技术：臭氧-混凝耦合工艺污水深度处理特性

技术技术||臭氧臭氧-混凝耦合工艺污水深度处理特性混凝耦合工艺污水深度处理特性城市污水处理厂二级出水是一种重要的再生水资源，但二级出水中含有大量的溶解性微生物代谢产物，上游饮用水水源中的天然有机物及微量污染物，难以直接进行回用。而传统的“混凝+沉淀+过滤”处理流程难以适应复杂的水质要求，同时常规的氯消毒处理也会产生具有“三致”特性(致癌、致畸、致突变)的消毒副产物(DBPs)，因此臭氧化及其联用技术逐渐成为水处理的重要途径。目前，常用的联用方式是将预臭氧化加入传统的混凝工艺中，可以通过提高原水的可混凝性，来达到提高后续工艺中污染物去除效率的目的。虽然适量的臭氧可以起到改善废水中悬浮颗粒的絮凝性能，在一定程度上减少混凝剂投加量的作用，但是预臭氧-混凝技术对有机物的去除有很大的局限性。Chang等和Yan等研究认为较低的预臭氧剂量是有益的，如果剂量过大会恶化后续的混凝效果。Liu等甚至认为预臭氧化对混凝几乎没有促进作用，而且降低了后续混凝工艺对DOC的去除效率。通常臭氧通过两种途径与有机污染物发生作用;一是臭氧分子与有机污染物通过亲电反应或亲核反应直接氧化作用，该反应进程缓慢，选择性强;二是臭氧在水中氢氧根(OH-)、有机污染物或某些无机物等引发剂的作用下生成羟基自由基(·OH)，间接与水中有机污染物发生作用，该反应速度快，选择性低，其反应动力学常数在108~1010L·(mol·s)-1之间。而臭氧氧化效率的提升可以通过采用与双氧水、紫外线和金属离子等联用的方式，以提高·OH的产率来实现。李华等研究认为臭氧-紫外联合预处理的矿化作用主要是通过·OH实现的，·OH对溶解性腐殖酸的团聚结构产生破坏作用，从而促进对有机物的去除效率。吴国枝等研究了臭氧与光催化和超声等高级氧化技术的不同组合方法对苯酚的降解效果，结果表明联用技术的协同作用生成了更多的强氧化剂·OH，从而更好地降解水中的有机物。鉴于此本研究建立臭氧-混凝耦合处理工艺，使混凝剂和臭氧化在一个体系中同时作用。金属盐混凝剂水解产生的金属离子和一些金属化合物，可以作为催化剂促进·OH的产生，从而提高溶解性有机物的去除效率。本文的主要目的就是探究臭氧-混凝耦合工艺在污水深度处理中的去除特性，揭示该工艺去除溶解性有机物的机制。本文将在pH为5、7和混凝剂为AlCl3·6H2O的情况下研究耦合工艺的去除特性，并与预臭氧-混凝工艺和传统混凝工艺进行对比。同时采用·OH探针法研究耦合工艺中混凝剂对臭氧化过程的促进作用，从而更好地阐述该工艺的作用机制。1、材料与方法、材料与方法1.11.1污水处理厂二级出水污水处理厂二级出水本实验以西安市某污水处理厂二级出水作为研究对象，该污水处理厂采用A2O工艺，处理规模为500000m3·d-1，实验前样品均需经过0.45μm滤膜(上海新亚)过滤。过滤处理后的水质特征如表1所示，碱度、NO3--N和NO2--N的含量都很低，不会影响后续实验的测定结果。实验所用的主要试剂包括氯化铝(AlCl3·6H2O)、靛蓝三磺酸钾、对氯苯甲酸(p-CBA)、硫代硫酸钠(Na2S2O3)、氢氧化钠(NaOH)、磷酸、磷酸二氢钠(NaH2PO4)和磷酸氢二钠(Na2HPO4)等，均为分析纯，并且使用超纯水配制。所有实验均在室温下进行。表1污水处理厂二级出水水质特征污水处理厂二级出水水质特征1.21.2实验方法实验方法1.2.11.2.1臭氧原液制备方法臭氧原液制备方法采用图1所示装置制备臭氧原液，取样瓶有效体积为500mL，用磷酸调pH至3。通过气体流量计控制氧气源臭氧发生器(SK-CFQ-3P,三康)出口流量在16L·h-1左右，持续曝气约2h，未反应的剩余气体通入两级KI吸收瓶处理。整个制备装置利用水浴调节控制温度在0~4℃左右，在波长258nm下测定吸光度值计算得到臭氧原液浓度[ε258=3000L·(mol·cm)-1]，其浓度可达到80mg·L-1左右。1.氧气瓶氧气瓶;2;2.氧气源臭氧发生器氧气源臭氧发生器;3;3.超低温冷却循环泵超低温冷却循环泵;4;4.阀门阀门;5;5.流量计流量计;6;6.曝气头曝气头;7;7.取样取样瓶;8;8.一级一级KIKI吸收瓶吸收瓶;9;9.二级二级KIKI吸收瓶吸收瓶图1臭氧水制备装置示意臭氧水制备装置示意1.2.21.2.2混凝实验混凝实验混凝装置采用混凝搅拌器(3000-6N,武汉梅宇)，水样体积为500mL，使用0.1mol·L-1NaOH溶液和磷酸调节水样pH至5和7，加入2mmol·L-1磷酸盐缓冲液分别控制pH在5±0.5和7±0.5附近，选择混凝剂AlCl3·6H2O进行实验。混凝条件为300r·min-1快搅1min，60r·min-1慢搅30min，结束后静置沉淀30min，并于液面下2cm处取上清液过滤后