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粉狀活性炭過濾技術的歷史與作用

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臭氧—粉狀活性炭過濾技術的發展和水處理中粉狀活性炭應用狀況
臭氧-粉狀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粉狀活性炭(GAC)，最初粉狀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，運行后發現粉狀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，所以粉狀活性炭濾池中始終具有微生物活性。
德國應用臭氧—粉狀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，還對臭氧和粉狀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粉狀活性炭法(BAC)。
生物粉狀活性炭濾池具有良好的水處理效果，主要在于粉狀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、粉狀活性炭品種、預臭氧化等對粉狀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粉狀活性炭濾池在過濾初期主要是粉狀活性炭的吸附作用，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粉狀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，每天每立方米粉狀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，粉狀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。粉狀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，所以粉狀活性炭濾池具有一定的硝化作用。一般需要3～6周的時間才能在粉狀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粉狀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、粉狀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粉狀活性炭濾池。運行一個月相應的產水量為40m3水·L-1粉狀活性炭。
采用折點加氯時處理效率很快下降，這與粉狀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粉狀活性炭)其去除效率穩定在75％一80％，主要是由于粉狀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，當被吸附在粉狀活性炭上后，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粉狀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。粉狀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，粉狀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。盡管粉狀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粉狀活性炭濾池，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。
臭氧和粉狀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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