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基于微纳米气泡臭氧曝气的饮用水厂有机物强化处理技术研究

马艳 吴俊 周维

马艳,吴俊,周维.基于微纳米气泡臭氧曝气的饮用水厂有机物强化处理技术研究[J].环境工程技术学报,2024,14(4):1141-1150 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240200
引用本文: 马艳,吴俊,周维.基于微纳米气泡臭氧曝气的饮用水厂有机物强化处理技术研究[J].环境工程技术学报,2024,14(4):1141-1150 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240200
MA Y,WU J,ZHOU W.Research on the enhanced treatment of organic matter in drinking water plant based on micro-nano bubble ozone aeration[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(4):1141-1150 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240200
Citation: MA Y,WU J,ZHOU W.Research on the enhanced treatment of organic matter in drinking water plant based on micro-nano bubble ozone aeration[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(4):1141-1150 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240200

基于微纳米气泡臭氧曝气的饮用水厂有机物强化处理技术研究

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240200
基金项目: 上海市2021年度“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目(21DZ1202205);上海城投(集团)有限公司科技创新计划项目产业化引导专项(CTKY-CYHYD-2023-003);2022年东方英才计划青年项目;面向土地利用的新型稳定污泥资源化利用技术研究(D202203)
详细信息
    作者简介:

    马艳(1986—),女,正高级工程师,博士,长期从事水处理理论与技术研究,mayan616@yeah.net

    通讯作者:

    吴俊(1988—),男,高级工程师,博士,主要从事排水系统提质增效相关研究,wujunz2929@sina.com

  • 中图分类号: X703;X52

Research on the enhanced treatment of organic matter in drinking water plant based on micro-nano bubble ozone aeration

  • 摘要:

    为提升饮用水厂原水混凝及前/后臭氧处理等重要工艺段的有机物去除率,对比研究了微纳米气泡(MNBs)与普通曝气盘2种曝气方式下的臭氧传质效率,开展了MNBs对水厂原水混凝效果影响小试,并对2种曝气方式下前/后臭氧处理工艺段有机物及藻类等的去除率进行研究。结果表明:1)本研究中的微气泡发生器产生纳米气泡数量为1.2×108个/mL,中值粒径显著低于100 μm,有利于MNBs臭氧(MNBs-O3)在水中停留较长时间;在水厂原水中加入12.5%(体积比)的MNBs水时,MNBs吸附疏水性有机物及产生羟基自由基的特征可以显著提高混凝沉淀效果,使UV254下降幅度达到15%。2)在前臭氧处理过程中,原水经MNBs-O3处理后,出水110 kDa峰消失而小于1 Da部分出现新峰,五日生化需氧量(BOD5)的去除率约为15%(远低于普通曝气盘的50%)且总有机碳与UV254未发生显著变化;在后臭氧处理过程中,MNBs-O3处理后BOD5上升了40%,TOC上升了36%,UV254则先上升后下降。该结果说明MNBs-O3在前臭氧处理过程中可以将芳香族有机物分解为含氧类链状有机物,MNBs-O3较长的停留时间使其更易将大分子有机物转换为小分子有机物,而后臭氧处理过程中MNBs-O3可以进一步提高对水中残留的难降解有机物的去除率。3)MNBs-O3对藻类的去除率可达25%,且MNBs-O3处理不会增加水中溴酸盐浓度,后续可借助MNBs的气浮功能进一步提升其效率。尽管MNBs替代普通曝气盘使电能消耗上升约30%,但MNBs会大幅缩短进气时间,减少O3使用量。本研究结果为MNBs在原水混凝及前/后臭氧处理过程中的应用建立了理论基础。

     

  • 图  1  传质效率分析试验装置示意

    Figure  1.  Schematic of mass transfer efficiency experiment equipment

    图  2  不同气泡密度与体积密度下的微气泡粒径分布特征

    Figure  2.  Particle size distribution characteristics of microbubbles under different volume densities and bubble densities

    图  3  MNBs与普通曝气盘臭氧曝气方式下水中溶解性臭氧浓度及利用率

    Figure  3.  Concentration and utilization efficiency of dissolved ozone under the treatment with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

    图  4  不同MNBs水比例下原水混凝沉淀后浊度与UV254变化

    Figure  4.  Changes in turbidity and UV254 of raw water after coagulation and precipitation under different micro-nano bubble water ratios

    图  5  原水和砂滤池出水经MNBs与普通曝气盘臭氧处理后的BOD5及B/C变化

    Figure  5.  Changes in BOD5 concentration and B/C ratio in raw water and sand filtered effluent after treatment with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

    图  6  原水和砂滤池出水经MNBs与普通曝气盘臭氧处理后的CODMn变化

    Figure  6.  Changes in CODMn concentration in raw water and sand filtered effluent after treatment with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

    图  7  原水和砂滤池出水经MNBs与普通曝气盘臭氧处理后的滤后TOC浓度变化

    Figure  7.  Change in filtered TOC concentration of raw water and sand filtered effluent after ozone treatment with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

    图  8  原水和砂滤池出水经MNBs与普通曝气盘臭氧处理后的滤后UV254变化

    Figure  8.  Change in filtered UV254 values of raw water and sand filtered effluent after ozone treatment with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

    图  9  MNBs与普通曝气盘臭氧处理后原水和砂滤池出水的分子量分布

    Figure  9.  Molecular weight distribution of raw water and sand filtered effluent after ozone treatment with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

    图  10  原水经MNBs与普通曝气盘臭氧处理后藻细胞总数变化

    Figure  10.  Changes in the total number of algal cells after ozone treatment of raw water with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

    图  11  原水经MNBs与普通曝气盘臭氧处理后溴化物和溴酸盐浓度变化

    Figure  11.  Changes in bromide and bromate concentrations after ozone treatment of raw water with micro-nano bubbles and ordinary aeration discs

  • [1] 王兴林. 臭氧微纳米气泡降解饮用水中典型嗅味物质的效能与机理研究[D]. 济南: 山东建筑大学, 2023.
    [2] 黄晓江. 微纳米气泡共混凝用于强化混凝效能及缓解超滤膜污染的研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2023.
    [3] TANAKA S, KASTENS S, FUJIOKA S, et al. Mass transfer from freely rising microbubbles in aqueous solutions of surfactant or salt[J]. Chemical Engineering Journal,2020,387:121246. doi: 10.1016/j.cej.2019.03.122
    [4] PARMAR R, MAJUMDER S K. Microbubble generation and microbubble-aided transport process intensification:a state-of-the-art report[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification,2013,64:79-97. doi: 10.1016/j.cep.2012.12.002
    [5] 马艳, 张鑫, 韩小蒙, 等. 臭氧微纳米气泡技术在水处理中的应用进展[J]. 净水技术,2019,38(8):64-67.

    MA Y, ZHANG X, HAN X M, et al. Application of micro-nano ozone bubble technology in water treatment: a review[J]. Water Purification Technology,2019,38(8):64-67.
    [6] 郭云霞, 蔡小垒, 李爽, 等. 文丘里串联结构气泡发生器气液混合和发泡特性试验[J]. 环境工程技术学报,2022,12(4):1350-1358.

    GUO Y X, CAI X L, LI S, et al. Experimental study on gas-liquid mixing and foaming characteristics of Venturi series bubble generator[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(4):1350-1358.
    [7] 孙文杰. 微纳米气泡强化纳滤膜处理诺氟沙星抗生素废水效能与机制[D]. 济南: 济南大学, 2023.
    [8] 毛如寅. 基于微纳米气泡的协同技术去除水中嗅味物质研究[D]. 浙江大学, 2023.
    [9] SOYLUOGLU M, KIM D, ZAKER Y, et al. Stability of oxygen nanobubbles under freshwater conditions[J]. Water Research,2021,206:117749. doi: 10.1016/j.watres.2021.117749
    [10] ATKINSON A J, APUL O G, SCHNEIDER O, et al. Nanobubble technologies offer opportunities to improve water treatment[J]. Accounts of Chemical Research,2019,52(5):1196-1205. doi: 10.1021/acs.accounts.8b00606
    [11] HU L M, XIA Z R. Application of ozone micro-nano-bubbles to groundwater remediation[J]. Journal of Hazardous Materials,2018,342:446-453. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.08.030
    [12] 马汇源. 微纳米O3-BAC工艺优化与除污染特性研究[D]. 济南: 山东建筑大学, 2023.
    [13] 国家市场监督管理总局, 国家标准化管理委员会. 生活饮用水标准检验方法: GB/T 5750.1~5750.13—2023[S/OL]

    2024-04-06]. https://www.wooking.com/show/131.html.
    [14] 曾东宝, 丘茂盛, 刘林斌. 离子色谱法测定氯消毒饮用水中溴化物的方法研究[J]. 城镇供水,2017(1):43-45.
    [15] 韩瑾, 李星, 杨艳玲, 等. 东江水源水有机物分子量分布及其处理工艺选择[J]. 北京工业大学学报,2013,39(1):87-91.

    HAN J, LI X, YANG Y L, et al. Organic matter molecular weight distribution and process selection for the raw water of east river[J]. Journal of Beijing University of Technology,2013,39(1):87-91.
    [16] American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation. Standard methods for the examination of water and wastewater[S]. 15th ed. Washington D C: Amer Public Health Association, 1985.
    [17] 吴世萍. 太湖流域某市水源水及制水工艺中藻类及其代谢物的动态变化[D]. 南京: 东南大学, 2016.
    [18] 初里冰, 邢新会, 于安峰, 等. 微米气泡强化臭氧氧化的作用机理研究[J]. 环境化学,2007,26(5):622-625.

    CHU L B, XING X H, YU A F, et al. Enhancement mechanism of ozonation by microbubbles[J]. Environmental Chemistry,2007,26(5):622-625.
    [19] 刘颖, 金鑫, 金鹏康, 等. 溶气气浮的微气泡影响因素及其与絮体的结合特性[J]. 中国给水排水,2018,34(5):1-5.

    LIU Y, JIN X, JIN P K, et al. Characteristics of microbubbles and microbubble-flocs in dissolved ozone flotation process[J]. China Water & Wastewater,2018,34(5):1-5.
    [20] 高康宁. 微气泡耦合洗涤剂脱除土壤中典型有机物-重金属复合污染物及机理研究[D]. 上海: 东华大学, 2022.
    [21] 董秉直, 吴炜玮, 阎婧. 采用HPSEC-UV-TOC研究臭氧预氧化缓解膜污染的机理[J]. 河南科技,2015(21):83-84.
    [22] 周琰琰, 刘振鸿, 马春燕, 等. 基于BioWin的微生物呼吸速率和B/C值相关性的模拟[J]. 环境工程,2017,35(12):1-5.

    ZHOU Y Y, LIU Z H, MA C Y, et al. Simulation of correlation between microbial respiration rate and B/C ratio using biowin software[J]. Environmental Engineering,2017,35(12):1-5.
    [23] 檀雅琴. 高锰酸钾氧化降解多种有机物的研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2014.
    [24] 王健. 高效臭氧溶气氧化技术研究[D]. 扬州: 扬州大学, 2023.
    [25] 方平, 陆少鸣, 刘姣. 生物砂滤池对有机物和氨氮的去除[J]. 环境科学与技术,2006,29(12):73-74.

    FANG P, LU S M, LIU J. Removal of organic matter and NH3-N by biological sand filter[J]. Environmental Science & Technology,2006,29(12):73-74.
    [26] AUDENAERT W T M, VANDIERENDONCK D, van HULLE S W H, et al. Comparison of ozone and HO· induced conversion of effluent organic matter (EfOM) using ozonation and UV/H2O2 treatment[J]. Water Research,2013,47(7):2387-2398. doi: 10.1016/j.watres.2013.02.003
    [27] 蔡云龙,高乃云,谭章荣,等. 镇江市饮用水有机物分子量分布特性的研究[J]. 净水技术,2005,24(5):12-16.

    CAI Y L,GAO N Y,TAN Z R,et al. Study on the characteristics of molecular weight distributions of organic matters in Zhenjiang City's drinking water[J]. Water Purification Technology,2005,24(5):12-16.
    [28] 季华,PERRIN D,杨燕华.预臭氧/混凝/气浮工艺去除水库原水中的藻类[J].中国给水排水,2016,32(21):60-62.

    JI H,PERRIN D,YANG Y H.Removal of algae from raw water of reservoir with pre-ozonation/coagulation/flotation process[J]. China Water & Wastewater,2016,32(21):60-62.
    [29] ZHANG L H, ZHENG J, TIAN S L, et al. Effects of Al3+ on the microstructure and bioflocculation of anoxic sludge[J]. Journal of Environmental Sciences (China),2020,91:212-221. doi: 10.1016/j.jes.2020.02.010
    [30] 王建, 胡淑恒, 卓胜君, 等. 微纳米气泡藻水分离试验研究[J]. 长江科学院院报,2017,34(4):20-23.

    WANG J, HU S H, ZHUO S J, et al. Experimental investigation on separating algae from water using micro-nano bubble air flotation process[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2017,34(4):20-23.
    [31] 黄青, 刘爱荣, 张立娟. 微纳米气泡特性及在土壤环境改善中的应用[J]. 环境工程技术学报,2022,12(4):1324-1332.

    HUANG Q, LIU A R, ZHANG L J. Characteristics of micro-nanobubbles and their applications in soil environment improvement[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(4):1324-1332.
    [32] 刘栋. 臭氧预氧化对水中消毒副产物的影响研究[D]. 长春: 吉林建筑大学, 2017. ◇
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-31
  • 录用日期:  2024-06-10
  • 修回日期:  2024-05-28

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