臭氧-活性炭净水实验教学项目

刘 佳， 徐竟成， 沈 洪， 施鼎方， 唐贤春

(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)

0 引言

臭氧-活性炭技术是一种新型高效的微污染水处理工艺，该工艺主要利用臭氧的氧化性能和活性炭的催化吸附性能对微污染水中的有机物进行处理。臭氧氧化技术的特点是其在较大pH值和温度范围内具有较强的氧化性能且不产生消毒副产物等有害物质［1］。活性炭技术可以有效去除原水中的有机物、颜色、嗅味及藻毒素类物质，提高了供水的安全性［2-3］。臭氧-活性炭技术以其高效去除水中的溶解性有机物包含致突变物等可保证出水安全、优质，因而受到人们重视［4］，在地表水净化、饮用水深度处理等方面得到了广泛的应用。国外自上世纪60年代开始在水厂采用臭氧-活性炭工艺对饮用水进行深度处理，经过近年来的发展，国内也有20多家水厂开始采用臭氧活性炭深度处理工艺［5-7］。臭氧-活性炭工艺对水质各项指标都有很好的提高作用［8］，需多研究结果表明该工艺对水中浊度、色度、嗅味、铁、猛、有机质、氨、氮等都具有较好的去除效果［9-10］。

同济大学环境科学与工程学院对臭氧技术在给水处理中的应用进行了多年的潜心研究，相应的研究成果也在“给水工程”课中为同学们进行了讲解，然而臭氧-活性炭净水实验教学尚未建设和开展，此外臭氧-活性炭净水实验的教学实验装置也尚未开发。基于臭氧-活性炭技术的重要性和本科教学实验的需要，本项目拟开展臭氧-活性炭净水实验教学项目的建设。

1 臭氧-活性炭净水实验教改项目

1．1 实验原理

臭氧-活性炭技术的实验原理在于臭氧的氧化性和活性炭的催化吸附特性。臭氧分解产生的氧原子和在水中形成具有强氧化作用的羟基自由基能够氧化许多难降解有机物，如链型不饱和化合物、芳香族、染料、腐殖质等，它可以破坏有机污染物的分子结构，使水中部分难以生物降解的大分子有机物氧化为小分子有机物，从而使原来不能被生物降解的有机物变为可生物降解的有机物，提高了处理水的可生化性［11-12］。活性炭是一种多孔性物质其中小孔(微孔)半径在2 nm以下，对有机物具有较强的吸附性能。臭氧-活性炭联用，一方面活性炭可催化臭氧，提高臭氧的氧化性能;另一方面活性炭作为吸附剂可以对有机物进一步吸附去除，降低水中有机物的含量［13］。

由于在天然水体中存在着较多致嗅致色的难降解物质，其中腐植质是其典型污染物之一，因此本实验以腐植酸浓度表征天然水体中难降解有机物的浓度，采用自行研制的臭氧-活性炭净水装置对校园微污染水体进行处理，考察臭氧-活性炭技术对难降解有机物的处理效果。

1．2 实验装置的开发

实验反应器单元包括:臭氧发生器、气体流量计、臭氧-活性炭净水装置和臭氧尾气吸收池(10%碘化钾溶液吸收)。其中臭氧-活性炭净水装置由有机玻璃制成(直径为10 cm)，由臭氧预接触柱、活性炭催化臭氧柱和活性炭吸附柱3部分构成，每部分当中采用穿孔板(孔径为2 mm)作为隔断，采用法兰借口进行连接。

臭氧预接触柱:主要进行臭氧和水的充分混合并对待处理水进行预氧化;活性炭催化臭氧柱中:在其中投加一定量的活性炭催化臭氧进一步对水体中的难降解物质进行氧化，使其氧化成为小分子(活性炭投量为10 g/L);活性炭吸附柱:在其中填充活性炭，对氧化成小分子的有机物进行吸附处理，以达到较高的处理效果。

1．3 实验教学的开展

本次实验课是在“水处理实验技术(二)”中展开的，整个实验包括“反应器组装与管路连接”、“腐植酸标准曲线绘制”和“反应器对天然水体中有机物的去除研究”3个部分，每一个环节都是由同学亲自动手完成。

(1)反应器组装与管路连接。①连接管路，检验管路连接的气密性，保证反应器中臭氧不漏气。②调试进水流量，调试臭氧流量;

(2)腐植酸标准曲线绘制。① 吸取浓度为50 mg/L 的腐植酸贮备液 0．00、1．00、2．00、5．00、10．00、20．00 mL到100 mL容量瓶中;② 用蒸馏水定容至100 mL，摇匀;在254 nm波长下以蒸馏水为参比，测定其UV254，绘制成腐植酸浓度的标准曲线;

(3)反应器对天然水体中有机物的去除研究。①打开进水蠕动泵，将待处理的水打入到反应器中，开启臭氧发生器，运行稳定一段时间;②在一定反应时间后，从反应器的出水口取样，测定水样UV254，每个水样测定3次;③对数据进行记录与处理，参照腐植酸标准浓度曲线计算臭氧-活性炭对校园天然水体中有机物的处理效果。

2 实验结果分析

通过采用“臭氧-活性炭净水装置”可以有效的去除校园天然水体的有机物，从视觉上可以发现处理后的出水更加澄清。其中一组同学在试验中设定的处理条件为:臭氧浓度为5 mg/L、总停留时间为30 min，得到的处理效果如图1、2所示，其中图1为腐植酸的标准曲线，R2=0．997说明该标准曲线可以满足数据分析的要求;图2为校园水体中有机物去除率随时间的变化。从图中可知，在反应时间的前60 min内，臭氧-活性炭净水装置处于运行初期，对有机物的去除率呈现不断增加的变化规律;之后该装置对有机物的去除率趋于稳定，去除率最大可达58%左右，说明臭氧-活性炭净水装置能够有效去除天然水体中腐植酸类的难降解有机物。

图1 腐植酸浓度标准曲线

图2 校园水体中有机物去除变化规律

目前，传统的混凝、过滤等技术对微污染水体中的难降解物质的去除效果具有一定的局限性，而臭氧-活性炭技术处理效率高且不产生二次污染，具有一定的先进性。将该实验项目引入到本科实验教学中，是对现有传统处理方法的有力补充，有助于学生了解最新技术前沿，提高他们的理论联系实际能力和解决问题的能力。

3 实验总结和进一步完善

3．1 实验装置中活性炭的选取

在实验装置研制过程中发现，不同来源、不同种类的活性炭吸附性能差异较大，使得不同活性炭应用时对水体有机物的处理效果存在明显差异。在本教学实验开发过程中发现:粉末活性炭吸附性好但是其坚固性较差，在臭氧曝气和水流冲击作用下，粉末活性炭容易断裂产生残渣上浮，从而影响了出水水质;普通的颗粒活性炭，坚固性能较好，但吸附性略差;而不定型颗粒活性炭兼具较强的吸附性能和坚固性能，且可根据需要选择合适的粒度，因此比较适宜应用于臭氧-活性炭净水装置。当然，在实验教学开展前，还是需要根据待处理水质特点、处理要求等方面对不同活性炭进行比选，以保证获得较好的处理效果。

3．2 综合性、自主性实验的设计

臭氧-活性炭技术具有较强的处理效果，可以广泛应用于微污染的地表水、水库水、工业污水等水体中的有机物的去除［14-15］。因此，在实验教学的开展过程中，可以进一步将本实验设置为综合性、自主性实验，例如:进行不同水体处理效果的比较，不同停留时间下对有机物去除效果的比较等。在这样的实验过程中，能够更加激发学生对实验研究的兴趣，培养他们的专业素养。

4 结语

臭氧氧化联合活性炭吸附技术是一种深度净水技术，具有广泛的应用前景。研发了适用于本科实验教学的臭氧-活性炭净水实验装置，该装置对于微污染水体中有机物的去除具有较好的处理效果。将该装置应用于本科实验教学中，可帮助学生强化臭氧的高级氧化特性和活性炭催化吸附特性的理论知识，并增强了学生的科研能力和实践能力。后期研究中，可以继续对该装置进行优化，并以此为基础设计出综合性、自主性、创新性的实验项目，进一步提升学生的创新能力。

［1］ 王占金，于衍真．臭氧生物活性炭工艺去除水源水中有机物的研究进展［J］．江苏化工，2008，36(5):7-10．

［2］ 孙红文，翟洪艳．活性炭对水中典型环境内分泌干扰物的吸附［J］．水处理技术，2005，31(6):47-50．

［3］ 张 军．粉末活性炭除微污染试验研究［J］．南京工业大学学报，2003，25(3):72-74．

［4］ Podkoscielny P．Heterogeneity of active carbons in adsorption of phenol aqueous solutions［J］．Applied Surface Science，2003，205:297-303．

［5］ 李 勇，张晓健，陈 超，等．臭氧活性炭去除水中硫醇类制嗅物质的研究［J］．清华大学学报，2009，49(3):390-392．

［6］ 王正林，邹浩春，戎文磊，等．充山水厂臭氧-生物活性炭深度处理示范工程［J］．给水排水，2009，35(4):7-11．

［7］ 黎 雷，高乃云，殷娣娣，等．控制饮用水原水中藻类、藻毒素的水厂处理工艺［J］．中国给水排水，2008，24(6):20-24．

［8］ 王长平，乔铁军，周 瑾，等．臭氧-生物活性炭工艺出水pH的变化及机理研究［J］．给水排水，2010，36(7):21-24．

［9］ 强志民，陆晓巍，张 涛．饮用水臭氧氧化处理过程中溴酸根的产生及控制［J］．环境工程学报，2011，5(8):1689-1695．

［10］ 陈 卫，王磊磊，林 涛，等．活性炭深度处理技术的化学安全性及影响因素研究［J］．中国工程科学，2008，10(5):32-37．

［11］ 盛 誉，陈 卫，刘 成，等．臭氧/生物活性炭工艺对阿特拉津的去除性能研究［J］．中国给水排水，2011，27(5):72-74．

［12］ 高 旭，宇仲勋，郭劲松，等．臭氧-生物活性炭工艺对饮用水中邻苯二甲酸酯的去除中试研究［J］．环境工程学报，2011，5(8):1773-1778．

［13］ 张林军，赵晓东．粉末活性炭在净水工程中的应用［J］．工业用水与废水，2004，35(1):33-34．

［14］ 刘妤笑，谢曙光，张湛军，等．臭氧组合工艺冬季处理黄河水的研究［J］．环境科学与技术，2005，28(3):98-100．

［15］ 段海鲜，刘炯天．臭氧-紫外光-活性炭联用氧化糠醛废水的研究［J］．环境科学与技术，2010，33(11):126-128．