生物活性炭濾池的反沖洗方式研究
在臭氧—生物活性炭深度處理技術應用中，生物活性炭濾池的反沖洗問題非常棘手又亟需解決。隨著BAC濾池運行時間的延長，炭粒表面和濾床中積累的生物和非生物顆粒量不斷增加，導致炭粒間隙減小，影響濾池的出水水質和產水量［1］。反沖洗方式與相關參數直接影響BAC濾池的運行效果和成本。有研究表明［2］，采用單獨水沖的濾池出水中生物可同化有機碳和細菌量高于采用氣水聯合反沖的濾池，而充分去除過量的生物膜是保證濾池成功運行的重要前提。國外對生物濾池反沖過程中的顆粒脫附機理進行了研究［3］，但關于其程序及相關參數選取的道較少，而這又恰是指導生產所必須解決的重要問題。國內對此方面的研究起步較晚，個別采用生物活性炭技術的水廠只能直接參照國外經驗，如昆明、北京水司均采用單獨水沖。
1試驗方法
1工藝流程及裝置
中試的工藝流程為預臭氧化→混凝、沉淀、過濾→臭氧—生物活性炭，試驗裝置包括常規處理、臭氧化和BAC濾池處理系統。
BAC濾池橫斷面尺寸為500mm×500mm，高度為92m，內部均分為兩格，采用小阻力配水系統。池內裝填ZJ-15型柱狀活性炭，其碘值和亞甲藍吸附值分別為96187mg/g。運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。
試驗期間，臭氧化與常規處理工藝參數基本恒定。預臭氧化的接觸時間和投量分別為5min和5mg/L左右；主臭氧化的接觸時間和投量分別為16min和0mg/L左右。常規處理水量為3～5m3/h，混合時間為6～5s，反應時間為22～19.9min，沉淀池清水區上升流速為39～62mm/s、斜管內上升流速為60～87mm/s，濾池濾速為49～57m/h。混凝劑和pH值調節劑分別采用液態堿鋁和氫氧化鈉，投加濃度分別為6mg/L左右。
2反沖方式
第一階段單獨水反沖試驗的炭床高度分別為0、5m，沖洗強度分別為1118L/m2*s，沖洗歷時約為10min。第二階段氣水聯合反沖洗試驗的炭床高度為0m，氣沖強度分別為114L/m2*s，氣沖歷時分別為5min；水沖強度分別為114L/m2*s，水沖歷時約為10min。
試驗期間BAC濾池進水水溫較高，采用自然掛膜，其反沖洗周期一般為7d。
2結果與分析
水中生物顆粒的相對含量以濁度表示，其微生物最低檢測濃度為7×105個/mL［4］。BAC濾池反沖廢水中微生物濃度的數量級一般不低于105［3］，故以反沖廢水的濁度作為一項主要檢測指標。
1水反沖
①沖洗強度
試驗中以相同反沖歷時下的反沖廢水濁度、反沖廢水濁度與初始濁度的比值、從高濁度到持續低濁度的出現歷時作為評價指標。
在一定范圍內提高水沖強度會改善反沖洗效果。當運行條件相近、水沖強度分別為118/時，反沖廢水初始濁度分別為3116NTU。去除負荷相同導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多，由此推知經低強度水沖后的BAC濾池殘余雜質較多，這主要是由于水沖強度高會產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。兩種水沖強度下反沖廢水濁度比值為10%的歷時分別為200s和80s，反沖廢水濁度由高到趨于平穩的歷時分別為210s和180s，這間接表明采用高強度水沖對濾層沖洗得較為徹底、排出被沖雜質較為輕易。炭床高度為5m的BAC濾池的試驗結果與此類似。
在低強度水沖后期換以高強度水沖的過程中，反沖廢水濁度隨反沖洗歷時呈倒V”形變化。
說明高、低強度聯合水沖的效果優于單一低強度水沖。雖然組合強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，由此認為單獨水反沖的適宜水沖強度為14L/m2*s左右，對應濾層膨脹率為20%左右。
②水沖歷時
試驗中發現反沖廢水初期濁度、色度高，后期濁度、色度低，水沖強度為118L/m2*s時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比例，并且生物顆粒的出現時間相對滯后。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鍵力等構成。對于生物顆粒，微生物的疏水性及胞外物質會產生比前述引力大得多的微觀引力［3］。
非生物濾池的反沖廢水中非生物顆粒占絕大多數，一般以反沖廢水濁度達到5NTU作為反沖洗結束條件。生物濾池中生物顆粒的脫附較難，其含量又難以濁度指標來間接反映，故以反沖廢水濁度＜5NTU作為反沖洗結束的上限條件。同時，BAC濾池在反沖廢水濁度達到3NTU以后則很難下降，故將3NTU作為反沖洗結束的下限條件。對應濁度為3～5NTU的反沖洗歷時為6～8min，即采用水沖強度為14L/m2*s（m
2－s）的適宜歷時為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排出，還會消耗較多的反沖洗用水。如采用118L/m2*s強度聯合反沖洗、在去除負荷相近的情況下，炭床高度為0m和5m的BAC濾池反沖廢水濁度變化趨于平穩的歷時分別為210s和180s，反沖廢水濁度比值為10%的所需歷時分別為200s和110s，反沖廢水濁度達到5NTU的歷時分別為170s和160s。在保證活性炭不被沖出池外的前提下，此高度差可適當降低，建議實際應用中以5～0m為宜。
2兩段式氣水聯合反沖洗
因長有生物膜的活性炭體積質量小、氣水同時反沖洗的控制要求高，故采用兩段式氣水聯合反沖洗，即先排水至炭床表面下10cm處，然后通入壓縮空氣反洗，停氣后再用水反沖。為更準確地比較不同方式的反沖洗效果，采用濁污比、濁污比與初始濁污比的比值、從高濁污比到持續低濁污比的出現歷時作為評價指標。
①氣水反沖與單獨水反沖的比較
炭床高度為0m的BAC濾池在去除負荷相近時，盡管水沖強度均為14L/m2*s，但先氣沖5min的效果明顯較好。
氣水聯合反沖時反沖廢水的初始濁污比高于單獨水反沖的值，前者反沖廢水的濁污比從高到趨于平穩的時刻遲于后者，反沖廢水濁污比與初始濁污比的比值達到10%的歷時也如此，原因在于較大的紊流氣體能預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，單獨采用水反沖的BAC濾池具有一定的局限性。
②氣沖強度與水沖強度的匹配
氣、水強度的匹配是優化氣、水聯合反沖洗的重要方面。氣、水強度組合分別為18L/m2*s和10～12L/m2*s的試驗結果表明，在反沖洗初期，相同反沖歷時下的反沖廢水濁污比是前者大于后者，而反沖廢水的持續低濁污比及濁污比與初始濁污比的比值為10%的出現歷時大體相近；所需反沖水量大致相等。由此決定采取高氣沖強度、低水沖強度的匹配方式。
其他條件相同，增大水沖強度會改善反沖洗效果，表現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低值及濁污比與初始濁污比的比值為10%的所需歷時縮短，達到反沖廢水濁度為3～5NTU的所需耗水量大體相等。雖然水沖強度為8L/m2*s的試驗結果也類似，但因常規工藝出水中會殘存一定的溶解性有機污染物，臭氧化又減小了其粒徑，增大了微粒擴散常數，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度和機會增加而更難于脫附。建議氣沖后采用微膨脹水沖［強度為8L/m2*s］。
③氣沖強度
固定氣沖歷時為5min、后續水沖強度為8L/m2*s，分別以氣沖強度為114L/m2*s進行氣、水反沖洗的試驗結果表明，提高氣沖強度可改善反沖洗效果，主要表現為初期反沖廢水的濁污比基本隨氣沖強度增大而增大。
在氣沖強度為14L/m2*s的反沖洗試驗中發現生物膜的脫落較為明顯，且氣沖后的新一輪運行初期，BAC濾池對CODMn、藻類等的去除效果下降，這又說明反沖洗的關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所需的生物量。建議生產中采用11～14L/m2*s的氣沖強度，待積累一定經驗后再取適當高值。
④反沖歷時
反沖歷時直接影響反沖洗的效果和能耗。當采用氣、水沖強度分別為18L/m2*s，氣沖歷時分別為3min時，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低值、濁污比與初始濁污比的比值為10%、反沖廢水濁度達到5～3NTU的出現歷時有所差異，原歷時為3min的值約延長了1～2min。這說明延長氣沖歷時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輕易，但因總體效果相近，實際氣沖歷時可視情況選3～5min。
綜合氣沖強度為11～14L/m2*s、氣沖歷時為的反沖洗試驗結果可知，反沖廢水濁度達到5～3NTU的所需歷時為260～550s，即所需的水沖歷時約為5～7min。
3結語
①炭粒表面生物顆粒的脫附難于非生物顆粒，建議生產中反沖洗結束的控制指標為反沖廢水濁度達到3～5NTU。
②兩段式氣、水聯合反沖洗的效果優于單獨水反沖，并可節約耗水量，推薦采用先以高強度空氣擦洗、再以微膨脹水漂洗的方式。適宜的氣沖強度為11～14L/m2*s、歷時為3～5min，水沖強度為8L/m2*s、歷時為5～7min。
③如采用單獨水反沖，建議適宜的反沖強度為12～14L/m2*s、濾層膨脹率為20%左右，反沖歷時為6～8min。
④炭床上表面與反沖廢水排水槽間的高度差對反沖洗效果有一定影響，實際應用中以5～0m為宜。
參考文獻：
［1］BouwerEJ，GrowePB.Biologicalprocessesindrinkingwater［J］.AWWA，1988，80：93-99.
［2］AhmadRasheed，AmirtharajahA，etal.Effectsofbackwashingonbiologicalfilters［J］.AWWA，1998，90：62-7
［3］AhmadR，AmirtharajahA.Detachmentofparticlesduringbiofilterbackwashing［J］.AWWA，1998，90：74-8
［4］KawabataN，TeramotoK.Electrochemicalsensorforviablemicrobialcellconcentrationbasedonafunctionalpolymerthatcapturesmicroorganismsalive
［J］.SonsorsActuatorsB，1993，13：309-3
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
