生物活性炭滤池的工艺参数试验研究.doc

生物活性炭滤池工艺参数试验研究

　　序言
　　伴随水源污染日益严重, 为了克服常规处理工艺不足, 满足不停提升饮用水水质标准, 对常规处理工艺出水再进行深度净化将成为自来水厂选择之一。生物活性炭技术能有效去除水中有机物(尤其是可生物降解部分)和嗅味等, 从而提升饮用水化学和微生物安全性, 现在它已作为自来水深度净化一个关键路径而被水工业界重视[1, 2]。该技术关键点是: 以粒状活性炭为载体富集水中微生物而形成生物膜, 经过生物膜生物降解和活性炭吸附去除水中污染物, 同时生物膜能经过降解活性炭吸附部分污染物而再生活性炭, 从而大大延长活性炭使用周期。生物活性炭滤池工艺参数直接影响其处理效果和成本, 而且适宜参数值还和滤池边水水质有一定关联, 在大规模应用前进行针对性研究很有必需。
　　1． 试验研究方法
　　l.1 试验工艺步骤及装置
　　此次试验为中试规模, 试验工艺步骤为预臭氧化十混凝、 沉淀、 过滤+臭氧--生物活性炭, 试验装置(图1)设于深圳大涌水厂内, 包含常规处理、 臭氧化和活性炭滤池处理系统。

　　活性炭滤池横截断面尺寸为500×500mm, 高度为4.92m, 内部均分两格, 采取小阻力配水系统。装填ZJ-15型柱状活性炭（山西新华化工厂产品）, 该炭碘值和亚甲兰吸附值分别为961和187mg/g, 堆积密度460g/L。活性炭在使用之前, 先用未加氯砂滤出水浸泡1周, 再用未加氯砂滤出水反洗清洁, 然后装池。生物活性炭滤池采取下向流型式, 进水溶解氧含量通常在7.50mg/L左右, 能充足确保生物降解对溶解氧需求。滤池采取两段式气水反冲洗, 即首先以空气擦洗、 再以未加氯砂滤出水反冲, 反冲洗周期为7天。
　　臭氧采取Ozonia企业CFS-1A型臭氧发生器现场制备, 以空气为气源、 以自来水为冷却介质。预臭氧化臭氧接触时间和投加量分别为4.5min和1.5mg/L左右, 水在塔内流速40m/h左右。主臭氧化臭氧接触时间和投加量分别采取液态碱铝和氢氧化钠, 投加浓度分别为2.5mg/L和6mg/L左右。
　　1.2 试验设计
　　在参考现有文件基础上, 本研究首先采取2.0m和2.5m炭床高度, 分别进行空床接触时间10、 12min对比试验。然后选定炭床高度, 分别进行空床接触时间7.5、 10、 12、 15、 20min对比试验。
　　1.3 试验方法
　　试验期间水温较高（26-31℃, 平均29℃）, 生物活性炭滤池采取自然挂膜, 生物膜成熟时间约为15天。进行上述各组条件试验时间均为7天, 其中2天为过渡适应期, 5天为稳态试验期。试验期间生物活性炭滤池进水水质如表1所表示:

表1 生物活性炭滤池进水水质
数值
指标
水温（℃）
PH值
浊度（NTU）
色度
CODMn（mg/L)
含藻量（万个体数/L）
最小
26
7.38
0.13
＜5
0.69
5.0
最大
31
7.97
0.38
5
2.08
24
平均
29
7.768
0.237
--
1.393
11.3
　　注: 表1中实测期间色度＜5次数约占1/3
　　2. 试验结果与分析
　　2.1 炭床高度
　　当生物活性炭滤池空床接触时间分别为12min和10min时, 2.0m和2.5m炭床高度BAC池进出水浊度、 CODMn历时改变情况见图2--3, 图中5/23——6/2、 6/2——6/9分别对应12min和10min试验结果。
　　由图2——3: 即使二池出水浊度、 CODMn历时改变有所差异, 但平均而言差异并不显著。当空床接触时间为12min时, 在2.0m和2.5m池进水浊度、 CODMn均值分别同为0.327NTU、 1.498mg/L条件下, 二池出水浊度、 CODMn均值分别为0.293NTUT 0.309NTU、 0.995mg/L和1.01mg/L。当空床接触时间为10min时, 在2.0m和2.5m池进水浊度、 CODMn均值分别同为0.368NTU、 1.596mg/L条件下, 二池出水浊度、 CODMn均值分别为0.314和0.314TNU、 1.304和1.402mg/L。由此可认为在本试验条件下, 假如空床接触时间、 进水水质等其它件相同, 炭床高度对BAC池出水浊度、 CODMn影响较小。即使图2--3也反应出BAC池出水浊度和CODMn有稍高于进水对应值情形, 但其中关键原因可能在于进水水质波动及生物膜脱落及微生物代谢产物, 另外低浊度分析也是值得深入研究问题。

　　试验结果（表2）还表明, 在空床接触时间等其它试验条件相同时, 炭床高度对BAC池出水色度、 PH值影响不大; 但对嗅阈值却有一定影响, 在空床接触时间同为10min时, 炭床高度2.5m池出水嗅阈值超出深水集团管道直饮水水质标准（Q/ZLS001-1998）3上限标准, 这表明较高滤速不利于除臭。
表2 炭床高度对嗅阈值、 色度、 PH值影响
指标
接触时间
12min
10min
进水
2.0m出水
2.5m出水
进水
2.0m出水
2.5m出水
嗅阈值
18
2
2
20
2
4
色度
10-20(15)
≤5
≤5
25-40(31)
≤5
≤5
PH值
7.72
7.43
7.50
7.43
7.37
7.44
　　注: 表2中嗅阈值、 PH值栏数值为均值。
　　综合12min和10min试验结果, 能够看出, 在空床接触时间、 进水水质等关键试验条件相同前提下, 炭床高度对BAC池净水效果总体相同; 但较大炭床高度不利于嗅阈值控制。实际上BAC池去除污染物关键靠生物吸附降解和物化吸附, 而这些过程都需要一定时间, 在进水水质和污染物与生物颗粒接触时间相同时, 污染物降解程度理应相同。当然生物活性炭颗粒机械截留也有一定作用, 较大炭床高度BAC池出水水质略差, 其原因可能就在于较大滤速不利于机械截留作用发挥。另外, 炭床高度增大还将会对BAC池反冲洗提出更高要求, 有基于此, 提议生产中BAC池适宜炭床高度可取2.0m。
　　2.2 空床接触时间
　　·空床接触时间与出水浊度
当BAC池空床接触时间在7.5-2.0min之间改变时, BAC池进出水浊度改变情况如表3所表示。观察表3中试验数据, 不难发觉BAC池出水浊度比较稳定, 平均在0.22NTU以下; 此均值和BAC池进水浊度均值（0.25NTU以下）较为靠近, 也限BAC池能稍微降低水浊度, 但空床接触时间对浊度去除没有显著影响。由此可见, BAC池订功效不在于除浊。
表3 BAC池空床接触时间与出水浊度
接触时间（min）
进水浊度（NTU）
出水浊度（NTU）
平均去除率（%）
最大值
最小值
平均值
最大值
最小值
平均值
7.5
0.18
0.13
0.142
0.17
0.14
0.156
-9.90
10
0.32
0.16
0.244
0.25
0.19
0.218
10.70
12
0.32
0.16
0.244
0.32
0.17
0.222
9.02
15
0.25
0.13
0.196
0.27
0.15
0.190
3.06
20
0.18
0.13
0.142
0.18
0.12
0.136
4.23
　　·空床接触时间与出水CODMn
　　当BAC池空床接触时间在7.5--20min之间改变时, BAC池进出水CODMn改变情况不及浊度值稳定（表4）。由表4可见, 在空床接触时间相同、 进水水质相近情况下, 增大BAC池空床接触时间, BAC池对CODMn去除效果随之改善, 表现为CODMn平均去除率提升。在生物膜工艺中, 延长空床接触时间意味着延长基质和生物膜接触时间, 有利于基质生物降解; 从生物膜降解机理上来看, 接触时间缩短意味着进入BAC池基质量增加, 造成生物膜在单位时间内接触基质增加, 而进水水质一定使得生物膜对基质降解速率相对稳定, 最终造成出水CODMn浓度增加, 处理效果下降。另外, 接触时间延长也有利于污染物物化吸附去除。

表4达式 BAC池进出水CODMn改变
接触时间（min）
进水CODMn（mg/L)
出水CODMn（mg/L)
平均去除率（%）
最大值
最小值
平均值
最大值
最小值
平均值
7.5
1.68
0.91
1.27
1.60
0.71
1.10
13.1
10
2.08
1.4
1.726
1.67
0.96
1.254
27.35
12
2.08
1.4
1.726
1.67
0.33
1.21
29.90
15
1.59
0.69
1.292
1.11
0.65
0.754
41.64
20
1.68
0.91
1.27
0.96
0.44
0.78
38.6
　　从表4还能够看出, BAC池空床接触时间增加幅度影响BAC池对CODMn去除率提升程度, 空床接触时间增幅大对CODMn去除效果改善程度较为显著反之收效通常, 但接触时间增大到一定程度时, CODMn去除率提升有限, 这关键是因为进水中可生物降解及吸附物质所占百分比一定。另外, 对比接触时间15min和20minCODMn平均去除率, 发觉前者稍高于后者, 笔者认为关键原因可能在于BAC池运行前成熟条件不一样。进行接触时间20min试验前, 采取气冲强度较大（14L/m2.S）, 生物膜脱落显著, 又限于当初条件、 只经12h即取样化验; 而进行其它接触时间试验之前, 采取气冲强度小于14L/m2.s, 生物膜脱落程度较轻, 且经48h成熟期后再取样化验。这说明BAC池反冲洗及其充足成熟对确保其成功运行极为关键, 在实际生产中需对气水联合反冲洗后初始处理水量作必需小幅减小。
　　·空床接触时间与出水含藻量
　　深度处理作为改善饮用水水质有效路径, 除藻也是其关键任务之一, 尤其是对于原水取自富营养化水源自来水厂。本研究以含藻量作为优选BAC池空床接触时间另一关键分析指标, 臭氧——生物活性炭作为一个整体, 因臭氧化条件固定, 故不影响对试验结果分析。
　　BAC池进出水含藻量检测结果（表5）表明, 在进水含藻量为10万个体数/L左右、 BAC池空床接触时间从75min增加到15min时, BAC池出水含藻量从8.5万个体数/L逐步降低到2.43万个体数/L,对应除藻率从23%逐步增加到73.5%, 但增加程度逐步降低。试验期间, 发觉活性炭表面并未完全长有生物膜, 所以生物处理和活性炭处理是生物活性炭两大除藻路径。生物除藻可能机理有以下多个: 生物膜吸附、 附着, 生物载体之间生物絮凝和机械截留, 微生物氧化分解, 原、 后生动物捕食等。最近研究又表明, 在短短（0--10nm）范围内, 细菌等微生物疏水性产生微观疏水引力远远大范德华引力, 藻类向炭粒迁移和粘附将是影响生物活性炭除藻一个关键步骤。 在一定范围内延长BAC池空床接触时间, 将会增加藻类和生物活性炭接触机会, 利于藻类寻求适宜附着点, 促进上述各机理作用发挥, 从而加强该系统对藻类去除效果; 而接触时间15min和20min除污染效果对比（表4和表5）又表明此结论须以BAC池充足成熟为前提条件。其次, 过高地延长BAC池接触时间, 会降低BAC池水力负荷, 显著增加包含活性炭在内基建投资, 不足为取。结合中试结果, 提议生产上用于除藻空床接触时间不宜高于15min。
表5 空床接触时间与O3——BAC单元出水含藻量
接触时间(min）
进水
（104个体数/L）
出水
（104个体数/L）
均去除率（%）
最大值
最小值
平均值
最大值
最小值
平均值
7.5
14.9
5.9
11.04
13.8
4.2
8.5
23
10
13.2
6.8
10.37
6.2
3.7
4.57
55.9
12
13.2
6.8
10.37
4.9
2.4
3.43
66.9
15
24
5
9.15
5.6
1.2
2.43
73.5
20
14.9
5.9
11.04
6.4
2.5
3.98
63.9
　　.空床接触时间与其它出水水质参数
　　在7.5——20min范围内改变BAC池空床接触时间试验结果表明, BAC池出水嗅阈值、 色度、 PH值相对改变不大, 也即空床接触时间对嗅阈值、 色度、 PH值影响相对微小。通常BAC池出水臭阈值在2--3甚至更小, 色度在5或5以下, BAC池出水PH值在7.60左右。
　　综合炭床高度和空床接触时间试验结果, 能够看出空床接触时间是影响BAC池净水效果决定性原因, 这和大多数研究结果一致, 但具体数值取决于BAC池进水水质情况和出水水质要求。基于现在深圳水源泉水低浊高藻、 有机物和氮磷含量较高水质特征, 结合不一样空床接触时间试验结果, 若BAC池出水水质以CODMn达成深水集团管道直饮水水质标准（Q/ZLS001--1998）1mg/L上限标准, BAC池空床接触时间以12-15min为宜, 原水水质差时取对应高值。
　　3 结语
　　（1）在本试验条件下, 生物活性炭滤池空床接触时间是影响其净水效果决定性原因, 且关键影响有机物和藻类去除; 炭床高度和运行滤速影响相对较小。
　　（2）生物活性炭滤池具体空床接触时间取决于原水水质情况和出水水质要求, 针对现在深圳水源条件, 若出水水质以CODMn达成深水集团管道直饮水水质标准（Q/ZLS001--1998）1mg/L上限标准, 提议生物活性炭池适宜炭床高度为2.0m, 适宜空床接触时间为12-15min, 原水水质较差时取此范围内较高值。