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1、1生物活性炭砂滤处理微污染原水研究摘要：试验研究表明，在滤前未预氯化或预氧化的条件下，生物活性炭砂滤对有机物和氨氮的去除效果是显著的，CODCr 和 UV254 的平均去除率分别为 40.4%和 48.9%。当进水氨氮浓度在 2 mg/L 以下时，其平均去除率为 82.5%；浊度的平均去除率约 82.4%，出水浊度的平均值为 0.51 NTU；CHCl3 和 CCl4 的去除率为 38.9%。关键词：微污染原水 生物活性炭 砂滤 氨氮 消毒副产物 1 试验流程及原水水质1.1 试验流程采用混凝沉淀生物活性炭砂滤工艺处理微污染原水，试验装置如图 1。该工艺的特点是取消了预氯化或其他预氧化过程(如
2、臭氧氧化)，利用生物活性炭提供的巨大比表面积和吸附性能，为微生物氧化降解水中的有机物创造了良好的条件，并能部分去除水中卤代烃类消毒副产物(DBPs)。1.2 原水水质 过滤的原水采用两种水配制而成，其一为武汉大学校园内的河水(含生活污水)，并先经混凝沉淀处理(加入混凝剂量为 50mg/L，静置沉淀 2h)；其二为自来水，在使用前先放置 2h 以去除余氯。滤前水由这两种水以 13 的比例配制而成，各种水2的具体水质情况见表 1。表 1 原水水质分类表水样名称数据范围浊度(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.
3、11 41.85 6.85 0.135最小值9.85 6.85 29.48 2.40 0.099平均值310.56 7.50 31.26 3.73 0.112自来水最大值2.67 无 7.80 12.82 0.89 0.086最小值1.24 6.95 7.84 0.12 0.060平均值1.87 7.20 10.77 0.57 0.074配制的滤前水最大值9.62 无 7.60 26.52 2.16 0.116最小值40.60 6.70 7.77 1.08 0.063平均值2.90 7.19 12.70 1.54 0.0942 试验装置及设计参数2.1 试验装置生物活性炭砂滤柱采用双层滤料，上
4、层为颗粒活性炭，下层为石英砂。滤柱直径为 45mm，高度为 3.0m；活性炭层厚 1.0m，粒径为 1.5 mm(柱状)；石英砂层厚0.5m，粒径为 0.51.0mm；砾石(承托层)厚 0.2m，粒径为 68mm。2.2 主要试验运行参数试验采用连续流恒速过滤方式，滤速范围为 47m/h。采用气水反冲洗，气冲洗 1.5min，冲洗强度为 515L/(sm2)；然后水冲洗 56 min，冲洗强度为510L/(sm2)。冲洗频率视试验中水头损失情况而定，用本试验的滤后水作反冲洗水。3 试验运行情况及结果分析3.1 挂膜和生物相观测51999 年 7 月 24 日自然开始挂膜，水温为 2427，进水
5、流速为 5m/h。7 月 24日8 月 2 日的原水为处理后的河水，8 月 3 日后的原水为人工配制的滤前水。至 9 月 6 日，氨氮的硝化率即达到 60%，这标志挂膜基本完成(历时一个半月左右)，观察到的生物膜呈黄褐色，上层生物膜较厚，并随滤层深度的增加渐渐变薄。3.2 活性炭吸附阶段活性炭吸附阶段试验数据统计结果见表 2。表 2 活性炭吸附阶段试验数据统计结果项目水样统计天数 (d)最大值最小值平均值去除率(%)浊度(NTU) 9 3.2061.00 2.10 82.9 0.80 0.10 0.36CODCr(mg/L) 10 14.30 6.70 10.02 60.9 7.09 1.12
6、 3.92UV254 11 0.107 0.081 0.095 57.9 0.072 0.025 0.040NH3-N(mg/L) 9 1.52 0.89 1.24 9.771.43 0.83 1.12pH 值 9 7.60 6.70 7.19 7.77 6.85 7.25注 表示滤前水，表示滤后水，以下表同。从各水质指标的变化可知，NH3-N 的去除率极低，滤后水和滤前水的 pH 值差别不大，说明该阶段的生物活性较弱。活性炭在吸附了 2533d 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，而且活性炭上已长有微生物(这可从 NH3-N 含量的降低看出)。在第 3
7、9d(8 月 31 日)CODCr 的去除率突然下降，说明活性炭的吸附容量已趋饱和，吸附去除有机物的能力变得很弱。3.3 生物活性炭阶段生物活性炭阶段试验数据统计结果见表 3。表 3 生物活性炭阶段试验数据统计结果8项目水样统计天数(d)最大值最小值平均值去除率 (%)浊度 (NTU)279.620.602.9082.491.400.050.51CODCr (mg/L)2826.527.7712.7040.411.252.667.57UV254280.1160.063100.09448.90.0610.0250.040NH3-N (mg/L)272.161.081.5482.50.600.09
8、0.273.4 影响生物活性炭去除有机物的因素 滤速的影响。不同滤速对 CODCr 和 UV254 的去除效果见表 4。11表 4 不同滤速对 CODCr 和 UV254 的去除效果对比表项目时间段滤速(m/h)水样统计 天数 (d)最大值最小值平均值去除率 (%)CODCr(mg/L) 129 月 8 日9 月 22 日5713.337.7711.6352.28.402.665.569 月 24 日10 月 8 日7718.328.1810.0830.71311.127.127.19UV2549 月 8 日9 月 22 日570.1050.0880.09851.00.0600.0420.04
9、89 月 24 日10 月 8 日71470.1120.0750.09546.30.0610.0410.051由表 4 可以看出，随着停留时间的增加，CODCr 和 UV254 的去除率有一定程度的提高，但有机物去除率的增加并不与停留时间的增加成正比。试验表明，当滤速为 5m/h 时，即炭层停留时间为 12min 时，生物活性炭砂滤柱获得较为理想的去除效果。 滤层深度的影响。生物活性炭对 CODCr 的去除是微生物的生物氧化降解作用的结果，因而与生物量沿滤层深度的分布密切相关。为了便于研究 CODCr 随滤柱深度的沿程去除情况，比较了各取样口的 CODCr 去除率(见表 5)。表 5 各取样口
10、的 CODCr 去除率%取样口151#2#3#4#最大值86.894.595.897.5最小值22.441.358.469.9平均值51.366.075.385.616从表中可看出，大部分 CODCr 的去除发生在生物活性炭滤柱上部，这也间接说明了滤柱上部附着和悬浮的微生物数量是很高的。此外，从各取样口 CODCr 去除率的最大值和最小值来看，去除率并不稳定。这一方面是受试验条件的影响，如原水水质的配制不够稳定，滤柱直径偏小，边壁影响较大等；另一方面是因为CODCr 的去除和微生物的降解作用受许多条件限制。由 4取样口的数据可知，砂层对 CODCr 的去除有一定的作用。因而，水流经过生物活性炭
11、处理后，再进行砂层过滤是非常必需的。 3.5 影响生物活性炭去除 NH3-N 的因素 溶解氧的影响。氨氮的硝化作用和有机物的氧化作用分别由自养型和异养型好氧微生物进行。从理论上讲，硝化 1g 氮需氧 4.57g，这个需氧量称为“硝化需氧量”(NOD)。当水温为 0 时，饱和溶解氧完全用于硝化水中的 NH3-N，至多只能硝化 3 mg/L，因此生物活性炭砂滤柱硝化去除 NH3-N 的能力是有限的，应控制进水 NH3-N 浓度2mg/L。经测定，出水中的溶解氧范围为 2.360.29mg/L，这说明硝化反应所消耗的溶解氧较大，所以水中的溶解氧几乎耗尽。 进水 NH3-N 浓度的影响。本试验进水中的
12、 NH3-N 浓度比较低(2mg/L)，因而对硝化效果影响不大。但随着进水的 NH3-N 浓度接近 2 mg/L，出水 NH3-N浓度有明显上升的趋势，且 NH3-N 的去除率也相应下降。3.6 影响生物活性炭去除浊度的因素 滤层深度的影响。各取样口的浊度去除率见表 6。表 6 各取样口的浊度去除率%17取样口1#2#3#4#最大值43.165.367.884.1最小值87.187.593.897.3平均值62.581.31883.891.5从表 6 可看出：去除的大部分浊度发生在生物活性炭滤柱上部。由于滤柱上部附着和悬浮着大量微生物，生物絮凝和生物降解对浊度的去除起了重要作用。砂滤层有精滤作
13、用，通过颗粒的粘附作用使浊度进一步降低。此外，从各取样口浊度去除率的最大值和最小值来看，其去除率并不稳定，这是因为在过滤后期，游离在水中的菌胶团增多，容易在取样时随水流溢出，从而也影响了出水中浊度的准确测定。在过滤后期，生物活性炭柱上部对浊度的去除率下降，而在反冲洗前后，整个生物活性炭砂滤柱对浊度的去除率无太大的变化。这表明在过滤后期，上层滤料的截污量逐渐达到饱和，对浊度的去除率降低，下层滤料充分发挥作用，弥补了上层滤料对浊度去除量的不足，从而使滤柱对浊度的去除在反冲洗前后基本无差别。 进水浊度的影响。在进水浊度较低时，出水浊度几乎保持不变，且0.5NTU，这表明生物活性炭砂滤柱对浊度的去除不
14、随进水浊度的变化而波动，其处理效果稳定。但当进水浊度3NTU 时，出水浊度波动较大，有时1NTU。3.7 生物活性炭对消毒副产物的去除情况试验以 CHCl3 和 CCl4 作为主要消毒副产物，通过比较滤前水和滤后水加氯消毒后水中 CHCl3 和 CCl4 的含量，确定生物活性炭对消毒副产物的去除率。在19生物活性炭阶段，对 CHCl3 和 CCl4 的去除情况做过一次检测(1999 年 10 月 24日)，其结果如表 7，滤后水为加氯后的检测结果。表 7 加氯消毒后水中 CHCl3 和 CCl4 的检测结果滤前水(g/L)滤后水(g/L)去除率(%)68.341.738.9由表 7 可看出，生物活性炭砂过滤工艺能够去除部分消毒副产物，表明此工艺对于减少或抑制消毒副产物的产生是有效的。 生物活性炭砂滤柱对有机物和氨氮的去除效果是显著的：CODCr 和UV254 的平均去除率分别为 40.4%和 48.9%；当进水氨氮浓度在 2 mg/L 以下时，平均去除率是 82.5%；浊度平均去除率约 82.4%，平均出水浊度为 0.51NTU。 生物活性炭砂过滤技术在改善水质、保证饮用水的安全方面，有望成为一种高效低耗的水质净化新工艺。
