生物活性炭滤柱反冲洗技术优化_张_磊等_图文

1、 14 城镇供水 NO.1 2014生物活性炭滤柱反冲洗技术优化张磊 马宝光 郑鹏(北京市自来水集团有限责任公司,北京 100192摘 要:在生物活性炭深度处理技术的应用中,反冲洗的方式与最佳参数直接影响活性炭滤池的运行效果和成本。采用反冲洗水的浊度、对COD Mn 、UV 254的去除效果以及出水颗粒数等指标进行分析,以新炭和四年炭为研究对象,比较分析了5种不同的反冲洗方式对生物活性炭滤柱运行效果的影响。关键词:生物活性炭;反冲洗;优化;1. 引言在生物活性炭深度处理技术的应用中,活性炭滤池的反冲洗问题非常棘手又急需解决。随着生物活性炭滤池运行时间的延长,活性炭表面和炭床中累积的生物颗粒和非

2、生物颗粒的数量不断增加,导致炭粒间隙减小,系统水头损失增加,滤池的产水量减少,出水水质下降。因此有必要对炭滤池进行及时、适当的反冲洗1。反冲洗强度既要保证活性炭上的老化及过剩生物膜脱落、将部分污染物冲出生物滤池,又要确图 1中试基地工艺流程图保生物活性炭上保留一定的生物量以便形成新的生物膜。反冲洗的方式与相关参数的确定直接影响活性炭滤池的运行效果和成本。2. 试验装置和方法2.1试验装置及流程中试系统设计处理能力为6m 3/h。试验工艺流程基本涵盖北京自来水集团各水厂的所有工艺,中试基地工艺流程图如图1所示: 城镇供水 NO.1 2014 152.2分析项目及方法表1 分析项目及方法分析项目分

3、析方法主要试剂COD Mn 酸性滴定法高锰酸钾、草酸钠、稀硫酸(1+3UV 254紫外分光光度法浊度HACH1720E SP-1900颗粒数激光粒度计数仪PAMAS表2 活性炭性能及运行参数炭柱编号炭 龄产 地炭 型填料高度(mm停留时间(min进水流量(m 3/h滤速(m/h1#炭新 炭山 西柱状炭150011.3 1.007.965#炭四年炭宁 夏柱状炭150011.30.257.962.3活性炭性能及运行参数活性炭滤池的反冲洗方式分为单独水反冲,两段式气水联合反冲和气水混合反冲三种方式。目前,北京各地表水厂运行的活性炭滤池均采用单独水反冲的方式,炭层膨胀率为25%。有研究表明2,采用单独

4、水冲的滤池出水中生物可同化有机碳(AOC和细菌量高于采用气水联合反冲的滤池。因此在中试试验进行到三个月,活性炭滤柱运行进入平稳期后来进行活性炭反冲洗方式和参数的研究,确定是否需要进行气反冲。试验时间为7月21号至9月3号,中试工艺前端无预处理,没有投加主臭氧,试验共选择了以下几种反冲洗方式:1单独水反冲 1:炭床膨胀度 25%,反冲强度:13L/sm 2,反冲时间10min。2气水联合反冲1:气冲强度8 L/sm 2,气冲时间 3min,水冲强度8 L/sm 2水冲时间10min。3气水联合反冲2: 气冲强度 10 L/sm 2,气冲时间 3min,水冲强度8 L/sm 2,水冲时间 10mi

5、n。4气水联合反冲3:气冲强度10 L/sm 2,气冲时间 3min,水冲强度10 L/sm 2,水冲时间10min。5气水联合反冲4:气冲强度13 L/sm 2,气冲时间 3min,水冲强度10 L/sm 2,水冲时间10min。采用反冲洗废水的浊度、对有机物的去除效果以及出水颗粒数等指标进行评价,以新炭和四年炭为研究对象,比较分析了5种不同的反冲洗方式对生物活性炭滤柱运行效果的影响。3.不同反洗方式的比较3.1反冲洗废水浊度的变化在运行期间活性炭单元进水浊度很低,截留在炭床上的无机颗粒很少,活性炭床微生物相比较丰富,因此造成炭床阻力变大的主要是生物颗粒,炭床在反冲洗过程中去除的基本都是菌胶

6、团或生物膜碎片,生物颗粒数远远高于无机颗粒数,反冲废水的浊度应该主要由微生物引起。初始浊度高意味着被冲下的生物颗粒多,经低强度反冲后的生物活性炭滤柱残余物质较多,这主要是由于气,水冲强度高会产生较大的剪切力和拖拽力,更好地促使炭、水之间以及炭粒间的摩擦碰撞。图2所示为新炭在不同反洗方式和强度下反洗废水的浊度随时间的变化趋势。图 2不同反冲洗方式对新炭的反洗废水浊度的影响如图2所示,气冲强度为13 L/sm 2的气水两段式反冲洗对新炭的反冲清洁程度最高,单独水反冲对新炭的清洗程度最差。其余几种反冲洗方式的清洗程度依次为:气水联合反冲3 >气水联合反冲2>气水联合反冲1。仅从反冲废水浊

7、度变化来曲线上来看,气水联合反冲4和气水联合反冲3 对新炭的清洁程度最好。比较气水联合反冲3和气水联合反冲2 两种方式图 3 不同反冲洗方式对运行四年炭的反洗废水浊度的影响 16 城镇供水 NO.1 2014可知,其它条件相同,提高水反冲强度有助于改善反冲洗效果。当水反冲时间达到78min 时,气水两段式的反冲废水的浊度大部分都在5 NTU 以上,为减小活性炭初滤水浊度和颗粒数的水平,水反冲阶段应进行10min,使反洗废水的浊度值下降到3NTU 左右。运行四年炭的反洗废水颜色在初始呈现深咖啡色,但在相同反洗条件下,反洗废水的浊度值并没有比新炭更高,只是经历的高浊度值的时间比新炭要长。如图3所示

8、,在不同反洗条件下,气水联合反冲3对四年炭的清洁程度最高,气水联合反冲4的效果次之,其余强度的清洁效果与新炭一致。当水反冲时间到达78分钟时,反洗废水的浊度值已经降到5 NTU以下,继续延长到10分钟,浊度可下降至12NTU。3.2对有机物去除的效果变化3.2.1 对去除COD Mn 的效果变化衡量反冲洗方式优劣的另一个依据是反冲洗后的活性炭对有机物的去除能力的变化。由于COD Mn 反映水中易被氧化的部分有机物,是饮用水中有机物含量的常用指标,具有一定的代表性,因此采用COD Mn 作为评价反冲洗方式对有机物去除率影响的指标。以期在原有去除效果的基础上选择最佳的反冲洗方式,使得活性炭对COD

9、 Mn 的去除率进一步得到提升。图4、5分别显示了不同反洗方式对新炭和四年炭COD Mn 去 除效果的影响。图4不同反冲洗方式对新炭去除COD Mn 的影响如图4所示,单独水反冲方式由于反冲强度小,新炭炭床中微生物量的损失较少,对微生物作用的干扰小,虽然此种反冲方式不能有效清洁活性炭,但仍能去除部分炭床内累积的生物颗粒。因此,反洗后新炭对COD Mn 的去除率没有明显的下降过程,整个运行周期内的去除率都稳定在15%20%之间。气水联合反冲4由于气冲强度最大,对活性炭炭床内生物颗粒的搅动过于剧烈,新炭表面的微生物膜损失较多,生物去除作用受到影响,虽然对新炭的清洁程度最高,但此时新炭对有机物的去除

10、主要依靠生物作用,因此反冲后对COD Mn 的去除率呈现明显的下降趋势,到反洗后的第三天去除率已降至15%以下,随后才逐渐恢复。气水联合反冲3在反冲洗完成后的两天后COD Mn 的去除率开始明显上升,在第四天时去除率达到25%以上,而后慢慢恢复到反冲前的水平,由此推测经气水联合反冲洗以后微生物的活性得到增强,可能原因是由于气水摩擦,冲刷有效的剥落了新炭上老化的生物膜,去除了炭床中过剩的生物量,使新炭表面的微生物膜得到了有效的更新。另一个可能的因素是气水剧烈扰动刺激了微生物的新陈代谢作用,强化了对有机物的生物降解过程。气水联合反冲2和气水联合反冲3的情况类似,在反洗过程中使生物作用得以加强,反洗

11、完成后保持较高的平均去除率,但没有气水联合反冲3后的运行效果稳定。低水冲强度的气水联合反冲1在反洗结束后对COD Mn 的去除出现了较大的波动,在运行周期的第一天去除率升高,但接下来开始下降,并在整个运行周期内维持较低水平的波动,可能的原因是气反冲和水反冲的强度都不够大,导致反冲洗不彻底,在运行周期的后期去除率甚至下降到反冲洗以前的水平以下。气水联合反冲3、气水联合反冲2和单独水洗三种方式使四年炭COD Mn 去除率基本在15%上下浮动。气水联合反冲4导致四年炭COD Mn 去除率在运行周期内波动较大,气水联合反冲1在反洗后虽然没有使出水值发生波动,但COD Mn 去除率一直维持在较低水平。图

12、5 不同反冲洗方式对运行四年炭去除COD Mn 的影响3.2.2 对UV 254的去除效果的影响UV 254能反映水中芳香族化合物和具有共轭双键化合物的含量,而它们又是天然水体中的主要有机物质,因此采用UV 254评价炭床对水中有机物的去除 城镇供水 NO.1 2014 17效果。图6,7显示了不同反冲方式对新炭和四年炭UV 254去除率的影响。如图6显示,和对COD Mn 的影响类似,气水联合反冲2和气水联合反冲3由于气洗强度适当,之后又有足够强度的反洗水量保证,两种反洗方式对活性炭的冲刷有效的去除了新炭上老化的生物膜,促使新炭表面的微生物膜得到了有效的更新。同时足够的气水反冲强度扰动刺激了

13、微生物的新陈代谢作用,强化了对有机物的生物降解过程对UV 254的去除效果。在反洗一天后,去除率都得到了提高,气水联合反冲2后新炭对UV 254的去除率接近20%,气水联合反冲3后去除率大于15%。气水联合反冲1和气水联合反冲4后对新炭的影响情况大致相同,两者反洗后对UV 254的去除率处于10%15%之间,波动较小且维持在较低水平,去除效率没有得到提高,说明过低或者过高的气洗强度要么不足以对老化的生物膜形成彻底的清洗,要么清洗过程中损失的微生物量较大,另外随后的水洗强度较小导致气洗剥落的生物膜没有及时完全排出,使得两种反洗方式下新炭的去除效率没有得到提升。单独水洗强度下对新炭微生物作用影响较

14、小,在清除炭床中有限数量的生物颗粒后,整个运行周期 内去除率没有太大的波动,同时也没有得到提升。图 6 不同反洗方式对新炭UV 254去除率的影响和对新炭的影响情况类似,气水联合反冲2和气水联合反冲3后,四年炭对UV 254的去除率在反洗后的第一天都开始升高,在第三天达到最高值20%,随后开始下降,到下一次反洗前,去除率维持在15%附近,整个运行周期内对UV 254的平均去除率得到了提高。气水联合反冲1和气水联合反冲4后活性炭对有机物的去除率有所下降,这可能是由于过高或者过低的气冲强度使微生物损失较多或冲洗不彻底,从而影响了微生物对有机物的总降解能力,运行周期内的平均去除率为10%15%。单独

15、水反冲方式对活性炭去除有机物能力的影响不大,去除率维持在反洗前的图9不同反洗方式对四年炭出水颗粒数的影响水平。3.3 对颗粒数控制的影响由于活性炭出水中致病微生物和部分细菌附着在颗粒表面或近表面,因此考察反洗后出水颗粒数(>2m的变化情况可以从一个侧面反映反冲洗对活性炭出水安全性的影响。如果可以有效控制各类颗粒物质的总数量,也就相当于限制了出水微生物的总数量。以出水中与“两虫”相关性较高的大于2m 的颗粒物总数为研究对象,考察不同反洗方式对新炭,四年炭的影响。结果如图8和图9所示。对于新炭来说,如图8,气水联合反冲2的出水图7不同反洗方式对运行四年炭UV 254去除率的影响图8不同反洗方

16、式对新炭出水颗粒数的影响 18 城镇供水 NO.1 2014颗粒数最低,大于2m 的颗粒物总数在反洗结束后的一个运行周期内均能维持在50个/mL 左右。单独水洗和气水联合反冲2出水的颗粒物控制情况基本相同,反洗后的第一天出水中大于2m 的颗粒数超过100个/mL,第三天后降为50个/mL 以下,随后几天内一直稳定。气水联合反冲4和气水联合反冲1对颗粒物的控制较差,反冲洗后的波动时间较长,颗粒数难以稳定。原因可能是气冲强度大,颗粒活性炭之间的摩擦越剧烈,导致活性炭上附着的微生物膜大量脱落,甚至细小的活性炭颗粒也会增加,或者由于后续反洗水强度不够,对于脱落的生物膜去除力度不够,导致反冲洗后活性炭出

17、水颗粒数增加,需要在运行周期后期才能恢复到原来的出水水平。不同反洗方式对四年炭的颗粒物控制情况和新炭大致相同,如图9,气水联合反冲2和单独水洗两种方式的出水颗粒数在第三天开始出现波动,此后颗粒数一直大于100个/mL。气水联合反冲4和气水联合反冲1在反洗后出水的波动时间更持续长,气水联合反冲1在反洗后第四天时可以将出水颗粒数将至50个/mL 以下,气水联合反冲4在第四天虽然开始下降,但始终维持在100个/mL 以上。另外,活性炭滤柱的进水颗粒数对于活性炭出水的稳定性也存在着较大影响,出水颗粒数出现增加的现象可能是由于前段砂滤池工艺出水水质运行中发生了波动或者正在排放初滤水,出水浊度颗粒数猛增,

18、而活性炭对于颗粒数的去除是有限的,因此想准确比较不同反洗方式下,活性炭出水颗粒数的稳定性需确保前段工艺出水的稳定,才能更好的进行比较不同方式的优劣。4. 小结1通过五种不同方式和强度的比对,在夏季水温较高,活性炭床微生物生长较快的条件下增加气冲洗,即气水两段式反冲洗时的反冲效果最好,短时间的气反冲能有效的松动活性炭上老化的生物膜,有利于炭床上附着生物量的更新,强度太大则易导致炭粒破碎以及生物量的过量损失,影响下一个运行周期的正常运行,因此新炭气冲强度控制在1011L/(m 2s,旧炭气冲强度控制在810 L/(m 2s,气冲时间控制为3min。2后续的水冲强度太小则难以将气冲脱落下来的生物膜碎片冲出滤池,强度过大不仅对冲洗效果的改善作用不明显,反而会浪费大量的反洗水,因此水冲强度最好不低于1011L/(m 2s,水冲时间控制为910min 为宜。参考文献:1 V. Camel and A.Bermond.The use of ozone and associated oxidation in drinking water supply.Wat. Res,1998,32(11: 3208-3222.2AHM AD R,AM IRTHATAJAHA. Effects of backwashing on bio-logicalfilterJ. AW