新版生物活性炭砂滤处理微污染原水研究.doc

生物活性炭—砂滤处理微污染原水研究

　　1 试验步骤及原水水质
　　1.1 试验步骤
　　采取混凝→沉淀→生物活性炭—砂滤工艺处理微污染原水, 试验装置如图1。

　　该工艺特点是取消了预氯化或其她预氧化过程(如臭氧氧化), 利用生物活性炭提供巨大比表面积和吸附性能, 为微生物氧化降解水中有机物发明了良好条件, 并能部分去除水中卤代烃类消毒副产物(DBPs)。
　　1.2 原水水质 
　　过滤原水采取两种水配制而成, 其一为武汉大学校园内河水(含生活污水), 并先经混凝沉淀处理(加入混凝剂量为50mg/L, 静置沉淀2h); 其二为自来水, 在使用前先放置2h以去除余氯。滤前水由这两种水以1∶3百分比配制而成, 多种水具体水质情况见表1。
表1 原水水质分类表
水样名称
数据范围
浊度(NTU)
臭味
pH值
CODCr(mg/L)
NH3-N(mg/L)
UV254
混凝沉淀后河水
最大值
11.21
微臭

8.11
41.85
6.85
0.135
最小值
9.85
6.85
29.48
2.40
0.099
平均值
10.56
7.50
31.26
3.73
0.112
自来水
最大值
2.67
无
7.80
12.82
0.89
0.086
最小值
1.24
6.95
7.84
0.12
0.060
平均值
1.87
7.20
10.77
0.57
0.074
配制滤前水
最大值
9.62
无
7.60
26.52
2.16
0.116
最小值
0.60
6.70
7.77
1.08
0.063
平均值
2.90
7.19
12.70
1.54
0.094
　　2 试验装置及设计参数
　　2.1 试验装置
　　生物活性炭—砂滤柱采取双层滤料, 上层为颗粒活性炭, 下层为石英砂。滤柱直径为45mm, 高度为3.0m; 活性炭层厚1.0m, 粒径为1.5 mm(柱状); 石英砂层厚0.5m, 粒径为0.5～1.0mm; 砾石(承托层)厚0.2m, 粒径为6～8mm。
　　2.2 关键试验运行参数
　　试验采取连续流恒速过滤方法, 滤速范围为4～7m/h。采取气水反冲洗, 气冲洗1.5min, 冲洗强度为5～15L/(s·m2); 然后水冲洗5～6 min, 冲洗强度为5～10L/(s·m2)。冲洗频率视试验中水头损失情况而定, 用本试验滤后水作反冲洗水。
　　3 试验运行情况及结果分析
　　3.1 挂膜和生物相观察
　　1999年7月24日自然开始挂膜, 水温为24～27℃, 进水流速为5m/h。7月24日—8月2日原水为处理后河水, 8月3以后原水为人工配制滤前水。至9月6日, 氨氮硝化率即达成60%, 这标志挂膜基础完成(历时一个半月左右), 观察到生物膜呈黄褐色, 上层生物膜较厚, 并随滤层深度增加逐步变薄。
　　3.2 活性炭吸附阶段
　　活性炭吸附阶段试验数据统计结果见表2。
表2 活性炭吸附阶段试验数据统计结果
项目
水样
统计天数

(d)
最大值
最小值
平均值
去除率(%)
浊度(NTU)
①
9
3.20
1.00
2.10
82.9
②
0.80
0.10
0.36
CODCr(mg/L)
①
10
14.30
6.70
10.02
60.9
②
7.09
1.12
3.92
UV254
①
11
0.107
0.081
0.095
57.9
②
0.072
0.025
0.040
NH3-N(mg/L)
①
9
1.52
0.89
1.24
9.7
②
1.43
0.83
1.12
pH值
①
9
7.60
6.70
7.19

②
7.77
6.85
7.25
注 ①表示滤前水, ②表示滤后水, 以下表同。
　　从各水质指标改变可知, NH3-N去除率极低, 滤后水和滤前水pH值差异不大, 说明该阶段生物活性较弱。活性炭在吸附了25～33d以后(8月17日—8月25日)被穿透, 但穿透后仍有一定吸附能力, 而且活性炭上已长有微生物(这可从NH3-N含量降低看出)。在第39d(8月31日)CODCr去除率忽然下降, 说明活性炭吸附容量已趋饱和, 吸附去除有机物能力变得很弱。
　　3.3 生物活性炭阶段
　　生物活性炭阶段试验数据统计结果见表3。
表3 生物活性炭阶段试验数据统计结果
项目
水样
统计天数(d)
最大值
最小值
平均值
去除率

(%)
浊度

(NTU)
①
27
9.62
0.60
2.90
82.4
②
1.40
0.05
0.51
CODCr

(mg/L)
①
28
26.52
7.77
12.70
40.4
②
11.25
2.66
7.57
UV254
①
28
0.116
0.063
0.094
48.9
②
0.061
0.025
0.040
NH3-N

(mg/L)
①
27
2.16
1.08
1.54
82.5
②
0.60
0.09
0.27
　　3.4 影响生物活性炭去除有机物原因
　　① 滤速影响。不一样滤速对CODCr和UV254去除效果见表4。
表4 不一样滤速对CODCr和UV254去除效果对比表
项目
时间段
滤速(m/h)
水样
统计

天数
(d)
最大值
最小值
平均值
去除率

(%)
CODCr(mg/L)

9月8日—9月22日
5
①
7
13.33
7.77
11.63
52.2
②
8.40
2.66
5.56
9月24日—10月8日
7
①
7
18.32
8.18
10.08
30.7
②
11.12
7.12
7.19
UV254
9月8日—9月22日
5
①
7
0.105
0.088
0.098
51.0
②
0.060
0.042
0.048
9月24日—10月8日
7
①
7
0.112
0.075
0.095
46.3
②
0.061
0.041
0.051
　　由表4能够看出, 伴随停留时间增加, CODCr和UV254去除率有一定程度提升, 但有机物去除率增加并不与停留时间增加成正比。试验表明, 当滤速为5m/h时, 即炭层停留时间为12min时, 生物活性炭—砂滤柱取得较为理想去除效果。
　　② 滤层深度影响。生物活性炭对CODCr去除是微生物生物氧化降解作用结果, 所以与生物量沿滤层深度分布亲密相关。为了便于研究CODCr随滤柱深度沿程去除情况, 比较了各取样口CODCr去除率(见表5)。
表5 各取样口CODCr去除率%
取样口
1#
2#
3#
4#
最大值
86.8
94.5
95.8
97.5
最小值
22.4
41.3
58.4
69.9
平均值
51.3
66.0
75.3
85.6
　　从表中可看出, 大部分CODCr去除发生在生物活性炭滤柱上部, 这也间接说明了滤柱上部附着和悬浮微生物数量是很高。另外, 从各取样口CODCr去除率最大值和最小值来看, 去除率并不稳定。这首先是受试验条件影响, 如原水水质配制不够稳定, 滤柱直径偏小, 边壁影响较大等; 其次是因为CODCr去除和微生物降解作用受很多条件限制。由4＃取样口数据可知, 砂层对CODCr去除有一定作用。所以, 水流经过生物活性炭处理后, 再进行砂层过滤是非常必需。
　　3.5 影响生物活性炭去除NH3-N原因
　　① 溶解氧影响。氨氮硝化作用和有机物氧化作用分别由自养型和异养型好氧微生物进行。从理论上讲, 硝化1g氮需氧4.57g, 这个需氧量称为“硝化需氧量”(NOD)。当水温为0 ℃时, 饱和溶解氧完全用于硝化水中NH3-N, 至多只能硝化3 mg/L, 所以生物活性炭—砂滤柱硝化去除NH3-N能力是有限, 应控制进水NH3-N浓度≯2mg/L。经测定, 出水中溶解氧范围为2.36～0.29mg/L, 这说明硝化反应所消耗溶解氧较大, 所以水中溶解氧几乎耗尽。
　　② 进水NH3-N浓度影响。本试验进水中NH3-N浓度比较低(＜2mg/L), 所以对硝化效果影响不大。但伴随进水NH3-N浓度靠近2 mg/L, 出水NH3-N浓度有显著上升趋势, 且NH3-N去除率也对应下降。
　　3.6 影响生物活性炭去除浊度原因
　　① 滤层深度影响。各取样口浊度去除率见表6。
表6 各取样口浊度去除率%
取样口
1#
2#
3#
4#
最大值
43.1
65.3
67.8
84.1
最小值
87.1
87.5
93.8
97.3
平均值
62.5
81.3
83.8
91.5
　　从表6可看出: 去除大部分浊度发生在生物活性炭滤柱上部。因为滤柱上部附着和悬浮着大量微生物, 生物絮凝和生物降解对浊度去除起了关键作用。砂滤层有精滤作用, 经过颗粒粘附作用使浊度深入降低。
　　另外, 从各取样口浊度去除率最大值和最小值来看, 其去除率并不稳定, 这是因为在过滤后期, 游离在水中菌胶团增多, 轻易在取样时随水流溢出, 从而也影响了出水中浊度正确测定。
　　在过滤后期, 生物活性炭柱上部对浊度去除率下降, 而在反冲洗前后, 整个生物活性炭—砂滤柱对浊度去除率无太大改变。这表明在过滤后期, 上层滤料截污量逐步达成饱和, 对浊度去除率降低, 下层滤料充足发挥作用, 填补了上层滤料对浊度去除量不足, 从而使滤柱对浊度去除在反冲洗前后基础无差异。
　　② 进水浊度影响。在进水浊度较低时, 出水浊度几乎保持不变, 且＜0.5NTU, 这表明生物活性炭—砂滤柱对浊度去除不随进水浊度改变而波动, 其处理效果稳定。但当进水浊度＞3NTU时, 出水浊度波动较大, 有时＞1NTU。
　　3.7 生物活性炭对消毒副产物去除情况
　　试验以CHCl3和CCl4作为关键消毒副产物, 经过比较滤前水和滤后水加氯消毒后水中CHCl3和CCl4含量, 确定生物活性炭对消毒副产物去除率。在生物活性炭阶段, 对CHCl3和CCl4去除情况做过一次检测(1999年10月24日), 其结果如表7, 滤后水为加氯后检测结果。
表7 加氯消毒后水中CHCl3和CCl4检测结果
滤前水(μg/L)
滤后水(μg/L)
去除率(%)
68.3
41.7
38.9
　　由表7可看出, 生物活性炭—砂过滤工艺能够去除部分消毒副产物, 表明此工艺对于降低或抑制消毒副产物产生是有效。
　　① 生物活性炭—砂滤柱对有机物和氨氮去除效果是显著: CODCr和UV254平均去除率分别为40.4%和48.9%; 当进水氨氮浓度在2 mg/L以下时, 平均去除率是82.5%; 浊度平均去除率约82.4%, 平均出水浊度为0.51NTU。
　　② 生物活性炭—砂过滤技术在改善水质、 确保饮用水安全方面, 有望成为一个高效低耗水质净化新工艺。