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1、臭氧生物活性炭深度饮用水处理技术,组员：张邵辉、葛勇建、蒋贝贝、 程永清、邱 川、张凡文,专题二,CONTENTS,PART ONE,PART TWO,我国饮用水处理现状,臭氧生物活性炭深度饮用水处理技术原理,PART THREE,PART FOUR,工艺影响因素及现实应用,问题分析及优化,目 录,01,我国饮用水处理现状,水源污染状况,first,全国七大水系中，一半以上河段受到不同程度的污染，达不到饮用水源的标准。,second,全国 70以上的河流湖泊都遭受到不同程度的污染，特别是流经城市的河段近 90%都受到了污染，城市内湖水质较差。,third,全国90%的地下水遭受了不同程度的污染
2、，其中60%污染严重，地下水质污染十分严峻。,给水处理现状,现状,我国目前绝大多数自来水厂采用的仍然是传统的净水工艺，即“混凝沉淀过滤消毒”。由 于该常规净水工艺的主要去除指标是浊度、色度和细菌学指标，因此它只能有效去除水中悬浮物、胶体物质、细菌和大肠杆菌等，而对氨氮和各种溶解性有机污染物的去除效果很差。,常规工艺的缺陷,2,3,4,1,不能有效去除氨氮及有机污染物，尤其是溶解性有机物,不能有效去除藻类及藻毒素，臭、味及内分泌干扰物不能被去除,加氯生成副产物，使出厂水致突变性增加,存在出厂水不稳定及管网二次污染,强化常规工艺措施,1,2,3,在常规工艺前加设生物预处理工艺,强化混凝沉淀,开发深
3、度处理工艺,02,臭氧生物活性炭深度饮用水处理技术原理,臭氧的物理化学性质,臭氧的分子式为O3，在常温下，是一种有特殊臭味的淡蓝色气体。,1,2,3,4,臭氧的氧化力较强，其标准的氧化还原电位为E02.07V。,臭氧溶于水，溶解度与水温呈反比关系。在常温条件下，溶解量约为20mg/L。,臭氧在水中自行分解为氧，自行分解的速度由水温和pH值所控制，高水温与高pH值能够促进分解。,臭氧的反应机理,臭氧之所以表现出强氧化性，是因为臭氧分子中的氧原子具有强烈的亲电子或亲质子性，臭氧分解产生的新生态氧原子，在水中形成具有强氧化作用的羟基自由基OH，它们的高度活性在水处理中被用于杀菌消毒、破坏有机物结构等
4、等，其副产物无毒，基本无二次污染，有着许多别的氧化剂无法比拟的优点，不仅可以消毒杀菌，还可以氧化分解水中污染物。,臭氧的氧化作用,臭氧与无机物反应,臭氧能氧化大部分无机物，例如在预臭氧化中，臭氧可有效地将水中溶解性铁、锰等无机离子转化为难溶解性氧化物，使其从水中沉淀出来。,臭氧与有机物反应,直接反应,污染物+O3产物或中间物,臭氧分子与有机污染物间的直接氧化作用；这是缓慢且有明显选择性的反应。,间接反应,污染物+OH产物或中间物,臭氧被分解后产生羟基自由基，间接地与水中有机污染物作用，这一反应速率快，且没有选择性。,臭氧氧化作用的优缺点,臭氧在饮用水处理中的应用,1,2,3,臭氧预处理，在常规
5、净水工艺前增设臭氧工艺,臭氧-生物活性炭处理，O3与颗粒活性炭结合，在常规净水工艺后，对水作深度处理，以除去各种有机物和色、嗅、味等,臭氧消毒，用以代替氯对水进行消毒,活性炭回顾,定义,分类,性质,活性炭是一种经过气化（炭化、活化）造成的具有发达空隙的、以炭作骨架结构的黑色固体物质。,按原料来源分：木质活性炭、 矿物质原料活性炭、其它原料制成的活性炭、,按外观形状分：粉末活性炭、颗粒活性炭（不定形、圆柱形、球形）,再生活性炭,活性炭具有发达的孔隙结构，导致其有很大的表面积，一般可达5001700m2/g炭，具有良好的吸附作用。,活性炭回顾,评价指标,吸附机理,活性炭在饮用水处理中的应用,1,2
6、,3,原水突发性或季节性出现污染物质增高、异味、异臭和THM前驱物质浓度很高时，作为应急措施投加粉末活性炭。,为去除有机污染物、THM的前驱物和异味、异臭在过滤后加颗粒活性炭吸附。,与臭氧联用，既有吸附作用，又利用其表面的生物膜的降解作用，去除污染物质，并延长活性炭再生周期，即生物活性炭。,臭氧生物活性炭技术简介,臭氧-生物活性炭深度水处理技术被称为饮用水净化的第二代净水技术。臭氧一生物活性炭技术采用臭氧氧化和生物活性炭滤池联用的方法。将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附和生物氧化降解四种技术合为一体其主要目的是在常规处理之后进一步去除水中有机污染物、氯消毒副产物的前体物以及氨氮。
7、降低出水中的BDOC 和AOC。保证净水工艺出水的化学稳定性和生物稳定性。,Tips,BDOC：biodegradable dissolved organic carbon 生物可降解溶解有机碳,AOC：assimilable organic carbon 可同化有机碳,臭氧生物活性炭技术原理,直接降解有机物，减少进入活性炭池中的有机负荷。,为后续活性炭工艺充氧，有利于活性炭好氧 微生物的生长。,臭氧氧化的作用,把大分子有机物降解为小分子有机物，改变水中有机物的分子量分布。提高水中有机物的可生化性。从而有利于强化后续活性炭工艺对于中小分子量有机物的吸附降解。,臭氧生物活性炭技术原理,生物活性炭
8、的形成,活性炭自身具有孔隙多、比表面积大的特性，能够迅速吸附水中的溶解性有机物，也能富集水中大量的微生物。被吸附在活性炭表面的溶解性有机物为微生物提供了营养源，同时炭床中大量生长繁殖的好氧菌生物降解吸附低分子有机物，这样在活性炭表面便生长出了具有氧化降解和生物吸附双重作用的生物膜，形成生物活性炭。,臭氧生物活性炭技术原理,生物活性炭的作用机理,生物活性炭对废水中有机物的去除机理主要由以下7方面组成：,污染物通过液膜达到活性炭表面。,1,6,5,4,3,2,7,外扩散：,内扩散：,污染物从活性炭表面进入微孔道和中孔道，进而扩散至中孔和微孔表面。,吸附：,进入微孔、中孔表面的污染物被活性炭吸附相对
9、固定。,水解：,污染物与菌胶团分泌的胞外酶反应，水解成分子量较小的物质。,内反应：,水解后的化合物由中孔道和微孔道扩散至外表面生物膜吸附区。,生物降解：,水解化合物进入细胞内，在酶作用下进行氧化分解。,外反扩散：,降解产物通过液膜扩散至污水中。,臭氧生物活性炭技术原理,活性炭孔隙中的有机物被分解后，经过反冲洗，活性炭腾出吸附位置，恢复了对有机物及溶解氧吸附能力。活性炭对水中有机物的吸附和微生物的氧化分解是相继发生的，微生物的氧化降解作用使活性炭的吸附能力得到恢复，而活性炭的吸附作用又使微生物获得丰富的养料和氧气，两者互相促进，形成相对平衡态，得到稳定的处理效果，从而大大延长了活性炭的再生周期。
10、,生物活性炭池的反应过程,03,工艺影响因素及现实应用,工艺影响因素,工艺影响因素-臭氧投加量,将大部分有机物氧化为中间产物，增强其在活性炭上的吸附性和可生物降解性，进而改善其生化效果。,投加臭氧目的,大剂量投加臭氧，虽然能使有机物全部转化为CO2和H2O，但高费用，不经济，还会产生溴酸盐（疑为致癌物质）、醛类等消毒副产物。 研究表明，投加臭氧还会在颗粒活性炭表面上生成一些酸性基团，降低对苯酚的吸附能力，背离投加臭氧的初衷。,投加量的影响,工艺影响因素,工艺影响因素-活性炭类型和投加量,按形状分为粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）。,活性炭的投加剂量是该工艺运行的一个必要参数，也是臭氧
11、转化为氢氧自由基的一个决定因素。 在饮用水处理工艺中，投加的PAC的剂量需根据水质特点，通常在1100mg/l之间变化。,活性炭的类型,投剂量的影响,工艺影响因素,工艺影响因素-温度,温度是活性炭滤池运行一个重要参数，其影响主要表现在氨氮的去除效果上，春、夏、秋季的去除效果较好，冬天的去除效果欠佳。,生物活性炭的生物活性随温度的降低而降低。 有研究表明：在水温2左右时，生物活性炭滤池对氨氮的去除能力相当于6以上时去除能力的50%；在温度6的条件下，生物活性炭滤池对氨氮的去除能力在进水溶解氧基本相同时，不随温度（水温6）的变化而发生变化。,工艺影响因素,工艺影响因素-时间,在生物膜工艺中，延长空
12、床接触时间意味着延长基质与生物膜的接触时间，有利于基质的生物降解。此外，接触时间的延长也有利于污染物的矿化吸附去除。 空床接触时间的增幅大对CODMn去除效果的改善程度较为明显，但当接触时间增大到一定程度时，CODMn去除率的提高有限，这是因为进水中可生物降解及吸附的物质所占的比例一定，中间生成不与臭氧发生反应的中间产物草酸。,饮用水处理中的应用,1去除天然有机物（NOM）及消毒副产物,2去除饮用水中金属离子,4去除色度,3去除饮用水中氨氮,饮用水处理中的应用,1去除天然有机物（NOM）及消毒副产物,臭氧与溶于水中的有机物通过直接与间接反应发生作用。但其溶于水中量很小且不稳定，使其单独运用有较
13、大的局限性。 通过与颗粒活性炭联用，一方面臭氧可以将大部分有机物氧化成中间产物，增强有机物在活性炭表面上的吸附性及可生物降解性；另一方面活性炭的存在有利于溶解臭氧转化成更多OH，进而提高对有机物和消毒副产物前驱物去除效果，降低可同化有机碳（AOC）值，提高出水的生物稳定性。 该联合工艺不仅对分子大小2um以上物质、 CODMn和水中总有机碳（TOC）均有较好的去除效果。,饮用水处理中的应用,2去除饮用水中金属离子,臭氧的电离作用，增加了活性炭表面和金属离子之间的静电吸引，更有利于金属离子吸附。 有研究表明，活性炭被氧化后对金属Cr的吸附量增加，氧化时间越长，增加量越多，这种效应是由 于其表面形
14、成氧团体（主要是羧基群体）电离作用，增加活性炭表面和金属离子之间的静电交互作用。 该联合工艺对金属离子有较好的去除效果。,饮用水处理中的应用,3去除饮用水中氨氮,传统工艺中，对水中氨氮的去除主要靠生物作用，当滤后水中的氨氮浓度较高时，消毒后会产生难闻的气味，且反应生成的亚硝酸盐对人体有害。 臭氧/生物活性炭工艺具有一定的耐氨氮冲击负荷能力，并且当氨氮浓度小于0.5mg/l时，去除率随着氨氮浓度的升高而增加。 统计表明该工艺对氨氮的去除 率通常在70%90%之间。,饮用水处理中的应用,4去除色度,色度的去除主要是靠臭氧的氧化作用、活性炭表面的吸附作用及生物降解。 水中能产生色度的物质多是带有生色
15、基团的有机物，如重氮、偶氮化合物等天然有机物。这些物质都带有不饱和键，臭氧可以选择与不饱和键发生反应，从而使显色物质发生反应生成中间产物。 活性炭的比表面积大、表面能高，中间产物被吸附在活性炭表面上。 该联合工业在去除色度方面有较好的去除效果。,饮用水处理中的应用,深度处理工艺,絮凝池,沉淀池,过滤池,接触池,颗粒活性炭滤池,清水池,出水,Cl2,臭氧,臭氧,混凝剂,进水,水的深度处理工艺（第二代城市饮用水净化工艺）,04,问题分析及优化,问题分析,2,3,4,1,臭氧化副产物问题,微生物安全问题,藻毒素问题,进水浊度、滤池残余臭氧控制,1.臭氧化副产物,第一类,溴酸盐和次溴酸盐,溴酸盐具有强
16、致癌性；我国将饮用水中溴酸盐控制标准定为10ug/L。,第二类,臭氧化有机物后产生的小分子有机物,有较强的生物毒性,第一类,溴酸盐和次溴酸盐,溴酸盐具有强致癌性；我国将饮用水中溴酸盐控制标准定为10ug/L。,第一类,溴酸盐和次溴酸盐,第二类,臭氧化有机物后产生的小分子有机物,有较强的生物毒性,第二类,臭氧化有机物后产生的小分子有机物,1.臭氧化副产物,（1）,（2）,（3）,合理控制臭氧投加量，降低溴酸盐的生成量；,预氧化工艺中采用高锰酸钾盐和臭氧复合氧化；,后臭氧氧化过程中，设用分次投加方式。,第一类解决方法,1.臭氧化副产物,第二类 臭氧化有机物后产生的小分子有机物,小分子有机物（如醛类
17、、脂肪酸、羧酸、酮类、AOC等）,一定程度降解这些有机物,经生物活性炭处理,吸附作用、生物降解作用,AOC（可同化有机物）,概念,饮用水的生物稳定性是指饮用水中有机营养基质能支持异养细菌生长的潜力，即细菌生长的最大可能性，给水管网中限制异养细菌生长的因素主要是有机物，但难用化学的方法测定其浓度，因此国外研究人员提出了可同化有机碳（AOC）的概念。,AOC（可同化有机物）,AOC在水处理工艺流程的变化情况,表中数据可得：1.原水在絮凝、沉淀和过滤后，AOC只有微小幅度的降低； 2.臭氧化能导致砂滤后水中AOC增加； 3生物活性炭对AOC表现出很好的去除作用，去除率达47.9% 4经生物活性炭处理
18、后再加氯消毒，AOC没有增加，还有降 低，达到90g/L，可以认为达到生物稳定性。,AOC（可同化有机物）,实践证明,由于AOC包括了许多易被生物降解的化合物，为微生物提供了生成基质和代谢能量，因此它的浓度对水中微生物的生长有较大影响。水进行臭氧化会提高水中AOC浓度，臭氧化中间产物分子量更小，更容易细菌降解,2.微生物安全,首先,胞外分泌物,其中有一些胞外分泌物具有一定毒性。,其次,微生物穿透炭床,再次,微生物被包裹在细微颗粒之中,进入到出水中的微生物往往被包裹在细微颗粒之中，因此很难接触到消毒剂。,这些微生物会穿透活性炭床进入到出水中去，而且由于这些微生物经过了臭氧消毒后存活下来，对消毒剂
19、一般具有更强的耐受能力。,因此，加大了后续消毒工艺的难度,其次,微生物穿透炭床,这些微生物会穿透活性炭床进入到出水中去，而且由于这些微生物经过了臭氧消毒后存活下来，对消毒剂一般具有更强的耐受能力。,其次,微生物穿透炭床,2.微生物安全,（1）,（2）,（3）,砂滤池置于炭滤池后,炭滤池下设砂滤池,BAC-UF联用,控制方式,（1）砂滤池置于炭滤池后,这样可以将炭滤池内泄漏的微生物杀死并截留，防止微生物进入管网，确保用水安全,炭滤池,砂滤池,混合池,可加助滤剂,或加消毒剂,不足：炭滤池位置一般预留在砂滤池之后，置于砂滤池之前，常与水厂总体高程及总平面布置难以协调,（2）BAC-UF联用,膜滤对水
20、中悬浮物和细菌的去除效果显著，可实现细菌和水蚤类的全部去除，病毒部分去除，出水浊度可以达到0.1NTU（浊度单位）。,不足：投资成本较高，运行维护成本高。,（3）炭滤池下设砂滤池,生物活性炭-石英砂双层滤池比单纯的生物活性炭出水效果好，有利于保证出水水质的安全性。,下设砂滤层的方式以提高炭滤池对微生物的截留能力，减少微生物泄漏问题和提高炭滤池出水的浊度控制能力。,目前此办法较之前两种常用,3.藻毒素,研究表明,在原水藻类较多的情况下，臭氧能氧化藻类，使原来包裹在藻细胞内的胞内毒素释放出来。水中藻毒素增加，在藻类高发时期，胞内毒素占总藻毒素比例高达90%，所以去除藻细胞防止毒素释放是水处理过程的首要环节。,优化方法,采用高锰酸钾和臭氧复合氧化方式,优化方法,采用高锰酸钾和臭氧复合氧化方式,4. 进水浊度及炭滤池残余臭氧控制,炭滤池进水浊度应小于1NTU,防止炭床堵塞，缩短吸附周期,（1）进水浊度控制,（2）控制残余臭氧措施,1,2,3,控制余臭氧量，宜控制在0.1ug/L,活性炭滤池,活性炭滤池在池上方设盖板,小结,作为一种先进的优水质、低能耗的水处理技术，在处理微污染水源水中具有其他处理方法无法比拟的优越性。同时它的负面影响也越来越被我们了解与重视，怎样根据实际情况采取切实有效的方法加以改进还需进一步的研究。,
