净水工艺中臭氧化单元优化控制副产物中试研究 毕业论文.docx
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1、净水工艺中臭氧化单元优化控制副产物中试研究PILOT STUDY ON OZONATION PROCESS OPTIMIZATION FOR BY-PRODUCTS CONTROL IN DRINKING WATER TREATMENT 摘 要臭氧活性炭工艺作为一种饮用水深度处理技术得到越来越广泛的应用,但在处理含溴原水时可能产生副产物溴酸盐,同时臭氧的应用导致AOC上升,对水中出现的难降解有机物硝基苯和石油类物质的去除效果还有待验证。本文以深圳地区水源水为研究对象,通过臭氧活性炭工艺中试对预氧化和深度处理进行了优化研究,获得了最佳的预氧化方式和主臭氧投加量,优化后的工艺可在有效去除污染物的同
2、时降低出水副产物浓度,保障工艺出水安全。首先,研究了饮用水常规处理工艺的预氧化方式,考察不同预氧化方式对污染物的去除效果。试验结果表明,预氧化能够明显提升常规工艺对污染物的去除效果,砂滤出水TOC、UV254、石油类物质和硝基苯的去除率较无预氧化分别可提升27%、47%、22%和59%。对比了不同水质条件下高锰酸钾预氧化和臭氧预氧化的净水效果及副产物控制效果。结果表明,高锰酸钾预氧化对石油类物质去除效果更好,且无溴酸盐生成,AOC生成量低于臭氧预氧化;而臭氧预氧化去除硝基苯能力更强;TOC、UV254、浊度等常规指标均有较好的去除效果。其次,优化了臭氧活性炭工艺的主臭氧投加量。试验结果表明,在
3、不同水质条件下,臭氧投加量为1.5 mg/L时,水中污染物均能得到有效去除,出水溴酸盐达标,生物稳定性较好。再增加臭氧投加量,工艺出水水质变化不大,但出水溴酸盐浓度升高,有超标的风险。最后,通过对预氧化方式和主臭氧投加量的综合分析,提出不同水质下的优化条件,并进行验证。结果表明,优化后工艺出水浊度稳定在0.1 NTU以下,出水UV254、TOC和石油类物质去除率较优化前分别提升1%6%、5%29%和20%,出水溴酸盐和AOC浓度均降到水质标准限值以下。优化工艺连续运行一个月,期间UV254、TOC、石油类物质和硝基苯的去除率分别为91%、59%、95%和100%,工艺出水达标率较高,水质稳定,
4、成本较低。因此,该优化条件(0.5 mg/L高锰酸钾预氧化和主臭氧投加量1.5 mg/L)适宜于深圳地区的臭氧活性炭净水工艺。关键词:净水工艺;微污染水源水;臭氧化副产物;溴酸盐;生物可同化有机碳AbstractAs a kind of advanced treatment of drinking water, O3-GAC process has been more and more widely used in our Country. But ozonation of drinking water containing bromide may lead to the formation
5、of bromate and the increase of AOC content, the removal effect of nitrobenzene and petroleum remains to be verified. By taking the raw water in Shenzhen area as the research object, the best way of pre-oxidation and the main ozone dosage were obtained by the optimization of O3-GAC process. The optim
6、ized process can reduced the concentration of by-products while removing pollutants effectly, and ensure the safety of effluent.Firstly, the pre-oxidation way of conventional water treatment process was studied in detail. The results showed that pre-oxidation significantly improved the water treatme
7、nt effect of conventional process, and the removal rate of TOC, UV254, petroleum and nitrobenzene was increased 27%, 47%, 22% and 59%, respectively. Compared with water treatment effect and by-products control effect of potassium permanganate pre-oxidation and pre-ozonation, the results showed that
8、petroleum has a better removal effect by potassium permanganate per-oxidation, and no bromate in effluent, the formation amount of AOC was lower than pre-ozonation. The removal capacity of nitrobenzene was powerful by pre-ozonation. TOC, UV254, turbidity have a better removal effect.Secondly, we mad
9、e an optimization study on the main ozone dosing quantity of advanced treatment. The rusults showed that each pollutant has a good removal effect when the ozone concentration was 1.5 mg/L. In the ozone concentration, the bromate of effluent could reach the standard, and AOC could drop to a lower lev
10、el, the effluent belonged to bio-stability. The removal effect of pollutants changed very little when the concentration of ozone was increased, the bromate content exceeding standard in effluent.Finally, the optimized condition of different water quality was proposed by the comprehensive analysis of
11、 pre-oxidation way and the main ozone dosing quantity, and verifying its effect. The results showed that the turbidity of optimized process effluent was stabilized under 0.1 NTU. The removal rate of UV254, TOC and petroleum was improved 1%6%, 5%29% and 20% separately, the bromate and AOC of effluent
12、 could reach the standard. Through a month continuous running, the removal rate of UV254, TOC and petroleum were 91%, 59%, 95% and 100% separately, the standard-reaching rate of effluent was high, and the process had lower cost. Therefore, the optimized condition (0.5 mg/L potassium permanganate pre
13、-oxidation, main ozone concentration 1.5 mg/L) was feasible in Shenzhen District.Keywords: water treatment, micro-pollution source water, ozonation by-products, bromate, assimilable organic carbon- VI -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 臭氧活性炭工艺副产物生成与控制11.2.1 溴酸盐11.2.2 AOC31.3 臭氧活性炭工
14、艺性能优化研究51.3.1 强化常规工艺51.3.2 预氧化技术61.4 课题来源、研究目的及意义71.4.1 课题来源71.4.2 研究目的及意义81.5 技术路线及实施方案8第2章 中试装置及试验方法102.1 中试装置102.1.1 中试工艺流程102.1.2 中试装置设计112.2 中试用水112.3 试验方法122.3.1 预氧化单元优化122.3.2 深度处理单元优化132.3.3 全流程副产物控制132.4 试验检测项目及方法132.4.1 常规检测项目及方法132.4.2 特殊污染物检测方法14第3章 预氧化单元工艺优化153.1 不同预氧化方式净水效果对比153.1.1 预氧
15、化单元净水效果153.1.2 混凝沉淀单元净水效果163.1.3 砂滤单元净水效果173.1.4 常规处理整体净水效果比较183.2. 常规处理阶段副产物的控制213.2.1 溴酸盐213.2.2 生物可同化有机碳213.3 进水水质影响223.3.1 浊度223.3.2 有机物233.3.3 副产物的控制333.4 预氧化工艺参数优选373.5 本章小结37第4章 深度处理单元工艺优化394.1 深度处理工艺净水效果394.1.1 UV254的去除效果394.1.2 TOC的去除效果404.2 副产物控制效果404.2.1 溴酸盐404.2.2 生物可同化有机碳414.3 进水水质影响414
16、.3.1 净水效果424.3.2 副产物控制情况474.4 深度处理单元参数优选514.5 本章小结51第5章 净水工艺全流程副产物控制525.1 净水效果525.1.1 浊度525.1.2 UV254545.1.3 TOC565.1.4 石油类物质585.1.5 硝基苯595.2 副产物的控制605.2.1 溴酸盐605.2.2 AOC625.3 优化工艺长期运行时净水效果及副产物的控制625.3.1 净水效果635.3.2 副产物的控制655.4 本章小结66结 论67参考文献68哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明73致 谢74 第1章 绪论1.1 课题背景臭氧活性炭工艺作为饮
17、用水深度处理主流工艺在全国得到广泛的应用,但在应用过程中发现了一些问题。当水中存在溴离子时,经过臭氧作用有生成溴酸盐的风险,溴酸盐已被国际癌症机构定为2B级潜在致癌物,常规工艺很难将其去除。目前我国生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)规定溴酸盐出水最高浓度为10 g/L。此外,臭氧的应用也导致水中可同化有机炭(Assimilable Organic Carbon,AOC)上升,降低了水体的生物稳定性。深圳等沿海地区很容易受到咸潮的影响,咸潮入侵导致水源水中溴离子浓度大幅上升。董文艺1等人的调查表明,深圳水库水中溴离子浓度可达73 g/L,而地下水中的溴离子更是高达249 g/L。这些水
18、源水经过臭氧活性炭工艺处理后,水体中的溴离子可能转化为溴酸盐,给人们的身体健康带来巨大危害。臭氧活性炭工艺应用越来越广泛,但副产物问题已成为严重影响该工艺进一步应用的难题。如何在提高臭氧活性炭工艺去除污染物效能的同时减少副产物产生已成为当今的研究热点。1.2 臭氧活性炭工艺副产物生成与控制臭氧活性炭工艺作为一种新型深度处理技术近年来在国内外给水处理领域中应用广泛,逐渐成为微污染原水深度处理的主流工艺2。该技术利用臭氧的强氧化作用和活性炭的吸附降解能力去除水中有机物,臭氧将大分子有机物转化为小分子且易被活性炭吸附去除的有机物,后续活性炭将小分子有机物吸附降解,从而达到净化水质的目的3。但该技术在
19、应用过程中出现了一些新问题,当原水中存在溴离子时臭氧化过程容易产生副产物溴酸盐,另一方面臭氧氧化后水中AOC大幅上升,水体生物稳定性下降。1.2.1 溴酸盐1.2.1.1 溴酸盐生成机理当原水含有溴离子时,在臭氧化过程中可能会产生溴酸盐。目前比较公认的溴酸盐生成途径主要有两种,一种是溴离子被臭氧分子氧化的直接途径,另一种是臭氧分解产生的羟基自由基与溴离子作用生成溴酸盐的间接途径4。在直接氧化途径中,O3将Br-氧化为BrO-,继续氧化生成BrO2-,最后再与O3作用生成BrO3-;在间接氧化途径中,臭氧分解产生的羟基自由基(OH)与Br-作用生成Br,而Br可发生两种途径的反应,一种途径是继续
20、被氧化为BrO后马上生成BrO2-,进而被臭氧氧化为BrO3-。另一种途径是Br与Br-反应生成HOBr/OBr-,接着再与OH作用生成BrO,最终被氧化为BrO3-。研究表明5溴酸盐的生成在臭氧化初始阶段主要是由于OH的作用,在这个阶段溴酸盐含量增加迅速;而在此后的阶段溴酸盐生成比较缓慢,主要是由OH和臭氧共同作用产生溴酸盐。因此,在溴酸盐形成过程中OH起着主导作用,Ozekin6等人的研究显示OH在超纯水体系中贡献了70%的溴酸盐生成量,而经过臭氧作用生成的溴酸盐量只有30%。1.2.1.2 溴酸盐控制研究进展溴酸盐的控制包括事前控制、事中控制和事后控制。国内外的大部分研究主要是针对事中控
21、制展开的,即在溴酸盐的生成过程中对其进行控制。而控制方法主要有降低溴离子浓度、加氨、降低pH、优化臭氧投加方式、加过氧化氢等。(1)降低溴离子浓度 在溴酸盐生成过程中,溴离子浓度起着控制性作用。Army7等人指出溴离子浓度存在临界值,当溴离子浓度低于该值时,即使采用较高臭氧投加量,也不会产生溴酸盐。孙炳竹8等人的实验结果表明,溴离子浓度分别为0.015 mg/L、0.055 mg/L、0.131 mg/L和0.237 mg/L的原水经过10 min的臭氧氧化后后,生成的溴酸盐分别为8.9 g/L、11.9 g/L、27.7 g/L和48.4 g/L;李商国9等人的研究表明,在CT值一定的情况下
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