一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法

技术领域

本发明涉及生活饮用水处理技术领域，具体涉及一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法。

背景技术

臭氧-生物活性炭工艺是给水处理厂的一项重要工序，它集“臭氧氧化”，“活性炭吸附”和“生物降解”于一体，是削减微量污染物较为合理的技术。但是，臭氧氧化与生物活性炭吸附是一组相互影响的作用，使得该技术在实际应用中，暴露出诸多问题。例如臭氧投加量缺少优化控制参数，随意性较强：多余的臭氧会抑制活性炭表面微生物生长，降低其对有机物降解能力；过少又降低预臭氧的氧化效果。臭氧-生物活性炭工艺与水体的接触时间存在一个最佳比值，必须合理分配：当臭氧氧化时间大于生物活性炭接触时间，臭氧与水中溴离子发生反应，生成大量溴酸盐，超过活性炭的吸附能力，进而造成溴酸盐等致癌性副产物超标排放；当臭氧氧化时间小于生物活性炭接触时间，水中臭氧溶解度偏少，对有机物的降解效果下降，还会使生物活性碳出现微生物滋生及微型动物泄漏问题，给饮用水安全造成严重危害。因此，有必要针对常规给水厂臭氧-生物活性炭技术存在的问题进行深入研究，了解臭氧-生物活性炭技术对水中污染物降解机制，以强化该工艺的水处理效果。

发明内容

为了解决上述臭氧-生物活性炭工艺现存的不足，本发明提出一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，实现在提高出厂水质的情况下精准投加臭氧量及合理控制臭氧/生物活性炭作用时间的目的，以确保臭氧-生物活性炭工艺高效运行。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，通过建立实验室小试装置对臭氧-生物活性炭技术深度净水方案进行评估，并建立动力学方程分析改变不同运行参数对不同阶段出水水质的影响机制，最终得出臭氧-生物活性炭技术的最优运行方案，具体技术路线如下：

S1、搭建预臭氧-混凝沉淀小试装置、主臭氧-生物活性炭小试装置模拟臭氧-生物活性炭技术去除水中胶体颗粒及有机污染物的反应过程，预采用人工配制与常规给水厂进水情况相同的水质作为试验进水，投加臭氧作为预氧化剂，建立在不同预臭氧投加量下氧化接触时间与出水水质之间的线性关系，主臭氧/生物活性炭作用时间比值与出水水质和生物活性炭上微生物浓度变化的线性关系；

S2、调整预臭氧投加方式、主臭氧/生物活性炭耦合方式；

S3、考察步骤S2不同运行参数下的出水浊度、COD浓度、溴酸盐浓度、微生物总数的变化情况；

S4、建立动力学方程分析不同预臭氧投加量下氧化接触时间对混凝阶段出水水质影响机制及不同主臭氧投加量下主臭氧/生物活性炭作用时间比值对深度净水工艺处理效果影响机制；

S5、通过步骤S4可得到最佳预臭氧投加量、氧化接触时间、主臭氧投加量及主臭氧/生物活性炭作用时间比值，最终得出臭氧-生物活性炭技术的最优运行方案。

进一步的；所述臭氧-生物活性炭工艺的水处理流程为：原水首先进入预臭氧接触池中进行预氧化反应，然后预臭氧接触池中的出水进入到投加有药剂的混凝反应池中进行混凝反应，其次，混凝反应池中的出水进入到平流沉淀池中进行泥水分离，接下来平流沉淀池的出水进入到砂滤池进行过滤，随后砂滤池的出水进入到核心处理单元主臭氧-生物活性炭滤池进行氧化、吸附、过滤一系列反应，随后主臭氧-生物活性炭滤池的出水进入到清水池中，最后从清水池出来的水被送到供水管网中。

进一步的；所述的预臭氧-混凝沉淀小试装置包括臭氧发生器、预臭氧反应器、蠕动泵、混凝反应池、搅拌器；所述的主臭氧-生物活性炭小试装置包括臭氧发生器、主臭氧反应器、蠕动泵、生物活性炭柱、陶粒层、活性炭层。

进一步的；所述臭氧发生器向预臭氧反应器、主臭氧反应器投加臭氧量，采用人工配制与常规给水厂进水情况相同的水质作为实验进水，实验进水首先进入到预臭氧反应器中与臭氧发生器投加的臭氧进行氧化反应，预臭氧反应器出水由蠕动泵提升进入混凝反应池中进行混凝沉淀，混凝沉淀池需额外投加一定量的化学药剂，池中还设置有搅拌器，可以保障化学药剂与水均匀混合接触。其次，混凝沉淀池出水进入到主臭氧反应器中与臭氧发生器投加的臭氧进行氧化反应，主臭氧反应器出水由蠕动泵提升从靠近生物活性炭柱底部的一侧进入生物活性炭柱，并先后经过生物活性炭柱里面的陶粒层、活性炭层过滤吸附，最终的净化水从生物活性炭柱的上部流出至清水池。

进一步的；所述的动力学方程如下：

将上式积分后，可得

或lnX＝K·t+lnX

其中：t——反应时间，min；

X——为t时刻的污染物浓度，mg/L；

X

K——为污染物降解速率，s

由上式可知，lnX与t呈线性关系。据此，通过最小二乘法对lnX与t作线性回归，能够拟合得到污染物降解速率常数K。K的大小即可反映不同参数运行条件下反应时间对污染物降解动力学的影响。

最小二乘法对lnX与t作线性回归的求解过程如下：

令y＝lnX，a＝lnX

其中，(t

令

则有

由上式得出

将具体实测的实验数据(t

进一步的；在预臭氧投加方式优化方面，建立在不同预臭氧投加量下氧化接触时间与出水水质之间的线性关系，根据不同预臭氧投加量对应的污染物降解速率常数K，确定最佳的预臭氧投加方式；在主臭氧-生物活性炭耦合方式优化方面，建立在不同主臭氧投加量下臭氧/生物活性炭作用时间比值与出水水质和生物活性炭上微生物浓度变化之间的线性关系。根据不同主臭氧投加量下，主臭氧/生物活性炭作用时间比值对应的污染物降解速率常数K，确定最佳的主臭氧-生物活性炭耦合方式。

与现有技术相比，本发明的至少具有以下有益效果之一：

建立动力学方程对水中污染物的影响机制进行描述，可达到在提高出厂水水质的情况下精准投加臭氧量及合理控制臭氧/生物活性碳作用时间以确保给水厂臭氧-生物活性炭工艺高效运行的目的。运用此方法对臭氧-生物活性炭工艺优化后既保障了生活饮用水安全，又可大大节约药耗、能耗、运行成本、反应时间等，充分响应了国家的双碳目标。

附图说明

图1为本发明的臭氧-生物活性炭工艺优化运行技术路线；

图2为常规给水厂工艺流程图；

图3为本发明的实验室预臭氧-混凝沉淀小试装置示意图；

图4为本发明的实验室主臭氧-生物活性炭小试装置示意图；

图5为不同预臭氧投加量下降解COD

图6为不同预臭氧投加量下降解COD

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，通过建立实验室小试装置对臭氧-生物活性炭技术深度净水方案进行评估，并建立动力学方程分析改变不同运行参数对不同阶段出水水质的影响机制，最终得出臭氧-生物活性炭技术的最优运行方案。

具体技术路线如下：

S1、搭建预臭氧-混凝沉淀小试装置、主臭氧-生物活性炭小试装置模拟臭氧-生物活性炭技术去除水中胶体颗粒及有机污染物的反应过程；

S2、调整预臭氧投加方式(改变预臭氧投加量及氧化接触时间)、主臭氧/生物活性炭耦合方式(改变主臭氧投加量及主臭氧/生物活性炭作用时间比值)；

S3、考察步骤S2不同运行参数下的出水浊度、COD浓度、溴酸盐浓度、微生物总数的变化情况；

S4、建立动力学方程分析不同预臭氧投加量下氧化接触时间对混凝阶段出水水质影响机制及不同主臭氧投加量下主臭氧/生物活性炭作用时间比值对深度净水工艺处理效果影响机制；

S5、通过步骤S4可得到最佳预臭氧投加量、氧化接触时间、主臭氧投加量及主臭氧/生物活性炭作用时间比值，最终得出臭氧-生物活性炭技术的最优运行方案。

进一步为，本发明所述的一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，臭氧-生物活性炭工艺的水处理流程为：原水首先进入预臭氧接触池中进行预氧化反应，然后预臭氧接触池中的出水进入到投加有药剂的混凝反应池中进行混凝反应，其次，混凝反应池中的出水进入到平流沉淀池中进行泥水分离，接下来平流沉淀池的出水进入到砂滤池进行过滤，随后砂滤池的出水进入到核心处理单元主臭氧-生物活性炭滤池进行氧化、吸附、过滤一系列反应，随后主臭氧-生物活性炭滤池的出水进入到清水池中，最后从清水池出来的水被送到供水管网中。

进一步为，本发明所述的一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，所述的预臭氧-混凝沉淀小试装置包括臭氧发生器、预臭氧反应器、蠕动泵、混凝反应池、搅拌器；所述的主臭氧-生物活性炭小试装置包括臭氧发生器、主臭氧反应器、蠕动泵、生物活性炭柱、陶粒层、活性炭层。

进一步为，本发明所述的一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，由臭氧发生器向预臭氧反应器、主臭氧反应器投加臭氧量，采用人工配制与常规给水厂进水情况相同的水质作为实验进水，实验进水首先进入到预臭氧反应器中与臭氧发生器投加的臭氧进行氧化反应，预臭氧反应器出水由蠕动泵提升进入混凝反应池中进行混凝沉淀，混凝沉淀池需额外投加一定量的化学药剂，池中还设置有搅拌器，可以保障化学药剂与水均匀混合接触。其次，混凝沉淀池出水进入到主臭氧反应器中与臭氧发生器投加的臭氧进行氧化反应，主臭氧反应器出水由蠕动泵提升从靠近生物活性炭柱底部的一侧进入生物活性炭柱，并先后经过生物活性炭柱里面的陶粒层、活性炭层过滤吸附，最终的净化水从生物活性炭柱的上部流出至清水池。

进一步为，本发明所述的一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，所述的动力学方程(准一级反应速率方程)如下：

将上式积分后，可得

或lnX＝K·t+lnX

其中：t——反应时间，min；

X——为t时刻的污染物浓度，mg/L；

X

K——为污染物降解速率，s

由上式可知，lnX与t呈线性关系。据此，通过最小二乘法对lnX与t作线性回归，能够拟合得到污染物降解速率常数K。K的大小即可反映不同参数运行条件下反应时间对污染物降解动力学的影响。

最小二乘法对lnX与t作线性回归的求解过程如下：

令y＝lnX，a＝lnX

其中，(t

令

则有

由上式得出

将具体实测的实验数据(t

进一步为，本发明所述的一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，在预臭氧投加方式优化方面，建立在不同预臭氧投加量下氧化接触时间与出水水质之间的线性关系，根据不同预臭氧投加量对应的污染物降解速率常数K，确定最佳的预臭氧投加方式；在主臭氧-生物活性炭耦合方式优化方面，建立在不同主臭氧投加量下臭氧/生物活性炭作用时间比值与出水水质和生物活性炭上微生物浓度变化之间的线性关系。根据不同主臭氧投加量下，主臭氧/生物活性炭作用时间比值对应的污染物降解速率常数K，确定最佳的主臭氧-生物活性炭耦合方式。

进一步为，本发明所述的一种臭氧-生物活性炭工艺运行参数优化方法，其中，由于ATP作为生物体生命活动的能源，它与生物膜的活性具有良好的线性关系，可通过测定生物活性炭上生物膜的ATP浓度来表征生物活性。

下面以某预臭氧-混凝沉淀小试装置实验数据说明本发明公开的一种臭氧-生物活性炭运行参数优化方法。

初始预臭氧反应器进水高锰酸盐指数(COD

表1

由表1中的数据可画出图5所示的不同预臭氧投加量下降解COD

进一步为，由表1中的数据通过最小二乘法对lnX与t作线性回归的求解过程可拟合出图6所示的不同预臭氧投加量下降解COD

由以上线性方程可知，三种不同预臭氧投加情况下，相关系数的平方(R

进一步为，在预臭氧投加方式优化方面，确定最佳的预臭氧投加方式为：氧化反应接触时间为4min，预臭氧投加量为1.0mg/L。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。