生物活性炭濾池氣水反沖洗方式的優(yōu)化

李賀文（鄭州市第四十七中學(xué)高二（3）班，河南　鄭州　450008）

生物活性炭濾池氣水反沖洗方式的優(yōu)化

李賀文（鄭州市第四十七中學(xué)高二（3）班，河南鄭州450008）

生物活性炭濾池沖洗效果的好壞是影響濾池運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素，合理優(yōu)化反沖洗過程有助于改善其整體運(yùn)行性能。采用3種不同的氣水反沖洗方式對(duì)生物活性炭濾池進(jìn)行反沖洗，以反沖洗后水頭損失變化和出水濁度，氨氮、亞硝酸氮、CODMn去除率及DO消耗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，先氣水反沖后水反沖效果最好。其中氣水反沖4～5m in，氣反沖強(qiáng)度為9L/（m2·s），水反沖強(qiáng)度為4L/（m2·s）；水反沖8～10m in，水反沖強(qiáng)度為8L/（m2·s）。

生物活性炭濾池；反沖洗方式；優(yōu)化

臭氧生物活性炭技術(shù)是20世紀(jì)六、七十年代首先從歐洲發(fā)展起來的一種飲用水處理技術(shù)。該工藝是采用臭氧氧化和生物活性炭濾池聯(lián)用的方法，將臭氧化學(xué)氧化、活性炭物理化學(xué)吸附、生物氧化降解等幾種技術(shù)合為一體。其主要目的是去除原水中微量有機(jī)物和氯消毒副產(chǎn)物的前體物等有機(jī)指標(biāo)，提高飲用水的安全性。臭氧氧化可使生物活性碳進(jìn)水中可同化有機(jī)碳（AOC）的含量增加10～20倍，水質(zhì)可生化性提高20%～30%［1～5］。

然而生物活性濾池經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，生物膜由于吸附作用，在濾層表面會(huì)生成濾料顆粒、懸浮固體和黏性物質(zhì)結(jié)成的泥球，以及生物膜本身老化脫落，導(dǎo)致濾層板結(jié)，阻礙了營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和溶解氧在生物膜內(nèi)的傳遞，濾床空隙率降低，水頭損失增加，濾池的產(chǎn)水量減少，出水水質(zhì)下降等。所以，選用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行反沖洗對(duì)保證生物活性炭濾池正常運(yùn)行具有十分重要的作用［6，7］：將截留的無機(jī)顆粒帶出濾池，清潔和更新生物膜，使濾池恢復(fù)原有的過濾能力。

1　試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在華北水利水電大學(xué)進(jìn)行，試驗(yàn)流程為：太湖原水-氣浮池-臭氧接觸塔-生物活性炭-出水，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)裝置圖Fig.1 The chartof experimenta lequipm ent

原水經(jīng)泵提升進(jìn)氣浮池，采用Al2（SO4）3作為混凝劑（停留時(shí)間為20min），再經(jīng)泵提升進(jìn)入臭氧接觸柱（停留時(shí)間為15min），最后自流進(jìn)入生物活性炭濾柱（停留時(shí)間為22min，炭層高2.0m采用ZJ-15型顆?；钚蕴浚钚蕴砍鏊疄樽詈蟪鏊?。

1.2試驗(yàn)方法

共嘗試了3種不同方式下的氣水聯(lián)合反沖洗方式，具體參數(shù)見表1。氣水反沖洗具有采用高氣沖強(qiáng)度的壓縮空氣擦洗炭濾層，用低水沖洗強(qiáng)度的水對(duì)濾料進(jìn)行反沖，減少大量反沖洗水的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［8］表明，氣水同時(shí)反沖洗比單純水反沖洗的耗水量減少60%左右，濾料的截污量可提高一倍，過濾周期可延長(zhǎng)70%左右。故在此嘗試中不考慮單一的水沖洗方式。

表1　不同方式下的氣水聯(lián)合沖洗參數(shù)表Tab.1 Parameters of differentair-waterbackwashingmethods on the operation BAC filter

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

以反沖洗后水頭損失和出水濁度，氨氮、亞鹽、CODMn去除率及DO消耗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。沖洗結(jié)束正常運(yùn)行后進(jìn)行96小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，具體結(jié)果和分析如下：

2.1以水頭損失為評(píng)價(jià)指標(biāo)

確定生物活性炭濾池反沖周期的一個(gè)重要參考指標(biāo)就是濾池的水頭損失。在過濾期間，隨著炭床上生物顆粒和非生物顆粒的逐漸累積，水頭損失也逐漸增加。圖2顯示了經(jīng)不同方式反沖后生物活性炭柱水頭損失的變化情況（“0”點(diǎn)表示反沖前）。

圖2　反沖洗后水頭損失的變化曲線Fig.2　Variation of head loss of BAC filterw ith different backwashing strategies

由圖2可知，反沖洗后隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，不同反沖洗方式下的水頭損失均緩慢增加。其中方式Ⅰ和方式Ⅱ氣水反沖洗方式水頭損失增加較快，說明濾料清洗不徹底，但方式Ⅱ用反沖水量低于方式Ⅰ的；方式Ⅲ水頭損失增加最慢，反沖用水量低于方式Ⅰ的。

2.2以濁度為評(píng)價(jià)指標(biāo)

由圖3可知，反沖后3種沖洗方式下的出水濁度均低于反沖洗前的。在運(yùn)行過程中方式Ⅰ和方式Ⅱ的反沖方式下出水濁度緩慢上升，但方式Ⅲ反沖洗方式下出水濁度緩慢下降。

圖3　反沖洗后濁度的變化曲線Fig.3　Variation o f turbidity of BAC filterw ith differentbackwashing strategies

2.3以氨氮、亞硝酸鹽去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)

由圖4、圖5可知，無論哪種方式的反沖洗，NH4+-N去除率都在57.1%～76.6%之間波動(dòng)，且隨著過濾的進(jìn)行，NH4+-N去除率都在提高。NO2--N的去除率都在65%～95%之間波動(dòng)，但過濾開始的第一天快速下降，然后有所上升趨于平穩(wěn)，但方式Ⅱ下降幅度最大，這與方式ⅡNH4+-N去除率較高有關(guān)。平穩(wěn)階段的去除率都在75%左右波動(dòng)。

硝化過程分為兩個(gè)階段：由NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N階段和NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N階段，所以NO2--N的去除受NH4+-N去除的影響較大。當(dāng)NH4+-N去除率上升時(shí)，NO2--N的去除率表現(xiàn)出一定程度的下降。

圖4　反沖洗后氨氮去除率的變化曲線Fig.4　Variation o fNH4+-N o f BAC filterw ith differentbackwashing strategies

圖5　反沖洗后NO2--N去除率的變化曲線Fig.5　Variation ofNO2--N of BAC filterw ith differentbackwashing strategies

2.4以CODMn去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖6　反沖洗后CODMn去除率的變化曲線Fig.6　Variation of CODMnof BAC filterw ith differentbackwashing strategies

由圖6可知，方式Ⅰ和方式Ⅲ反沖洗方式下，CODMn的去除率比較平穩(wěn)，在75%左右波動(dòng)。方式Ⅱ的反沖洗，CODMn的去除率開始階段比較低，隨著過濾的進(jìn)行緩慢上升。由此看出，氣水沖洗方式在方式Ⅱ高強(qiáng)度水沖洗下，對(duì)生物膜影響最大。

2.5以DO消耗率為評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過反沖洗后DO的消耗情況可以反映出活性炭中微生物的生長(zhǎng)情況和量的多少，DO消耗率越大，微生物的生長(zhǎng)情況越好、量也越大。由圖7可知，開始階段，不同反沖方式下的溶解氧消耗率有所下降，然后開始緩慢上升，受進(jìn)水DO的影響，DO的消耗率出現(xiàn)一定的波動(dòng)。由于生物活性炭前是臭氧接觸塔，所以進(jìn)水中DO含量較高，有時(shí)達(dá)到過飽和狀態(tài)。從DO消耗情況來評(píng)價(jià)，方式1的反沖方式最好，方式Ⅱ的反沖方式最差。

圖7　反沖洗后DO的變化曲線Fig.7　Variation of DO of BAC filterw ith differentbackwashing strategies

3　結(jié)語

采用3種不同的氣水反沖洗方式對(duì)生物活性炭濾池進(jìn)行反沖洗，以反沖洗后水頭損失和出水濁度，氨氮、亞鹽、CODMn去除率及DO消耗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）以反沖洗后水頭損失和出水濁度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，方式Ⅲ的反沖洗方式效果最好；

（2）以氨氮、亞硝酸鹽去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，3種反沖洗方式效果差不多，但方式Ⅱ反沖洗方式用水量最少。

（3）以CODMn去除率和DO消耗率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，方式Ⅱ的反沖洗方式效果最差。

（4）綜合分析認(rèn)為應(yīng)選用方式Ⅲ的反沖洗方式，即先氣水反沖4～5min，其中氣反沖強(qiáng)度為9L/m2·s，水反沖強(qiáng)度為4L/m2· s；后水反沖8～10min，水反沖強(qiáng)度為8L/m2·s。

［1］楊淺晶.國(guó)外膜過濾型凈水處理現(xiàn)狀［J］.水環(huán)境學(xué)會(huì)志，2001，18（2）：10-14.

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［3］James PMalley Jr，Eighmy T T，Collins M R，et al.The performance and microbiology of ozone-Enhanced biological filtration［J］.JournalAWWA，1993，85（12）：47-57.

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［5］Hu JY，Wang ZS，NgW J，etal.The effectofwater treatment processes on the biological stability of potablewater［J］.Water Research，1999，33（11）：2587-2592.

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［7］Niquette P，Maclean R G，Thibault D.Backwashing firststage sand-BAC filters.Journalof AmericanWaterWorks Association，1998，90（1）:86～97.

［8］張朝暉，呂錫武，樂林生等.生物活性炭濾池反沖洗技術(shù)的優(yōu)化［J］.中國(guó)給水排水，2005，4（21）:51～53.

李賀文（1999-），女，河南鄭州，河南省鄭州市第四十七中學(xué)高二學(xué)生，主要研究水污染防治。