1、 第第3讲讲 饮用水安全消毒技术饮用水安全消毒技术 n内容：目前消毒技术存在的问题，优化氯消毒技术，二氧化氯消毒技术，臭氧消毒技术，紫外线消毒技术。n重点：目前消毒技术存在的问题，优化氯消毒技术 4.1我国城镇供水行业消毒技术现状简述我国城镇供水行业消毒技术现状简述 1.氯消毒在给水处理中得到广泛应用n消毒是给水处理工艺的重要组成部分。19世纪中叶，人类历史上第一次将水质与人体健康直接联系起来，正是认识到严重危害生命的霍乱、伤寒、痢疾等传染病是微生物通过饮用水传播的。上世纪初发现氯可以灭活水传致病微生物后，氯消毒在给水处理中得到广泛应用，成为20世纪保护人体健康的重要技术进步之一。2.氯消毒现
2、状n目前我国各供水企业的水处理工艺普遍采用液氯作消毒剂，其优点是成本低、投加设备简单，设计、运行管理经验丰富近年来余氯自动检测与加氯自动控制技术发展迅速，特别是在大中型水厂得到广泛应用，部分中小型水厂则加氯技术相对落后，加氯不能完全实现自动化，使加氯量和余氯控制不能很好满足水质要求。较先进水平的加氯机主要靠引进国外产品。同时国内对加氯量的计算与发达国家有差距，不是按照满足CT值的要求计算。二氧化氯消毒在极少数小水厂有应用，首家紫外线消毒于2003年底在大庆自来水公司建成投产。总体上氯消毒仍是绝对主流技术。4.2目前消毒技术存在的问题目前消毒技术存在的问题 1消毒效率问题 n目前执行的国家法定水
3、质标准对细菌学指标的规定为：加氯消毒要求游离余氯在与水接触30min后不得低于0.3mgL，管网末梢不低于0.05mgL。n对细菌学指标的规定为：加氯消毒要求游离余氯在与水接触30min后不得低于0.3mgL，管网末梢不低于0.05mgL。表141中列出常规处理工艺难以解决的水质问题和可供选择的主要处理方法。n美国要求采用CT值来决定加氯量，在提高消毒效率的前提下减少氧耗，达到减少消毒副产物的目的。正在修订的室外给水设计规范提出氯消毒应计算CT值，但未给出具体说明 n从上世纪70年代起，饮用水中不断发现新的病源微生物，如微小似病毒、贾第虫、军团菌和隐孢子虫等。饮用水中越来越多的致病微生物种类对
4、饮用者健康构成直接威胁，而且部分新型致病微生物如隐孢子虫等不能被氯杀死。为了保证饮用水的安全性，特别是考虑将来饮用水的直接饮用，采用更有效的消毒技术十分必要。2消毒副产物问题 n自上世纪70年代发现氯消毒产生有“三致作用”消毒副产物三卤甲烷以后，对氯消毒产生的消毒副产物成为各国关注的热点。越来越多的消毒副产物如三卤甲烷、卤己酸、卤代腈、卤代醛等在饮用水中被发现。三卤甲烷和卤乙酸由于其强致癌性已成为控制的主要目标，而且也分别代表了挥发性和非挥发性的两类消毒副产物。n美国专门有消毒剂和消毒副产物法(DDBPsRULE)对氯消毒剂和消毒副产物进行了规定。n我国国标生活饮用水卫生标准(GB 57498
5、5)规定三氯甲烷不高于60g/L。国内自上世纪90年代以后对消毒副产物的研究推动了消毒副产物列入新的水质标准。在卫生部生活饮用水卫规范中对三卤甲烷、卤乙酸、亚氯酸盐、三氯乙醛都作了规定。建设部制定的城市供水水质标准(CJT 2062005)也对消毒副产物作了严格规定(见表211)。n因此为了控制消毒副产物，对消毒技术的优化十分必要。水质标准对消毒剂和消毒副产物的规定比较 单位：mg/L 三卤甲烷卤乙酸余氯氯胺二氧化氯亚氯酸盐溴酸盐美国0.0800.060440.81.00.01中国0.1000.0600.70.01注：中国的规定摘自城市供水水质标准（CJT 2062005)3管网水质生物稳定性
6、问题n由于出厂水中存在可生物降解有机物(Biodegradable Organic Matter，缩写为BDOM)，成为管网中异养细菌生长繁殖所需的营养基质，使出厂水中未被消毒杀死的细菌或其他途径进入给水管网的细菌重新生长(Regrowth或aftergrowth)。部分细菌随机附着在管壁上利用营养基质生长而成生物膜。n管壁生物膜可能成为管壁腐蚀和结垢的诱因。生物膜的老化脱落会恶化水质，使用户水水色度和浊度上升，细菌数增加，致病菌和条件致病菌生长，最终恶化水质。管壁结垢和腐蚀会降低管网过水能力，增加二级泵站动力消耗，引起水在管道里的跑冒滴漏，严重时造成爆管事故。因此，作为营养基质的有机物存在于
7、给水管网中将给管网和管网水质带来严重影响。4.3 消毒技术发展目标消毒技术发展目标 1建立科学的消毒评价指标体系n消毒是保证饮用水水质安全可靠的重要手段，因此基于现代水处理科学和相关学科的发展，对消毒单元的评价指标体系必须同时考虑微生物学指标、毒理学指标、生物稳定性指标，使消毒的综合效果达到最佳。n微生物学指标要重点突出饮用水中可能出现的、对人体健康有直接或者间接危害的微生物，包括致病菌、病毒、原生动物等。这些微生物指标的测定还必须具有可操作性，相对简单易行，便于在全国供水企业推广。建设部制定的城市供水水质标准 (LJT2065001)对微生物学指标已有新的规定，包括细菌总数、总大肠杆菌群、余
8、氯、二氧化氯、粪型链球菌群、蓝氏贾第鞭毛虫孢囊和隐孢子虫卵囊。根据科学发展，这个名单还应该不断与时俱进，作出调整。n毒理学指标也应消毒副产物反应现代科学的新进展。中国城镇供水协会应该建立全国性的饮用水消毒副产物信息网，根据各个地区供水企业检测到的消毒副产物和其潜在的危害对水质标准中的消毒副产物名单及时作出调整。未来的水质标准不应该是一制定就实行很长时间，而是应该根据研究的新发现不断更新、调整。就消毒副产物而言，尽管目前美国和中国水质标准对氯代消毒副产物的规定只有三卤甲烷和卤乙酸两类，n实际上研究发现的消毒副产物名单很长，比较重要的有：n 三卤甲烷(THMs)n 卤乙酸(Haloaceticac
9、ids)n 卤代醛(Haloacetaldehydes)n 卤代腈(Haloacetonitriles)n 卤代酮(Halopropanones)n 卤代硝基甲烷(Halonitromethanes)n 卤代氰(Halocyanogens)n 无机副产物(亚氯酸盐、澳酸盐等)n生物稳定性指标目前还未有定论，但随着研究的深入预计在不久的将来会有比较一致的看法。因此未来的消毒评价体系也应充分考虑生物稳定性指标。2建立科学的消毒单元设计和运行方法 n消毒单元的设计和运行必须同时考虑提高消毒效果(即提高对致病微生物的控制水平)、减少消毒副产物、提高水质生物稳定性。国外最新的消毒设计和运行工具综合消毒设
10、计框架(IDDF，Integrated Disinfection Design Frameworks)就是这样一种新的方法，在美国这个设计框架将会被用来代替地表水处理法(SWTR)中关于消毒的指导原则。n最初的IDDF产生只包括三个部分；反应器水力特性、消毒剂的需求消耗动力学、消毒动力学。但最初的IDDF存在一定的局限。新的全面的1DDF模型包括：反应器水力特性、消毒剂的需求消耗动力学、消毒副产物生成动力学和消毒动力学。图21.2便是其内容的示意图。nIDDF模型的建立是基于具体的用户的实际数据而定的。首先确定的是反应器的水力特性，然后是消毒剂的需求和消耗动力学，消毒动力学和消毒副产物形成动力
11、学。这种方法建立起来的模型需要处理离散的水力数据。n具体的模型应用是由用户提供的数据、每个子模型整合而成一个完整的lDDF。病菌的灭活计算是基于从水力学、消毒剂的需求和消耗动力学、消毒动力学模型中的输人数据。而消毒副产物的计算则是基于具体的水质和消毒副产物形成模型。n这些模型提供了三种不同水平以给不同要求的用户：n基础：IDDF模型的最简单的应用，只需输人参数，不需要实验。n标准：IDDF模型最昔遍的应用，输入模型的数据需要做一些现场实验。n高级：运用IDDF模型以实现显著的提高，需要专家来发展参数输入模型。nIDDF模型应该成为我国未来氯消毒设计和运行的原则。3.改进消毒技术，全面提高饮用水
12、水质n为了全面提高饮用水水质，在优化氯消毒的前提下，还要研究新的消毒方式，以克服氯消毒的缺点。目前二氧化氯、臭氧和紫外线消毒都是可能的选择之一，但紫外线消毒技术是最有前途的技术之一，因为紫外线消毒不产生副产物，对抗氯型的隐孢子虫和贾第虫都有好的消毒效果。因此应该重点研究紫外线消毒在饮用水处理中的应用特点。n消毒的首要目的是控制致病微生物的传播。一般情况下，致病微生物的风险比消毒副产物的风险要大得多，因此消毒技术的改进和优化首先应该将控制致病微生物放在第一位。在此前提下，采取技术手段，控制消毒副产物的产生。4.4改进清水池设计，以改进清水池设计，以Ct10值作为设计依据值作为设计依据 1.清水池
13、设计的改进成为减少消毒副产物的重要手段n清水池是给水厂处理工艺的的重要组成部分。通常清水池主要起水量调节和消毒反应器的作用。但随着近几年对管网水质的重视，清水池作为保证管网水质的一个处理单元的重要作用越来越明显。特别是世界范围内对消毒副产物控制的重视，使清水池设计的改进成为减少消毒副产物的重要手段。2.t10T是衡量清水池水力特性的重要参数。n按照ChickWatson消毒公式(公式211)，消毒效果跟CT值(C为消毒剂浓度，T为消毒反应时间)成正比。因此美国有关饮用水处理的法律专门规定消毒设计必须以CT值作为设计依据。其中C是反应时间T后的剩余消毒剂浓度(氯消毒即为余氯)，单位mgL，T为反
14、应时间，单位：min。而且要求T必须用t10，不能用水力停留时间TVQ。t10必须通过示踪试验或根据清水池布置对水力停留时间乘以相应的系数。t10T是衡量清水池水力特性的重要参数。二氧化氯消毒在极少数小水厂有应用，首家紫外线消毒于2003年底在大庆自来水公司建成投产。总体上氯消毒仍是绝对主流技术。n保持管网足够的余氯并不能完全抑制细菌生长，只要有机营养基质存在，即使保持较高的余氯量细菌仍会在管网繁殖。而且加氯量的增加将引起氯代消毒副产物的增加，使饮用水的安全性下降。n国内已经在北京供水企业、深圳供水企业、成都供水企业、天津供水企业等进行了这方面的研究，证实必须重视管网水质生物稳定性对水质的影响
15、。关于制定AOC的标准和降低AOC的措施，也在研究中。国家“863”高科技攻关项目“南方地区安全饮用水保障技术”、“北方地区安全饮用水保障技术”、“太湖地区安全饮用水保障技术”都将饮用水生物稳定性和管网水质作为重要的研究内容。氧消毒时与有机物的反应能使AOC显著增加，从而带来副作用。氯消毒、消毒副产物和生物稳定性的相互影响关系可由图211表示。因此消毒技术的优化和发展成为十分紧迫的问题。n在初步分析的基础上，应进一步通过模型试验来确定处理工艺以及主要参数，并应重视实地和资料调研国内外相关工程的设计与运行情况以及对应的工程建设背景和条件等，通过全面客观地总结现有工程的经验来指导本地的工程实践。n
16、 总之，由于科技进步，使给水处理技术与工艺不断地发生变化，新技术被提出和得到应用或使现有工艺更加高效和经济。3.2 预处理技术与工艺预处理技术与工艺3.2.1 生物预处理生物预处理n “八五”和“九五”期间，我国对各种生物预处理技术进行了系统研究，总体上讲，生物预处理能有效去除原水中可生物降解有机污染物，CODMn去除率一般为1520。对氨氮和亚硝酸盐去除而言，生物预处理的去除率较高，一般可达80以上。另外，生物预处理还能不同程度地去除原水中的铁、锰，色、嗅及浊度。n当水中有机污染物可生化性较强时，采用生物预处理可明显地提高 水质，但对于受工业废水污染、可生化性较低的原水，生物预处理除污染效率
17、较低。对于北方地区，由于冬季水温低，处理效果会下降。n各供水企业在进行生物预处理方案论证时，应充分利用我国在“八五”和“九五”期间在该领域的研究成果，并结合原水水质特征，进行必要的模拟试验，确定生物预处理的工艺适用性、池型及设计和运行参数。n如果原水受生活污水污染，有机物和氨氮较高(接近或超过地表水环境质量标准(GB 38382002)中的类水体的上限值)，与增加臭氧活性炭深度处理相比，一般讲，选用生物预处理是解决该类水质问题的经济合理的选择方案。n各供水企业在选择生物预处理池型时，应从和两种方式中，结合具体情况，综合考虑技术经济指标，加以比选。前者以生物陶粒滤池及轻质悬浮滤料滤池为代表，其中
18、，生物陶粒滤池在北京、深圳等多处进行过大量小试、中试，在蚌埠第二水厂、上海周家渡水厂进行了生产性实验，积累了较深入与完整的研究与设计经验，而轻质悬浮滤料滤池则在上海徐泾自来水厂实现了工程应用。后者在宁波梅林水厂、合肥第四水厂、上海惠南水厂等地有实际应用，具有较成熟的设计及生产运行经验。3.2.2 粉状活性炭技术粉状活性炭技术n粉状活性炭在国外已有较长的应用历史，早在上世纪20年代末就开始使用粉末活性炭去除水中的嗅味，目前在美国、欧洲以及日本等国已得到了普遍应用。在我国，粉末活性炭也已经在一些水厂得到应用。粉末活性炭能够显著改善水的色嗅味，对分子量为10005000的有机物有较好的去除效果，对于
19、分子量较小的有机物，吸附效果往往随有机物性质的不同而差别较大。n 粉状活性炭与粒状活性炭相比具有基建与设备投资少，使用灵活，管理方便等特点，特别适用于季节性短期污染高峰负荷的水质净化。在水源受污染较重的季节，投加粉状活性炭可作为应急措施。n粉末活性炭可采用干式投加和湿式投加两种，一般干式投加采用于式投加机，湿式投加采用计量泵从净水效果和操作环境考虑，推荐采用湿式投加。粉末活性炭的投加点一般是水厂进水口、快速混合处、反应池中段和滤池进口，粉末活性炭的投加量根据水质的不同而变化较大，通常为550mgL。n 粉末活性炭可与硅藻土、高锰酸钾等药剂联用，节省投加量，井能取得更好的处理效果。3.3 深度处
20、理技术深度处理技术3.3.1 臭氧技术臭氧技术1臭氧技术的基本特点臭氧最早应用于饮用水处理中是作为一种消毒剂，但由于饮用水水源污染程度的加剧，使臭氧作为氧化剂在饮用水处理中的研究和应用受到普遍重视，臭氧应用范围也更加广阔。臭氧技术应用于除污染工艺中的位置有三种：絮凝前(通常称为预臭氧)、砂滤池前、活性炭滤池前(通常称为主臭氧)，其中在砂滤池前投加臭氧，由于絮凝沉淀中去除了部分可氧化物质，因此臭氧投加量可以降低，并且有利于提高砂滤池的过滤效率，但对于改善絮凝效果和避免沉淀池藻类生长则不起作用。本文重点介绍预臭氧和主臭氧的应用。2臭氧技术的适用范围(1)改善水质的感官指标 臭氧对色度和嗅味的去除有
21、很高的效率，改善水质嗅味等感官指标是臭氧技术应用的主要目的。(2)控制藻类 预臭氧化能灭活藻细胞，使失活或死亡藻细胞易于通过瓤凝沉淀去除但高浓度臭氧会导致藻细胞溶裂，细胞内有毒物质溶出。因此，预臭氧投加量不宜过大。(3)助疑 预臭氧化可降低达到相同滤后水浊度下的最佳混凝剂量，或提高一定絮凝剂下的浊度去除率，延长滤池过滤周期。但预臭氧化的助凝作用取决于原水水质，如原水TOC、硬度、浊度、藻类种屑和数量等。通常，当原水硬度较高、有机物浓度较低时，预臭氧化表现出一定的助凝效果。(4)氧化天然有机物 通常臭氧投量条件下，主臭氧与有机物反应不能将有机物直接氧化成C02和H20，而是氧化成中间产物，结果是
22、有机物数量增多，分子量减小，可生化性增加，这时臭氧工艺需要与活性炭工艺联用。臭氧氧化天然有机物不应作为臭氧技术应用的首要任务。(5)控制氯化消毒副产物 臭氧化通过两个途径控制DBPs：一是直接去除DBPs的前驱物质；二是转化前驱物质，从而利于后续工艺的协同去除。应当注意的是，臭氧化工艺可以氧化卤乙酸，但不能氧化三卤甲烷。因此，如果采用了预氯化，生成的三卤甲烷不能被后续臭氧工艺去除。(6)去除微污染物 由于微污染物浓度低，在预臭氧化阶段总有机物浓度高，因此微污染的去除主要通过主臭氧化阶段。当水中存在高稳定性有机物(如农药)，采用臭氧催化氧化等高级氧化技术，通过引发羟基自由基提高对水中有机物的分解
23、效率和臭氧转移效率。(7)消毒 臭氧杀灭病毒的能力极强，主要是通过臭氧破坏其蛋白质壳体而致病毒灭活，主臭氧对隐孢子虫和贾第鞭毛虫具有较好的灭活效果。3臭氧技术的研究与应用现状臭氧技术在欧美等国在饮用水除污染方面的工程应用已经很普遍，技术与工程经验相对成熟和丰富。我国从上世纪70年代中期开始利用臭氧技术处理受污染饮用水的研究工作，但限于经济等原因，臭氧技术的工程应用还很有限。为提高臭氧化效果，近年来国内外逐渐开展了臭氧与过氧化氢联合氧化工艺的研究，发现在过氧化氢或紫外存在下，一些与臭氧不能直接反应的有机物(主要是农药类高稳定性有机物)得以氧化。臭氧与过氧化氢联合氧化工艺已经应用于欧美国家的给水处
24、理工程中，在我国国家“863”课题示范工程深圳笔架山水厂也采用了臭氧与过氧化氢联用技术。4臭氧工艺适用性的试验研究方法应用臭氧工艺首先需进行调查研究，内容包括工艺涉及到的原水水质、与其结合的工艺情况、处理后水质应达到的标准等，然后针对特定水质和要求进行实验室和半生产性试验研究，确定工程相关设计参数，提出可能遇到问题的解决方案等。n臭氧的实验可采用静态和动态实验。研究应达到的目的主要是确定工程应用中达到规定要求所需的臭氧投加量和臭氧与水的接触时间，同时确定臭氧投加方式，臭氧投加量调节控制方法等。研究中臭氧量的准确测定十分重要，臭氧量的测定包括气体中臭氧量和水中臭氧量，测定方法主要有碘量法、紫外光
25、吸收法和传感器法，对应有化学法，以及便携式和在线检测仪表，相关的主要参考标准有：臭氧发生器(CJT 3028194)，臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量(CJT 3028294)、(周围环境、工作地点及室内空气中臭氧连续测量的标准试验方法(紫外线吸收)(ASTMD 51562002)等。5臭氧应用的一些技术问题(1)臭氧投加点的确定 预臭氧、主臭氧因投加点不同其特点也不同，臭氧工艺选择必须根据原水水质特点，出水水质目标，相关工艺流程，以及场地等情况来确定。(2)预臭氧化工艺存在的问题由于预臭氧化涉及到的目标和问题较多，并且由于水质较差，影响因素也非常多因此，预臭氧化的功能实现比主臭氧要更加复
26、杂，在采用预臭氧化工艺前需要进行充分的前期调研、实验和论证。以下几点需要考虑：1)预臭氧化出水有机物分子变小，极性增强，不利于混凝沉淀对有机物去除，因此，当原水有机物浓度高时，应降低臭氧投加量或采用替代预臭氧化技术，例如高锰酸盐预氧化等(也有将臭氧与高锰酸盐联合使用的报道)。2)预臭氧投加量不宜过高，否则可能会造成藻细胞的溶裂(实际中有将臭氧和高锰酸盐联用的方法来降低臭氧投加量)。(3)主臭氧技术的选择 在应用主臭氧化技术前应对原水水质进行充分调研，根据调研结果决定是否采用常规臭氧工艺还是基于臭氧的高级氧化工艺，以及采用这些工艺所涉及到的参数。对于改善水质臭味等感官指标，去除水中微污染物，杀灭
27、病毒以及两虫将是今后应用主臭氧技术提高供水水质的重点。(4)臭氧化技术中的副产物问题甲醛、生物可同化有机碳AOC和溴酸盐是具有代表性的臭氧化副产物。甲醛首先出现在臭氧接触池中，达到一个峰值浓度，出厂水中消毒后，甲醛达到另一个峰值浓度。通常，醛类副产物的浓度与水中臭氧浓度大致成反比关系，不同水质、不同处理流程下醛类的种类和浓度相差可能会很大。水经过臭氧化后其中的AOC可能增加26倍，从而导致水质的不稳定性，这样可能会造成管网中细菌的再繁殖，致使水中大肠杆菌和其他致病细菌超标。溴酸盐已经被国际癌症研究机构列为有可能对人体产生致癌作用的化合物。AOC(包括甲醛)可以通过生物活性炭来去除，而溴酸盐形成
28、就很难被去除，因此必须控制其生成，控制方法可以投加NH3或降低pH，但两种方法一起用，没有叠加效果。3.3.2 臭氧技术的工程应用臭氧技术的工程应用 臭氧系统由臭氧气源、臭氧发生系统、臭氧接触池、接触池尾气破坏系统和臭氧控制系统五个部分组成。1.臭氧气源 臭氧气源主要有三种：使用成品纯液态氧、现场用空气制备纯气态氧、直接利用空气。为了提高臭氧的浓度，同时节省能耗，降低设备及管道尺寸，目前较先进臭氧发生器多采用前两种方式制备臭氧，第三种方式适用于臭氧产量较小的场合。2臭氧发生系统臭氧的发生是由臭氧发生器来完成的，目前使用最广的臭氧发生器是管式发生器。影响臭氧发生器臭氧产量和浓度的主要因素有放电电
29、压、放电频率、气体压力和冷却水温度。臭氧发生器的备用率一般应大于30，备用的方式有设备台数备用(硬备用)与设备发生能力备用(软备用)两种。3臭氧接触池 通过一定方式使臭氧气体扩散到液体中并使之与液体全面接触和完成预期反应的过程是在臭氧接触池内完成预臭氧接触池一般在每条线前端设1个臭氧投加点，较多采用水射器扩散接触方式，臭氧投加量通常为0.5mgO3mg DOC，反应时间24min，水中余臭氧一般为零或很少而主臭氧接触池一般在每条线设有多个臭氧投加点(通常为23个点)，采用微气泡扩散接触方式，臭氧投加量通常为1.53.0mg L(控制水中余臭氧为0.10.2mgL)，反应时间一般不小于10min
30、。如采用基于臭氧的高级氧化技术，则在臭氧接触池中加入催化剂，一般氧化时间可根据水质情况适当缩短，或在相同接触时间条件下提高对有机物的氧化分解效率。4臭氧接触池尾气破坏系统臭氧接触池尾气破坏系统是收集臭氧接触池内排出的剩余臭氧气体并人为地分解成对环境无害的氧(保证排出的气体臭氧浓度小于0.050.1ppm）。臭氧尾气破坏的主要方法有化学触媒法和加热分解法。5臭氧控制系统预臭氧化的投加控制一般采用设定臭氧投加率，根据水量变化来比例投加。主臭氧的投加控制一般采用设定臭氧投加率，根据水量变化与水中余臭氧的变化进行双因子复合环投加控制(处理水量是前馈条件，余臭氧是后馈条件)。3.3.3 活性炭技术活性炭
31、技术 1活性炭技术的适用范围 活性炭技术对分子量小于3000，尤其是分子量5001000的有机物能较好地被去除。可用来去除水中嗅味、氨氮、亚硝酸盐氮、消毒副产物前质物、微囊藻毒素和致突变活性物质，同时解决以甲醛和生物不稳定性为主的臭氧安全性。但是，活性炭技术的运行效果受到很多因素的影响，例如水质(温度、pH、营养条件、氧化剂等)、运行参数(接触时间，滤速、反冲洗等)、活性炭性能和微生物等。2活性炭技术研究与应用现状活性炭技术的应用是从消除水中嗅味的实践开始的，但随着全球性环境问题的日益加重。人们逐渐将活性炭的研究与应用重点转移到去除有机污染物方面。活性炭技术的应用形式主要有以下三种：(1)用粒
32、状活性炭替换部分砂滤料，成为炭砂双层滤料滤池(国内又称生物活性滤池)。这种方式净化效果明显忧于砂滤池，可以减少反冲洗次数，降低反冲洗强度，并可迅速投产使用，比较适用于水质存在嗅味问题，且有机污染不太严重的地区。但是，因砂滤池池深较浅，这种形式的净水效果有限，并且运行过程中容易跑料，而且换炭较困难。(2)用粒状活性炭替换全部砂层，即活性炭吸附兼过滤。采用这种方式，与第一种方式的特点和适用范围基本相同，换炭比较容易，但是，对活性炭质量提出了更高的要求(尤其是活性炭的粒度分布)，并要严格控制炭池进水浊度在1NTU以下，甚至更低。(3)在砂滤之后建独立的活性炭吸附池，并常常与臭氧化联合使用。这样可以防
33、止活性炭的孔隙结构被堵塞，再加上臭氧化的采用，可以显著延长活性炭的使用周期，有效地利用活性炭的吸附性能。但是，这种方式的投资费用和运行费用明显增加，比较适用于水质存在严重的嗅味和有机污染问题，并且采用前两种方式仍不能达到水质标准时。3活性炭技术的安全性分析活性炭技术主要靠生物降解和吸附去除水中的有毒有害污染物，一般会增加化学安全性，但活性炭技术对饮用水生物安全性的影响就很复杂：(1)活性炭出水中的AOC浓度明显降低，细菌生长繁殖所需的营养基质也相应减少，进而提高了饮用水微生物安全性。(2)通常活性炭出水中的细菌数经常高于进水中的细菌数。活性炭出水中的微生物多与活性炭细小颗粒一起流出，这些细菌由
34、于受到活性炭颗粒的保护，对消毒有更大的抗性。但是，目前还没有证实，在活性炭上附着生长有害的微生物或者出水中有病原生物泄漏的现象。(3)活性炭技术去除贾第鞭毛虫胞囊和隐孢子虫卵囊的效果大致与双层或多层滤料过滤技术的效果相同，其中对隐孢于虫卵囊的去除效果较差。4活性炭技术适用性的试验研究方法在采用活性炭技术之前，应首先通过调查研究对技术适用性进行初步论证。调查研究的内容一般包括当地原水水质及其变化规律、水中目标污染物种类和浓度、处理水应达到的水质标准等，同时还应了解国内外应用活性炭技术的情况。为更科学和针对性地评价活性炭技术，常需要进行。试验的目的主要是确定活性炭技术采用的活性炭类型、对目标污染物
35、的去除效果和运行参数优化，并探讨在应用中会遇到的问题和可能解决方案等，为工程应用提供重要依据。对试验的基本要求主要是针对活性炭技术工程应用所涉及的主要内容来展开，使得试验结果能够直接指导工程设计。为了提高实验结果的可靠性，建议试验运行时间达到1年以上，覆盖不同的季节，以考察处理工艺对因时间变化造成的水质、温度等因素的变化。5活性炭技术的发展活性炭技术的运行效果是由活性炭和微生物两方面共同决定的，因此今后的工作重点将是如何开发高性能活性炭和发挥微生物降解能力。另外，随着化学分析技术和生物检测技术的发展，更多有毒有害的化学物质和致病微生物将会被人们所发现，因此如何保障饮用水的安全性将是今后活性炭技
36、术研究与应用中的重大课题，也就是在增加饮用水化学安全性的同时，要保证饮用水的生物安全性。3.3.4 活性炭技术的工程应用活性炭技术的工程应用活性炭技术的工程应用主要涉及以下内容 (1)确定活性炭的种类、性能和数量；(2)选择活性炭滤池的池型；(3)确定活性炭滤池设计参数；(4)确定活性炭滤池运行参数。1活性炭的选择根据制造原料不同，活性炭可分为木质活性炭和煤质活性炭，其中煤质活性炭因其具有多孔性和高硬度的双重优点，以及来源稳定而在市政大规模水处理工程中得到最广泛应用。在水处理工程中，国外多采用不定型炭(主要是压块破碎炭)，而在我国，柱状炭的应用最为广泛。近些年来，我国对不定型炭(主要是柱状破碎
37、炭)给予越来越多的关注，并应用在一些新建水厂中。工程中活性炭的选择需要进行动态中试规模试验，然后根据试验确定的活性炭种类和性能指标来指导活性炭采购，相关的主要参考标准有净化水用煤质颗粒活性炭(GBT 770141997)和颗粒状活性炭(ANSIAWWAB 6041996)等，其中活性炭的强度指标尤为重要，建议采用95，而装填密度、水分、飘浮率等指标在计算和验收活性炭数量时应重点关注。2活性炭滤池池型选择 活性炭滤池构造与普通砂滤池相似，只是把滤料层换成了活性炭炭层厚度较砂滤池中的砂层厚，并且活性炭滤料较石英砂滤料要轻。国内活性炭池型目前已建成水厂多采用普通快滤池，近年新建活性炭池型多为V型滤池
38、，此外，已在国外得到广泛应用的翻板滤池也被引进国内，这三种活性炭池型在技术上都是可行的，但在设计时应充分考虑活性炭的特点而与石英砂滤池参数有所不同。3活性炭滤池相关设计参数活性炭滤池的大小决定于设计处理水量、水力负荷、接触时间以及活性炭池型，由此可以得出活性炭滤池的容积、断面、高度和炭池数。活性炭滤池设计通常主要考虑以下设计参数：(1)滤速(空床滤逮)单就过滤来说，滤速不是最主要的参数，而接触时间才是最重要的因素，但是滤速会影响滤池的形状，即高径比。(2)接触时间 接触时间在630min之间，但在一些应用中可高于或低于这个范围，应根据具体水质试验来确定通常水质条件下，以去除嗅和味为主时，接触时
39、间一般为810min；以去除CODMn为主时，接触时间一般为1215min。(3)高径比 高径比是指活性炭滤池中炭层厚度与直径之比，其中活性炭滤池直径与滤速有关，炭层厚度与接触时间有关。通常活性炭床厚度采用2.02.5m较为合理。4活性炭滤池相关运行参数活性炭滤池运行中主要涉及到反冲洗问题，相关设计内容包括：(1)反冲洗方式 是单独水反冲，还是气水联合依次反冲；(2)反冲洗运行条件 冲洗程序、冲洗强度和冲洗历时。这里特别注意活性炭滤料与石英砂滤料的不同，由此导致活性炭滤池的相关运行参数与石英砂滤池有较大不同。5活性炭的再生为了节约制水成本和保护环境，当水厂活性炭运行失效后(活性炭失效的评价指标
40、不能依据活性炭性能指标降低程度，而是根据处理后水质能否稳定达到规定的水质目标)，需要再生处理。活性炭再生通常是将活性炭运回厂家再生，若本地区活性炭再生量大，可以考虑建设区域性再生厂。3.3.5 膜技术膜技术 在饮用水中，膜技术主要包括：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。膜技术的特点是能够提供稳定可靠的水质，并且可以使水厂用地大大减少，运行操作自动化。因此，在净水处理中具有广阔的应用前景。目前，在美国、法国、英国，日本、澳大利亚、南非和荷兰等国都已相继建立了生产性的微滤、超滤和纳滤净水厂，而膜技术在我国应用的最大障碍在于其设备价格相对传统处理工艺还是过高，但随着进口膜过滤
41、设备价格的降低和国产膜过滤设备质量的提高，以及饮用水水质标准的日益严格，膜过滤技术在我国给水处理中的应用前途广阔。在我国，从经济角度考虑，微滤和超滤是近年膜技术在饮用水处理中应用的主流产品，其优点在于：(1)可有效去除水中的颗粒状物质(确保处理后水浊度在0.1NTU以下)，提高饮用水的感观效果：(2)能够有效去除包括隐胞子虫、贾第鞭毛虫、细菌、病毒等在内的微生物，提高饮用水的微生物安全性；(3)几乎可以消除水中的全部藻类组织；(4)在水处理过程中不产生副产物；(5)膜过滤处理单元体积小，组合扩容方便，技术操作简单。3.4 对国内水厂实施深度处理的建议对国内水厂实施深度处理的建议为了适应新世纪社
42、会发展的要求，我国城市供水行业的战略重点已转为以提高水质为目标，通过技术进步和加强管理，缩小与国外发达国家的供水水质差距，其中重点城市和有条件地区应力争早日接近或达到国际先进供水水质水平。因此，在水处理工艺方面就不能总是停留在常规处理工艺的层次上，而是必须针对水源水质的变化和饮用水水质标准的提高来采取相应措施，其中在常规净水工艺基础上增加预处理和深度处理是一条可行的有效途径。根据现有研究与应用结果，建议国内水厂可以采用的做法是，针对水源水质特点，饮用水中超标项目的特性以及超标时间长短，综合考虑技术和经济因素，合理选择预处理和深度处理工艺(参见表141)。其中对于超标频率不高的水质项目，例如水源
43、水质的季节性污染或水质突变，可以采用临时投加粉状活性炭或高锰酸盐复合药剂技术；而对于长期的水源和饮用水水质问题，则应建设固定的水处理设施。由于各地原水水质千差万别，采用何种工艺技术来保证供水水质还应根据具体情况进行针对性研究，其中净水工艺选择和设计中要保证相关参数留有充分余地。表142中是水厂增加不同处理工艺的投资与运行费用。序号 处理工艺 工程投资(元m3水)运行费用(元m水)1 生物理处理 80120 0.05一0.10 2 活性炭 80100 0.12一0.15 3 臭氧化生物活性碳 250300 0.200.30以微滤膜和纳滤膜技术为核心的水处理工艺在保证水的浊度、去除水中藻类以及提高
44、与饮用水安全饮用最直接相关的水微生物安全性方面具有其他处理工艺难以达到的效果，而且，随着膜技术的发展，膜的性能在不断提高，寿命在不断延长，价格在不断降低，微滤膜和纳滤膜工艺的投资和运营成本已基本具备与其他常规和深度处理组合工艺相竞争的水平，在以实现优质供水为目标的工程中可以作为一种工艺方案来论证。为了保证深度处理工艺的顺利实施，需要强化对新的水质标准执行情况的考核力度，不能达到标准的水厂就必须采用工艺改进措施，只有这样才能激励供水行业的技术进步。特别是经济发达地区和国家旅游风景区，应十分重视饮用水水质达到优质安全标准，至于投资可以通过多种融资渠道来筹措，现在水务市场已经放开，正是加大投入的好机
45、会，为此的付出是完全通过适当调整水价来得到回报的。生活饮用水的常规处理生活饮用水的常规处理生活饮用水的预处理生活饮用水的预处理深度处理深度处理常规处理加深度处理与预处理、常规处常规处理加深度处理与预处理、常规处理加深度处理理加深度处理 附附 表表 净水厂改造的基建投资与运行费用净水厂改造的基建投资与运行费用 序序号号工艺工艺作用机理作用机理功能功能去除效果去除效果/%增加费用增加费用有机物有机物CODMn氨氮氨氮亚硝亚硝酸盐酸盐色臭色臭味味AOCAmes活活性性基建基建/元元/m3运转运转/元元/m31常规工艺常规工艺混凝、接触混凝、接触凝聚凝聚除浊、除浊、消毒消毒201020负增负增长长一定
46、一定少量少量负增长负增长2活性炭吸附活性炭吸附物理吸附、物理吸附、部分生物降部分生物降解解去除有去除有机物机物2050少量少量少量少量很有很有效效部分部分很有效很有效801000.120.153臭氧臭氧-活性炭活性炭化学氧化、化学氧化、物理吸附、物理吸附、生物降解生物降解去除有去除有机物机物205080908090很有很有效效很有效很有效很有效很有效综合综合200300(O34550)0.20.3(O3 0.050.1050)4生物预处理生物预处理生物降解、生物降解、吸附、絮凝吸附、絮凝去除氨去除氨氮、亚氮、亚硝酸氮、硝酸氮、有机物有机物1025859090部分部分有效有效不明显不明显801200.105强化混凝强化混凝创造良好水创造良好水力条件、吸力条件、吸附架桥附架桥充分发充分发挥混凝挥混凝作用作用增加增加810基本无基本无基本基本无无少量少量少量少量不明显不明显50.020.056强化过滤强化过滤生物降解、生物降解、絮凝吸附絮凝吸附去除氨去除氨氮、亚氮、亚硝酸氮、硝酸氮、部分有部分有机物机物101570808090少量少量部分部分少量少量15200.010.02
