臭氧—活性炭工艺用于市政污水厂提标改造试验研究

2023-11-16冯慧桃蔡子豪张超刘军

能源与环境 2023年5期

冯慧桃蔡子豪张超刘军

（1 北京建工环境发展有限责任公司北京 100101 2 昆山建邦环境投资有限公司江苏苏州 215300）

随着国家环保要求的不断提高，市政污水处理厂的出水水质标准越来越严格，从《城镇污水处理厂排放标准》（GB 18918—2002）的一级A 排放标准，再到各地的“准四类”排放标准。出水标准的提高在水环境生态改善、污染物总量减排和中水回用等方面意义重大，但同时也对污水厂的工艺提出了更高的要求。在各项污染物排放标准中，COD 标准的提高对污水厂的改造和运行难度较大，尤其是进水中工业水占比高和不可降解COD 占比高的厂，需要通过深度化学处理才能保证COD 的稳定达标排放。

对于COD 的深度化学处理，主要工艺有混凝沉淀、臭氧氧化、芬顿氧化、活性炭吸附等［1］。臭氧—活性炭是一种常用的污水深度处理工艺，臭氧工艺［2］是利用臭氧的氧化作用去除水中的有机物，并将难降解的大分子COD 分解为易氧化和被活性炭吸附的小分子COD，提高废水的可生化性，同时去除色度、浊度、嗅味等。活性炭工艺利用活性炭的吸附作用，一方面可以进一步去除水中的COD，另一方面还能去除臭氧氧化产生的副产物。本试验采用臭氧—活性炭联用工艺，研究某市政污水厂尾水COD 的进一步去除效果和参数比选。

1 材料与方法

1.1 试验原水

本试验对象为江苏苏南某市政污水厂，该厂主体工艺为A2/O→高密沉淀池→V 型滤池，“准四类” 提标要求COD 出水标准为30 mg/L。试验原水为V 型滤池三级处理出水，最初进水不稳定，即进水伴随着污水厂出水水质波动变化，出水COD指标无规律性，后通过吨桶保持进水水质的稳定，在此情况下，考察臭氧+活性炭工艺对三级出水COD 的去除效果。

1.2 试验装置及流程

本试验的主要装置和设备有：臭氧发生器、臭氧浓度计、空压机、有机玻璃臭氧接触反应柱（φ150 mm×1 800 mm、有效水深1 500 mm，共3 个）、有机玻璃活性炭吸附吸附管（φ80 mm×1 800 mm、有效水深1 500 mm，共1 个）、钛合金曝气盘、转子流量计、流量阀、离心泵、隔膜泵等。臭氧催化采用金属非均相催化剂，活性炭采用800 目的粉末活性炭。

臭氧—活性炭反应流程见图1。试验时，厂区V 型滤池出水通过管道灌满吨桶，并定期补充更新，吨桶内的水通过进水泵依次流入3 个串联的臭氧反应柱，进水流量根据所需的反应停留时间确定，通过旁路阀门和流量计调节控制，臭氧反应柱出水通过隔膜泵进入臭氧反应柱，经过活性炭过滤后出水。3 个臭氧柱并联投加臭氧，每个臭氧柱的臭氧浓度均可通过调节阀控制。臭氧发生装置配有尾气破坏装置，防止臭氧气体溢出污染环境或损害人体健康。

图1 臭氧—活性炭反应流程图

1.3 试验方案

臭氧的接触反应时间通常在20～60 min 之间，反应时间过长，工程造价会增加，反应时间过短，臭氧氧化反应不完全，达不到预期效果，因此，臭氧反应时间的选择很重要。参考相关文献资料［3-4］和咨询臭氧、活性炭厂家，一般臭氧催化氧化的臭氧投加浓度在5～30 mg/L 之间，臭氧投加量和化学需氧去除量的比值是工程上比较重要的参数，一般用O3/C 表示，市政污水厂的O3/C 一般在1～3 之间，因此，本试验的一项重要任务就是通过试验确定本厂合适的O3/C，从而为工程选择提供依据和参考。根据工程经验，在相同的臭氧投加量下，单级投加和多级投加，臭氧的去除效果不同，通常是多级投加效果好于单级投加，但多级投加的工程造价会增加，因此，需综合考虑和计算从而确定臭氧的投加方式。工程上活性炭吸附的停留时间在30～120 min 之间，因此，本试验需研究活性炭的吸附反应时间。

综上，本试验主要研究内容：①停留时间试验。通过单柱投加相同的臭氧浓度，考察不同停留时间下，COD 的去除效果。②投加浓度试验。通过单柱投加不同的臭氧浓度，研究COD 的去除率和O3/C。③多级投加试验。在相同的臭氧投加浓度下，调整各段投加浓度，考察不同投加比例下的COD 去除效果。④活性炭的反应停留时间及去除效果。

2 试验结果与讨论

2.1 停留时间试验

据厂家介绍，在工程实践中，臭氧催化氧化的停留时间通常在30～60 min 之间。本试验选定臭氧投加浓度为10 mg/L，采用30、45、60 min 3 种不用的停留时间，考察COD 去除效果的变化，从而确定实际所需的停留时间。由于COD 初始值的不同对COD 的去除率有影响，因此，本试验的数据对比分析，采用进水COD 浓度差距较小的12 组数据，试验结果见图2。

图2 不同臭氧停留时间的COD 去除率

由图2 可知，COD 的去除率与臭氧反应停留时间总体上呈正相关性，但停留时间从30 min 增加到45 min 时的正相关性比较明显，停留时间从45 min 增加到60 min 时的正相关性不太明显。当停留时间为30 min 时，臭氧对COD 去除率的平均值为17.5%；当停留时间为45 min 时，臭氧对COD 的平均去除率的平均值为21.1%；当停留时间为60 min 时，臭氧对COD 的平均去除率的平均值为22.5%。可见，停留时间从30 min增加到45 min 时，COD 的平均去除率增加了3.6%，增长幅度为20.6%；停留时间从45 min 增加到60 min 时，COD 的平均去除率增加了1.4%，增长幅度为6.6%。因此，对于该厂水质，在停留时间为45 min 时，可以认为臭氧氧化反应已经基本完成。

2.2 投加浓度试验

在工程实践中，O3/C 是臭氧氧化的一个重要参数，具体比值需根据现场试验或参考类似工程案例确定。本试验根据停留时间试验结果，选定臭氧停留时间为45 min，并采用5、10、15 mg/L 3 种不同的臭氧投加浓度，分析验证COD 的去除效果和O3/C 的变化情况，试验的数据对比分析，同样采用进水COD 浓度差距较小的12 组数据，试验结果见图3。

图3 不同臭氧投加浓度下的COD 去除率

根据图3 可知，臭氧投加浓度为5 mg/L 时，臭氧对COD 的平均去除率为11.1%，O3/C 约为1.47；臭氧投加浓度为10 mg/L时，臭氧对COD 的平均去除率为21.1%，O3/C 约为1.54；臭氧投加浓度为15 mg/L 时，臭氧对COD 的平均去除率为29%，O3/C 约1.61；可见，随着臭氧投加浓度的增加，O3/C 数值呈上升趋势，且在1.5 左右。因此，对于该厂水质，在停留时间为45 min，臭氧氧化的O3/C 为1.54，实际的臭氧投加量可以根据厂里对COD 的去除需求，通过拟合曲线大致确定。

2.3 分段投加试验

据厂家介绍，臭氧多级投加的效果要优于单级投加，本试验在停留时间为45 min，臭氧投加浓度为10 mg/L 时，比较单级投加及臭氧投加比例为1∶1∶1、2∶1∶1、6∶3∶1 情况下的COD 去除效果的变化，试验结果见图4。

图4 不同臭氧投加比例的COD 去除率

臭氧在单级投加及投加比例为1∶1∶1、2∶1∶1、6∶3∶1 时，COD的平均去除率分别为21.1%、22.4%、24.3%和25.2%，多级投加的COD 去除率均高于单级投加，且投加量递减的情况下，COD去除率更高，去除率约增加4.1%，增加幅度约18.9%。但是多级投加的工程成本和后期维护成本也会增加，工程实践中需综合评估选择合理的方式。