臭氧-生物活性炭技术在水深度处理中的应用进展

王雅茹 , 崔小东 , 王薪淯

(1.南宁市城乡规划设计研究院，广西 南宁 530002；2.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004)

我国是一个水资源严重短缺的国家，同时水体污染也日益严重。由于水源污染物的复杂性，传统净水工艺如活性污泥法、A/O法等已无法满足现行的饮用水水质标准要求。为了有效降低饮用水水源中的各种有机污染物含量，臭氧-生物活性炭技术(O3-BAC)和膜处理技术等饮用水深度处理技术应运而生。相比于现阶段普遍采用的氯消毒、O3-BAC工艺所需设备简单，处理效果好，产生的O3本身无毒，分解生成O2也不会污染环境，产生的消毒副产物也相对较少。近年来应用越来越广泛。

1 臭氧—生物活性炭技术及其机理

臭氧在水处理中的应用历史悠久，可用来处理污水，达到脱色、灭藻、除臭等目的，还可以降低水中的COD和色度，已经被应用到诸多方面。臭氧与有机污染物的反应机理涉及两个方面，一是直接反应，即臭氧分子直接氧化有机污染物：另外是臭氧生成羟基自由基，在水中发生链式反应[1]。臭氧工艺流程简单、耗时短，但氧分子的氧化能力有限且有较强的选择性，臭氧制备系统耗能过大阻碍了该技术的广泛应用。近年来臭氧与其他技术的联用取得了不错的效果，在水处理领域焕发出新的生机。

臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工艺将臭氧氧化，与活性炭物理、化学吸附及生物氧化降解技术合为一体，以达到净水目的。该工艺处理的污水水质得到明显提髙，同时大大降低了处理成本。在水处理过程中，臭氧与生物活性炭两者呈互补作用：臭氧将大分子有机物氧化分解成小分子有机物进入水体，可作为底物被生物生长代谢利用，提高水体的可生化性，剩下的小分子有机物由生物活性炭吸附降解。由于臭氧供氧充分，炭床中生长繁殖了种类繁多的好氧微生物，它们可以利用水中的溶解氧进一步降解吸附有机物，通过这种方式使活性炭得以不断生长更新，使生物活性炭能够保持对有机物和溶解氧的降解作用，在炭床中逐渐形成具有生物吸附和生物氧化降解双重作用的生物膜[2]。臭氧催化氧化及其联用技术在兼顾有机物去除与氧化副产物含量方面具有明显的优势，可以使活性炭对有机物的吸附性能提高近一倍[3]。

该技术的作用机理表现在以下几个方面：①臭氧具有较高的氧化还原电位(EV=2.07 V)；②对于不易被生物降解的有机物，臭氧氧化在一定程度上提高其可生化性并使有机物更易被吸附；③臭氧在反应中会分解为氧气，为活性炭上好氧微生物提供有利的生长条件；④活性炭的空隙结构为微生物提供了较好的附着场所[4-5]。

2 O3-BAC工艺在饮用水处理中的应用

O3-BAC工艺去除轻度石油污染的地下水、制药废水中过量的抗生素，去除效果良好，能削减污染物、降低毒性、提高废水可生化性[2,6-7]。该工艺还用于处理污水厂二沉池出水，进一步提高处理水水质。石锐等[8]研究表明：挂膜期间O3-BAC工艺对水中浊度、CODMn及氨氮具有较好的去除效果。MARC WESSELER等[9]报道了O3-BAC技术在昆山泾河水厂、昆山第三水厂(二期)饮用水深度处理中的应用情况，表明该技术对NH3-N去除率比常规处理工艺提高了27.9%，对CODMn的去除率提高了32.8%，经处理后的出水中CODMn≤3.0 mg/L。该工艺以生物转化的方式提高了氨氮的去除率，取代了折点加氯法，避免了出水中残留大量的有机氯化物，影响水质[4]。臭氧总投量比单独使用时有所降低，比单一使用臭氧或活性炭的费用低且处理效果好；处理后水质指标得到了全面提高，出水水质稳定且工艺设施设备便于管理。李树苑等[10]介绍了两座以Ⅲ～Ⅳ类湖水为水源的深度处理水厂，经一年多的运行，发现处理后出水中的COD由3.51mg/L下降至2.27 mg/L；浊度由0.45 NTU下降至0.28 NTU；氯化消毒副产物三卤甲烷的含量也降低了79%。刘博才[11]发现O3-BAC工艺对微污染水源水净化效果很好，发现其对色度总体去除率达80%，对浊度总体去除率近100%，对铁离子总体去除率达98%，对锰离子总体去除率达90%。龙雨涛[12]发现O3-BAC工艺可以改善出水水质的生物稳定性，抑制水中大肠杆菌等微生物滋生，对水中氯化消毒副产物三卤甲烷的前质物去除率达到49.3%。高旭等[13]在中试规模上研究了O3-BAC工艺对饮用水中微量邻苯二甲酸酯的去除效果，发现该工艺对相对分子质量小的邻苯二甲酸酯的去除率高于相对分子质量大的。

3 O3-BAC工艺在污水处理中的应用

O3-BAC工艺不仅用于净水技术，在污水处理中也发挥着重要作用，主要用于二沉池出水的深度处理。我国城镇污水处理厂二级出水总体排放量大，TN含量较高，有机污染较低且可生化性差，采用深度处理技术则主要是把二级处理过程中去除不掉和不能去除的污染物进一步去除[14-15]。周春桥等[16]研究经过O3-BAC处理的污水，其出水指标值均小于中水回用要求的水质标准。郑志洋[17]对单独臭氧氧化和O3-BAC两种方法进行了条件优化研究，从经济及技术效果角度筛选出O3-BAC更适合作为后续生物处理的预处理方法。刘青[18]在研究O3-BAC对印染废水的处理效果时，加入铁盐作为催化剂，并发现铁盐投加量越大，污染物去除效果越好，二价铁催化剂的效果要优于三价铁。邹展[1]发现O3-BAC工艺对污水的处理效果较单独使用臭氧氧化或活性炭的吸附工艺有明显的优越性，对化工园区难降解的污水中的COD去除率最高可达82%。贾鼎等[19]采用生物滤池-臭氧氧化-生物活性炭联用工艺深度处理保定护城河某段微污染河水，发现对于CODMn、NH3-N、色度、浊度的去除率都达到80%以上。

4 工艺存在的不足及后续研究方向

虽然O3-BAC工艺已经广泛应用在各地水厂，但目前的应用中还存在以下问题：①工艺所需设备投资和运行费用较高，阻碍其在生产生活中的大规模应用；②暂时无法建立系统模型，装置中的水体停留时间、滤速、臭氧投加量和臭氧浓度之间的关系尚不明确，无法从理论上指导实际工艺的生产应用；③活性炭颗粒度、表面化学性能、电子状态以及其对细菌的附着等机理还不明确，有待于进一步研究；④投加的臭氧无法将微污染水源中的有机物完全氧化成无机物，氧化过程中会生成各种中间产物(副产物)，这些副产物留在水体中依然会对水质造成一定影响；⑤生物活性炭的运行效果受多种因素影响，如：水温、pH值、菌种等，运行效果不稳定；⑥臭氧化后，大分子有机化合物转化成少部分小分子的臭氧化产物，这些物质中的一部分被微生物利用，仍然剩余少部分停留在水体中，而生物活性炭上附着的微生物在代谢过程中产生的降解物和微生物本身进入水体中，这部分物质对人体是否会产生某些危害需进一步研究；⑦活性炭存在失活问题，应对所选活性炭吸附能力的衰减状况深入研究，并进一步考虑活性炭再生的可行性和运行成本[1,20-24]。

5 结论

O3-BAC工艺能有效地去除污水中的有机物及其他杂质，改善出水水质，在饮用水的深度处理中具有较大优势和广阔的应用前景。但目前仍需要科研团队积极研发相关新技术，提高对工艺的运行控制水平，降低工艺设备的投资和运行维护成本，充分发挥O3-BAC技术降低水中污染的效能，体现技术的优越性，促进工艺在工程实践中的广泛应用。