[摘要]本文介紹了國內(nèi)外在探討飲用水處理新工藝方面的情況，分析了臭氧—生物活性炭法的基本原理和作用，并提出了該方法在應(yīng)用時(shí)所需注意的一些問題。
在水污染日益嚴(yán)重的今天，原水中有毒有害化學(xué)有機(jī)污染物含量正逐年上升，品種也正逐年增多，這給飲用水處理帶來了很大的困難。大量文獻(xiàn)表明，自來水廠傳統(tǒng)水處理工藝已不能有效地去除水中各種污染物，特別是溶解性有機(jī)物。為解決這一問題，國內(nèi)外研究了多項(xiàng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，其中臭氧—生物活性炭凈水工藝以其有效去除水中溶解性有機(jī)物和致突變物，出水潔凈而倍受矚目。
1、臭氧-生物活性炭聯(lián)用技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
臭氧-生物活性炭聯(lián)合使用較早是在1961年德國Dusseldorf市Amstaad水廠。從20世紀(jì)60年代以后，臭氧-生物活性炭技術(shù)已被歐洲、美國、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國家廣泛的應(yīng)用到污染水的深度處理中，并且對(duì)凈化飲用水水中各種污染物取得良好的效果；發(fā)展中國家應(yīng)用廣泛的國家有以色列、南非、納米比亞等。此工藝對(duì)氨氮和總有機(jī)碳（TOC）的去除率分別為70%-90%和30%-75%，同時(shí)，對(duì)除草劑等其它有機(jī)碳的去除率也很高，并能有效改善水體中的葉霉嗅味。歐洲使用該工藝的水廠有70多個(gè)，其中有代表性的是瑞士的林格水廠、 德國的繆爾霍姆水廠、法國的盧昂拉夏佩勒水廠等。
該工藝在20世紀(jì)70年代傳入我國，并從80年代開始應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。該工藝不僅可以去除濁度、嗅味、色度和改善水質(zhì)口感，還可以去除難降解的和溶解性有機(jī)物，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面研究較系統(tǒng)。其中臭氧-生物活性炭法進(jìn)行的處理飲用水的中試結(jié)果表明，進(jìn)水高錳酸鹽指數(shù)在（3.6-6.8）mg/L，出水高錳酸鹽指數(shù)都低于2mg/L，去除率平均約為73%。對(duì)出水進(jìn)行色質(zhì)聯(lián)機(jī)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水含有有機(jī)物120種，其中有5種三致物質(zhì)，但出水已去除了絕大部分的有機(jī)物和全部的三致物。
深圳自來水集團(tuán)有限公司對(duì)臭氧化-生物活性炭工藝參數(shù)進(jìn)行了較為細(xì)致的研究，上海自來水公司也對(duì)該工藝進(jìn)行了中試研究，對(duì)各種水質(zhì)指標(biāo)的改善，均取得了很好的效果。該工藝應(yīng)用到工程實(shí)際的例子并不是很多，一般與傳統(tǒng)的凈水工藝配合使用，其中較有代表性的有1985年建成的北京市田村山凈水廠等10家。經(jīng)過長期運(yùn)行，均出水穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期的飲用水處理的目的。
2、臭氧—生物活性炭技術(shù)的基本原理和作用
臭氧—生物活性炭工藝是將活性炭物理化學(xué)吸附、臭氧化學(xué)氧化、生物氧化降解及臭氧滅菌消毒四種技術(shù)合為一體的工藝。
2.1臭氧預(yù)氧化
利用臭氧預(yù)氧化作用，初步氧化分解水中的一部分簡單的有機(jī)物及其它還原性物質(zhì)，使之變?yōu)镃O2和H2O，以降低生物活性炭濾池的有機(jī)負(fù)荷，提高低量活性炭處理的平衡能力；同時(shí)，臭氧氧化能使水中難以生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可生物降解的有機(jī)物，減少大分子極性污染物，BOD濃度得到提高，所以提高了處理水的可生化性，分解后的小分子有機(jī)物，親水性得到提高，更容易被活性炭吸附和附著在活性炭上的細(xì)菌生物降解；臭氧化能夠改變有機(jī)物生色基團(tuán)的結(jié)構(gòu)，形成的中間氧化物更易于活性炭吸附，強(qiáng)化了活性炭的脫色效能；臭氧化還能有效地減少UV260的吸收。
臭氧氧化后生成的氧氣，能在處理水中起到充氧作用，使生物活性炭濾池有充足的溶解氧（DO），補(bǔ)充了水中DO消耗，為附著于活性炭上的好氧菌和硝化菌提供生長的營養(yǎng)源，創(chuàng)造好氧菌生長的環(huán)境，使好氧微生物活動(dòng)增強(qiáng)，提高了微生物增長潛力，加快生物氧化和硝化作用，延長了活性炭的使用壽命，加快了有機(jī)物的生物降解，從而提高了其對(duì)有機(jī)物的去除效果。
2.2生物活性炭
活性炭作為一種多孔物質(zhì)，能夠吸附水中濃度較低、其它方法難以去除的物質(zhì)，同時(shí)，還可以去除水中的濁度、嗅味、色度，改善水的口感，而且能夠有效地吸附合成洗滌劑、陰離子表面活性劑等活性物質(zhì)；活性炭還具有催化作用，催化氧化臭氧為羥基自由基，終生成氧氣，增加水中的溶解氧（DO）的濃度。活性炭空隙多，比表面積大，能夠迅速吸附水中的溶解性有機(jī)物，同時(shí)也能富集水中的微生物。粒狀活性炭吸附水中溶解有機(jī)物，但對(duì)一些揮發(fā)性較低，難以生物降解，分子量在10000以上的高分子有機(jī)物不易吸附去除，而且吸附性能還受有機(jī)物所帶官能團(tuán)及分子結(jié)構(gòu)的影響。
利用臭氧電位高的特點(diǎn)，易將許多不易生物降解的有機(jī)物分解成許多更易生物降解的較小的或充氧較多的低分子有機(jī)物，從而改變了有機(jī)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)和性質(zhì)，使其易被活性炭吸附去除，而被吸附的溶解性有機(jī)物也為維持炭床中微生物的生命活動(dòng)提供營養(yǎng)源。同時(shí)，由于臭氧供氧充分，炭床中大量生長繁殖好氧菌，有足夠時(shí)間來生物降解所吸附的低分子有機(jī)物，這樣，也就在炭床中形成生物膜。該生物膜具有生物氧化降解和生物吸附的雙重作用，而活性炭孔隙中的有機(jī)物被分解后，經(jīng)過反沖洗，活性炭孔隙騰出吸附位置，恢復(fù)了對(duì)有機(jī)物與溶解氧的吸附能力。
活性炭對(duì)水中有機(jī)物的吸附和微生物的氧化分解是相繼發(fā)生的，微生物的氧化分解作用，使活性炭的吸附能力得到恢復(fù)，而活性炭的吸附作用又使微生物獲得豐富的養(yǎng)料和氧氣，兩者相互促進(jìn)，形成相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，得到穩(wěn)定的處理效果，從而大大地延長了活性炭的再生周期。
活性炭附著的硝化菌還可以轉(zhuǎn)化水中的氨氮化合物，降低水中的NH3-N的濃度，NH3-N去除率可達(dá)75%-96.7%。生物活性炭通過有效的去除水中有機(jī)物和嗅味，從而提高飲用水化學(xué)、微生物安全性，是自來水深度凈化的一個(gè)重要途徑。
2.3臭氧氧化和后氯化
臭氧的氧化性強(qiáng)于液氧，它破壞細(xì)菌體上的脫氫酶，干擾了細(xì)菌的呼吸作用，從而導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。
臭氧的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，不能在水中長期保留。為了保證水在運(yùn)輸過程中不受污染，在后一步出水中，少量投加液氯或氯胺等有機(jī)物，由于有機(jī)污染物在臭氧—生物活性炭中已基本去除，生成的致突變性物質(zhì)較少，同時(shí)又可以減少消毒劑的投加量。
因此，臭氧—生物活性炭聯(lián)用工藝技術(shù)在飲用水處理中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而且各工藝緊密結(jié)合，互相促進(jìn)，取得了多重效應(yīng)。
3、臭氧—生物活性炭技術(shù)在應(yīng)用中遇到的問題
臭氧—生物活性炭技術(shù)無論在試驗(yàn)研究，還是在工程實(shí)際中，仍有一些機(jī)理性的問題沒有研究清楚，從而使設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，甚至產(chǎn)生誤差，影響對(duì)運(yùn)行的管理和控制。主要表現(xiàn)有：
3.1不能用解析的方法計(jì)算出系統(tǒng)中存在的較佳良氧投量問題。較佳臭氧劑量是AOC的形成和BAC去除AOC的關(guān)鍵所在。一般認(rèn)為決定臭氧較佳劑量的標(biāo)準(zhǔn)是GAC過濾器內(nèi)的較大BOM（或BOC）濃度。臭氧的投量會(huì)影響生物活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附性能。但過高的投量或投量不足均會(huì)導(dǎo)致生物活性炭出水水質(zhì)下降。這說明進(jìn)水水質(zhì)、臭氧量、生物活性炭吸附性能之間存在著適當(dāng)配合的關(guān)系，有待于進(jìn)一步研究。
3.2生物活性炭的運(yùn)行效果受各種條件，如水溫、pH值、菌種的影響，效果不穩(wěn)定，特別是在掛膜的期間，由于生物膜沒有形成，處理效果欠佳，尋求活性炭生物膜的適宜生長條件，優(yōu)勢(shì)菌種的篩選、馴化等已成為此工藝的要點(diǎn)。由于水質(zhì)不同，活性炭顆粒度和其表面化學(xué)性及電子狀態(tài)以及其對(duì)細(xì)菌的附著等確切機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究，以便于更好的固定化生物活性炭，延長生物活性炭的壽命。
3.3臭氧化后，大分子有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成少部分不能被生物活性炭吸附和降解的小分子的臭氧化產(chǎn)物、生物活性炭上附著的微生物在代謝過程中產(chǎn)生的降解物和微生物本身進(jìn)入水體中，這部分物質(zhì)對(duì)人體是否會(huì)產(chǎn)生某些危害在文獻(xiàn)中無報(bào)導(dǎo)，需進(jìn)一步研究。
3.4不能建立系統(tǒng)模型以明確進(jìn)水水質(zhì)，臭氧及生物活性炭裝置的停留時(shí)間、濾速、臭氧投加量和臭氧濃度之間存在著的關(guān)系。由于水質(zhì)不同，并不能形成一個(gè)準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型。同時(shí)對(duì)生物活性炭的再生機(jī)理、再生時(shí)間還不十分明確，還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)；對(duì)新的顆粒狀活性炭的如何進(jìn)行固定化和對(duì)已經(jīng)吸附飽和活性炭如何使之再生，從而延長活性炭壽命有待于進(jìn)一步研究。
4、結(jié)論
隨著飲用水源污染的日益加劇和飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，作為一種先進(jìn)的優(yōu)水質(zhì)、低能耗、沒有污染的綠色工業(yè)水處理技術(shù)，臭氧—生物活性炭技術(shù)在處理微污染的原水中有著其它處理方法無法比擬的優(yōu)越性，即有效地控制和消除水中微量有機(jī)物的污染和危害，延長活性炭的使用壽命，出水水質(zhì)提高，而且穩(wěn)定，易管理；而如何利用其優(yōu)越性，促進(jìn)其工程實(shí)踐的廣泛應(yīng)用，提高其的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制水平，使其工藝設(shè)計(jì)更趨于較佳狀態(tài)，還有待于今后進(jìn)行深入的研究。