两种活性炭滤池深度处理饮用水的研究

2011-11-24刘帅霞王士辰

河南工程学院学报(自然科学版) 2011年1期

刘帅霞，王士辰

(1.河南工程学院环境工程系，河南郑州 451191；2.河南工程学院电气信息工程系，河南郑州 451191)

以地表水为饮用水源的自来水厂，通常采用常规工艺(混凝→沉淀→过滤→加氯消毒→城市管网)进行处理，该工艺对水中的有机物尤其是溶解性有机物不能有效去除.水中有机物的存在，使得在加氯消毒的过程中产生一些致癌的消毒副产物，如三氯甲烷、卤乙酸、四氯化碳等，其中三卤甲烷被认为是最后氯化形成的主要消毒副产物，这些副产物具有致癌、致畸、致突变的特性[1].因此，对饮用水进行深度处理很有必要.本研究利用新鲜活性炭和生物活性炭对黄河水经常规处理出水中的有机物和消毒副产物的去除效果进行比对，为将来可能兴建的活性炭深度处理工程和后续的运行管理提供参考.

1 试验装置和分析方法

1.1 试验装置

试验装置采用有机玻璃制作的并联的大小不同的两种颗粒活性炭滤池，其中活性炭滤池I内填装有已经连续运行约1.5年的旧炭(挂膜成熟的生物炭)；活性炭滤池II内填装新鲜活性炭，两种炭滤池的运行参数见表1(EBCT为空床接触时间).试验原水为黄河水经常规处理出水，原水pH值为7.8～8.5，水温为20～30 ℃，整个试验时间为70天.

表1 活性炭滤池的运行参数Tab.1 Operation parameters of activated carbon filters

1.2 分析方法

试验过程中,测定的主要常规水质项目有CODMn,采用标准分析方法[2].UV254和三卤甲烷生成势等非常规分析项目的测定依据文献[3]所述方法.

2 试验结果与讨论

2.1 两种活性炭对有机物的去除

2.1.1 两种活性炭对CODMn的去除

图1反映了两种活性炭滤池对CODMn的去除效果.可以看出，在相同的水力停留时间下，活性炭滤池I对CODMn的去除率为12.2%～27.9% (平均值为20.3%)，活性炭滤池II对CODMn的去除率为17.9%～52.7% (平均值为31.1%).活性炭滤池II对CODMn的去除效果明显好于活性炭滤池I.虽然原水的CODMn经常高于3 mg/L，但经过活性炭滤池处理后，两种炭滤池出水的CODMn均低于3 mg/L的标准要求.

通过试验还可以看出，活性炭滤池II对CODMn的去除规律随时间变化不明显，即滤池内活性炭上生物膜的发育成熟过程对CODMn的影响不明显.造成这种结果的原因可能是由于CODMn是有机物的综合性指标，它反映的有机物成分十分复杂，而原水水质的变化较大，且较短EBCT条件下使活性炭的吸附作用及试验后期可能的生物氧化和过滤作用对CODMn的去除作用不完全，因而滤池出水的水质波动很大.

2.1.2 活性炭滤池对UV254的去除

图2反映了两种活性炭滤池对UV254的去除效果.可以看出，在相同的水力停留时间下，活性炭滤池I对UV254的去除率为3%～38.2% (平均值为21.9%)，活性炭滤池II对UV254的去除率为38.7%～77.6% (平均值为55.9%)，所以活性炭滤池II对UV254的去除效果好.

图1 两种活性炭滤池对CODMn的去除效果Fig.1 Effect in removing CODMn of the activated carbon filters

图2 两种活性炭滤池对UV254的去除效果Fig.2 Effect in removing UV254 of the activated carbon filters

UV254是水和废水中的一些有机物如木质素、腐殖质和各种芳香族有机物含量的替代参数.在波长254 nm下存在吸光度的物质主要为大分子的芳香族化合物，其分子结构复杂，生物降解性很差，因而微生物主要是通过吸附作用去除它们，而生物氧化作用不高[4].

对于炭滤池I内的活性炭来说，其吸附容量已经饱和，因而对UV254物化吸附作用较弱.但活性炭比表面积大，表面粗糙，生物很容易附着生长，滤池单位容积有较高的生物量.此外，活性炭上生物膜的生物絮凝作用与活性炭层的截留作用也能去除水中悬浮和胶状大分子有机物，因而生物活性炭滤池仍能发挥较好的生物吸附和过滤作用，对大分子芳香族化合物仍有较好的去除作用.

对于活性炭滤池II内的新鲜活性炭来说，在试验初期，大分子的芳香族化合物主要通过新鲜活性炭的物化吸附作用去除，在生物膜的发育成熟过程中吸附容量没有达到饱和，仍能有效地发挥物化吸附作用.此外，形成的生物膜还能发挥一定的生物吸附和过滤作用.

2.2 两种活性炭滤池对消毒副产物前体物的去除

2.2.1 两种活性炭滤池对三氯甲烷生成势的去除

消毒副产物生成势间接代表了水中消毒副产物前体物的多少[4]，图3反映了两种活性炭滤池对三氯甲烷生成势的去除效果.活性炭滤池I对三氯甲烷生成势的去除率为7.2%～46.8% (平均值为19.8%)，活性炭滤池II对三氯甲烷生成势的去除率为31.3%～67.2%(平均值为54.1%).并且，在试验期间,活性炭滤池II对三氯甲烷生成势的去除规律随时间变化也不明显，即滤池内活性炭上生物膜的发育成熟过程对三氯甲烷生成势的影响不明显，这可能是由于三氯甲烷生成势是一个综合性指标，它反映的三氯甲烷前体物成分十分复杂，而原水的水质变化较大，使活性炭的物化吸附作用及试验后期可能的生物氧化、过滤作用对三氯甲烷前体物的去除作用波动较大.

2.2.2 两种活性炭滤池对一溴二氯甲烷生成势的去除

图4反映了两种活性炭滤池对一溴二氯甲烷生成势的去除效果.可以看出，活性炭滤池II对一溴二氯甲烷生成势的去除率为10.8%～83.2% (平均值为38.9%)，活性炭滤池I对一溴二氯甲烷生成势的去除率为2.8%～27.3% (平均值为11.8%).在试验期内，活性炭滤池II对一溴二氯甲烷生成势的去除规律随时间变化也不明显，即滤池内活性炭上生物膜的发育成熟过程对一溴二氯甲烷生成势的影响不明显.

图3 两种活性炭滤池对三氯甲烷生成势的去除效果Fig.3 Effect in removing the generation potential of chloroform of the activated carbon filters

图4 两种活性炭滤池对一溴二氯甲烷生成势的去除效果Fig.4 Effect in removing the generation potential of bromodichloromethane of the activated carbon filters

图5 两种活性炭滤池对二溴一氯甲烷生成势的去除效果Fig.5 Effect in removing the generation potential of chlorodibromomethane of the activated carbon filters

2.2.3 两种活性炭滤池对二溴一氯甲烷生成势的去除

图5反映了两种活性炭滤池对二溴一氯甲烷生成势的去除效果.可以看出，活性炭滤池I对二溴一氯甲烷生成势不但没有去除效果，反而会引起出水中二溴一氯甲烷生成势的升高.而对于活性炭滤池II来说，对二溴一氯甲烷生成势的去除效果没有明显的规律性，有时对二溴一氯甲烷生成势有一定的去除效果，有时反而会引起出水中二溴一氯甲烷生成势的升高，其原因尚不清楚.由此可以看出，活性炭滤池对三氯甲烷生成势、一溴二氯甲烷生成势和二溴一氯甲烷生成势的作用机理不同.