生物活性炭濾柱反沖洗技術(shù)優(yōu)化_張_磊等_圖文

1、 14 城鎮(zhèn)供水 NO.1 2014生物活性炭濾柱反沖洗技術(shù)優(yōu)化張磊 馬寶光 鄭鵬(北京市自來水集團有限責任公司,北京 100192摘 要:在生物活性炭深度處理技術(shù)的應(yīng)用中,反沖洗的方式與最佳參數(shù)直接影響活性炭濾池的運行效果和成本。采用反沖洗水的濁度、對COD Mn 、UV 254的去除效果以及出水顆粒數(shù)等指標進行分析,以新炭和四年炭為研究對象,比較分析了5種不同的反沖洗方式對生物活性炭濾柱運行效果的影響。關(guān)鍵詞:生物活性炭;反沖洗;優(yōu)化;1. 引言在生物活性炭深度處理技術(shù)的應(yīng)用中,活性炭濾池的反沖洗問題非常棘手又急需解決。隨著生物活性炭濾池運行時間的延長,活性炭表面和炭床中累積的生物顆粒和非

2、生物顆粒的數(shù)量不斷增加,導(dǎo)致炭粒間隙減小,系統(tǒng)水頭損失增加,濾池的產(chǎn)水量減少,出水水質(zhì)下降。因此有必要對炭濾池進行及時、適當?shù)姆礇_洗1。反沖洗強度既要保證活性炭上的老化及過剩生物膜脫落、將部分污染物沖出生物濾池,又要確圖 1中試基地工藝流程圖保生物活性炭上保留一定的生物量以便形成新的生物膜。反沖洗的方式與相關(guān)參數(shù)的確定直接影響活性炭濾池的運行效果和成本。2. 試驗裝置和方法2.1試驗裝置及流程中試系統(tǒng)設(shè)計處理能力為6m 3/h。試驗工藝流程基本涵蓋北京自來水集團各水廠的所有工藝,中試基地工藝流程圖如圖1所示: 城鎮(zhèn)供水 NO.1 2014 152.2分析項目及方法表1 分析項目及方法分析項目分

3、析方法主要試劑COD Mn 酸性滴定法高錳酸鉀、草酸鈉、稀硫酸(1+3UV 254紫外分光光度法濁度HACH1720E SP-1900顆粒數(shù)激光粒度計數(shù)儀PAMAS表2 活性炭性能及運行參數(shù)炭柱編號炭 齡產(chǎn) 地炭 型填料高度(mm停留時間(min進水流量(m 3/h濾速(m/h1#炭新 炭山 西柱狀炭150011.3 1.007.965#炭四年炭寧 夏柱狀炭150011.30.257.962.3活性炭性能及運行參數(shù)活性炭濾池的反沖洗方式分為單獨水反沖,兩段式氣水聯(lián)合反沖和氣水混合反沖三種方式。目前,北京各地表水廠運行的活性炭濾池均采用單獨水反沖的方式,炭層膨脹率為25%。有研究表明2,采用單獨

4、水沖的濾池出水中生物可同化有機碳(AOC和細菌量高于采用氣水聯(lián)合反沖的濾池。因此在中試試驗進行到三個月,活性炭濾柱運行進入平穩(wěn)期后來進行活性炭反沖洗方式和參數(shù)的研究,確定是否需要進行氣反沖。試驗時間為7月21號至9月3號,中試工藝前端無預(yù)處理,沒有投加主臭氧,試驗共選擇了以下幾種反沖洗方式:1單獨水反沖 1:炭床膨脹度 25%,反沖強度:13L/sm 2,反沖時間10min。2氣水聯(lián)合反沖1:氣沖強度8 L/sm 2,氣沖時間 3min,水沖強度8 L/sm 2水沖時間10min。3氣水聯(lián)合反沖2: 氣沖強度 10 L/sm 2,氣沖時間 3min,水沖強度8 L/sm 2,水沖時間 10mi

5、n。4氣水聯(lián)合反沖3:氣沖強度10 L/sm 2,氣沖時間 3min,水沖強度10 L/sm 2,水沖時間10min。5氣水聯(lián)合反沖4:氣沖強度13 L/sm 2,氣沖時間 3min,水沖強度10 L/sm 2,水沖時間10min。采用反沖洗廢水的濁度、對有機物的去除效果以及出水顆粒數(shù)等指標進行評價,以新炭和四年炭為研究對象,比較分析了5種不同的反沖洗方式對生物活性炭濾柱運行效果的影響。3.不同反洗方式的比較3.1反沖洗廢水濁度的變化在運行期間活性炭單元進水濁度很低,截留在炭床上的無機顆粒很少,活性炭床微生物相比較豐富,因此造成炭床阻力變大的主要是生物顆粒,炭床在反沖洗過程中去除的基本都是菌膠

6、團或生物膜碎片,生物顆粒數(shù)遠遠高于無機顆粒數(shù),反沖廢水的濁度應(yīng)該主要由微生物引起。初始濁度高意味著被沖下的生物顆粒多,經(jīng)低強度反沖后的生物活性炭濾柱殘余物質(zhì)較多,這主要是由于氣,水沖強度高會產(chǎn)生較大的剪切力和拖拽力,更好地促使炭、水之間以及炭粒間的摩擦碰撞。圖2所示為新炭在不同反洗方式和強度下反洗廢水的濁度隨時間的變化趨勢。圖 2不同反沖洗方式對新炭的反洗廢水濁度的影響如圖2所示,氣沖強度為13 L/sm 2的氣水兩段式反沖洗對新炭的反沖清潔程度最高,單獨水反沖對新炭的清洗程度最差。其余幾種反沖洗方式的清洗程度依次為:氣水聯(lián)合反沖3 >氣水聯(lián)合反沖2>氣水聯(lián)合反沖1。僅從反沖廢水濁

7、度變化來曲線上來看,氣水聯(lián)合反沖4和氣水聯(lián)合反沖3 對新炭的清潔程度最好。比較氣水聯(lián)合反沖3和氣水聯(lián)合反沖2 兩種方式圖 3 不同反沖洗方式對運行四年炭的反洗廢水濁度的影響 16 城鎮(zhèn)供水 NO.1 2014可知,其它條件相同,提高水反沖強度有助于改善反沖洗效果。當水反沖時間達到78min 時,氣水兩段式的反沖廢水的濁度大部分都在5 NTU 以上,為減小活性炭初濾水濁度和顆粒數(shù)的水平,水反沖階段應(yīng)進行10min,使反洗廢水的濁度值下降到3NTU 左右。運行四年炭的反洗廢水顏色在初始呈現(xiàn)深咖啡色,但在相同反洗條件下,反洗廢水的濁度值并沒有比新炭更高,只是經(jīng)歷的高濁度值的時間比新炭要長。如圖3所示

8、,在不同反洗條件下,氣水聯(lián)合反沖3對四年炭的清潔程度最高,氣水聯(lián)合反沖4的效果次之,其余強度的清潔效果與新炭一致。當水反沖時間到達78分鐘時,反洗廢水的濁度值已經(jīng)降到5 NTU以下,繼續(xù)延長到10分鐘,濁度可下降至12NTU。3.2對有機物去除的效果變化3.2.1 對去除COD Mn 的效果變化衡量反沖洗方式優(yōu)劣的另一個依據(jù)是反沖洗后的活性炭對有機物的去除能力的變化。由于COD Mn 反映水中易被氧化的部分有機物,是飲用水中有機物含量的常用指標,具有一定的代表性,因此采用COD Mn 作為評價反沖洗方式對有機物去除率影響的指標。以期在原有去除效果的基礎(chǔ)上選擇最佳的反沖洗方式,使得活性炭對COD

9、 Mn 的去除率進一步得到提升。圖4、5分別顯示了不同反洗方式對新炭和四年炭COD Mn 去 除效果的影響。圖4不同反沖洗方式對新炭去除COD Mn 的影響如圖4所示,單獨水反沖方式由于反沖強度小,新炭炭床中微生物量的損失較少,對微生物作用的干擾小,雖然此種反沖方式不能有效清潔活性炭,但仍能去除部分炭床內(nèi)累積的生物顆粒。因此,反洗后新炭對COD Mn 的去除率沒有明顯的下降過程,整個運行周期內(nèi)的去除率都穩(wěn)定在15%20%之間。氣水聯(lián)合反沖4由于氣沖強度最大,對活性炭炭床內(nèi)生物顆粒的攪動過于劇烈,新炭表面的微生物膜損失較多,生物去除作用受到影響,雖然對新炭的清潔程度最高,但此時新炭對有機物的去除

10、主要依靠生物作用,因此反沖后對COD Mn 的去除率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,到反洗后的第三天去除率已降至15%以下,隨后才逐漸恢復(fù)。氣水聯(lián)合反沖3在反沖洗完成后的兩天后COD Mn 的去除率開始明顯上升,在第四天時去除率達到25%以上,而后慢慢恢復(fù)到反沖前的水平,由此推測經(jīng)氣水聯(lián)合反沖洗以后微生物的活性得到增強,可能原因是由于氣水摩擦,沖刷有效的剝落了新炭上老化的生物膜,去除了炭床中過剩的生物量,使新炭表面的微生物膜得到了有效的更新。另一個可能的因素是氣水劇烈擾動刺激了微生物的新陳代謝作用,強化了對有機物的生物降解過程。氣水聯(lián)合反沖2和氣水聯(lián)合反沖3的情況類似,在反洗過程中使生物作用得以加強,反洗

11、完成后保持較高的平均去除率,但沒有氣水聯(lián)合反沖3后的運行效果穩(wěn)定。低水沖強度的氣水聯(lián)合反沖1在反洗結(jié)束后對COD Mn 的去除出現(xiàn)了較大的波動,在運行周期的第一天去除率升高,但接下來開始下降,并在整個運行周期內(nèi)維持較低水平的波動,可能的原因是氣反沖和水反沖的強度都不夠大,導(dǎo)致反沖洗不徹底,在運行周期的后期去除率甚至下降到反沖洗以前的水平以下。氣水聯(lián)合反沖3、氣水聯(lián)合反沖2和單獨水洗三種方式使四年炭COD Mn 去除率基本在15%上下浮動。氣水聯(lián)合反沖4導(dǎo)致四年炭COD Mn 去除率在運行周期內(nèi)波動較大,氣水聯(lián)合反沖1在反洗后雖然沒有使出水值發(fā)生波動,但COD Mn 去除率一直維持在較低水平。圖

12、5 不同反沖洗方式對運行四年炭去除COD Mn 的影響3.2.2 對UV 254的去除效果的影響UV 254能反映水中芳香族化合物和具有共軛雙鍵化合物的含量,而它們又是天然水體中的主要有機物質(zhì),因此采用UV 254評價炭床對水中有機物的去除 城鎮(zhèn)供水 NO.1 2014 17效果。圖6,7顯示了不同反沖方式對新炭和四年炭UV 254去除率的影響。如圖6顯示,和對COD Mn 的影響類似,氣水聯(lián)合反沖2和氣水聯(lián)合反沖3由于氣洗強度適當,之后又有足夠強度的反洗水量保證,兩種反洗方式對活性炭的沖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。同時足夠的氣水反沖強度擾動刺激了

13、微生物的新陳代謝作用,強化了對有機物的生物降解過程對UV 254的去除效果。在反洗一天后,去除率都得到了提高,氣水聯(lián)合反沖2后新炭對UV 254的去除率接近20%,氣水聯(lián)合反沖3后去除率大于15%。氣水聯(lián)合反沖1和氣水聯(lián)合反沖4后對新炭的影響情況大致相同,兩者反洗后對UV 254的去除率處于10%15%之間,波動較小且維持在較低水平,去除效率沒有得到提高,說明過低或者過高的氣洗強度要么不足以對老化的生物膜形成徹底的清洗,要么清洗過程中損失的微生物量較大,另外隨后的水洗強度較小導(dǎo)致氣洗剝落的生物膜沒有及時完全排出,使得兩種反洗方式下新炭的去除效率沒有得到提升。單獨水洗強度下對新炭微生物作用影響較

14、小,在清除炭床中有限數(shù)量的生物顆粒后,整個運行周期 內(nèi)去除率沒有太大的波動,同時也沒有得到提升。圖 6 不同反洗方式對新炭UV 254去除率的影響和對新炭的影響情況類似,氣水聯(lián)合反沖2和氣水聯(lián)合反沖3后,四年炭對UV 254的去除率在反洗后的第一天都開始升高,在第三天達到最高值20%,隨后開始下降,到下一次反洗前,去除率維持在15%附近,整個運行周期內(nèi)對UV 254的平均去除率得到了提高。氣水聯(lián)合反沖1和氣水聯(lián)合反沖4后活性炭對有機物的去除率有所下降,這可能是由于過高或者過低的氣沖強度使微生物損失較多或沖洗不徹底,從而影響了微生物對有機物的總降解能力,運行周期內(nèi)的平均去除率為10%15%。單獨

15、水反沖方式對活性炭去除有機物能力的影響不大,去除率維持在反洗前的圖9不同反洗方式對四年炭出水顆粒數(shù)的影響水平。3.3 對顆粒數(shù)控制的影響由于活性炭出水中致病微生物和部分細菌附著在顆粒表面或近表面,因此考察反洗后出水顆粒數(shù)(>2m的變化情況可以從一個側(cè)面反映反沖洗對活性炭出水安全性的影響。如果可以有效控制各類顆粒物質(zhì)的總數(shù)量,也就相當于限制了出水微生物的總數(shù)量。以出水中與“兩蟲”相關(guān)性較高的大于2m 的顆粒物總數(shù)為研究對象,考察不同反洗方式對新炭,四年炭的影響。結(jié)果如圖8和圖9所示。對于新炭來說,如圖8,氣水聯(lián)合反沖2的出水圖7不同反洗方式對運行四年炭UV 254去除率的影響圖8不同反洗方

16、式對新炭出水顆粒數(shù)的影響 18 城鎮(zhèn)供水 NO.1 2014顆粒數(shù)最低,大于2m 的顆粒物總數(shù)在反洗結(jié)束后的一個運行周期內(nèi)均能維持在50個/mL 左右。單獨水洗和氣水聯(lián)合反沖2出水的顆粒物控制情況基本相同,反洗后的第一天出水中大于2m 的顆粒數(shù)超過100個/mL,第三天后降為50個/mL 以下,隨后幾天內(nèi)一直穩(wěn)定。氣水聯(lián)合反沖4和氣水聯(lián)合反沖1對顆粒物的控制較差,反沖洗后的波動時間較長,顆粒數(shù)難以穩(wěn)定。原因可能是氣沖強度大,顆?；钚蕴恐g的摩擦越劇烈,導(dǎo)致活性炭上附著的微生物膜大量脫落,甚至細小的活性炭顆粒也會增加,或者由于后續(xù)反洗水強度不夠,對于脫落的生物膜去除力度不夠,導(dǎo)致反沖洗后活性炭出

17、水顆粒數(shù)增加,需要在運行周期后期才能恢復(fù)到原來的出水水平。不同反洗方式對四年炭的顆粒物控制情況和新炭大致相同,如圖9,氣水聯(lián)合反沖2和單獨水洗兩種方式的出水顆粒數(shù)在第三天開始出現(xiàn)波動,此后顆粒數(shù)一直大于100個/mL。氣水聯(lián)合反沖4和氣水聯(lián)合反沖1在反洗后出水的波動時間更持續(xù)長,氣水聯(lián)合反沖1在反洗后第四天時可以將出水顆粒數(shù)將至50個/mL 以下,氣水聯(lián)合反沖4在第四天雖然開始下降,但始終維持在100個/mL 以上。另外,活性炭濾柱的進水顆粒數(shù)對于活性炭出水的穩(wěn)定性也存在著較大影響,出水顆粒數(shù)出現(xiàn)增加的現(xiàn)象可能是由于前段砂濾池工藝出水水質(zhì)運行中發(fā)生了波動或者正在排放初濾水,出水濁度顆粒數(shù)猛增,

18、而活性炭對于顆粒數(shù)的去除是有限的,因此想準確比較不同反洗方式下,活性炭出水顆粒數(shù)的穩(wěn)定性需確保前段工藝出水的穩(wěn)定,才能更好的進行比較不同方式的優(yōu)劣。4. 小結(jié)1通過五種不同方式和強度的比對,在夏季水溫較高,活性炭床微生物生長較快的條件下增加氣沖洗,即氣水兩段式反沖洗時的反沖效果最好,短時間的氣反沖能有效的松動活性炭上老化的生物膜,有利于炭床上附著生物量的更新,強度太大則易導(dǎo)致炭粒破碎以及生物量的過量損失,影響下一個運行周期的正常運行,因此新炭氣沖強度控制在1011L/(m 2s,舊炭氣沖強度控制在810 L/(m 2s,氣沖時間控制為3min。2后續(xù)的水沖強度太小則難以將氣沖脫落下來的生物膜碎片沖出濾池,強度過大不僅對沖洗效果的改善作用不明顯,反而會浪費大量的反洗水,因此水沖強度最好不低于1011L/(m 2s,水沖時間控制為910min 為宜。參考文獻: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