水水质标准》

(CJ94-1999)的要求。作为深度处理工艺重要组成部分的臭氧处理系统经过实践检验，基本达到设计要求，为我国净水厂在采用新工艺、新技术、新设备等方面作出了成功的尝试。《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)己由国家卫生部修订完毕，并在2007年7月1日颁布实施，该标准的实施对自来水水质提出了更严格的要求，目前国内大部分水厂还难以达到新标准的要求。为了使出厂水质达到新标准要求，不少供水企业都计划强化和改善处理工艺，采用或计划采用常

规处理+臭氧-生物活性炭滤池工艺，我国对净水厂采用深度处理工艺的研究和应用起步较晚，对臭氧处理系统还缺乏设计、选型、施工建设和运行管理的经验，总的来说还处在探索起步阶段。为了能系统地总结南洲水厂臭氧处理系统在设计、选型、施工建设和运行等方面的经验教训，为国内其他水厂建设臭氧处理系统提供有益的参考，本学位论文主要介绍国内目前规模最大、工艺最齐全的饮用净水厂——广州市南洲水厂臭氧处理系统的工艺设计、设备选型、施工建设和运行管理的经验，结合目前国内外给水厂对臭氧设备的应用情况和臭氧系统生产制造商的情况，对大型臭氧设备在净水厂应用进行研究。课题主要采用实际建设、生产经验和运行资料的总结对比，具体案例的分析对比等方法完成。通过本文，对大型臭氧设备在净水厂中的应用进行分析和实际运行效果的介绍，总结出臭氧处理系统在我国净水厂中建设的经验教训，希望国内其他水厂建设相同系统时少走弯路。