生物活性炭滤池的反冲洗方式研究

1、生物活性炭滤池的反冲洗方式研究在臭氧一生物活性炭深度处理技术应用中，生物活性炭（BAC）滤池的反冲洗问题非常棘手又亟需解决。随着BACM池运行时间的延长，炭粒表面和滤床中积累的生物和非生物颗粒量不断增加，导致炭粒间隙减小，影响滤池的出水水质和产水量反冲洗方式与相关参数直接影响BACt池的运行效果和成本。有研究表明z,采用单独水冲的滤池出水中生物可同化有机碳（AOCW口细菌量高于采用气水联合反冲的滤池，而充分去除过量的生物膜是保证滤池成功运行的重要前提。国外对生物滤池反冲过程中的颗粒脱附机理进行了研究2,但关于其程序及相关参数选取的报道较少，而这又恰是指导生产所必须解决的重要问题。国内对此方面的

2、研究起步较晚，个别采用生物活性炭技术的水厂只能直接参照国外经验，如昆明、北京水司均采用单独水冲（滤层膨胀率为25%）。1 试验方法1.1 工艺流程及装置中试的工艺流程为预臭氧化一混凝、沉淀、过滤-臭氧一生物活性炭，试验装置包括常规处理、臭氧化和BAC滤池处理系统口BACt池横断面尺寸为500mrrK500mm高度为4.92m,内部均分为两格，采用小阻力配水系统。池内装填ZJ-15型柱状活性炭，其碘值和亚甲蓝吸附值分别为961、187mg/g。运行之前采用未加氯的砂滤出水先浸泡活性炭1周，再反洗清洁试验期间，臭氧化与常规处理工艺参数基本恒定。预臭氧化的接触时间和投量分别为4.5min和1.5mg

3、/L左右；主臭氧化的接触时间和投量分别为16min和2.0mg/L左右。常规处理水量为33.5m3/h,混合时间为66.5s,反应时间为23.219.9min,沉淀池清水区上升流速为1.391.62mm/s、斜管内上升流速为1.601.87mm/s,滤池滤速为6.497.57m/h。混凝剂和pH值调节剂分别采用液态碱铝和氢氧化钠，投加浓度分别为2.5、6mg/L左右。1.2 反冲方式第一阶段单独水反冲试验的炭床高度分别为2.0、2.5m,冲洗强度分别为12、14、18L/(m2s),冲洗历时约为10min。第二阶段气水联合反冲洗试验的炭床高度为2.0m,气冲强度分别为8、11、14L/(m2s

4、),气冲历时分别为3、5min;水冲强度分别为6、8、10、12、14L/(m2s),水冲历时约为10min。试验期间BACt池进水水温较高(平均为29C),采用自然挂膜(生物膜成熟时间约为15d),其反冲洗周期一般为7d。2 结果与分析水中生物颗粒的相对含量以浊度表示，其微生物最低检测浓度为3.7X1054"/mL4：oBACt池反冲废水中微生物浓度(个/mL)的数量级一般不低于105?3,故以反冲废水的浊度作为一项主要检测指标。2.1 水反冲冲洗强度试验中以相同反冲历时下的反冲废水浊度、反冲废水浊度与初始浊度的比值、从高浊度到持续低浊度的出现历时作为评价指标。在一定范围内提高水冲

5、强度会改善反冲洗效果。当运行条件相近、水冲强度分别为14、18/(m2s)时，反冲废水初始浊度分别为34.3、116NTH去除负荷相同导致二池截污量大致相等，而初始浊度高意味着被冲下的杂质多，由此推知经低强度水冲后的BACM池残余杂质较多，这主要是由于水冲强度高会产生较大的剪切力和拖拽力，更好地促使炭、水以及炭粒间的摩擦碰撞。两种水冲强度下反冲废水浊度比值为10%勺历时分别为200s和80s,反冲废水浊度由高到趋于平稳的历时分别为210s和180s,这间接表明采用高强度水冲对滤层冲洗得较为彻底、排出被冲杂质较为容易。炭床高度为2.5m的BACt池的试验结果与此类似。在低强度水冲后期换以高强度水

6、冲的过程中，反冲废水浊度随反冲洗历时呈倒V'形变化。说明高、低强度联合水冲的效果优于单一低强度水冲。虽然组合强度的水反冲效果有所改善，但不显著，还大大增加了反冲洗耗水量，由此认为单独水反冲的适宜水冲强度为14L/(m2s)左右，对应滤层膨胀率为20疮右，水冲历时试验中发现反冲废水初期浊度、色度高，后期浊度、色度低，水冲强度为14、18L/(m2s)时肉眼可见少量微生物絮体。这说明BAC滤池的反冲废水中生物颗粒和非生物颗粒均占相当比例，并且生物颗粒的出现时间相对滞后。一般，颗粒脱附的前提条件是外加脱附力大于颗粒所受的粘附力，而非生物颗粒的粘附力主要由范德华力和化学键力等构成。对于生物颗粒

7、，微生物的疏水性及胞外物质会产生比前述引力大得多的微观引力。非生物滤池的反冲废水中非生物颗粒占绝大多数，一般以反冲废水浊度达到5NTU乍为反冲洗结束条件。生物滤池中生物颗粒的脱附较难，其含量又难以浊度指标来间接反映，故以反冲废水浊度5NTU作为反冲洗结束的上限条件。同时，BACM池在反冲废水浊度达到3NTU以后则很难下降，故将3NTU乍为反冲洗结束的下限条件。对应浊度为35NTU的反冲洗历时为68min,即采用水冲强度为14L/(m2-s)的适宜历时为68min。反冲洗排水梢与滤层间距反冲洗排水梢与滤层的间距过小易造成滤料流失，间距过大则不利于反冲废水的及时排出，还会消耗较多的反冲洗用水。如采

8、用14、18L/(m2-s)强度联合反冲洗、在去除负荷相近的情况下，炭床高度为2.0m和2.5m的BACW池反冲废水浊度变化趋于平稳的历时分别为210s和180s,反冲废水浊度比值为10%勺所需历日t分别为200s和110s,反冲废水浊度达到5NTU的历时分别为170s和160so在保证活性炭不被冲出池外的前提下，此高度差可适当降低，建议实际应用中以1.52.0m为宜。2.2 两段式气水联合反冲洗因长有生物膜的活性炭体积质量小、气水同时反冲洗的控制要求高，故采用两段式气水联合反冲洗，即先排水至炭床表面下10cm处，然后通入压缩空气反洗，停气后再用水反冲。为更准确地比较不同方式的反冲洗效果，采用

9、浊污比(反冲废水浊度与反冲之前去除CODMn总量之比)、浊污比与初始浊污比的比值、从高浊污比到持续低浊污比的出现历时作为评价指标。气水反冲与单独水反冲的比较炭床高度为2.0m的BACt池在去除负荷相近时，尽管水冲强度均为14L/(m2s)，但先气冲5min的效果明显较好。气水联合反冲时反冲废水的初始浊污比(1.39NTU/gCOD)高于单独水反冲的值(0.79NTU/gCOD),前者反冲废水的浊污比从高到趋于平稳的时刻(300s)迟于后者(210s),反冲废水浊污比与初始浊污比的比值达到10%勺历时也如此，原因在于较大的紊流气体能预先冲松滤层并更好地冲刷活性炭表面的生物膜。和普通滤池类似，单独

10、采用水反冲的BACt池具有一定的局限性。"冲强度与水冲强度的匹配气、水强度的匹配是优化气、水联合反冲洗的重要方面。气、水强度组合分别为14、8L/(m2s)和8、1012L/(m2s)的试验结果表明，在反冲洗初期(060s),相同反冲历时下的反冲废水浊污比是前者大于后者，而反冲废水的持续低浊污比及浊污比与初始浊污比的比值为10%勺出现历时大体相近；所需反冲水量大致相等。由此决定采取高气冲强度、低水冲强度的匹配方式。其他条件相同，增大水冲强度会改善反冲洗效果，表现为反冲废水初期浊污比增大，反冲废水浊污比从高值到持续低值及浊污比与初始浊污比的比值为10%勺所需历时缩短，达到反冲废水浊度为

11、35NTU勺所需耗水量大体相等。虽然水冲强度为6、8L/(m2s)的试验结果也类似，但因常规工艺出水中会残存一定的溶解性有机污染物，臭氧化又减小了其粒径，增大了微粒扩散常数，增加了微粒间碰撞几率和范德华引力，促使微粒被粘附的强度和机会增加而更难于脱附。建议气冲后采用微膨胀水冲强度为8L/(m2s)。气冲强度固定气冲历时为5min、后续水冲强度为8L/(m2s),分别以气冲强度为8、11、14L/(m.s)进行气、水反冲洗的试验结果表明，提高气冲强度可改善反冲洗效果，主要表现为初期反冲废水的浊污比基本随气冲强度增大而增大。在气冲弓虽度为14L/(m2s)的反冲洗试验中发现生物膜的脱落较为明显，且

12、气冲后的新一轮运行初期，BAC虎池对CODMn藻类等的去除效果下降，这又说明反冲洗的关键是既要去除过量的老化生物膜，又要充分保证新一轮启动所需的生物量。建议生产中采用1114L/(m2s)的气冲强度，待积累一定经验后再取适当高值。反冲历时反冲历时直接影响反冲洗的效果和能耗。当采用气、水冲强度分别为14、8L/(m2s),气冲历时分别为5、3min时,反冲废水的初期浊污比差别不明显；但浊污比从高值到持续低值、浊污比与初始浊污比的比值为10%反冲废水浊度达到53NTU的出现历时有所差异，原历时为3min的值约延长了12min。这说明延长气冲历时可使炭粒表面污物受到更为持久的剪切和剥离，使脱落污物的

13、排出较为容易，但因总体效果相近，实际气冲历时可视情况选35min。综合气冲强度为1114L/(m2s)、气冲历时为(35min、水冲强度为8L/(m2s)的反冲洗试验结果可知，反冲废水浊度达到53NTU勺所需历时为260550s,即所需的水冲历时约为57min。3结语炭粒表面生物颗粒的脱附难于非生物颗粒，建议生产中反冲洗结束的控制指标为反冲废水浊度达到35NTU。两段式气、水联合反冲洗的效果优于单独水反冲，并可节约耗水量，推荐采用先以高强度空气擦洗、再以微膨胀水漂洗的方式。适宜的气冲强度为1114L/(m2s)、历时为35min,水冲强度为8L/(m2s)、历时为57min。如采用单独水反冲，

14、建议适宜的反冲强度为1214L/(m2s)、滤层膨胀率为20施右，反冲历时为68min。炭床上表面与反冲废水排水梢间的高度差对反冲洗效果有一定影响，实际应用中以1.52.0m为宜。生物活性炭滤池的工艺参数试验研究随着水源污染的日益严重，为了克服常规处理工艺的不足，满足不断提高的饮用水水质标准，对常规处理工艺出水再进行深度净化将成为自来水厂的选择之一。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，从而提高饮用水化学和微生物安全性，目前它已作为自来水深度净化的一个重要途径而被水工业界重视1,2。该技术要点是：以粒状活性炭为载体富集水中的微生物而形成生物膜，通过生物膜的生物降解

15、和活性炭的吸附去除水中污染物，同时生物膜能通过降解活性炭吸附的部分污染物而再生活性炭，从而大大延长活性炭的使用周期。生物活性炭滤池的工艺参数直接影响其处理效果和成本，并且合适的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的研究很有必要。1 .试验研究方法1.1 试验工艺流程及装置本次试验为中试规模，试验工艺流程为预臭氧化十混凝、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，包括常规处理、臭氧化和活性炭滤池处理系统。工考黑流反比生国犀&-争安谓反不点砂西#，才*t奏叱宜港,-1-*fB-4图1臭氧一一生物活性炭深度处理试验装置示意图活性炭滤池横截断面尺寸

16、为500X500mm高度为4.92m,内部均分两格，采用小阻力配水系统。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，先用未加氯的砂滤出水浸泡1周，再用未加氯的砂滤出水反洗清洁，然后装池。生物活性炭滤池采用下向流型式，进水溶解氧含量一般在7.50mg/L左右，能充分保证生物降解对溶解氧的需求。滤池采用两段式气水反冲洗，即首先以空气擦洗、再以未加氯的砂滤出水反冲，反冲洗周期为7天。臭氧采用Ozonia公司的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。预臭氧化的臭氧接触时间和投加

17、量分别为4.5min和1.5mg/L左右，水在塔内流速40m/h左右。主臭氧化的臭氧接触时间和投加量分别采用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献的基础上，本研究首先米用2.0m和2.5m炭床身度，分别进行空床接触时间10、12min的对比试验。然后选定炭床高度，分别进行空床接触时间7.5、10、12、15、20min的对比试验。1.3 试验方法试验期间水温较高（26-31C,平均29C）,生物活性炭滤池采用自然挂膜，生物膜成熟时间约为15天。进行上述各组条件的试验时间均为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

18、滤池进水水质如表1所示：表1生物活性炭滤池进水水质数值指标水温（C）PHM1浊度（NTU色度CODMn(mg/L)含藻量（万个体数/L）最小267.380.13<50.695.0最大317.970.3852.0824平均297.7680.237-1.39311.3注：表1中实测期间色度5的次数约占1/32 .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炭床高度的BAC也进出水浊度、CODM的历时变化情况见图2-3,图中5/236/2、6/26/9分别对应12min和10min的试验结果。由图23:虽然二池出水浊度、CODM的

19、历时变化有所差异，但平均而言差异并不明显。当空床接触时间为12min时，在2.0m和2.5m池进水浊度、CODM均值分别同为0.327NTJ1.498mg/L的条件下，二池出水浊度、CODMn值分别为0.293NTUT0.309NTU0.995mg/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、CODM均值分别同为0.368NTU1.596mg/L的条件下，二池出水浊度、CODM均值分别为0.314和0.314TNU1.304和1.402mg/L。由此可认为在本试验条件下，如果空床接触时间、进水水质等其它件相同，炭床高度对BAC池出水¥度、COD

20、M影响较小。虽然图2-3也反映出BAC也出水¥度和CODMn稍高于进水相应值的情形，但其中的主要原因可能在于进水水质的波动及生物膜脱落及微生物代谢产物，此外低浊度分析也是值得进一步研究的问题。1rdi-一:«H54$21O.0.0,S也必mJ«/523A235-275295316-23i&H68班LO日期图3炭床高度对出水COD的影响25-rME)至y实验结果(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也出水色度、PH值的影响不大；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池的出水嗅阈值超过深水集团管道

21、直饮水水质标准(Q/ZLS001-1998)3的上限标准，这表明较高的滤速不利于除臭。表2炭床高度对嗅阈值、色度、PH值的影响指标接触时间12min10min进水2.0m出水2.5m出水进水2.0m出水2.5m出水嗅阈值18222024色度10-20(15)<5<525-40(31)<5<5PH值7.727.437.507.437.377.44注：表2中嗅阈值、PH值栏数值为均值。综合12min和10min的试验结果，可以看出，在空床接触时间、进水水质等主要试验条件相同的前提下，炭床高度对BACM的净水效果总体相同；但较大的炭床高度不利于嗅阈值的控制。事实上的BAC池去

22、除污染物主要靠生物吸附降解和物化吸附，而这些过程都需要一定的时间，在进水水质和污染物与生物颗粒接触时间相同时，污染物的降解程度理应相同。当然生物活性炭颗粒的机械截留也有一定作用，较大炭床高度的BAC也的出水水质略差，其原因可能就在于较大滤速不利于机械截留作用的发挥。止匕外，炭床高度的增大还将会对BAC也的反冲洗提出更高的要求，有基于此，建议生产中BAC也的适宜炭床高度可取2.0m。2.2空床接触时间空床接触时间与出水浊度当BAC也的空床接触时间在7.5-2.0min之间变化时，BAC也进出水浊度变化情况如表3所示。观察表3中的试验数据，不难发现BAC也的出水浊度比较稳定，平均在0.22NTU以

23、下；此均值和BAC也的进水浊度均值（0.25NTU以下）较为接近，也限BAC也能稍微降低水的浊度，但空床接触时间对浊度的去除没有明显影响。由此可见，BAC也的订功效不在于除浊。表3BAC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（衿最大值最小值平均值最大值最小值平均值7.50.180.130.1420.170.140.156-9.90100.320.160.2440.250.190.21810.70120.320.160.2440.320.170.2229.02150.250.130.1960.270.150.1903.06200.180.130.14

24、20.180.120.1364.23空床接触时间与出水CODMn当BAC也的空床接触时间在7.5-20min之间变化时，BAC也进出水CODM度化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、进水水质相近的情况下，增大BAC也的空床接触时间，BAC也又tCODM的去除效果随之改善，表现为CODMT均去除率的提高。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的接触时间，有利于基质的生物降解；从生物膜降解机理上来看，接触时间缩短意味着进入BAC也的基质量增加，导致生物膜在单位时间内接触的基质增加，而进水水质一定使得生物膜对基质的降解速率相对稳定，最终导致出水CODM浓度增加

25、，处理效果下降。止匕外，接触时间的延长也有利于污染物的物化吸附去除。表4达式BAC池进出水的CODMn变化接触时间（min）进水CODMnmg/L)出水CODIMnmg/L)平均去除率（%最大值最小值平均值最大值最小值平均值7.51.680.911.271.600.711.1013.1102.081.41.7261.670.9611.25427.35122.081.41.7261.670.331.2129.90151.590.691.2921110.65().75441.64201.680.911.270.960.440.7838.6从表4还可以看出，BAC也空床接触时间白增加幅度影响BAC也

26、对CODM去除率的提高程度，空床接触时间的增幅大对CODM去除效果的改善程度较为明显反之收效一般，但接触时间增大到一定程度时，CODM去除率的提高有限，这主要是由于进水中可生物降解及吸附的物质所占的比例一定。止匕外，对比接触时间15min和20min的CODMT均去除率，发现前者稍高于后者，笔者认为主要原因可能在于BAC也运行前的成熟条件不同。进行接触时间20min的试验前，采用的气冲强度较大（14L/m2.S）,生物膜脱落明显，又限于当时条件、只经12h即取样化验；而进行其余接触时间的试验之前，采用的气冲强度小于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

27、也的反冲洗及其充分成熟对保证其成功运行极为重要，在实际生产中需对气水联合反冲洗后的初始处理水量作必要的小幅减小。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的有效途径，除藻也是其重要任务之一，尤其是对于原水取自富营养化水源的自来水厂。本研究以含藻量作为优选BAC也空床接触时间的另一重要分析指标，臭氧一一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的分析。BAC也进出水含藻量的检测结果(表5)表明，在进水含藻量为10万个体数/L左右、BAC也空床接触时间从75min增加到15min时,BAC也出水含藻量从8.5万个体数/L逐渐降低到2.43万个体数/L,对应除藻率从23瘫渐

28、增加到73.5%,但增力口程度逐渐降低。试验期间，发现活性炭表面并未完全长有生物膜，因此生物处理和活性炭处理是生物活性炭的两大除藻途径。生物除藻的可能机理有以下几种：生物膜的吸附、附着，生物载体之间的生物絮凝和机械截留，微生物的氧化分解，原、后生动物的捕食等。最近的研究又表明，在短短(0-10nm)范围内，细菌等微生物的疏水性产生的微观疏水引力远远大范德华引力，藻类向炭粒的迁移和粘附将是影响生物活性炭除藻的一个重要环节。在一定范围内延长BAC也空床接触时间，将会增加藻类和生物活性炭的接触机会，利于藻类寻求合适的附着点，促使上述各机理作用的发挥，从而加强该系统对藻类的去除效果；而接触时间15min和20min的除污