生物活性炭濾池處理污水處理廠水質(zhì)的試驗(yàn)研究

生物活性炭濾池處理污水處理廠水質(zhì)的試驗(yàn)研究

考慮到水源污染日益嚴(yán)重的原因，保護(hù)飲用水水源是困難和緊迫的。與此同時(shí),強(qiáng)化給水廠的處理效果,改進(jìn)處理工藝,對(duì)于保障居民飲用水的水質(zhì)安全也是一項(xiàng)必要的措施。生物活性炭技術(shù)(BAC)作為飲用水深度處理的一種關(guān)鍵技術(shù),在國(guó)內(nèi)外已有較多研究和應(yīng)用。BAC濾池主要放在常規(guī)處理工藝之后,用于改善水中的嗅味、色度,減少溶解性有機(jī)物(三鹵甲烷的前驅(qū)物質(zhì)等)。但有報(bào)道BAC濾池出水的渾濁度高于進(jìn)水渾濁度,同時(shí)細(xì)菌可能會(huì)吸附在活性炭的細(xì)小顆粒上隨水流流出,在顆粒物的保護(hù)作用下導(dǎo)致消毒不徹底,而引起出水水質(zhì)安全問(wèn)題。渾濁度的升高不容忽視,因?yàn)榭刂瞥鰪S水的渾濁度有利于減少病原微生物帶來(lái)的危害。有學(xué)者認(rèn)為,雖然渾濁度低于0.1NTU被視為安全的飲用水,但此時(shí)水中仍然存在大量的顆粒物質(zhì)。而引起微生物安全風(fēng)險(xiǎn)的賈第蟲和隱孢子蟲等病原微生物的粒徑范圍一般為2~10μm,研究表明渾濁度測(cè)量不能準(zhǔn)確反映水體中這些病原微生物的情況,而顆粒計(jì)數(shù)儀可以精確測(cè)定水中的顆粒物數(shù)量和分布。在國(guó)內(nèi),先進(jìn)的顆粒計(jì)數(shù)儀已應(yīng)用到水處理領(lǐng)域,用于檢測(cè)幾微米至幾百微米的顆粒物,對(duì)于控制水體中的病原微生物有積極的作用。因此,本次試驗(yàn)增加了顆粒數(shù)的測(cè)量和顆粒物分布的分析。1材料和方法1.1臭氧接觸塔濾池的設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)水為南方地區(qū)某水廠的砂濾水,試驗(yàn)流程為:砂濾水→臭氧接觸塔→BAC濾池→清水池→出水,試驗(yàn)裝置如圖1所示。臭氧接觸塔:采用Ozonia公司的CFS-1A型臭氧發(fā)生器,以空氣為氣源。臭氧接觸塔為不銹鋼圓柱體,最大有效水深5.7m,內(nèi)徑0.4m,流量4~6m3/h,接觸時(shí)間7.2~10.7min,底部采用微孔鈦板曝氣。BAC濾池:多組BAC濾池并聯(lián)運(yùn)行,濾柱為玻璃鋼圓柱體,高3.0m,內(nèi)徑0.35m,進(jìn)水流量范圍0.6~1.4m3/h。本實(shí)驗(yàn)的濾柱裝填ZJ-15型柱狀活性炭,活性炭層厚2.0m,底部鋪有0.3m的砂墊層。BAC濾池經(jīng)過(guò)自然掛膜,并已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行一年。1.2在線顆粒物計(jì)數(shù)儀渾濁度的測(cè)定采用美國(guó)HACH2100SP在線濁度儀。顆粒數(shù)的測(cè)量?jī)x器為WPCS在線顆粒物計(jì)數(shù)儀,美國(guó)IBR公司生產(chǎn),測(cè)量范圍:2~400μm,最大顆粒物濃度:18000個(gè)/mL。異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)(HPC),采用R2A貧營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌,在傾倒完平板后,將其置于恒溫培養(yǎng)箱中,于27℃下培養(yǎng)7d后進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)。2結(jié)果和討論2.1活性炭濾池反沖洗前后的凈化效果試驗(yàn)中,首先對(duì)BAC濾池進(jìn)行反沖洗。沖洗方式為單獨(dú)水沖,沖洗水為砂濾池出水,沖洗強(qiáng)度13L/(m2·s),歷時(shí)10min,活性炭層膨脹率為20%~25%。反沖洗后立即打開出水閥開始過(guò)濾,濾速10m/h。生物活性炭濾柱對(duì)渾濁度的去除效果見(jiàn)圖2和圖3。從圖2和圖3可以看出,經(jīng)過(guò)單獨(dú)水沖洗后,BAC濾池初濾水渾濁度相對(duì)較高,約2~3h完全表現(xiàn)出負(fù)去除的現(xiàn)象。分析其原因,活性炭比表面積大,且表面存在大量的含氧基團(tuán),對(duì)懸浮顆粒具有一定的吸附能力,主要為范德華力和化學(xué)鍵力;此外由于運(yùn)行一段時(shí)間的活性炭表面會(huì)生長(zhǎng)有生物膜,它會(huì)對(duì)顆粒物產(chǎn)生粘附作用,一方面增加了濾層對(duì)顆粒物質(zhì)的截留能力,另一方面也導(dǎo)致了單獨(dú)水反沖洗不易將雜質(zhì)完全從濾層中沖洗出來(lái)。當(dāng)濾池轉(zhuǎn)為過(guò)濾狀態(tài)時(shí),這些雜質(zhì)可以隨水流出,引起B(yǎng)AC濾池出水渾濁度的升高。因此,活性炭濾池的反沖洗應(yīng)該適當(dāng)增加氣沖,以破壞濾層對(duì)截留顆粒的束縛,使反沖洗更徹底,進(jìn)而縮短反沖洗后濾池達(dá)到成熟期的時(shí)間。在試驗(yàn)水質(zhì)條件下(渾濁度常低于0.15NTU),BAC過(guò)濾對(duì)渾濁度仍有進(jìn)一步的去除。進(jìn)入過(guò)濾成熟期后,渾濁度的去除率開始升高,一般為10%~30%,當(dāng)進(jìn)水渾濁度升高時(shí)會(huì)表現(xiàn)出更高的去除率(20%~40%)。2.2防止顆粒物的泄漏砂濾水中顆粒數(shù)(粒徑>2μm)一般為60~110個(gè)/mL,反沖洗后,BAC濾池初濾水中顆粒數(shù)的變化如圖4所示。BAC初濾水的顆粒數(shù)最初高達(dá)6000個(gè)/mL,過(guò)濾幾分鐘后即可降至幾百個(gè)/mL,歷時(shí)2h降至100以下,但是達(dá)到穩(wěn)定去除需約3h,此時(shí)顆粒數(shù)可以降低到50個(gè)/mL甚至更低。此后,BAC濾池出水的顆粒數(shù)是穩(wěn)定的,去除率為15%~60%。這是因?yàn)樵跒V料層表面截留并形成一定厚度的顆粒物層后,可以提高濾層對(duì)顆粒物的阻截能力,減少顆粒物的泄漏,更有利于顆粒物的去除。如果將出水顆粒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)定為50個(gè)/mL,在過(guò)濾成熟期BAC出水是滿足標(biāo)準(zhǔn)的,但初濾水的顆粒數(shù)不能滿足要求。目前還沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)出廠水的顆粒數(shù)進(jìn)行約束。美國(guó)的大部分水廠要求濾后水中大于2μm的顆粒數(shù)低于50個(gè)/mL,而賓州規(guī)定濾后水中3~18μm的顆粒數(shù)低于10個(gè)/mL。由于隱孢子蟲一般為4~6μm的球形卵囊,賈第蟲孢囊直徑為10~12μm,它們的大小在顆粒計(jì)數(shù)儀檢測(cè)的粒徑范圍內(nèi)。因此限制了出廠水中顆粒物的數(shù)量,就可以在一定程度上降低病原微生物通過(guò)水途徑傳播的幾率。Nieminski發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝對(duì)4~7μm顆粒物的去除率與隱孢子蟲的去除率呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性(R2=0.79),與賈第蟲也有類似的相關(guān)性(R2=0.82)。因此通過(guò)監(jiān)測(cè)出水顆粒數(shù),可以間接反映以上兩蟲的信息。影響B(tài)AC濾池出水顆粒數(shù)的因素很多,除了原水水質(zhì)和常規(guī)處理工藝運(yùn)行工況外,還受BAC濾池自身的影響:例如活性炭的種類、運(yùn)行方式、濾池池型等,尤其是當(dāng)濾池水位過(guò)低時(shí),導(dǎo)致進(jìn)水形成跌水,活性炭濾料受到水力沖刷,會(huì)釋放出大量的微小顆粒,導(dǎo)致出水的顆粒數(shù)升高。2.3初濾水顆粒數(shù)與lghpc的相關(guān)性分析在BAC濾池經(jīng)過(guò)反沖洗轉(zhuǎn)入過(guò)濾狀態(tài)后的不同時(shí)段采集出水水樣,取樣時(shí)間分別為1h,5h,10h,20h,30h和60h,編號(hào)為樣品1,樣品2,樣品3,樣品4,樣品5,樣品6,測(cè)定各樣品的渾濁度、顆粒數(shù)和HPC指標(biāo),并進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1的數(shù)據(jù)可以看出,BAC濾池初濾水的渾濁度、顆粒數(shù)和HPC三種指標(biāo)都處于較高的水平,隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)出水中各項(xiàng)指標(biāo)值逐漸降低;同時(shí)可以看出,BAC濾池初濾水的HPC一般為102~103數(shù)量級(jí),明顯高于進(jìn)水中的濃度。渾濁度與顆粒數(shù)都是反映水體中的顆粒物質(zhì)數(shù)量及其分布的指標(biāo),不同之處在于測(cè)量原理不同。渾濁度通過(guò)測(cè)定顆粒物對(duì)光的散射程度反映水體的相對(duì)澄清程度,而顆粒數(shù)是利用顆粒計(jì)數(shù)儀精確測(cè)定水體中顆粒物的數(shù)量和分布。在初濾水渾濁度變化幅度較大的情況下,相關(guān)性分析表明渾濁度與顆粒數(shù)具有較好的相關(guān)性,R2=0.97。在BAC過(guò)濾初期,濾層孔隙率沒(méi)有完全恢復(fù)到正常過(guò)濾的水平,初濾水的顆粒物質(zhì)界面上一般吸附了各種微污染物和藻類、細(xì)菌等,數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,渾濁度與HPC的相關(guān)性分析R2=0.90;不同粒徑范圍的顆粒數(shù)測(cè)定結(jié)果與HPC的相關(guān)性分析結(jié)果如圖5~圖8所示。從圖5~圖8可以看出,初濾水中顆粒數(shù)與lg(HPC)具有較好的線性相關(guān)性。2~3μm粒徑范圍的顆粒數(shù)與lg(HPC)的相關(guān)性最好,R2值達(dá)到了0.86。隨著顆粒物粒徑范圍的增大,這種相關(guān)性逐漸減弱。由此表明,初濾水中含有更多的微小顆粒物,顆粒物上附著有大量的異養(yǎng)菌,導(dǎo)致BAC濾池出水的HPC升高。由于細(xì)菌都具有透明或半透明的特點(diǎn),顆粒計(jì)數(shù)儀不可能直接檢測(cè)出其數(shù)量變化,但它可以實(shí)現(xiàn)顆粒數(shù)的在線監(jiān)測(cè)。利用這一特點(diǎn),若建立起異養(yǎng)菌數(shù)量和顆粒數(shù)的準(zhǔn)確關(guān)系,則可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)顆粒數(shù)反映BAC濾池甚至其它各工藝環(huán)節(jié)中HPC的變化。但由于異養(yǎng)菌培養(yǎng)過(guò)程中的復(fù)雜性,影響因素眾多,相關(guān)性的建立還有一定的難度。3反滲透的去除率(1)在線濁度儀和顆粒物計(jì)數(shù)儀的監(jiān)測(cè)表明,在經(jīng)過(guò)單獨(dú)水反沖洗后BAC濾池達(dá)到渾濁度和顆粒物的穩(wěn)定去除需要2~3h。(2)BAC濾池的反沖洗過(guò)程應(yīng)該適當(dāng)增加氣沖,以破壞濾層對(duì)截留顆粒的束縛,使反沖洗更徹底,縮短反沖洗后濾池達(dá)到成熟期的時(shí)間。(3)在初濾水階段,BAC濾池對(duì)渾濁度和顆粒物的去除率為負(fù);在過(guò)濾成熟期內(nèi),BAC濾池對(duì)渾濁度和顆粒物有進(jìn)一步的去除。在