生物活性炭濾池的反沖洗方式研究
摘要：反沖洗是保證生物活性炭濾池成功運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)不同反沖洗方式的效果進(jìn)行了比較，根據(jù)反沖洗廢水濁度變化及對(duì)濾池出水水質(zhì)的影響，確立了合理的反沖洗方式，并給出相關(guān)的反沖洗強(qiáng)度和反沖洗歷時(shí)參數(shù)，以期為生物活性炭濾池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。
在臭氧—生物活性炭深度處理技術(shù)應(yīng)用中，生物活性炭(BAC)濾池的反沖洗問題非常棘手又亟需解決。隨著BAC濾池運(yùn)行時(shí)間的延長，炭粒表面和濾床中積累的生物和非生物顆粒量不斷增加，導(dǎo)致炭粒間隙減小，影響濾池的出水水質(zhì)和產(chǎn)水量。反沖洗方式與相 關(guān)參數(shù)直接影響B(tài)AC濾池的運(yùn)行效果和成本。有研究表明，采用單獨(dú)水沖的濾池出水中生物可同化有機(jī)碳(AOC)和細(xì)菌量高于采用氣水聯(lián)合反沖的濾池，而充分去除過量的生物膜是保證濾池成功運(yùn)行的重要前提。國外對(duì)生物濾池反沖過程中的顆粒脫附機(jī)理進(jìn) 行了研究，但關(guān)于其程序及相關(guān)參數(shù)選取的報(bào)道較少，而這又恰是指導(dǎo)生產(chǎn)所必須解決的重要問題。國內(nèi)對(duì)此方面的研究起步較晚，個(gè)別采用生物活性炭技術(shù)的水廠只能直接參照國外經(jīng)驗(yàn)，如昆明、北京水司均采用單獨(dú)水沖(濾層膨脹率為25%)。
1.試驗(yàn)方法
1.1 工藝流程及裝置
中試的工藝流程為預(yù)臭氧化→混凝、沉淀、過濾→臭氧—生物活性炭，試驗(yàn)裝置包括常規(guī)處理、臭氧化和BAC濾池處理系統(tǒng)。
BAC濾池橫斷面尺寸為500 mm×500 mm，高度為4.92 m，內(nèi)部均分為兩格，采用小阻力配水系統(tǒng)。池內(nèi)裝填ZJ-15型柱狀活性炭，其碘值和亞甲藍(lán)吸附值分別為961、187 mg/ g。運(yùn)行之前采用未加氯的砂濾出水先浸泡活性炭1周，再反洗清潔。
試驗(yàn)期間，臭氧化與常規(guī)處理工藝參數(shù)基本恒定。預(yù)臭氧化的接觸時(shí)間和投量分別為4.5min和1.5 mg/L左右；主臭氧化的接觸時(shí)間和投量分別為16 min和2.0mg/L左右。常規(guī)處理水 量為3～3.5m3/h，混合時(shí)間為6～6.5s，反應(yīng)時(shí)間為23.2～19.9 min，沉淀池清水 區(qū)上升流速為1.39～1.62 mm/s、斜管內(nèi)上升流速為1.60～1.87mm/s，濾池濾速為6.49～7. 57 m/h。混凝劑和pH值調(diào)節(jié)劑分別采用液態(tài)堿鋁和氫氧化鈉，投加濃度分別為2.5、6 mg/L左右。
1.2 反沖方式
第一階段單獨(dú)水反沖試驗(yàn)的炭床高度分別為2.0、2.5 m，沖洗強(qiáng)度分別為12、14、18L/(m2·s)，沖洗歷時(shí)約為10 min。第二階段氣水聯(lián)合反沖洗試驗(yàn)的炭床高度為2.0 m，氣沖強(qiáng) 度分別為8、11、14L/(m2·s)，氣沖歷時(shí)分別為3、5min；水沖強(qiáng)度分別為6、8、10、1 2、14L/(m2·s)，水沖歷時(shí)約為10 min。
試驗(yàn)期間BAC濾池進(jìn)水水溫較高(平均為29 ℃)，采用自然掛膜(生物膜成熟時(shí)間約為15d)，其反沖洗周期一般為7d。
2.結(jié)果與分析
水中生物顆粒的相對(duì)含量以濁度表示，其微生物最低檢測濃度為3.7×105個(gè)/mL［4］。BAC濾池反沖廢水中微生物濃度(個(gè)/mL)的數(shù)量級(jí)一般不低于105［2、3］，故以反沖廢水的濁度作為一項(xiàng)主要檢測指標(biāo)。
2.1 水反沖
①?zèng)_洗強(qiáng)度
試驗(yàn)中以相同反沖歷時(shí)下的反沖廢水濁度、反沖廢水濁度與初始濁度的比值、從高濁度到持續(xù)低濁度的出現(xiàn)歷時(shí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在一定范圍內(nèi)提高水沖強(qiáng)度會(huì)改善反沖洗效果。當(dāng)運(yùn)行條件相近、水沖強(qiáng)度分別為14、18/(m2·s)時(shí)，反沖廢水初始濁度分別為34.3、116 NTU。去除負(fù)荷相同導(dǎo)致二池截污量大致相等，而初始濁度高意味著被沖下的雜質(zhì)多，由此推知經(jīng)低強(qiáng)度水 沖后的BAC濾池殘余雜質(zhì)較多，這主要是由于水沖強(qiáng)度高會(huì)產(chǎn)生較大的剪切力和拖拽力，更好地促使炭、水以及炭粒間的摩擦碰撞。兩種水沖強(qiáng)度下反沖廢水濁度比值為10%的歷時(shí)分別為200s和80 s，反沖廢水濁度由高到趨于平穩(wěn)的歷時(shí)分別為210s和180s，這間接表明采用高強(qiáng)度水沖對(duì)濾層沖洗得較為徹底、排出被沖雜質(zhì)較為容易。炭床高度為2.5 m的BAC濾 池的試驗(yàn)結(jié)果與此類似。
在低強(qiáng)度水沖后期換以高強(qiáng)度水沖的過程中，反沖廢水濁度隨反沖洗歷時(shí)呈倒V”形變化。
說明高、低強(qiáng)度聯(lián)合水沖的效果優(yōu)于單一低強(qiáng)度水沖。雖然組合強(qiáng)度的水反沖效果有所 改善，但不顯著，還大大增加了反沖洗耗水量，由此認(rèn)為單獨(dú)水反沖的適宜水沖強(qiáng)度為14 L/(m2·s)左右，對(duì)應(yīng)濾層膨脹率為20%左右。
②水沖歷時(shí)
試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)反沖廢水初期濁度、色度高，后期濁度、色度低，水沖強(qiáng)度為14、18L/(m2·s)時(shí)肉眼可見少量微生物絮體。這說明BAC濾池的反沖廢水中生物顆粒和非生物顆粒均占相 當(dāng)比例，并且生物顆粒的出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)滯后。一般，顆粒脫附的前提條件是外加脫附力大于顆粒所受的粘附力，而非生物顆粒的粘附力主要由范德華力和化學(xué)鍵力等構(gòu)成。對(duì)于生物顆粒，微生物的疏水性及胞外物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生比前述引力大得多的微觀引力。
非生物濾池的反沖廢水中非生物顆粒占絕大多數(shù)，一般以反沖廢水濁度達(dá)到5NTU作為反沖洗結(jié)束條件。生物濾池中生物顆粒的脫附較難，其含量又難以濁度指標(biāo)來間接反映，故以反沖廢水濁度＜5NTU作為反沖洗結(jié)束的上限條件。同時(shí)，BAC濾池在反沖廢水濁度達(dá)到3NTU以后則很難下降，故將3NTU作為反沖洗結(jié)束的下限條件。對(duì)應(yīng)濁度為3～5 NTU的反沖洗歷時(shí)為6～8 min，即采用水沖強(qiáng)度為14L/(m2·s)的適宜歷時(shí)為6～8min。
③反沖洗排水槽與濾層間距
反沖洗排水槽與濾層的間距過小易造成濾料流失，間距過大則不利于反沖廢水的及時(shí)排出，還會(huì)消耗較多的反沖洗用水。如采用14、18L/(m2·s)強(qiáng)度聯(lián)合反沖洗、在去除負(fù)荷相近的情況下，炭床高度為2.0m和2.5 m的BAC濾池反沖廢水濁度變化趨于平穩(wěn)的歷時(shí)分別為210s和180s，反沖廢水濁度比值為10%的所需歷時(shí)分別為200 s和110s，反沖廢水濁度達(dá)到5 NTU的歷時(shí)分別為170s和160 s。在保證活性炭不被沖出池外的前提下，此高度差可適當(dāng)降低，建議實(shí)際應(yīng)用中以1.5～2.0 m為宜。
2.2 兩段式氣水聯(lián)合反沖洗
因長有生物膜的活性炭體積質(zhì)量小、氣水同時(shí)反沖洗的控制要求高，故采用兩段式氣水聯(lián)合反沖洗，即先排水至炭床表面下10 cm處，然后通入壓縮空氣反洗，停氣后再用水反沖。為更準(zhǔn)確地比較不同方式的反沖洗效果，采用濁污比(反沖廢水濁度與反沖之前去除CODMn總量之比)、濁污比與初始濁污比的比值、從高濁污比到持續(xù)低濁污比的出現(xiàn)歷時(shí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
①氣水反沖與單獨(dú)水反沖的比較
炭床高度為2.0 m的BAC濾池在去除負(fù)荷相近時(shí)，盡管水沖強(qiáng)度均為14L/(m2·s)，但先氣沖5 min的效果明顯較好。
氣水聯(lián)合反沖時(shí)反沖廢水的初始濁污比(1.39 NTU/gCOD)高于單獨(dú)水反沖的值(0.79NTU/gCO D),前者反沖廢水的濁污比從高到趨于平穩(wěn)的時(shí)刻(300 s)遲于后者(210s)，反沖廢水濁 污比與初始濁污比的比值達(dá)到10%的歷時(shí)也如此，原因在于較大的紊流氣體能預(yù)先沖松濾層 并更好地沖刷活性炭表面的生物膜。和普通濾池類似，單獨(dú)采用水反沖的BAC濾池具有一定的局限性。
②氣沖強(qiáng)度與水沖強(qiáng)度的匹配
氣、水強(qiáng)度的匹配是優(yōu)化氣、水聯(lián)合反沖洗的重要方面。氣、水強(qiáng)度組合分別為14、8L/(m2·s)和8、10～12L/(m2·s)的試驗(yàn)結(jié)果表明，在反沖洗初期(0～60s)，相同反沖歷 時(shí)下的反沖廢水濁污比是前者大于后者，而反沖廢水的持續(xù)低濁污比及濁污比與初始濁污比的比值為10%的出現(xiàn)歷時(shí)大體相近；所需反沖水量大致相等。由此決定采取高氣沖強(qiáng)度、低水沖強(qiáng)度的匹配方式。
其他條件相同，增大水沖強(qiáng)度會(huì)改善反沖洗效果，表現(xiàn)為反沖廢水初期濁污比增大，反沖廢水濁污比從高值到持續(xù)低值及濁污比與初始濁污比的比值為10%的所需歷時(shí)縮短，達(dá)到反沖廢水濁度為3～5 NTU的所需耗水量大體相等。雖然水沖強(qiáng)度為6、8 L/(m2·s) 的試驗(yàn)結(jié)果也類似，但因常規(guī)工藝出水中會(huì)殘存一定的溶解性有機(jī)污染物，臭氧化又減小了其粒徑，增大了微粒擴(kuò)散常數(shù)，增加了微粒間碰撞幾率和范德華引力，促使微粒被粘附的強(qiáng) 度和機(jī)會(huì)增加而更難于脫附。建議氣沖后采用微膨脹水沖［強(qiáng)度為8L/(m2·s)］。
③氣沖強(qiáng)度
固定氣沖歷時(shí)為5 min、后續(xù)水沖強(qiáng)度為8L/(m2·s)，分別以氣沖強(qiáng)度為8、11、14 L/(m2·s)進(jìn)行氣、水反沖洗的試驗(yàn)結(jié)果表明，提高氣沖強(qiáng)度可改善反沖洗效果，主要 表現(xiàn)為初期反沖廢水的濁污比基本隨氣沖強(qiáng)度增大而增大。
在氣沖強(qiáng)度為14L/(m2·s)的反沖洗試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生物膜的脫落較為明顯，且氣沖后的新一輪運(yùn)行初期，BAC濾池對(duì)CODMn、藻類等的去除效果下降，這又說明反沖洗的關(guān)鍵是既要去除過量的老化生物膜，又要充分保證新一輪啟動(dòng)所需的生物量。建議生產(chǎn)中采用11～14L/(m2·s)的氣沖強(qiáng)度，待積累一定經(jīng)驗(yàn)后再取適當(dāng)高值。
④反沖歷時(shí)
反沖歷時(shí)直接影響反沖洗的效果和能耗。當(dāng)采用氣、水沖強(qiáng)度分別為14、8L/(m2·s)，氣沖歷時(shí)分別為5、3min時(shí)，反沖廢水的初期濁污比差別不明顯；但濁污比從高值到持續(xù)低值、濁污比與初始濁污比的比值為10%、反沖廢水濁度達(dá)到5～3 NTU的出現(xiàn)歷時(shí)有所差異，原歷時(shí)為3 min的值約延長了1～2 min。這說明延長氣沖歷時(shí)可使炭粒表面污物受到更為持久的剪切和剝離，使脫落污物的排出較為容易，但因總體效果相近，實(shí)際氣沖歷時(shí)可視情況選3～5min。
綜合氣沖強(qiáng)度為11～14L/(m2·s)、氣沖歷時(shí)為(3～5min、水沖強(qiáng)度為8L/(m2·s)的反沖洗試驗(yàn)結(jié)果可知，反沖廢水濁度達(dá)到5～3 NTU的所需 歷時(shí)為260～550 s，即所需的水沖歷時(shí)約為5～7 min。
3.結(jié)語
①炭粒表面生物顆粒的脫附難于非生物顆粒，建議生產(chǎn)中反沖洗結(jié)束的控制指標(biāo)為反沖廢水濁度達(dá)到3～5 NTU。
②兩段式氣、水聯(lián)合反沖洗的效果優(yōu)于單獨(dú)水反沖，并可節(jié)約耗水量，推薦采用先以高強(qiáng)度空氣擦洗、再以微膨脹水漂洗的方式。適宜的氣沖強(qiáng)度為11～14L/(m2·s)、歷時(shí)為3～5 min，水沖強(qiáng)度為8L/(m2·s)、歷時(shí)為5～7 min。
③如采用單獨(dú)水反沖，建議適宜的反沖強(qiáng)度為12～14L/(m2·s)、濾層膨脹率為20%左右，反沖歷時(shí)為6～8 min。
④炭床上表面與反沖廢水排水槽間的高度差對(duì)反沖洗效果有一定影響，實(shí)際應(yīng)用中以1.5 ～2.0 m為宜。
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