生物活性炭—砂濾處理微污染原水研究

1、    生物活性炭砂濾處理微污染原水研究            作者：楊開 周濤 高婷 周時(shí)間：2007-11-24 19:32:00                     摘要：試驗(yàn)研究表明，在濾前未預(yù)氯化或預(yù)氧化的條件下，生物活性炭砂

2、濾對有機(jī)物和氨氮的去除效果是顯著的，CODCr和UV254的平均去除率分別為40.4%和48.9%。當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度在2 mg/L以下時(shí)，其平均去除率為82.5%；濁度的平均去除率約82.4%，出水濁度的平均值為0.51 NTU；CHCl3和CCl4的去除率為38.9%。 關(guān)鍵詞：微污染原水 生物活性炭 砂濾 氨氮 消毒副產(chǎn)物  1 試驗(yàn)流程及原水水質(zhì)1.1 試驗(yàn)流程采用混凝沉淀生物活性炭砂濾工藝處理微污染原水，試驗(yàn)裝置如圖1。該工藝的特點(diǎn)是取消了預(yù)氯化或其他預(yù)氧化過程(如臭氧氧化)，利用生物活性炭提供的巨大比表面積和吸附性能，為微生物氧化降解水中的有機(jī)物創(chuàng)造了良好的條件，并能部分去除

3、水中鹵代烴類消毒副產(chǎn)物(DBPs)。1.2 原水水質(zhì) 過濾的原水采用兩種水配制而成，其一為武漢大學(xué)校園內(nèi)的河水(含生活污水)，并先經(jīng)混凝沉淀處理(加入混凝劑量為50mg/L，靜置沉淀2h)；其二為自來水，在使用前先放置2h以去除余氯。濾前水由這兩種水以13的比例配制而成，各種水的具體水質(zhì)情況見表1。表1 原水水質(zhì)分類表水樣名稱數(shù)據(jù)范圍濁度(NTU)臭味pH值CODCr(mg/L)NH3-N(mg/L)UV254混凝沉淀后的河水最大值11.21微臭 8.1141.856.850.135最小值9.856.8529.482.400.099平均值10.567.5031.263.730.112自來水最大

4、值2.67無7.8012.820.890.086最小值1.246.957.840.120.060平均值1.877.2010.770.570.074配制的濾前水最大值9.62無7.6026.522.160.116最小值0.606.707.771.080.063平均值2.907.1912.701.540.0942 試驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)參數(shù)2.1 試驗(yàn)裝置生物活性炭砂濾柱采用雙層濾料，上層為顆?；钚蕴?，下層為石英砂。濾柱直徑為45mm，高度為3.0m；活性炭層厚1.0m，粒徑為1.5 mm(柱狀)；石英砂層厚0.5m，粒徑為0.51.0mm；礫石(承托層)厚0.2m，粒徑為68mm。2.2 主要試驗(yàn)運(yùn)行參

5、數(shù)試驗(yàn)采用連續(xù)流恒速過濾方式，濾速范圍為47m/h。采用氣水反沖洗，氣沖洗1.5min，沖洗強(qiáng)度為515L/(s·m2)；然后水沖洗56 min，沖洗強(qiáng)度為510L/(s·m2)。沖洗頻率視試驗(yàn)中水頭損失情況而定，用本試驗(yàn)的濾后水作反沖洗水。3 試驗(yàn)運(yùn)行情況及結(jié)果分析3.1 掛膜和生物相觀測1999年7月24日自然開始掛膜，水溫為2427，進(jìn)水流速為5m/h。7月24日8月2日的原水為處理后的河水，8月3日后的原水為人工配制的濾前水。至9月6日，氨氮的硝化率即達(dá)到60%，這標(biāo)志掛膜基本完成(歷時(shí)一個(gè)半月左右)，觀察到的生物膜呈黃褐色，上層生物膜較厚，并隨濾層深度的增加漸漸變

6、薄。3.2 活性炭吸附階段活性炭吸附階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。表2 活性炭吸附階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果項(xiàng)目水樣統(tǒng)計(jì)天數(shù) (d)最大值最小值平均值去除率(%)濁度(NTU)93.201.002.1082.90.800.100.36CODCr(mg/L)1014.306.7010.0260.97.091.123.92UV254110.1070.0810.09557.90.0720.0250.040NH3-N(mg/L)91.520.891.249.71.430.831.12pH值97.606.707.197.776.857.25注 表示濾前水，表示濾后水，以下表同。從各水質(zhì)指標(biāo)的變化可知，NH3-N

7、的去除率極低，濾后水和濾前水的pH值差別不大，說明該階段的生物活性較弱?；钚蕴吭谖搅?533d之后(8月17日8月25日)被穿透，但穿透后仍有一定的吸附能力，而且活性炭上已長有微生物(這可從NH3-N含量的降低看出)。在第39d(8月31日)CODCr的去除率突然下降，說明活性炭的吸附容量已趨飽和，吸附去除有機(jī)物的能力變得很弱。3.3 生物活性炭階段生物活性炭階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。表3 生物活性炭階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果項(xiàng)目水樣統(tǒng)計(jì)天數(shù)(d)最大值最小值平均值去除率 (%)濁度 (NTU)279.620.602.9082.41.400.050.51CODCr (mg/L)2826.527.

8、7712.7040.411.252.667.57UV254280.1160.0630.09448.90.0610.0250.040NH3-N (mg/L)272.161.081.5482.50.600.090.273.4 影響生物活性炭去除有機(jī)物的因素 濾速的影響。不同濾速對CODCr和UV254的去除效果見表4。表4 不同濾速對CODCr和UV254的去除效果對比表項(xiàng)目時(shí)間段濾速(m/h)水樣統(tǒng)計(jì) 天數(shù)(d)最大值最小值平均值去除率 (%)CODCr(mg/L) 9月8日9月22日5713.337.7711.6352.28.402.665.569月24日10月8日7718.328.1810.

9、0830.711.127.127.19UV2549月8日9月22日570.1050.0880.09851.00.0600.0420.0489月24日10月8日770.1120.0750.09546.30.0610.0410.051由表4可以看出，隨著停留時(shí)間的增加，CODCr和UV254的去除率有一定程度的提高，但有機(jī)物去除率的增加并不與停留時(shí)間的增加成正比。試驗(yàn)表明，當(dāng)濾速為5m/h時(shí)，即炭層停留時(shí)間為12min時(shí)，生物活性炭砂濾柱獲得較為理想的去除效果。 濾層深度的影響。生物活性炭對CODCr的去除是微生物的生物氧化降解作用的結(jié)果，因而與生物量沿濾層深度的分布密切相關(guān)。為了便于研究CODC

10、r隨濾柱深度的沿程去除情況，比較了各取樣口的CODCr去除率(見表5)。表5 各取樣口的CODCr去除率%取樣口1#2#3#4#最大值86.894.595.897.5最小值22.441.358.469.9平均值51.366.075.385.6從表中可看出，大部分CODCr的去除發(fā)生在生物活性炭濾柱上部，這也間接說明了濾柱上部附著和懸浮的微生物數(shù)量是很高的。此外，從各取樣口CODCr去除率的最大值和最小值來看，去除率并不穩(wěn)定。這一方面是受試驗(yàn)條件的影響，如原水水質(zhì)的配制不夠穩(wěn)定，濾柱直徑偏小，邊壁影響較大等；另一方面是因?yàn)镃ODCr的去除和微生物的降解作用受許多條件限制。由4取樣口的數(shù)據(jù)可知，砂

11、層對CODCr的去除有一定的作用。因而，水流經(jīng)過生物活性炭處理后，再進(jìn)行砂層過濾是非常必需的。3.5 影響生物活性炭去除NH3-N的因素 溶解氧的影響。氨氮的硝化作用和有機(jī)物的氧化作用分別由自養(yǎng)型和異養(yǎng)型好氧微生物進(jìn)行。從理論上講，硝化1g氮需氧4.57g，這個(gè)需氧量稱為“硝化需氧量”(NOD)。當(dāng)水溫為0 時(shí)，飽和溶解氧完全用于硝化水中的NH3-N，至多只能硝化3 mg/L，因此生物活性炭砂濾柱硝化去除NH3-N的能力是有限的，應(yīng)控制進(jìn)水NH3-N濃度2mg/L。經(jīng)測定，出水中的溶解氧范圍為2.360.29mg/L，這說明硝化反應(yīng)所消耗的溶解氧較大，所以水中的溶解氧幾乎耗盡。 進(jìn)水NH3-N

12、濃度的影響。本試驗(yàn)進(jìn)    水中的NH3-N濃度比較低(2mg/L)，因而對硝化效果影響不大。但隨著進(jìn)水的NH3-N濃度接近2 mg/L，出水NH3-N濃度有明顯上升的趨勢，且NH3-N的去除率也相應(yīng)下降。3.6 影響生物活性炭去除濁度的因素 濾層深度的影響。各取樣口的濁度去除率見表6。表6 各取樣口的濁度去除率%取樣口1#2#3#4#最大值43.165.367.884.1最小值87.187.593.897.3平均值62.581.383.891.5從表6可看出：去除的大部分濁度發(fā)生在生物活性炭濾柱上部。由于濾柱上部附著和懸浮著大量微生物，生物絮凝和生物降

13、解對濁度的去除起了重要作用。砂濾層有精濾作用，通過顆粒的粘附作用使?jié)岫冗M(jìn)一步降低。此外，從各取樣口濁度去除率的最大值和最小值來看，其去除率并不穩(wěn)定，這是因?yàn)樵谶^濾后期，游離在水中的菌膠團(tuán)增多，容易在取樣時(shí)隨水流溢出，從而也影響了出水中濁度的準(zhǔn)確測定。在過濾后期，生物活性炭柱上部對濁度的去除率下降，而在反沖洗前后，整個(gè)生物活性炭砂濾柱對濁度的去除率無太大的變化。這表明在過濾后期，上層濾料的截污量逐漸達(dá)到飽和，對濁度的去除率降低，下層濾料充分發(fā)揮作用，彌補(bǔ)了上層濾料對濁度去除量的不足，從而使濾柱對濁度的去除在反沖洗前后基本無差別。 進(jìn)水濁度的影響。在進(jìn)水濁度較低時(shí)，出水濁度幾乎保持不變，且0.5NTU，這表明生物活性炭砂濾柱對濁度的去除不隨進(jìn)水濁度的變化而波動(dòng)，其處理效果穩(wěn)定。但當(dāng)進(jìn)水濁度3NTU時(shí)，出水濁度波動(dòng)較大，有時(shí)1NTU。3.7 生物活性炭對消毒副產(chǎn)物的去除情況試驗(yàn)以CHCl3和CCl4作為主要消毒副產(chǎn)物，通過比較濾前水和濾后水加氯消毒后水中CHCl3和CCl4的含量，確定生物活性炭對消毒副產(chǎn)物的去除率。在生物活性炭階段，對CHCl3和CCl4的去除情況做過一次檢測(1999年10月24日)，其結(jié)果如表7，濾后水為加氯后的檢測結(jié)果。表7 加氯消毒后水中CHCl3和CCl4的檢測結(jié)果濾前水(g/L)濾后水(g/L)去除率(%)68.341.738