臭氧-生物活性炭工藝間歇性運(yùn)行的生物量保持方法

繆 剛，鮑 娟，陳云霄，林 濤，陳 衛(wèi)

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210002)

臭氧-生物活性炭工藝間歇性運(yùn)行的生物量保持方法

繆 剛1，鮑 娟2，陳云霄2，林 濤1，陳 衛(wèi)1

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210002)

研究臭氧-生物活性炭工藝在間歇性運(yùn)行時炭層中生物量的保持方法以及不同保存方式對該工藝重新運(yùn)行凈化效能的影響。結(jié)果表明，臭氧-生物活性炭工藝在停止運(yùn)行后對生物活性炭柱采用浸泡保存時，活性炭層中的水質(zhì)發(fā)生了很大的變化，活性炭層中的生物量發(fā)生了下降。同時周期性的換水能夠延緩活性炭柱在浸泡保存時生物量的下降速度。在臭氧-生物活性炭工藝重新運(yùn)行期間，周期換水減少生物量的下降雖然對濁度和UV254的去除效果影響不大，但是能夠使得臭氧-生物活性炭工藝在短時間內(nèi)對CODMn和NH3-N的去除率接近活性炭工藝在保存之前對其的去除率。

臭氧-生物活性炭工藝；間歇性運(yùn)行；浸泡保存；周期換水；生物量；凈化效能

隨著人們對飲用水水質(zhì)要求的提高，常規(guī)處理工藝的局限性逐漸顯現(xiàn)[1-2]，飲用水的深度處理工藝被廣泛應(yīng)用。臭氧-生物活性炭工藝在除臭、去除微量有機(jī)物、消毒副產(chǎn)物前體物等方面具有明顯優(yōu)勢，從而被廣泛應(yīng)用[3-8]。我國許多水廠采用了臭氧-生物活性炭工藝，并取得了良好的處理效果[9-11]。

但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，存在著在保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，該工藝的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行問題。以長江三角地區(qū)的長江水源或部分湖庫水源為例，多數(shù)時間原水水質(zhì)達(dá)到或接近二類水標(biāo)準(zhǔn)，此時一般的常規(guī)工藝就能使得出廠水滿足GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，并且在原水水質(zhì)良好的情況下，臭氧-生物活性炭工藝對水質(zhì)的提升效果十分有限，同時開啟臭氧-生物活性工藝所帶來的運(yùn)行成本也是巨大的。所以在水源水質(zhì)良好的情況下，很多水廠的臭氧-生物活性炭工藝是停止運(yùn)行的，只有當(dāng)原水水質(zhì)突然變差時，為保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)，才會開啟臭氧-生物活性炭工藝，這就造成了臭氧-生物活性炭工藝的間歇性運(yùn)行。

在臭氧-生物活性炭工藝的間歇性運(yùn)行情況下，就需要考慮該工藝在不運(yùn)行時的保存問題，臭氧-生物活性炭工藝在停運(yùn)期間能夠保持一定的生物量，使得臭氧生物活性炭工藝在重新運(yùn)行時啟動快，處理效果好?，F(xiàn)在水廠常用的保存方式為浸泡保存，但是對于浸泡保存的研究相對較少，本文研究該工藝在采取浸泡保存時活性炭層中水質(zhì)和生物量的變化，并探討周期換水對保存期間生物量的影響，同時考察兩種浸泡保存方式(是否周期性換水)對臭氧-生物活性炭工藝重新運(yùn)行凈化效能的影響。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

臭氧-生物活性炭工藝進(jìn)水為濾后水，濾后水為長江三角地區(qū)某水廠以長江水為水源經(jīng)過混凝沉淀過濾所得，原水及濾后水水質(zhì)見表1。裝置主要由一根臭氧接觸柱及兩根并聯(lián)的活性炭柱組成，臭氧接觸柱水深3 m，活性炭柱中活性炭層深度為 1.5 m，砂墊層0.3 m(圖1)。

表1 原水及濾后水水質(zhì)

圖1 試驗(yàn)裝置(單位：m)

1.2 運(yùn)行參數(shù)

臭氧-生物活性炭工藝在正常運(yùn)行時的運(yùn)行參數(shù)為：總進(jìn)水量1 m3/h；臭氧投加量1.5 mg/L；接觸時間11 min；活性炭柱濾速8 m/h；反沖洗周期為6 d；沖洗方式：先氣沖，時間4 min，強(qiáng)度14 L/(s·m2)，后水沖，時間8 min，強(qiáng)度8L/(s·m2)。

在工藝停止運(yùn)行期間，1號活性炭柱采取浸泡保存并周期換水，2號活性炭柱僅采取浸泡保存，在兩根活性炭柱進(jìn)行保存期間，炭層上水深為0.5 m。

在工藝重新開始運(yùn)行時，首先對兩根活性炭柱進(jìn)行反沖洗，為了盡量保存炭上的生物量，反沖洗采用單一水沖，時間15 min，強(qiáng)度11 L/(s·m2)，其余運(yùn)行參數(shù)與正常運(yùn)行相一致。

1.3 指標(biāo)測定方法

2.5.1 系統(tǒng)適用性 取“2.2”項(xiàng)下混合對照品溶液、供試品溶液各適量，按“2.1”項(xiàng)下色譜條件進(jìn)樣測定，記錄色譜圖，詳見圖3。由圖3可知，8種成分峰分離度均大于1.5，理論板數(shù)均大于5 000。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭柱在停止運(yùn)行采用浸泡保存時炭層中的水質(zhì)變化

圖2 活性炭柱在浸泡保存期間炭層50 cm、110 cm處DO質(zhì)量濃度的變化

活性炭柱在采用浸泡保存期間，炭層中的DO發(fā)生了很大的變化。從圖2中可知，在前5天中，DO下降速度最快，而由于50 cm處活性炭上的生物量生物活性要大于110 cm處的，所以50 cm處的DO下降速度要高于110 cm處，但是總體而言，兩個不同深度炭層的DO變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律。在浸泡保存的第5～13天，DO緩慢下降，第13天以后，DO下降速度達(dá)到一個很低的水平，到第29天時，兩個炭層中的DO均保持在2.5～3.0 mg/L。DO的下降速度在一定程度上可以反映炭層中微生物的活性[13]，說明在活性炭柱浸泡保存期間炭層中的微生物活性是不斷減小的。

由圖3可見，活性炭柱在采用浸泡保存期間各種氮質(zhì)量濃度均發(fā)生變化。其中，在浸泡保存過程中，TN一直在上升，而正常情況下，炭層和水中的各種氮存在轉(zhuǎn)移，但是TN濃度應(yīng)該是不變的，圖3顯示的TN濃度上升的現(xiàn)象是由活性炭上微生物發(fā)生降解并溶解到水中造成的，所以TN的變化在一定程度上也可以反映生物量的變化。

圖3 活性炭柱在浸泡保存期間炭層80 cm處各種氮質(zhì)量濃度的變化

圖4 活性炭柱在浸泡期間炭層80 cm處CODMn和UV254的變化

由圖4可見，在活性炭柱浸泡期間，CODMn一直上升，后期略有下降，UV254先上升后下降，分析認(rèn)為，是炭層中的微生物降解作用造成水中的有機(jī)物上升，使得CODMn上升，而CODMn上升最快時間同樣在前13 d；同樣也造成了UV254上升的趨勢。但是保存后期當(dāng)水中營養(yǎng)物質(zhì)匱乏，微生物降解產(chǎn)生的有機(jī)物也能夠被活著的微生物作為營養(yǎng)源，從而造成UV254的迅速下降以及CODMn的緩慢下降。

2.2 周期性換水對活性炭柱在浸泡保存時炭上生物量的影響

由圖5可見，活性炭柱在浸泡期間，炭層中的生物量一直在下降，其中第1～9天下降緩慢，第9～17天下降速度最大，而在第17天后下降速度減緩，50 cm處炭層中的生物量與110 cm處表現(xiàn)出相似的規(guī)律，經(jīng)過28d的保存，50 cm處生物量由原來的69.15nmol/cm3降低到30.73 nmol/cm3，110 cm處生物量由59.64 nmol/cm3降低到28.94 nmol/cm3。

圖5 兩種不同保存方式炭層中生物量的變化(A：采取浸泡保存；B：采取浸泡保存并周期換水，換水周期為8 d)

而對采用浸泡保存的活性炭柱進(jìn)行換水，可以在一定程度上使得炭層中的水恢復(fù)到初始狀態(tài)，補(bǔ)充炭層中的DO，而采取浸泡保存從第9天開始，生物量下降速度最快，與此同時，第9天開始，炭層中中DO很低，下降速度很慢，說明此時微生物活性很低，而且炭層中水質(zhì)在第9天左右也發(fā)生很大的變化，所以初步設(shè)置換水周期為8d，即在第9天進(jìn)行第一次換水。

2.3 周期性換水對臭氧-生物活性炭工藝在保存后重新運(yùn)行的影響

表2為臭氧-生物活性炭工藝在停止運(yùn)行前對濾后水的凈化效能，用于對比該工藝在重新運(yùn)行后對于濾后水的凈化效能，從而考察周期性換水延緩炭層中生物量下降對該工藝在重新運(yùn)行的影響。

從表2和表3中可以看出，臭氧-生物活性炭工藝對UV254的去除主要依靠臭氧的氧化，生物活性炭的吸附降解效果所占比重不大，所以在重新運(yùn)行期間，兩活性炭柱對于UV254的去除效果并沒有明顯的區(qū)別，在反沖洗后30 min，均能夠達(dá)到該工藝在停運(yùn)前對UV254的凈化效果。

表2 臭氧-生物活性炭工藝在停止運(yùn)行前對濾后水的凈化效能

注：運(yùn)行工況：臭氧投加量為1.5 mg/L，接觸時間11 min，炭床濾速8 m/h。

表3 臭氧-生物活性炭工藝重新運(yùn)行后對濁度和UV254的凈化效能

同時，兩活性炭柱在重新運(yùn)行30 min后對于濁度的去除效果與停運(yùn)之前相當(dāng)，而且兩根活性炭柱對濁度的去除也沒有明顯的區(qū)別，分析認(rèn)為，臭氧-生物活性炭工藝對濁度的去除主要依靠活性炭的截留作用，與生物量相關(guān)性不大。

所以周期性的換水浸泡保存雖然能夠延緩生物量的下降，但是在重新運(yùn)行后對于濁度和UV254的去除效果并沒有明顯的影響。

圖6 臭氧活性炭工藝重新運(yùn)行后對CODMn的凈化效能

由圖6可見，兩根經(jīng)過不同方式保存的活性炭柱在臭氧-生物活性炭工藝重新運(yùn)行期間對CODMn的去除效果相差很大。1號活性炭柱在重新開始運(yùn)行1 h后對CODMn的去除率就達(dá)到30%左右，而后對CODMn的總?cè)コ室卜€(wěn)定在30%～35%之間；而2號活性炭柱在重新運(yùn)行24 h之內(nèi)，對CODMn的總?cè)コ示鶝]有達(dá)到23%，在運(yùn)行48h之后，對CODMn的總?cè)コ蔬_(dá)到25%到28%之間，雖然隨著運(yùn)行時間的增加，總?cè)コ事杂性黾?，但是最終對CODMn的總?cè)コ蕸]有達(dá)到30%。

由圖7可見，臭氧氧化能夠?qū)⑺械牟糠钟袡C(jī)氮氧化為NH3-N，從而造成NH3-N的增加，同時可以看出兩根活性炭柱在重新運(yùn)行期間對NH3-N的總?cè)コ时憩F(xiàn)出與對CODMn的總?cè)コ氏嗨频囊?guī)律。1號活性炭柱在重新運(yùn)行后1h對NH3-N的總?cè)コ示鸵呀?jīng)達(dá)到26.38%，而后對NH3-N的總?cè)コ示S持在28%左右，而2號活性炭柱在重新運(yùn)行后1h對NH3-N的總?cè)コ蕛H達(dá)到15.54%，而后隨著運(yùn)行時間的增加，對NH3-N的總?cè)コ视兴黾?，重新運(yùn)行后24h，對NH3-N的總?cè)コ蔬_(dá)到20.47%，之后對NH3-N的總?cè)コ史€(wěn)定在22%左右。

圖7 臭氧活性炭工藝重新運(yùn)行后對NH3-N的凈化效能

分析認(rèn)為：臭氧-生物活性炭工藝在對CODMn的去除過程中炭層中的微生物降解作用占據(jù)了很大比重，生物量越大，該工藝對有機(jī)物的去除效果越好[14]；同時NH3-N的去除過程中也是主要依靠活性炭層中微生物對NH3-N的降解，而1號活性炭柱在保存期間采用的是周期性換水的浸泡保存，有效緩解了炭層中生物量的減少，從而使得1號活性炭柱在重新開始運(yùn)行時對CODMn和NH3-N的總?cè)コ室糜?號活性炭柱。

同時，把兩個活性炭柱對臭氧后出水CODMn(mg/L)的去除量與兩活性炭柱的平均生物量(nmol/cm3)的比值(圖8)作為衡量該設(shè)備保持微生物活性的指標(biāo)也可以看出，在臭氧-生物活性炭重新運(yùn)行24 h，1號活性炭柱的該比值均要高于2號活性炭柱，而在運(yùn)行48 h以后，兩活性炭柱的該比值則相對接近。從而說明了臭氧生物活性炭工藝在停止運(yùn)行期間采用周期性換水的浸泡保存方式能夠更有效地保持炭層中的微生物活性，使得該工藝在重新開始運(yùn)行時在短時間內(nèi)對有機(jī)物就有較好的去除作用。

圖8 CODMn去除量與兩活性炭柱的平均生物量比值

3 結(jié) 論

臭氧-生物活性炭工藝在停止運(yùn)行后對生物活性炭柱采取浸泡保存的方式會使得炭層中水質(zhì)發(fā)生很大變化，從而使得活性炭柱在采取浸泡保存后炭層中生物量的下降，而在浸泡保存中周期性的換水能夠延緩生物量的下降。同時在臭氧-生物活性炭工藝重新開始運(yùn)行期間，延緩活性炭柱中生物量的下降對濁度和UV254的去除率影響不大，而保持一定的生物量能夠使得臭氧-活性炭在重新開始運(yùn)行時在較短時間內(nèi)對CODMn和NH3-N就有一個比較好的去除效果。

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BiomassretentionmethodforintermittentoperationofOzoneBiologicalActivatedCarbonprocess

MIAOGang1，BAOJuan2,CHENYunxiao2，LINTao1，CHENWei1

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098，China; 2.NanjingWaterGroupCo.Ltd,Nanjing210002,China)

This paper studied the biomass maintaining method of Ozone Biological Activated Carbon (O3-BAC) process when intermittent operation was conducted as well as the influence of different storage way on the purifying effect of O3-BAC process rerunning. The results shows that when storage with immersion was implemented after O3-BAC process stopped, water quality in the activated carbon layer has changed a lot, and biomass was decreasing. In the meantime, periodic water replacement could delay the decline of biomass when the activated carbon column was immersed in storage. When the O3-BAC process was rerun, the decline of biomassbrought about by the periodic water replacement had little influence on the removal efficiency of turbidity and UV254, but this operation could make the removal efficiency of CODMnand ammonia nitrogen by the O3-BAC in a short time close to the same of the process before storage.

Ozone Biological Activated Carbon process; intermittent operation; storage with immersion; periodic water replacement; biomass; purifying effect

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.17

國家自然科學(xué)基金(51438006)

繆剛(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)。E-mail：455934581@qq.com

林濤，教授。E-mail：hit_lintao@163.com

TU991

A

1004-6933(2017)06-0109-05

2016-12-19 編輯：徐 娟)