活性炭过滤与臭氧-活性炭深度处理的对比研究

王苏女， 张晓娜， 刘清华

(东莞市东江水务有限公司， 广东 东莞 523112)

全国各地自来水厂正相继开展深度处理工艺升级改造工作，以进一步提高水质[1]。臭氧-活性炭工艺能有效去除水中有机污染物，是饮用水深度处理的重要手段，已得到较为广泛的推广使用[1-2]。笔者以东莞市某水厂正在运行中的臭氧-活性炭深度处理工艺为研究对象，通过控制臭氧接触氧化工艺段的臭氧投加，对比研究了活性炭过滤和臭氧-活性炭两种深度处理工艺的运行效果。

1 试验流程与方法

1.1 试验流程

东莞市某水厂的设计规模为50×104m3/d，其在常规工艺的基础上，增加了臭氧-活性炭深度处理工艺(臭氧接触氧化+生物活性炭过滤)，工艺流程如图1所示。

臭氧接触池：设计规模为50×104m3/d，分设2座，有效水深为6.2 m，每池设3个投加点，顺水流方向的投加比例为2 ∶1∶1。臭氧接触时间为15.2 min，臭氧投加量为0.8～1.0 mg/L，臭氧余量为0.1～0.2 mg/L。

图1 水厂工艺流程Fig.1 The flow chart of waterworks

活性炭滤池：分2座，每座分6格，每格滤池的面积为158.2 m2；滤料上层采用颗粒活性炭，厚度为2.3 m，有效粒径为0.65～0.75 mm，下层采用粗砂，滤料厚度为0.30 m，有效粒径为2～3 mm；设计水力停留时间为10 min，滤速为14.1 m/h。

1.2 试验方法

试验期间的原水水质较为稳定，浊度为12.0～18.0 NTU，pH值为7.0～7.1，氨氮为0.2～0.4 mg/L，耗氧量为1.76～2.08 mg/L，聚合氯化铝的有效投加量为1.2～1.5 mg/L，次氯酸钠的有效投加量为1.5～1.7 mg/L。

东江原水进入水厂后，经过混凝、沉淀、V型砂滤池过滤、臭氧-活性炭深度处理后再进行消毒处理。试验通过臭氧发生器投加设备，控制深度处理工艺中臭氧的投加。

1.3 分析方法

CODMn：酸性高锰酸钾滴定法；浊度：HACH 2100N浊度仪；UV254：水样经0.45 μm滤膜过滤后，用紫外分光光度计测定；三氯甲烷和三氯乙醛：Tekmar 3100吹扫-捕集浓缩器富集进样，Agilent 7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪检测。

2 结果与分析

2.1 对浊度的去除效果

试验期间砂滤出水浊度在0.20 NTU左右，活性炭过滤出水浊度在0.12 NTU左右，平均去除率约为40.0%；臭氧接触氧化+活性炭池过滤共同作用后的出水浊度在0.10 NTU左右，平均去除率约为50.0%，如图1所示。与活性炭过滤相比，臭氧-活性炭对浊度的去除率仅提高了10个百分点，这表明活性炭滤池的过滤对浊度的去除起主要作用。这和胡志光等人的研究结果一致，在臭氧-活性炭深度处理过程中浊度的去除主要通过活性炭滤池的吸附、截留及生物降解作用[3]。

图2 对浊度的去除效果Fig.2 Removal effect of turbidity

2.2 对CODMn的去除效果

试验期间砂滤出水CODMn在1.0 mg/L左右，经活性炭和臭氧-活性炭深度处理后的出水CODMn均满足标准要求，分别在0.85 和0.66 mg/L左右，平均去除率分别约为15.0%和34.0%，如图3所示。单独的活性炭池对有机物的去除效果有限，臭氧氧化对CODMn去除起重要作用。臭氧接触可氧化一部分有机物，同时将难生物降解的大分子有机物氧化成中、小分子有机物，使其更容易被后续活性炭吸附和生物降解去除[4]。此外，臭氧接触氧化过程可对水体充氧，使活性炭滤池中有充足的溶解氧，更利于微生物对有机物的生物降解。因此，臭氧-活性炭深度处理工艺能更好地实现对有机物的有效去除。

图3 对CODMn的去除效果Fig.3 Removal effect of CODMn

2.3 对UV254去除的影响

试验期间砂滤出水UV254在0.022 cm-1左右，活性炭池过滤和臭氧-活性炭出水的UV254分别在0.018和0.010 cm-1左右，平均去除率分别约为18.2%和54.5%，如图4所示。相比于活性炭池过滤作用，臭氧-活性炭深度工艺对UV254的去除率提高了约2倍，臭氧接触氧化对砂滤出水中UV254类物质的去除起到了关键性作用。臭氧接触氧化既可以直接氧化降解UV254类物质，又可提高活性炭滤池进水的可生化性和溶解氧[1]，从而进一步改善生物活性炭滤池对UV254类有机物的生物降解效果，有利于更好地控制后期消毒副产物的生成[5]。

图4 对UV254的去除效果Fig.4 Removal effect of UV254

2.4 对消毒副产物的去除

臭氧-活性炭深度处理工艺可有效去除消毒副产物前体物质，大大减少出厂水消毒副产物的生成量[6]。如图5所示，活性炭过滤处理后出厂水中三氯甲烷生成量为0.003～0.014 mg/L，三氯乙醛生成量为0.003～0.008 mg/L；臭氧-活性炭处理后出厂水中三氯甲烷和三氯乙醛的生成量基本在0.001～0.002 mg/L的低水平。经过2种深度工艺处理后，出厂水中三氯甲烷、三氯乙醛均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5049—2006)要求。

图5 对三氯甲烷、三氯乙醛的去除效果Fig.5 Removal effect of trichloromethane and trichloroacetaldehyde

相比活性炭池,臭氧-活性炭深度处理工艺对三氯甲烷和三氯乙醛的生成量分别平均减少0.005和0.003 mg/L。有研究表明自来水消毒副产物的前体物主要为UV254类物质[4]。臭氧接触氧化能更有效地去除UV254类物质，降低出厂水中三氯甲烷和三氯乙醛的含量，更有利于保障出厂水水质。

3 结论

① 在正常原水条件下，单独的活性炭过滤和臭氧-活性炭对浊度、CODMn和UV254均有良好的去除效果，出水满足标准要求。相比于活性炭过滤深度处理，臭氧-活性炭工艺对浊度、CODMn和UV254的去除率均有一定程度的提高。活性炭过滤对浊度的去除起主导作用，臭氧接触氧化通过氧化分解大分子有机物，增强了活性炭池对有机物的吸附和生物降解作用，显著加强了对有机物的去除效果。

② 经活性炭过滤或臭氧-活性炭处理后的出厂水中，三氯甲烷和三氯乙醛均满足标准要求。相比活性炭过滤，经臭氧-活性炭处理后的出厂水中三氯甲烷和三氯乙醛平均含量分别下降0.005和0.003 mg/L，大大降低了消毒副产物超标风险。