果殼活性炭?jī)艋嬘盟奶幚矸桨福麣せ钚蕴可碳一钚蕴康男再|(zhì)
由于吸附現(xiàn)象發(fā)生在吸附劑表面上，所以吸附劑的比表面積是影響吸附的重要因素之一，比表面積越大，吸附性能越好。
因?yàn)槲竭^(guò)程可看成三個(gè)階段，內(nèi)擴(kuò)散對(duì)吸附速度影響較大，所以活性炭的微孔分布是影響吸附的另一重要因素。
此外活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)、極性及所帶電荷，也影響吸附的效果。
用于水處理的活性炭應(yīng)有三項(xiàng)要求：吸附容量大、吸附速度快、機(jī)械強(qiáng)度好?；钚蕴康奈饺萘扛狡渌饨鐥l件外，主要與活性炭比表面積有關(guān)，比表面積大，微孔數(shù)量多，可吸附在細(xì)孔壁上的吸附質(zhì)就多。吸附速度主要與粒度及細(xì)孔分布有關(guān)，水處理用的活性炭，要求過(guò)渡孔(半徑20~1000A)較為發(fā)達(dá)，有利于吸附質(zhì)向微細(xì)孔中擴(kuò)散。活性炭的粒度越小吸附速度越快，但水頭損失要增大，一般在8~30目范圍較宜，活性炭的機(jī)械耐磨強(qiáng)度，直接影響活性炭的使用壽命。
隨著水污染日益嚴(yán)重,大量的污染物尤其是有機(jī)污染物通過(guò)不同的方式進(jìn)入水體,飲用水水源受到日趨廣泛的污染。目前,世界上大多數(shù)國(guó)家,特別是發(fā)展中國(guó)家的飲用水凈化基本上采用“混凝→沉淀→砂濾→投氯消毒”的常規(guī)處理工藝,雖然能夠使水澄清、消除水傳染病原菌,但是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)生的許多有毒、有害物質(zhì),特別是大量有機(jī)污染物并不能得到很好的去除,對(duì)人類健康構(gòu)成了威脅。潔凈飲用水處理技術(shù)是針對(duì)臭氧、活性炭、生物活性炭、紫外消毒等單元工藝去除水中微量有機(jī)物效果進(jìn)行的研究。特別是把生物工程應(yīng)用到活性炭上,當(dāng)活性炭載上活性生物菌種以后,使活性炭既有原來(lái)的吸附作用又有生物降解的作用,大大地提高了去除微量有機(jī)物的效果。研究結(jié)果表明這是一種先進(jìn)的飲用水深度凈化工藝,可有效地提高水處理的效果,滿足健康優(yōu)質(zhì)飲用水基本的要求,技術(shù)上是可行的。
1 方法原理
1.1 基本原理
研究采用的是“絮凝沉淀、臭氧氧化、生物活性炭吸附、紫外消毒”等單元方法的優(yōu)化組合。這四個(gè)單元的主要功能是:①絮凝沉淀:物理處理方法,去除水中泥沙等大量雜質(zhì)。②臭氧氧化:可以使大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為臭氧氧化中間產(chǎn)物。③生物活性炭:它既有活性炭吸附的功能,又有生物降解的功能。④紫外消毒:其功能是殺死微生物病菌,保證飲水健康。
1.2 生物活性炭去除水中微量有機(jī)污染物的原理所謂生物活性炭就是以活性炭為載體進(jìn)行生物膜的培養(yǎng)和馴化后得到的可以降解水中有機(jī)污染物的活性炭。生物膜表層膜內(nèi)棲息著大量好氧性生物、細(xì)菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物,形成了有機(jī)污染物—細(xì)菌—原生動(dòng)物(后生動(dòng)物)的食物鏈,通過(guò)細(xì)菌的代謝活動(dòng),水中有機(jī)污染物的降解是在好氧生物膜內(nèi)進(jìn)行的,好氧降解有機(jī)物的效率高、速度快。該工藝還充分利用了生物活性炭的優(yōu)良的吸附性能,特別能有效的吸收水中產(chǎn)生臭和味的有機(jī)物,給微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的條件。
1.3 臭氧氧化法處理水中有機(jī)污染物的原理
研究將陶粒濾料添裝在臭氧氧化反應(yīng)柱中,目的是提高臭氧的利用率、增強(qiáng)臭氧氧化階段去除有機(jī)物及原水色度和濁度的能力,以減輕后續(xù)生物活性炭處理階段的負(fù)荷。羥基自由基氧化反應(yīng)可分為兩類:除氫反應(yīng)、加成反應(yīng),羥基自由基更易與芳香族化合物或不飽和烴類化合物發(fā)生加成反應(yīng),最終將其氧化成二氧化碳、水、以及小分子羧酸等無(wú)害物質(zhì)。還生成一些短鏈的中間有機(jī)物,就容易被生物降解或被活性炭吸附除去。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 試驗(yàn)流程
本研究經(jīng)優(yōu)選最終采用“絮凝沉淀→沙濾→臭氧氧化→生物活性炭→紫外消毒”工藝流程處理有機(jī)微污染水,試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。
2.2 主要設(shè)備、材料和試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)
(1)主要設(shè)備:臭氧發(fā)生器、紫外消毒器。
(2)主要材料:活性炭、生物活性炭。
(3)試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù):(略)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 實(shí)驗(yàn)水的水質(zhì)分析
實(shí)驗(yàn)用水取自A河水,經(jīng)絮凝、沉淀處理后沙濾而成,進(jìn)行全面的水質(zhì)分析,其結(jié)果見(jiàn)表1。按照“地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)實(shí)驗(yàn)水的分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)水的CODMn、色度、濁度、細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群均超過(guò)三類水的標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明水源的有機(jī)污染十分嚴(yán)重。因此把該實(shí)驗(yàn)水作為目標(biāo)原水進(jìn)行深度處理技術(shù)研究。
3.2 實(shí)驗(yàn)水的微量有機(jī)物的分析與鑒定
對(duì)實(shí)驗(yàn)水進(jìn)行富集、濃縮預(yù)處理,然后應(yīng)用色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行分析和鑒定。結(jié)果在實(shí)驗(yàn)水中共檢出69種有機(jī)物,其中對(duì)人體有明顯毒性的苯及其多元取代物4種,酚類3種,芳香鹵代物3種,芳香族硝基化合物4種,稠環(huán)類化合物2種,含氮、含硫雜環(huán)化合物2種,共計(jì)18種,占檢出有機(jī)物總數(shù)的31%。根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(USEPA)對(duì)飲用水中有機(jī)毒物的分類,A河水已受到嚴(yán)重的有機(jī)污染。
3.3 臭氧氧化—生物活性炭—紫外消毒系統(tǒng)去除
污染物實(shí)驗(yàn)
上面已經(jīng)分別研究了單個(gè)單元處理水中微量污染物的試驗(yàn),即臭氧氧化單元、活性炭單元、生物活性炭單元處理水中微量污染物的試驗(yàn)效果。由于單個(gè)單元處理水中微量污染物都有一些局限性,經(jīng)試驗(yàn)把各單元進(jìn)行科學(xué)的組合來(lái)處理水中微量污染物。最佳組合的流程見(jiàn)圖1。各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
(1)對(duì)濁度、COD、NH3-N、三氯甲烷的去除試驗(yàn):系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)三個(gè)月,運(yùn)轉(zhuǎn)期中每隔日定時(shí)采樣檢測(cè)濁度、COD、NH3-N、三氯甲烷(CHCl3)等指標(biāo)的濃度,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
從表2中看出系統(tǒng)的去除率COD達(dá)86.7%、濁度達(dá)90%、NH3-N達(dá)91.1%,其去除能力遠(yuǎn)比單個(gè)單元即純活性炭、純生物活性炭、純臭氧的能力要高。系統(tǒng)中臭氧—陶粒裝置在運(yùn)行過(guò)程中陶粒表面也有生物膜生成,對(duì)水中有機(jī)物的降解和細(xì)微懸浮物的過(guò)濾也有一定的作用。試驗(yàn)水經(jīng)過(guò)臭氧化—生物活性炭吸附、降解、過(guò)濾后,最后出水中CODMn大幅度降低,去除率達(dá)86.7%,即降至出水的1.68 mg/L。根據(jù)前人的研究結(jié)果,當(dāng)水中CODMn<2.0 mg/L時(shí),水中微量有機(jī)物基本都低于致病、致害的閾值,在加氯消毒后,亦不致產(chǎn)生有機(jī)氯代物。從表中看出,特別可喜的是采用該技術(shù)流程,實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有檢出三氯甲烷。
表2 臭氧生物活性炭紫外系統(tǒng)去除濁度
(2)致突變(Ames)試驗(yàn)。①試驗(yàn)樣本:經(jīng)絮凝、沉淀、過(guò)濾后的水;經(jīng)臭氧—生物活性炭柱出水。②試驗(yàn)方法:(略)。③結(jié)果:TA100菌株在各水樣中均未表現(xiàn)出Ames試驗(yàn)陽(yáng)性。④TA98菌株的試驗(yàn)結(jié)果(略)。實(shí)驗(yàn)水經(jīng)過(guò)臭氧—生物活性炭工藝處理后,由致突變陽(yáng)性轉(zhuǎn)變?yōu)橹峦蛔冴幮?。?jīng)該系統(tǒng)處理后的水沒(méi)有致突變性的疑慮了,是安全可靠的飲用水。
(3)對(duì)水中細(xì)菌的去除試驗(yàn)。系統(tǒng)對(duì)水中細(xì)菌的去除是極有效的,試驗(yàn)水中細(xì)菌總數(shù)為4300個(gè)/L,總大腸菌群100個(gè)/mL,采集紫外消毒器出水,作細(xì)菌實(shí)驗(yàn),結(jié)果為水中細(xì)菌總數(shù)為10個(gè)/L,總大腸菌群小于3個(gè)/L。達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
(4)對(duì)消毒副產(chǎn)物(CHCl3和CCl4)的去除試驗(yàn)。CHCl3和CCl4是自來(lái)水加氯后生成的主要消毒副產(chǎn)物,是致癌物,所以引起世界各國(guó)的重視。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在不以氯作為自來(lái)水的消毒劑,消除了這個(gè)隱患。實(shí)驗(yàn)表明,采用該技術(shù)來(lái)處理微污染水的情況下沒(méi)有檢出三氯甲烷。但是,我國(guó)大部分自來(lái)水廠還是以氯作為自來(lái)水的消毒劑。因此,本實(shí)驗(yàn)特意在原水中加入一定濃度的CHCl3和CCl4有機(jī)物,研究臭氧—生物活性炭系統(tǒng)對(duì)CHCl3和CCl4的去除作用。通過(guò)氣相色譜分別測(cè)定試驗(yàn)進(jìn)水和通過(guò)系統(tǒng)后出水的CHCl3和CCl4的含量,探討臭氧—生物活性炭系統(tǒng)對(duì)消毒副產(chǎn)物的去除率,其結(jié)果如表3。
(5)對(duì)有機(jī)污染物—多環(huán)芳烴的去除試驗(yàn)。多
環(huán)芳烴是一大類重要的有機(jī)化合物,其中有幾個(gè)化合物毒性很大,甚至是致癌物質(zhì)。對(duì)原水、實(shí)驗(yàn)水、臭氧化柱出水、生物活性炭吸附柱出水這4種水樣采用色—質(zhì)聯(lián)機(jī)對(duì)多環(huán)芳烴進(jìn)行分析。結(jié)果表明,原水經(jīng)過(guò)絮凝、沉淀、過(guò)濾、臭氧氧化、生物活性炭吸附后,有機(jī)物的綜合指標(biāo)大幅度降低,水中致癌、致畸、致突變的有機(jī)物——多環(huán)芳烴被去除。達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)水中濁度、色度和COD進(jìn)一步降低,細(xì)菌指標(biāo)達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)深度凈化達(dá)到了消除污染和改善水質(zhì)的目的。
4 結(jié) 論
(1)“臭氧氧化—生物活性炭—紫外消毒”系統(tǒng)對(duì)水中的濁度、COD、NH3-N有很好去除效果,去除率分別為90.0%、86.7%和91.1%。
(2)當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)為有機(jī)物超標(biāo)2~3倍(CODMn≤12~18 mg/L),其他指標(biāo)優(yōu)于三類的地面水時(shí),出水水質(zhì)的CODMn≤1.8 mg/L。
(3) Ames試驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)可以使水體致突變陽(yáng)性轉(zhuǎn)為突變陰性,對(duì)保障人民身體健康起到極好的作用。
(4)采用本系統(tǒng)處理后的水不含三氯甲烷。Ames致突變?cè)囼?yàn)呈陰性。在特定添加了有機(jī)物——CHCl3和CCl4情況下,表明本系統(tǒng)可以去除水中的CHCl3和CCl4。
(5)本系統(tǒng)的生物活性炭單元壽命長(zhǎng),運(yùn)行三個(gè)月,未經(jīng)反沖,其除COD效果一直保持良好。經(jīng)本系統(tǒng)處理后的水微生物指標(biāo)(細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群)都達(dá)到了衛(wèi)生飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
(6)整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程簡(jiǎn)單,有望成為一種高效低耗的水質(zhì)凈化新工藝。
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