生物活性炭與改性凹凸棒石對供水水質處理效果對比研究

文/凌 強 池俊杰(.合肥供水集團有限公司；.合肥通用機械研究院有限公司）

解決飲用水源受污染的方法之一是強化深度水處理工藝。生物活性炭具有較大的比表面積和明顯的內部孔隙結構，能夠有效地吸附微生物進行污水治理，是市場上最常用的深度處理單元填料。生物活性炭的吸附能力與其碘吸附值和亞甲基藍吸附值正相關，生物活性炭的價格也隨其吸附能力的增強而增加[1]。從降低水處理材料的成本考慮，近年來，非金屬的黏土礦物，尤其是凹凸棒石黏土礦物因為其安全、吸附能力強、價格低廉且對微生物無毒害作用的特點而受到廣泛重視[2]。本實驗選取優(yōu)選活性炭和經(jīng)過450 ℃熱改性的凹凸棒石黏土作為研究對象，對比進出水的水質處理效果，希望在保證滿足出水標準的情況下節(jié)約材料成本，為水廠在選擇深度處理單元的材料上提供支持。

一、實驗條件和方法

選用產(chǎn)自安徽省明光地區(qū)的凹凸棒石黏土礦物，主要為針狀、纖維狀和棒狀的晶體結構。凹凸棒石的主要氧化物成分包括二氧化硅（55.10%～60.90%）、三氧化二鋁（9.60%～10.01%）、三氧化二鐵（5.70%～6.70%）等，其As、Pb 和Hg 等質量分數(shù)均符合衛(wèi)生指標。凹凸棒石經(jīng)過450 ℃的熱改性后其比表面積達到420 m2/g。

生物活性炭采購自南京某化工廠，其碘吸附值測定為534 mg/g，亞甲基藍吸附值為95 mg/g。

實驗用水選自南方某供水廠的原水水源地，其中改性凹凸棒石和活性炭的添加量均為50 mg/L。實驗持續(xù)進水，周期45 天。通過測定進出水水質濁度、pH值、化學需氧量（COD）和消毒副產(chǎn)物濃度等指標變化情況，研究對比不同材料的處理效果。

二、結果與討論

1.生物活性炭的指標變化

在實驗過程中每15 天對生物活性炭池的碘吸附值和亞甲基藍吸附值進行一次檢測，碘吸附值分別為506 mg/g、493 mg/g、476 mg/g，亞甲基藍吸附值分別為85 mg/g、71 mg/g、66 mg/g。結果表明，生物活性炭池的碘吸附值和亞甲基藍吸附值變化均較為明顯，衰減速度較快。

2.濁度變化情況

圖1 為活性炭池和凹凸棒石池的進出水濁度變化情況。由圖1 可見，進水的濁度為12～15 NTU；生物活性炭池出水濁度為0.8～1.2 NTU，平均值為0.91 NTU；凹凸棒石出水濁度為0.9～1.3 NTU，平均值為1.02 NTU。生物活性炭池和凹凸棒石池出水濁度相當，平均去除率均在80%，主要原因是二者均具有較好的孔隙結構和吸附能力，因此出水也會保持在較理想的狀態(tài)。

圖1 進出水濁度變化情況

3.pH 值變化情況

生物活性炭池和凹凸棒石池的進出水pH 值如圖2 所示。由圖2 可見，進水pH 值為6.8～7.2，生物活性炭池的出水pH 值為6.7～7.1，凹凸棒石池的出水pH值為6.5～6.8。結果表明，凹凸棒石池的pH 值波動幅度較小且數(shù)值較低，而生物活性炭池的pH 值相對于凹凸棒石池的變化波動較大。原因可能是凹凸棒石池中含有的微量元素等更適宜微生物生長，其附著的微生物含量相對較多[3]，各種性能比較穩(wěn)定，且微生物新陳代謝產(chǎn)生較多的二氧化碳溶于水也會導致pH 值偏低。而生物活性炭池的吸附值衰減較快，性能變化較大，導致pH 值波動較大。

圖2 進出水pH 值變化情況

4.有機物變化情況

生物活性炭池和凹凸棒石池的進出水COD 變化情況如圖3 所示。進水COD 為2～2.5 mg/L，生物活性炭池出水COD 為0.70 ～1.29 mg/L，平均值為0.81 mg/L，去除率為48.4%～84%,平均去除率為63.75%；凹凸棒石池出水COD 為0.52～1.14 mg/L，平均值為0.67 mg/L，去除率為56.7% ～87.06%, 平均去除率為72.43%。水中有機物是利用附著在填料表面的微生物進行生物降解的，因此凹凸棒石池的吸附效果明顯優(yōu)于生物活性炭池[4]，相對來說對有機物的去除效率更顯著。

圖3 進出水COD 變化情況

5.消毒副產(chǎn)物前體物變化情況

將3.0 mg/L 次氯酸鈉加入進水中，密封后置于暗處反應2 h 后以模擬加氯實驗，并分別測定消毒副產(chǎn)物三氯甲烷和三氯乙醛的生成量，結果見表1。從表1的數(shù)據(jù)可見，生物活性炭池和凹凸棒石池的進水三氯甲烷生成量平均值分別為3.87μg/L 和3.76μg/L，出水三氯甲烷生成量平均值分別為1.98μg/L和0.93μg/L，去除率為48.83%和75.26%；生物活性炭池和凹凸棒石池的進水三氯乙醛生成量平均值分別為6.74μg/L和6.55μg/L，出水三氯乙醛生成量平均值分別為2.77μg/L 和0.96μg/L，去除率為58.9%和85.34%。說明生物活性炭和凹凸棒石對消毒副產(chǎn)物的前體物這類的小分子有機物的去除均有較好的效果[5]。改性凹凸棒石的吸附能力更強，因此對去除消毒副產(chǎn)物的效果也相對更好，對兩種消毒副產(chǎn)物的去除率均在75%以上。

表1 兩種過濾池對消毒副產(chǎn)物前體物的去除效果

三、結論

實驗結果表明，改性凹凸棒石和生物活性炭對出水濁度的治理效果相當，改性凹凸棒石相比于生物活性炭對COD 和消毒副產(chǎn)物前體物等有機物的去除效果更顯著，可見凹凸棒石作為黏土礦物更適于微生物附著生長。而生物活性炭雖然也有較好的處理效果，但衰減速度快，市場價格也較高。綜上所述，建議水廠多采用改性凹凸棒石黏土礦物作為原水處理材料。