臭氧—活性炭過濾技術的發展和水處理中活性炭應用狀況

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臭氧-活性炭過濾技術的歷史與作用
在二次世界大戰結束以后，德國在飲用水處理中開始應用顆粒活性炭(GAC)，最初活性炭是用作脫氯劑。因為當時魯爾河和萊茵河水受到嚴重污染，須用氯氣以去除氨氮，而由于較大的加氯量，導致配水管網水中的剩余氯大于預計值，不得不采取脫氯措施。
在20世紀50年代末，德國萊茵河畔的一些水廠開始采用O，和GAC過濾的工藝。水廠以砂岸過濾水作為水源，運行后發現活性炭濾池內有微生物作用，可以長時間去除嗅味，即使不加臭氧時也是如此。原因是水源水內存在可生物降解有機物，可作為微生物生長所需的營養料，所以活性炭濾池中始終具有微生物活性。
德國應用臭氧—活性炭過濾技術的另一重要因素是他們對飲用水水質的看法，長期以來他們確信地下水是飲用水最重要的水源，可是沿魯爾河和萊茵河兩岸過分擁擠，取用地下水已相當困難，無法做到不用地表水。從而研究以地表水為水源時的飲用水處理方法，做到出廠水的水質接近地下水，使TOC在2mg·L-1或以下，需氯量在o．5mg·L-l或以下。因此，飲用水處理時，除了應用砂岸滲濾或地下深層滲透系統外，還對臭氧和活性炭濾池作為單元過程進行了充分的研究和實踐，這一工藝后來稱為生物活性炭法(BAC)。
生物活性炭濾池具有良好的水處理效果，主要在于活性炭濾層中的吸附作用和生物活性。為了研究濾層厚度、濾速、活性炭品種、預臭氧化等對活性炭濾池性能的影響，在德國不來梅市進行了為期數年的半生產性研究，取得了如下主要成果。
①活性炭濾池在過濾初期主要是活性炭的吸附作用，有機物的去除率最高約達80％。以后，濾池出水中的溶解性有機碳(DOC)上升到恒定的水平，其值取決于進池水的DOC濃度。在有利條件時，一旦達到生物穩定狀態，即使不加臭氧，也可以穩定地去除高達50％的進水中的DOC，在條件不利時也可去除20％～33％的DOC。生物活性的加強是由于活性炭比砂或白煤濾料的微孔容積大得多，對有機物的初始吸附容量大，炭粒較細以及預臭氧化等因素。
②濾池內C02和溶解氧(DO)的數量可以反映有機物的生物降解程度。達到生物穩定狀態后，每天每立方米活性炭濾層約可氧化100gDOC。氧消耗量平均約250g·m-3．d-1。當空床接觸時間為30min時，約可去除2mg·L-1DOC，
③預臭氧化可增加生物可降解的有機物成分，因此加強了DOC的去除率，特別是在冬季低溫時更為明顯。
④無預氧化時，活性炭濾池出水中的細菌計數比進水中的少。但是用氯或臭氧進行預氧化時，則炭池出水中有較高的菌落計數。活性炭濾池出水中的大腸菌和埃希氏大腸菌計數很低，在可以接受的水平內。
⑤由于試驗時原水中氨的濃度一般不太高(o～2mg·I-—1)，溶解氧濃度可以滿足氨和有機物的需要，所以活性炭濾池具有一定的硝化作用。一般需要3～6周的時間才能在活性炭上生長硝化菌。水溫低于5℃時將會降低氨的氧化過程。
 
由于不來梅市水廠的生物活性炭過濾試驗取得了出色的成果，接著就在萊茵河畔的魯爾區Muelheim水廠投人生產。該廠以魯爾河水為水源，原處理流程為折點加氯、絮凝沉淀、快砂濾池、活性炭過濾和慢濾池，以后由于擴建時地位的限制以及折點加氯產生的高濃度氯化副產物，流程改為絮凝沉淀、臭氧化、雙層濾料快濾池和生物活性炭濾池。運行一個月相應的產水量為40m3水·L-1活性炭。
采用折點加氯時處理效率很快下降，這與活性炭濾池的有機物過早泄漏有關。而在無折點加氯時，有14個月時間(相應的處理水量約40m3水／L-1活性炭)其去除效率穩定在75％一80％，主要是由于活性炭濾池的生物活性，使其既去除了DOC，又增加了無機碳。
加氯量高時，處理效率降低有兩種可能：第一，氯化時生成的總有機氯(TOCl)濃度高達500~g·L-1，當被吸附在活性炭上后，由于其生物降解性差，因此降低了生物降解效率；第二，預氯化后水在混凝過程中所去除的有機物不多，殘余的游離氯使濾池的生物活性受到影響，以致濾池進水中的有機物濃度較高并且泄漏較快。
高劑量預氯化可引起有害的結果，對水質和處理效果都有不良的影響。但如間歇投加低于折點的氯量，仍然可以達到預氯化相同的效果，并可因氯的氧化作用增加有機物的可生物降解性。
德國Wiesbaden水廠經過多年來對生物活性炭濾池的觀測說明，所有微生物種群都是在土壤和水中天然存在的非病原菌，經過鑒別后的微生物為假單胞菌屬和Azomonas的不同菌株以及真菌和酵母菌等。活性炭上所吸附的細菌數最高可達108CFU／s。預臭氧化可使致病微生物降低到極低的水平，而且不會在濾層中存活下來，活性炭濾池中的非致病微生物也生長較快，可能比未加臭氧的水中更多，因此濾池出水中有較高的細菌數。盡管活性炭池中和出水中有很多的細菌，只需在濾后的水中投加少量的消毒劑如氯或二氧化氯，即可使出廠水水質達到細菌安全性的衛生標準。
在20世紀50年代末，德國Dusseldorf城附近的幾個水廠建成了臭氧和活性炭濾池，可是經過10年運行以后，兩者的增強效果還沒有完全得到認可。
臭氧和活性炭濾池的聯合工藝后來也稱為Muelheim法，以這種物理化學方法所處理的地表水，其水質實際上相當于地下水。Muelheim的Dohne水廠其水處理流程如下：河水從側渠用水泵抽人混合池，在池中加臭氧和混凝劑，臭氧劑量根據渾濁度而定，平均為lmg·
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