劉 佳， 徐竟成， 沈 洪， 施鼎方， 唐賢春

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092)

0 引言

臭氧-活性炭技術(shù)是一種新型高效的微污染水處理工藝，該工藝主要利用臭氧的氧化性能和活性炭的催化吸附性能對微污染水中的有機(jī)物進(jìn)行處理。臭氧氧化技術(shù)的特點是其在較大pH值和溫度范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的氧化性能且不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物等有害物質(zhì)［1］。活性炭技術(shù)可以有效去除原水中的有機(jī)物、顏色、嗅味及藻毒素類物質(zhì)，提高了供水的安全性［2-3］。臭氧-活性炭技術(shù)以其高效去除水中的溶解性有機(jī)物包含致突變物等可保證出水安全、優(yōu)質(zhì)，因而受到人們重視［4］，在地表水凈化、飲用水深度處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。國外自上世紀(jì)60年代開始在水廠采用臭氧-活性炭工藝對飲用水進(jìn)行深度處理，經(jīng)過近年來的發(fā)展，國內(nèi)也有20多家水廠開始采用臭氧活性炭深度處理工藝［5-7］。臭氧-活性炭工藝對水質(zhì)各項指標(biāo)都有很好的提高作用［8］，需多研究結(jié)果表明該工藝對水中濁度、色度、嗅味、鐵、猛、有機(jī)質(zhì)、氨、氮等都具有較好的去除效果［9-10］。

同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院對臭氧技術(shù)在給水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了多年的潛心研究，相應(yīng)的研究成果也在“給水工程”課中為同學(xué)們進(jìn)行了講解，然而臭氧-活性炭凈水實驗教學(xué)尚未建設(shè)和開展，此外臭氧-活性炭凈水實驗的教學(xué)實驗裝置也尚未開發(fā)?；诔粞?活性炭技術(shù)的重要性和本科教學(xué)實驗的需要，本項目擬開展臭氧-活性炭凈水實驗教學(xué)項目的建設(shè)。

1 臭氧-活性炭凈水實驗教改項目

1．1 實驗原理

臭氧-活性炭技術(shù)的實驗原理在于臭氧的氧化性和活性炭的催化吸附特性。臭氧分解產(chǎn)生的氧原子和在水中形成具有強(qiáng)氧化作用的羥基自由基能夠氧化許多難降解有機(jī)物，如鏈型不飽和化合物、芳香族、染料、腐殖質(zhì)等，它可以破壞有機(jī)污染物的分子結(jié)構(gòu)，使水中部分難以生物降解的大分子有機(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，從而使原來不能被生物降解的有機(jī)物變?yōu)榭缮锝到獾挠袡C(jī)物，提高了處理水的可生化性［11-12］?；钚蕴渴且环N多孔性物質(zhì)其中小孔(微孔)半徑在2 nm以下，對有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附性能。臭氧-活性炭聯(lián)用，一方面活性炭可催化臭氧，提高臭氧的氧化性能;另一方面活性炭作為吸附劑可以對有機(jī)物進(jìn)一步吸附去除，降低水中有機(jī)物的含量［13］。

由于在天然水體中存在著較多致嗅致色的難降解物質(zhì)，其中腐植質(zhì)是其典型污染物之一，因此本實驗以腐植酸濃度表征天然水體中難降解有機(jī)物的濃度，采用自行研制的臭氧-活性炭凈水裝置對校園微污染水體進(jìn)行處理，考察臭氧-活性炭技術(shù)對難降解有機(jī)物的處理效果。

1．2 實驗裝置的開發(fā)

實驗反應(yīng)器單元包括:臭氧發(fā)生器、氣體流量計、臭氧-活性炭凈水裝置和臭氧尾氣吸收池(10%碘化鉀溶液吸收)。其中臭氧-活性炭凈水裝置由有機(jī)玻璃制成(直徑為10 cm)，由臭氧預(yù)接觸柱、活性炭催化臭氧柱和活性炭吸附柱3部分構(gòu)成，每部分當(dāng)中采用穿孔板(孔徑為2 mm)作為隔斷，采用法蘭借口進(jìn)行連接。

臭氧預(yù)接觸柱:主要進(jìn)行臭氧和水的充分混合并對待處理水進(jìn)行預(yù)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進(jìn)一步對水體中的難降解物質(zhì)進(jìn)行氧化，使其氧化成為小分子(活性炭投量為10 g/L);活性炭吸附柱:在其中填充活性炭，對氧化成小分子的有機(jī)物進(jìn)行吸附處理，以達(dá)到較高的處理效果。

1．3 實驗教學(xué)的開展

本次實驗課是在“水處理實驗技術(shù)(二)”中展開的，整個實驗包括“反應(yīng)器組裝與管路連接”、“腐植酸標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制”和“反應(yīng)器對天然水體中有機(jī)物的去除研究”3個部分，每一個環(huán)節(jié)都是由同學(xué)親自動手完成。

(1)反應(yīng)器組裝與管路連接。①連接管路，檢驗管路連接的氣密性，保證反應(yīng)器中臭氧不漏氣。②調(diào)試進(jìn)水流量，調(diào)試臭氧流量;

(2)腐植酸標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制。① 吸取濃度為50 mg/L 的腐植酸貯備液 0．00、1．00、2．00、5．00、10．00、20．00 mL到100 mL容量瓶中;② 用蒸餾水定容至100 mL，搖勻;在254 nm波長下以蒸餾水為參比，測定其UV254，繪制成腐植酸濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線;

(3)反應(yīng)器對天然水體中有機(jī)物的去除研究。①打開進(jìn)水蠕動泵，將待處理的水打入到反應(yīng)器中，開啟臭氧發(fā)生器，運行穩(wěn)定一段時間;②在一定反應(yīng)時間后，從反應(yīng)器的出水口取樣，測定水樣UV254，每個水樣測定3次;③對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與處理，參照腐植酸標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線計算臭氧-活性炭對校園天然水體中有機(jī)物的處理效果。

2 實驗結(jié)果分析

通過采用“臭氧-活性炭凈水裝置”可以有效的去除校園天然水體的有機(jī)物，從視覺上可以發(fā)現(xiàn)處理后的出水更加澄清。其中一組同學(xué)在試驗中設(shè)定的處理條件為:臭氧濃度為5 mg/L、總停留時間為30 min，得到的處理效果如圖1、2所示，其中圖1為腐植酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線，R2=0．997說明該標(biāo)準(zhǔn)曲線可以滿足數(shù)據(jù)分析的要求;圖2為校園水體中有機(jī)物去除率隨時間的變化。從圖中可知，在反應(yīng)時間的前60 min內(nèi)，臭氧-活性炭凈水裝置處于運行初期，對有機(jī)物的去除率呈現(xiàn)不斷增加的變化規(guī)律;之后該裝置對有機(jī)物的去除率趨于穩(wěn)定，去除率最大可達(dá)58%左右，說明臭氧-活性炭凈水裝置能夠有效去除天然水體中腐植酸類的難降解有機(jī)物。

圖1 腐植酸濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 校園水體中有機(jī)物去除變化規(guī)律

目前，傳統(tǒng)的混凝、過濾等技術(shù)對微污染水體中的難降解物質(zhì)的去除效果具有一定的局限性，而臭氧-活性炭技術(shù)處理效率高且不產(chǎn)生二次污染，具有一定的先進(jìn)性。將該實驗項目引入到本科實驗教學(xué)中，是對現(xiàn)有傳統(tǒng)處理方法的有力補(bǔ)充，有助于學(xué)生了解最新技術(shù)前沿，提高他們的理論聯(lián)系實際能力和解決問題的能力。

3 實驗總結(jié)和進(jìn)一步完善

3．1 實驗裝置中活性炭的選取

在實驗裝置研制過程中發(fā)現(xiàn)，不同來源、不同種類的活性炭吸附性能差異較大，使得不同活性炭應(yīng)用時對水體有機(jī)物的處理效果存在明顯差異。在本教學(xué)實驗開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn):粉末活性炭吸附性好但是其堅固性較差，在臭氧曝氣和水流沖擊作用下，粉末活性炭容易斷裂產(chǎn)生殘渣上浮，從而影響了出水水質(zhì);普通的顆?；钚蕴浚瑘怨绦阅茌^好，但吸附性略差;而不定型顆粒活性炭兼具較強(qiáng)的吸附性能和堅固性能，且可根據(jù)需要選擇合適的粒度，因此比較適宜應(yīng)用于臭氧-活性炭凈水裝置。當(dāng)然，在實驗教學(xué)開展前，還是需要根據(jù)待處理水質(zhì)特點、處理要求等方面對不同活性炭進(jìn)行比選，以保證獲得較好的處理效果。

3．2 綜合性、自主性實驗的設(shè)計

臭氧-活性炭技術(shù)具有較強(qiáng)的處理效果，可以廣泛應(yīng)用于微污染的地表水、水庫水、工業(yè)污水等水體中的有機(jī)物的去除［14-15］。因此，在實驗教學(xué)的開展過程中，可以進(jìn)一步將本實驗設(shè)置為綜合性、自主性實驗，例如:進(jìn)行不同水體處理效果的比較，不同停留時間下對有機(jī)物去除效果的比較等。在這樣的實驗過程中，能夠更加激發(fā)學(xué)生對實驗研究的興趣，培養(yǎng)他們的專業(yè)素養(yǎng)。

4 結(jié)語

臭氧氧化聯(lián)合活性炭吸附技術(shù)是一種深度凈水技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。研發(fā)了適用于本科實驗教學(xué)的臭氧-活性炭凈水實驗裝置，該裝置對于微污染水體中有機(jī)物的去除具有較好的處理效果。將該裝置應(yīng)用于本科實驗教學(xué)中，可幫助學(xué)生強(qiáng)化臭氧的高級氧化特性和活性炭催化吸附特性的理論知識，并增強(qiáng)了學(xué)生的科研能力和實踐能力。后期研究中，可以繼續(xù)對該裝置進(jìn)行優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計出綜合性、自主性、創(chuàng)新性的實驗項目，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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