臭氧-生物活性炭处理富营养化巢湖水的运行研究

陈 程 肖 燕 李 瑞

（巢湖市水业有限公司，安徽巢湖 238000）

1.引言

巢湖是我国的五大淡水湖泊之一，为半封闭型水域，由于工农业排污量的增加，使巢湖水体污染严重，导致湖泊中有机污染物、氮磷等富营养化物质不断累积，易发生水华现象[1]，给制水生产带来较大影响。由于常规饮用水处理工艺无法完全有效去除有机微污染物、氨氮等，并且氯化过程易增加消毒副产物前驱体。而臭氧生物活性炭技术采用臭氧氧化和生物活性炭滤池联用将臭氧化学氧化、活性炭物理化学吸附、生物氧化降解等技术联用，去除原水中微量有机物和氯消毒副产物的前体物等有机指标，提高饮用水的安全性。本文就巢湖三水厂采用预臭氧工艺和臭氧-生物活性炭深度处理工艺处理巢湖水运行进行了总结研究，为臭氧生物活性炭工艺对富营养化原水处理效果及运行过程提供一定的参考。

2.臭氧-生物活性炭滤池机理

臭氧作为强氧化剂，有较强的氧化能力，反应速度快，投加一定量的臭氧，能够对藻类的主要有机成分进行氧化，阻碍藻类新陈代谢作用，同时降解大分子有机物，将大分子有机物分解为小分子有机物，从而被活性炭、微生物吸附。活性炭的吸附作用及微生物的降解作用相互结合，有效地去除有机物，同时对甲醛、氨氮、消毒副产物前驱物以及AOC等也都有一定的去除效果。臭氧-生物活性炭工艺是综合利用臭氧的氧化作用、微生物的降解能力以及颗粒活性炭的吸附作用，三者相互作用，进一步提升水质。

3.水厂工艺概况

巢湖水业三水厂一期工程2018年6月建设完成并投产，处理能力为10×104m3/d，深度处理工艺到目前运行有两年半时间。净水工艺采用臭氧预氧化、絮凝反应、平流沉淀、V型滤池过滤、臭氧-生物活性炭深度处理工艺，巢湖水业三水厂工艺流程图如下：

图1 巢湖三水厂工艺流程

巢湖原水富营养化，夏、秋季节大量藻类产生，甚至高藻暴发，且水中铁、浊度、色度高。在制水过程中，夏季容易发生沉淀池、滤池长藻现象。因此，在常规制水工艺的基础上，改善水处理工艺，设置臭氧-生物活性炭深度处理单元，强化常规水处理工艺，减少滤池负荷，降低出厂水浊度、色度、嗅和味等，改善口感，保证优质供水。

3.1 臭氧接触池

预臭氧单元由3组预臭氧接触池构成，接触时间为5min，水深为8.2m，臭氧通过水射器投加，采用 DN150钛盘曝气盘曝气，单盘曝气量3~4m3/h，池顶设置一台功率2.6kW的尾气破坏器。主臭氧接触池分为两格，构造为密闭式池型，总平面尺寸 11.4×24.0m，水深6.8m。由于进入后臭氧接触池的水中悬浮固体含量很低，所以采用微孔钛盘布气，保证臭氧在水中均匀有效扩散。O3投加量为1.5~3.0mg/L，接触时间10min，分为串联的三级，每级分为接触及反应两段。三级接触反应时间分别为2.5min、3.5min、4.5min（不计连通渠），三段臭氧投加量依次为50%、30%、20%。

3.2 生物活性炭滤池

生物活性炭滤池一期工程设立1座炭滤池，共5格，单格的过滤面积为90m2，每格均可独立运行，滤速9.6m/h，强制滤速12.0m/h，接触时间12.5min，滤料厚2m，采用水处理煤质柱状活性炭，直径D=1.5mm，长度L=1.0~2.5mm，滤料上水深1.5m，过滤周期5~7d。

4.工艺处理效果

本文以三水厂2019年1月至2020年6月期间水质检测指标数据进行分析，探究三水厂臭氧-生物活性炭深度处理工艺运行1年多以来，对浊度、氨氮、CODMn、UV254、藻类等的去除效果。

4.1 对浊度的去除

图2显示巢湖原水月平均浊度为12~50NTU，三水厂出厂水的月平均浊度为0.09~0.17NTU，月平均去除率为98.7%~99.7%。通过数据可以看出三水厂制水工艺对浊度有显著的去除效果，出厂水月平均浊度保持在0.20NTU以下，远低于国家限值标准。巢湖为半封闭湖泊水，水中影响絮凝反应成份较多。在常规制水处理工艺的基础上，用预臭氧化处理代替次氯酸钠预氧化，改善净水剂的混凝效果，进一步降低出厂水浊度。

图2 对浊度的去除

4.2 对 CODMn 的去除

巢湖原水月平均CODMn为4.0~5.0mg/L，三水厂出厂水月平均CODMn为1.2~1.9mg/L，月平均去除率为57.3%~70.4%。三水厂深度处理工艺采用预、主臭氧氧化工艺，可以分解水中大分子有机物，改善水的絮凝效果，提高水的可生化性，同时使水中溶解氧充足，让活性炭具有炭吸附床及生物床双重作用，利用活性炭的吸附作用和表面生物的降解作用去除有机物，大大提高了CODMn的去除率[2]。

图3 对CODMn的去除

4.3 对氨氮的去除

巢湖原水月平均氨氮为0.14~0.43mg/L，三水厂出厂水月平均氨氮为0.05~0.07mg/L，月平均去除率为53.9%~82.7%。臭氧-生物活性炭工艺对氨氮的去除主要是利用生物降解、亚硝化和硝化反应的作用，在充足的溶解氧条件下，水中的氨氮首先由亚硝化细菌氧化成亚硝酸盐，然后再由硝化细菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。生物活性炭在运行一段时间后会形成生物膜，产生生物效应，能有效去除氨氮，使整个制水工艺对氨氮具有很好的去除效果。

图4 对氨氮的去除

4.4 对藻类的去除

巢湖原水月平均藻类数量为192~2872万个/L，三水厂出厂水月平均藻类数量为0.1~1.3万个/L，月平均去除率为99.37%~99.99%。巢湖原水含量较高，夏季更容易发生大面积蓝藻集聚。氧是强氧化剂，在含藻水中投加一定量的臭氧，能够将藻类的主要有机成分氧化，阻止藻类的代谢作用，提高混凝效果，有效的去除水中的藻类。

图5 对藻类的去除

4.5 对 UV254 的去除

UV254作为水中芳香环有机物的指示指标，可作TOC和THMs前驱物的代用参数，与三卤甲烷前驱物有很好的相关性。图6显示臭氧-生物活性炭工艺对UV254的去除效果较为明显，其平均去除率达69.7%。这与臭氧氧化对原水中芳香环有机物的氧化开环作用是分不开的。

图6 对UV254的去除

4.6 消毒及氧化副产物

在生活饮用水消毒过程中氯与水中的有机物反应主要生成挥发性三卤甲烷（THMs）消毒副产物，在活性炭滤池前投加臭氧可氧化水中有机物和生物难降解有机物，但过程中也会产生CHO、BrO3-氧化副产物，具有致癌作用，会对人体健康造成损坏，因此在净水工艺中有效降低副产物含量极其重要。

臭氧预氧化可消除一些矿物化合物、色度、浊度和悬浮颗粒物以及嗅味，部分降解NOM并灭活微生物，强化混凝[3]。在臭氧-生物活性炭工艺中，臭氧的强氧化性可以对水中难降解的有机物进行断链、开环，将大分子有机物氧化为小分子有机物，增强原水中有机物的可生化性和可吸附性，而之后的活性炭滤池又能吸附降解有机物，大大减少消毒副产物的前驱体量。

表1将深度处理工艺与常规工艺相对比，数据显示臭氧-生物活性炭深度处理技术可有效去除消毒副产物前质，降低了消毒副产物的生成。由于活性炭可以还原BrO3-，生物降解CHO，使出厂水中的CHO、BrO3-浓度远远小于国家标准。

表1 深度处理工艺及常规工艺消毒剂氧化副产物

4.7 出厂水水质全分析

从表2中可以看出，臭氧生物活性炭深度处理工艺可有效的降低出厂水浊度、耗氧量、氰化物等，符合生活饮用水卫生标准，达到优质供水。

表2 出厂水水质分析部分指标

5.臭氧系统运行总结

5.1 气源选择

臭氧发生系统选择液氧作为气源，相对于空气和气态氧的投资多、噪音大、能耗高等问题，液氧制备过程便于管理、更加经济。

5.2 控制内外循环水温度及水量

臭氧外循环水采用厂区自用水，内循环水需采用去离子水。在极寒天气时，须适当减少外循环水量，使内循环水的温度不至于太低，保证发生器运行环境温度。在夏季炎热天气时，须增大外循环水量，保持外循环水压力高于0.2MPa，增加与内循环水的热交换，使内循环水的温度不至于太高，保证发生器正常运行。

5.3 定期检查曝气胎盘

臭氧投加分预臭氧和后臭氧，预臭氧投加采用水射器扩散方式，而后臭氧投加采用微孔曝气盘曝气投加。预臭氧和后臭氧投加管路均采用316L不锈钢材质，长时间运行后，管式曝气器和曝气胎盘易发生杂质堵塞、腐蚀脱落等情况，需定期对其进行检查，保证臭氧投加效果。

6.臭氧制水成本分析

在常规工艺的基础上，增加臭氧系统，因臭氧系统投用不久，暂不考虑臭氧设备折旧费、臭氧维保费，新增运行成本主要包括液氧原料费、臭氧系统运行电费。平均每天制水4.57万吨，消耗液氧1.77吨，臭氧系统用电量1200KW，每日臭氧系统增加制水费用2357元，制水成本增加0.05元/吨。

7.结语

巢湖水体富营养化较重，水质随季节变化较大，基本上为Ⅲ类或Ⅳ类水源。采用预臭氧-砂滤-主臭氧-生物活性炭滤-消毒的深度处理工艺对湖水进行处理，通过对2019年1月至2020年6月期间运行结果进行研究发现，臭氧-生物活性炭深度处理对浊度、TOC、耗氧量、氨氮、藻类等有良好的去除效果，出厂水pH在7.10~7.86，色度＜5，浊度＜0.2NTU，无肉眼可见物，口感上也有了很大改善，大大提高了生活饮用水的水质安全，达到优质供水标准。