生物活性炭与改性凹凸棒石对供水水质处理效果对比研究

文/凌 强 池俊杰(.合肥供水集团有限公司；.合肥通用机械研究院有限公司）

解决饮用水源受污染的方法之一是强化深度水处理工艺。生物活性炭具有较大的比表面积和明显的内部孔隙结构，能够有效地吸附微生物进行污水治理，是市场上最常用的深度处理单元填料。生物活性炭的吸附能力与其碘吸附值和亚甲基蓝吸附值正相关，生物活性炭的价格也随其吸附能力的增强而增加[1]。从降低水处理材料的成本考虑，近年来，非金属的黏土矿物，尤其是凹凸棒石黏土矿物因为其安全、吸附能力强、价格低廉且对微生物无毒害作用的特点而受到广泛重视[2]。本实验选取优选活性炭和经过450 ℃热改性的凹凸棒石黏土作为研究对象，对比进出水的水质处理效果，希望在保证满足出水标准的情况下节约材料成本，为水厂在选择深度处理单元的材料上提供支持。

一、实验条件和方法

选用产自安徽省明光地区的凹凸棒石黏土矿物，主要为针状、纤维状和棒状的晶体结构。凹凸棒石的主要氧化物成分包括二氧化硅（55.10%～60.90%）、三氧化二铝（9.60%～10.01%）、三氧化二铁（5.70%～6.70%）等，其As、Pb 和Hg 等质量分数均符合卫生指标。凹凸棒石经过450 ℃的热改性后其比表面积达到420 m2/g。

生物活性炭采购自南京某化工厂，其碘吸附值测定为534 mg/g，亚甲基蓝吸附值为95 mg/g。

实验用水选自南方某供水厂的原水水源地，其中改性凹凸棒石和活性炭的添加量均为50 mg/L。实验持续进水，周期45 天。通过测定进出水水质浊度、pH值、化学需氧量（COD）和消毒副产物浓度等指标变化情况，研究对比不同材料的处理效果。

二、结果与讨论

1.生物活性炭的指标变化

在实验过程中每15 天对生物活性炭池的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值进行一次检测，碘吸附值分别为506 mg/g、493 mg/g、476 mg/g，亚甲基蓝吸附值分别为85 mg/g、71 mg/g、66 mg/g。结果表明，生物活性炭池的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值变化均较为明显，衰减速度较快。

2.浊度变化情况

图1 为活性炭池和凹凸棒石池的进出水浊度变化情况。由图1 可见，进水的浊度为12～15 NTU；生物活性炭池出水浊度为0.8～1.2 NTU，平均值为0.91 NTU；凹凸棒石出水浊度为0.9～1.3 NTU，平均值为1.02 NTU。生物活性炭池和凹凸棒石池出水浊度相当，平均去除率均在80%，主要原因是二者均具有较好的孔隙结构和吸附能力，因此出水也会保持在较理想的状态。

图1 进出水浊度变化情况

3.pH 值变化情况

生物活性炭池和凹凸棒石池的进出水pH 值如图2 所示。由图2 可见，进水pH 值为6.8～7.2，生物活性炭池的出水pH 值为6.7～7.1，凹凸棒石池的出水pH值为6.5～6.8。结果表明，凹凸棒石池的pH 值波动幅度较小且数值较低，而生物活性炭池的pH 值相对于凹凸棒石池的变化波动较大。原因可能是凹凸棒石池中含有的微量元素等更适宜微生物生长，其附着的微生物含量相对较多[3]，各种性能比较稳定，且微生物新陈代谢产生较多的二氧化碳溶于水也会导致pH 值偏低。而生物活性炭池的吸附值衰减较快，性能变化较大，导致pH 值波动较大。

图2 进出水pH 值变化情况

4.有机物变化情况

生物活性炭池和凹凸棒石池的进出水COD 变化情况如图3 所示。进水COD 为2～2.5 mg/L，生物活性炭池出水COD 为0.70 ～1.29 mg/L，平均值为0.81 mg/L，去除率为48.4%～84%,平均去除率为63.75%；凹凸棒石池出水COD 为0.52～1.14 mg/L，平均值为0.67 mg/L，去除率为56.7% ～87.06%, 平均去除率为72.43%。水中有机物是利用附着在填料表面的微生物进行生物降解的，因此凹凸棒石池的吸附效果明显优于生物活性炭池[4]，相对来说对有机物的去除效率更显著。

图3 进出水COD 变化情况

5.消毒副产物前体物变化情况

将3.0 mg/L 次氯酸钠加入进水中，密封后置于暗处反应2 h 后以模拟加氯实验，并分别测定消毒副产物三氯甲烷和三氯乙醛的生成量，结果见表1。从表1的数据可见，生物活性炭池和凹凸棒石池的进水三氯甲烷生成量平均值分别为3.87μg/L 和3.76μg/L，出水三氯甲烷生成量平均值分别为1.98μg/L和0.93μg/L，去除率为48.83%和75.26%；生物活性炭池和凹凸棒石池的进水三氯乙醛生成量平均值分别为6.74μg/L和6.55μg/L，出水三氯乙醛生成量平均值分别为2.77μg/L 和0.96μg/L，去除率为58.9%和85.34%。说明生物活性炭和凹凸棒石对消毒副产物的前体物这类的小分子有机物的去除均有较好的效果[5]。改性凹凸棒石的吸附能力更强，因此对去除消毒副产物的效果也相对更好，对两种消毒副产物的去除率均在75%以上。

表1 两种过滤池对消毒副产物前体物的去除效果

三、结论

实验结果表明，改性凹凸棒石和生物活性炭对出水浊度的治理效果相当，改性凹凸棒石相比于生物活性炭对COD 和消毒副产物前体物等有机物的去除效果更显著，可见凹凸棒石作为黏土矿物更适于微生物附着生长。而生物活性炭虽然也有较好的处理效果，但衰减速度快，市场价格也较高。综上所述，建议水厂多采用改性凹凸棒石黏土矿物作为原水处理材料。