生物活性炭運(yùn)行過程中的強(qiáng)度變化規(guī)律及機(jī)理

馮昌龍，莊星宇，王 慕，張晶晶，劉 成,*

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；2.無錫市政公用環(huán)境檢測(cè)研究院有限公司，江蘇無錫 214063)

憑借著對(duì)有機(jī)物、色度、嗅味和氨氮等物質(zhì)的高效去除效能[1-2]，臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工藝作為深度處理單元在飲用水處理廠中被廣泛應(yīng)用[3]。但隨著使用年限的增加，其自身性能發(fā)生改變，水質(zhì)凈化效能也會(huì)隨之減弱[4]。理論上，比表面積、孔容積等吸附指標(biāo)以及灰分、揮發(fā)物含量和密度等材料特性都會(huì)影響B(tài)AC的凈水效能。但使用年限較長(zhǎng)的BAC依靠大孔內(nèi)的微生物起作用，灰分和難降解的有機(jī)組分主要積累于微孔、中孔內(nèi)，對(duì)BAC的生命周期影響有限[5]。為了方便濾池裝填及運(yùn)行，顆?；钚蕴康亩逊e密度應(yīng)不小于380 g/g[6]。實(shí)踐中，隨著污染物吸附和反沖洗操作，濾池中BAC的平均密度會(huì)逐漸增加，不影響運(yùn)行[7]。因此，已有的BAC失效判定標(biāo)準(zhǔn)大多基于污染物的凈化效能[8-9]、吸附性能指標(biāo)的變化規(guī)律[10-11]提出。

近期的一項(xiàng)研究[12]指出，運(yùn)行一定年限后，即使BAC吸附指標(biāo)能滿足要求，濾池表面由小顆粒BAC形成的“炭粉層”仍會(huì)造成運(yùn)行失效，僅依靠吸附效能無法準(zhǔn)確判斷BAC的失效。一些實(shí)踐[13-14]也證實(shí)，長(zhǎng)期運(yùn)行的濾池的“炭粉層”不僅會(huì)造成水頭增加、濾料流失等運(yùn)行問題，還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的生物泄露和渾濁度反彈。形成小粒徑“炭粉”的原因是BAC強(qiáng)度的大幅度降低。盡管《生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭》(CJ/T 345—2010)[6]中指出，BAC的耐磨強(qiáng)度需達(dá)到90%以上；江蘇省《城鎮(zhèn)供水廠生物活性炭失效判別標(biāo)準(zhǔn)和更換導(dǎo)則》《城鎮(zhèn)供水廠生物活性炭失效判別和更換標(biāo)準(zhǔn)》中也明確了BAC強(qiáng)度的建議值[4]，但這往往只作為評(píng)價(jià)新炭的標(biāo)準(zhǔn)。課題組前期研究[11]表明，水廠BAC池中普遍存在強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。黃汗青等[4]的研究也發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行10年的BAC強(qiáng)度下降了80%，導(dǎo)致平均粒徑減小33%。但目前針對(duì)深度處理用的BAC強(qiáng)度研究尚停留在特定時(shí)間點(diǎn)的強(qiáng)度上，針對(duì)使用過程中強(qiáng)度下降的規(guī)律及其機(jī)理的研究亟待開展。

本文擬在跟蹤分析水廠不同類型BAC在10年內(nèi)強(qiáng)度變化結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合顆粒粒徑變化和中試試驗(yàn)，掌握強(qiáng)度變化的基本規(guī)律，并明確該過程的機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)水廠BAC池反沖、“刮炭”換炭作業(yè)具有一定的規(guī)范和指導(dǎo)作用，對(duì)保障深度處理工藝的安全高效運(yùn)行具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

調(diào)研的3個(gè)水廠原水為太湖水，水廠BAC池均采用下向流運(yùn)行，有效填充厚度為2.0 m，底部設(shè)置30 cm厚的均質(zhì)石英砂墊層，濾速為8～12 m/h。

中試試驗(yàn)裝置如圖1所示，由有機(jī)玻璃制成，D×H=100 mm×3 600 mm，內(nèi)填30 cm石英砂作為承托層，上填160 cm壓塊破碎活性炭作為濾料，接水廠臭氧后出水作為裝置進(jìn)水。除進(jìn)出水管路外，還設(shè)有空壓機(jī)氣沖管路和反沖水管路。

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Pilot Test Facility

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所考察的3個(gè)水廠，所用活性炭分別為煤質(zhì)壓塊破碎炭、再生柱狀炭、柱狀炭，使用年限均達(dá)到10年，其基本性能參數(shù)如表1所示。中試試驗(yàn)所用原水為C水廠臭氧接觸池出水，水質(zhì)情況如表2所示。

試驗(yàn)所用主要試劑：氫氧化鈉、鹽酸、濃硫酸、磷酸、重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸汞等；試驗(yàn)中所用水為超純水(由Mill-Q純水凈化系統(tǒng)制備)。除特別說明外，均為分析純或化學(xué)純級(jí)別。

表1 水廠所用BAC性能參數(shù)Tab.1 Parameters of BAC in WTPs

表2 C水廠臭氧接觸池出水水質(zhì)Tab.2 Treated Water Quality of Ozone Contact Tank in WTP C

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)流程

對(duì)3個(gè)水廠的BAC池進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，每半年取樣一次。取樣時(shí)間集中在反沖洗后，取樣深度分別為表層(0～0.1 m)、中間層(0.5～0.6 m)、底層(1.0～1.2 m)，測(cè)定強(qiáng)度、粒度。

水廠BAC池的反沖洗流程往往采取“氣沖+大水沖+小水沖”的步驟。根據(jù)調(diào)研，C水廠氣沖強(qiáng)度為6～8 m3/min，大水沖強(qiáng)度為15.0 L/(s·m2)，小水沖強(qiáng)度為7.5 L/(s·m2)。為加快炭磨損，縮短試驗(yàn)周期，使用中試裝置進(jìn)行累積反沖試驗(yàn)。單次反沖時(shí)間模擬水廠實(shí)際3個(gè)月反沖的積累值(按照反沖頻率為5次/月計(jì)算)，具體數(shù)值如表3所示。反沖周期為24 h，每次反沖后測(cè)定不同高度炭樣的強(qiáng)度及粒度。

表3 水廠、裝置反沖流程及時(shí)間Tab.3 Backwashing Procedure and Duration of WTP and Pilot Test Facility

1.3.2 測(cè)定指標(biāo)及試劑

活性炭指標(biāo)的測(cè)定方法依據(jù)《煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確定，具體的方法如表4所示。強(qiáng)度篩分選用篩孔為60目的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩。生物量測(cè)定采取脂磷法[15]，菌落總數(shù)的測(cè)定采用平板計(jì)數(shù)法。

表4 具體指標(biāo)及測(cè)定方法Tab.4 Specific Indices and Determination Methods

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)際運(yùn)行中的BAC變化規(guī)律

2.1.1 強(qiáng)度變化

本文所調(diào)研的3座水廠中活性炭顆粒的強(qiáng)度在10年使用時(shí)間內(nèi)變化情況如圖2～圖3所示。

圖2 不同種類BAC的平均強(qiáng)度隨時(shí)間的變化及在整個(gè)生命周期內(nèi)的分布Fig.2 Changes and Distribution in Life Cycle of Average Strength of BAC in Different Types

圖3 炭池內(nèi)不同深度的壓塊破碎炭、再生柱狀炭、柱狀炭強(qiáng)度的變化Fig.3 Strength Changes of Broken Briquetting Carbon,Regenerated Columnar Carbon and Columnar Carbon at Different Depths in Carbon Filters

由圖2(a)可知，BAC的平均強(qiáng)度隨使用時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，且不同時(shí)間點(diǎn)的降低速率存在差別：投入使用初期(0～24個(gè)月)平均強(qiáng)度降低較快，隨后逐漸趨緩。標(biāo)準(zhǔn)差(圖中陰影部分)能反映同類型BAC在濾池內(nèi)的強(qiáng)度差異。同一濾池內(nèi)強(qiáng)度差距過大，既不利于運(yùn)行周期和反沖參數(shù)的確定，也會(huì)干擾BAC失效的判定。再生柱狀炭的強(qiáng)度差異很小，柱狀炭的強(qiáng)度差異最大。因此，在柱狀炭的評(píng)價(jià)和強(qiáng)度檢測(cè)中應(yīng)特別注意取樣點(diǎn)的沿層分布。如圖2(b)所示，箱式圖和正態(tài)分布圖分別顯示了強(qiáng)度的均值、極值以及整體分布情況。BAC類型對(duì)平均強(qiáng)度降低有明顯影響：壓塊破碎炭在生命周期內(nèi)能保持較高的平均強(qiáng)度，10年內(nèi)由96.00%降至90.63%；柱狀炭平均強(qiáng)度下降速度最快，10年內(nèi)由94.00%降至86.61%；再生柱狀炭雖然初始平均強(qiáng)度低(89.00%)，但降低速度很慢，10年后仍有86.23%的平均強(qiáng)度。這是熱再生導(dǎo)致了總體強(qiáng)度的減小，但也淘汰了弱強(qiáng)度的炭顆粒，起到了分選作用。此外，正態(tài)分布圖中，小于均值一側(cè)的樣本密度更集中，這同樣表明BAC大多數(shù)時(shí)間以低于強(qiáng)度期望值的條件運(yùn)行。因此，運(yùn)行超過24個(gè)月后，對(duì)BAC進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)充分重視不同深度BAC強(qiáng)度的變化。

圖3表明炭池不同深度的BAC強(qiáng)度存在明顯差異。表現(xiàn)為表層炭強(qiáng)度最低，強(qiáng)度隨深度的增加逐步增大，底層炭強(qiáng)度甚至高于初始強(qiáng)度。原因可能在于BAC的原生強(qiáng)度不均勻，經(jīng)過氣沖、水沖，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分級(jí)。從3個(gè)BAC類型對(duì)比結(jié)果可知，運(yùn)行10年后，柱狀炭表層和底層強(qiáng)度差距最大(>15%)；壓塊破碎炭表層和底層強(qiáng)度差距在11%～12%；再生柱狀炭差距最小(<5%)，這與圖2(a)中標(biāo)準(zhǔn)差的排序相符。3種炭在不同深度上的強(qiáng)度下降速度都表現(xiàn)為表層>中層>底層，表明隨著運(yùn)行時(shí)間增加，不同深度BAC強(qiáng)度差距增大，即“強(qiáng)度分級(jí)”現(xiàn)象愈發(fā)明顯。以往對(duì)強(qiáng)度變化的研究，結(jié)論存在較大差異。如同樣是使用10年的BAC，一些研究[10]認(rèn)為其強(qiáng)度仍保持在90%以上，另一些研究[4,12]中卻減小至80%以下。上述討論給出了這種差異可能的原因，即除去炭型、運(yùn)行方式外，樣本在濾池內(nèi)的深度是非常重要的。此外，相同炭型在不同深度的強(qiáng)度分級(jí)現(xiàn)象說明，強(qiáng)度的減小很可能與運(yùn)行中的碰撞、遷移有關(guān)。

2.1.2 粒度變化

為了證明強(qiáng)度的變化與運(yùn)行過程中的碰撞、遷移的關(guān)系，進(jìn)一步研究了3座水廠活性炭池內(nèi)不同深度BAC顆粒粒度的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 炭池內(nèi)不同深度BAC在生命周期內(nèi)的粒度隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.4 Changes of Particle Size in Life Cycle of BAC at Different Depths with Operation Time

使用箱線圖和正態(tài)分布[圖4(a)]分析不同深度BAC在生命周期中的粒徑范圍和分布。圖中的粒度為加權(quán)粒度，以質(zhì)量占比為權(quán)重，與目數(shù)范圍平均值相乘得到，代表相應(yīng)深度內(nèi)的整體粒徑。在炭池深度方向上，粒度基本表現(xiàn)為表層炭粒徑最小，隨深度增加粒徑逐步增大。運(yùn)行10年中，表層BAC粒度在18.12～22.27目，且分布分散。這說明表層炭粒徑小且變化大，容易破碎。中層炭和底層炭分布集中，粒度分別在15.01～15.94目和12.81～13.95目。這說明大粒徑BAC分布在濾池中下層，且相對(duì)穩(wěn)定。

圖4(b)～圖4(d)詳細(xì)展示了不同深度、不同類型BAC的粒徑隨運(yùn)行時(shí)間的變化。加權(quán)粒度折線的升高表示BAC顆粒的總體粒徑隨使用時(shí)間減小，這是>16目的大粒徑向<30目的小粒徑轉(zhuǎn)化所致。3種炭型的BAC在運(yùn)行的前6個(gè)月，粒徑為8～16目的占比均高于50%，隨后逐漸下降。值得注意的是，在使用過程中小粒徑(<30目)BAC有向表層炭層遷移的傾向，大粒徑BAC(>8目)則向下層遷移。這種遷移是水力分級(jí)和重力、摩擦力合力作用的結(jié)果，對(duì)于粒徑小的顆粒，合力方向向上，導(dǎo)致其向表層遷移；大粒徑炭顆粒自重力大，向底部沉積。由于壓塊破碎炭比柱狀炭球度系數(shù)更高，在通水半流化狀態(tài)時(shí)所受阻力小，遷移速度最快。柱狀炭在上升流體中的受力不均，運(yùn)動(dòng)特征復(fù)雜，豎向位置變化小[17]，遷移較慢。而再生柱狀炭本身粒徑較小，在遷移中所需的水流動(dòng)力大；經(jīng)過二次炭化活化后結(jié)構(gòu)缺陷少，不易破碎，故使用過程中遷移速度、粒度變化最慢。不同炭型和深度變化規(guī)律的相似性也證明了碰撞和遷移是導(dǎo)致BAC強(qiáng)度變化的原因。

需要指出的是，濾池內(nèi)表層BAC粒徑小，納污能力差，深層大粒徑BAC的納污能力不能充分發(fā)揮，導(dǎo)致濾層水頭損失增加甚至阻塞板結(jié)。水廠中會(huì)提高反沖洗頻率來應(yīng)對(duì)以上現(xiàn)象，但這往往會(huì)加劇BAC的磨損和分級(jí)，形成惡性循環(huán)[18]。

2.2 中試中的BAC變化規(guī)律

實(shí)際水廠的監(jiān)測(cè)表明，BAC強(qiáng)度的減弱伴隨著粒度的減小，與運(yùn)行中的碰撞、遷移密切相關(guān)。此外，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的流化摩擦以及污染物吸附積累也會(huì)造成強(qiáng)度減小。為了考察它們的作用，使用中試裝置進(jìn)行累積反沖試驗(yàn)，與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果對(duì)比論證。

如2.1小節(jié)所述，就強(qiáng)度絕對(duì)值和降低速度而言，壓塊破碎炭、再生柱狀炭明顯優(yōu)于柱狀炭。但再生炭來源特殊，壓塊破碎炭無疑受到了更多關(guān)注。相關(guān)研究[3]也指出，相比于柱狀炭，壓塊破碎炭成本低、掛膜效果好且吸附效能強(qiáng)，2010年后為國內(nèi)大型水廠所優(yōu)先選用。故中試裝置的填料選取壓塊破碎炭為代表。

累積反沖試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，雖然存在較明顯的波動(dòng)，中試強(qiáng)度的總體趨勢(shì)與實(shí)際水廠的結(jié)果吻合。強(qiáng)度出現(xiàn)明顯衰減的同時(shí)，不同深度間的差距隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而增大。同時(shí)，粒度的減小與分層也更明顯。

注：虛線為實(shí)際水廠的變化圖5 中試裝置活性炭強(qiáng)度和粒度變化Fig.5 Strength and Particle Size Variation of BAC in Pilot Test Facility

通過對(duì)比，中試粒度變化與實(shí)際運(yùn)行情況非常接近，而強(qiáng)度則存在一些不同。如前所述，水廠BAC在投入使用的前24個(gè)月強(qiáng)度降低快于后期。中試中，該拐點(diǎn)延后至30個(gè)月[圖5(a)]。此外，中試表層炭強(qiáng)度明顯高于實(shí)際水廠。分析認(rèn)為，處理水量的不同是造成上述差異的主要原因。采用下向流運(yùn)行的炭池，表層BAC會(huì)吸附大量的污染物。隨著處理水量的增加，污染物積累導(dǎo)致BAC孔隙堵塞，吸附效能下降。表現(xiàn)為吸附指標(biāo)(碘值、亞甲藍(lán)值等)降低，孔容積減小。

為了驗(yàn)證孔隙堵塞與強(qiáng)度降低之間的關(guān)系，測(cè)定了實(shí)際水廠與中試裝置BAC的碘值、亞甲藍(lán)值及孔容積隨運(yùn)行時(shí)間的變化，并與強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖6所示。隨運(yùn)行時(shí)間的增加，水廠中的BAC吸附指標(biāo)明顯降低，總孔容積減小[圖6(a)～圖6(b)]，且趨勢(shì)與2.1.1小節(jié)中所述強(qiáng)度平均值的減小趨勢(shì)相似。中試裝置的吸附指標(biāo)和總孔容積的減小有限。實(shí)際水廠中，強(qiáng)度的衰減與亞甲基藍(lán)值、碘值和總孔容積的相關(guān)性良好，斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.72、0.74和0.88[圖6(c)]，這表明吸附效能的減小很可能造成了強(qiáng)度的下降。相比之下，中試條件下的強(qiáng)度與三者沒有明顯關(guān)聯(lián)[圖6(d)]。這是由于中試采用于累積反沖試驗(yàn)，實(shí)際處理水量小，裝置內(nèi)的BAC吸附的污染物比實(shí)際水廠中少很多，進(jìn)一步造成了上述表層炭強(qiáng)度衰減趨勢(shì)的差異。

圖6 水廠與中試裝置的BAC的吸附效能變化及其與強(qiáng)度的相關(guān)性Fig.6 Changes of Adsorption Capacity of BAC in WTP and Pilot Test Facility and the Correlation with Strength

通過對(duì)比可以得出結(jié)論，運(yùn)行摩擦和反沖碰撞主導(dǎo)了BAC強(qiáng)度的減小，而污染物的吸附在此過程中只起到了加快和促進(jìn)作用，這種加快在前24個(gè)月更為明顯，且主要作用于表層炭。

2.3 BAC強(qiáng)度衰減原因分析

由于BAC顆粒在濾池中絕大部分處于固液兩相流化狀態(tài)，顆粒受到切向(摩擦力)、徑向(擠壓力)兩種力作用，《煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法》規(guī)定使用球磨法同時(shí)測(cè)定耐磨強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度，綜合評(píng)價(jià)活性炭的強(qiáng)度。以下將從耐磨、耐壓兩方面分析強(qiáng)度變化原因。

2.3.1 摩擦造成的耐摩強(qiáng)度衰減

BAC池屬于快濾池，濾料在日常運(yùn)行、反沖洗時(shí)所受切向力主要由液體、氣體和顆粒間密切接觸時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。反沖過程中，高速水流、氣流加劇濾層擾動(dòng)和炭粒摩擦，帶走雜質(zhì)的同時(shí)導(dǎo)致孔隙發(fā)育，能導(dǎo)致強(qiáng)度減弱甚至炭粒解體。中試模擬證明，污染物的積累加劇了表層炭強(qiáng)度的減小。相同材質(zhì)和形狀的物體，空心結(jié)構(gòu)的抗剪切性能更強(qiáng)，這在材料力學(xué)中早已被證明。如圖7所示，通過簡(jiǎn)化炭粒的剖面，可以發(fā)現(xiàn)，灰分為代表的污染物積累堵塞令空心結(jié)構(gòu)向?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致切向力(即圖示y、z方向)的承受能力減小，耐摩強(qiáng)度降低。

圖7 炭粒剖面及孔隙簡(jiǎn)化Fig.7 Schematic Diagram of Carbon Granules Section and Simplification of Pores

2.3.2 碰撞造成的耐壓強(qiáng)度衰減及粒度變化規(guī)律

BAC顆粒之間擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生碰撞，碰撞的動(dòng)量會(huì)在接觸時(shí)轉(zhuǎn)化為形變進(jìn)而產(chǎn)生彈性力。彈性力這種短促、強(qiáng)度大的機(jī)械能是無選擇性的，會(huì)導(dǎo)致炭粒間隙中煤粉以及不定型炭的破碎脫落，從而令炭粒嚙合力減弱、結(jié)構(gòu)崩塌破碎，宏觀表現(xiàn)在耐壓強(qiáng)度降低和粒徑變小。

將BAC顆粒間的碰撞簡(jiǎn)化為理想同心碰撞，應(yīng)用經(jīng)典赫茲彈性理論[19]可以得到碰撞過程的最大彈性碰撞力Fs,max，如式(1)。

(1)

其中：V——碰撞時(shí)的速度，m/min，取水廠實(shí)際運(yùn)行中流速為1.74 m/min；

d——炭粒直徑，8～30目對(duì)應(yīng)0.2～1.8 mm；

k——變形系數(shù)，取0.014[20]。

BAC能夠承受的最大壓力Fmax發(fā)生在圖8所示的最大形變時(shí)刻，大小與耐壓強(qiáng)度、顆粒直徑和最大接觸面積有關(guān)，計(jì)算如式(2)。

(2)

其中：G——耐壓強(qiáng)度，N,取400 N[21]；

Smax——最大形變距離，mm,取0.14d。

注：R為炭粒半徑；mm;S為非碰撞側(cè)形變量，mm;Fc為彈性碰撞力，N圖8 炭顆粒碰撞最大形變時(shí)刻的示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Maximum Deformation Time of Carbon Particles in Collision

對(duì)不同粒徑活性炭的Fmax和Fs,max進(jìn)行計(jì)算得圖9。由圖9可知，粒徑較小時(shí)Fmax>Fs,max，碰撞最大彈性力在炭?？沙惺茏畲髩毫Ψ秶鷥?nèi)，碰撞不對(duì)炭粒結(jié)構(gòu)造成破壞。隨粒徑的增大，兩種力都在顯著變大，但是Fmax的增加趨勢(shì)較Fs,max較緩慢，兩種力在BAC粒徑為1.2 mm時(shí)出現(xiàn)相等的情況，此為理論臨界情況，碰撞的能量上全部轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥孕巫儎?shì)能。在BAC粒徑大于1.2 mm的情況下，碰撞最大彈性力大于炭?？沙惺艿淖畲髩毫Γ@時(shí)候結(jié)構(gòu)不足以承受碰撞帶來的能量，BAC破碎，粒徑變小。

圖9 Fmax和Fs,max隨炭粒直徑的變化Fig.9 Changes of Fmax and Fs,max with Diameter of Carbon Particle

2.3.3 其他因素造成的強(qiáng)度衰減及安全隱患

受限于模擬試驗(yàn)條件及實(shí)際水廠的數(shù)據(jù)，上述關(guān)于強(qiáng)度變化的討論從物理角度開展。事實(shí)上，由于穩(wěn)定運(yùn)行的BAC上附著大量微生物，其強(qiáng)度的變化還受微生物作用的影響，與反沖洗過程密切相關(guān)。

圖10 BAC上生物量及濾池進(jìn)出水菌落總數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.10 Changes of Biomass in BAC and Total Bacterial Community in Inflow and Treated Water of Filter with Operation Time

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，BAC上的生物作用增強(qiáng)，相應(yīng)地，生物泄露的可能性大大增加。因此，以使用壓塊破碎活性炭的水廠為例，測(cè)定了BAC上的生物量及進(jìn)出水中菌群數(shù)量隨運(yùn)行時(shí)間的變化，結(jié)果如圖10所示。生物量及出水中的菌落總數(shù)均受溫度的影響很大，由于測(cè)定間隔為6個(gè)月，兩者均呈現(xiàn)明顯的一高一低規(guī)律。如圖10(a)所示，在投入生產(chǎn)的前30個(gè)月，BAC上的生物量由30(冬季)/350(夏季) nmol P/g增加到160(冬季)/400(夏季) nmol P/g并趨于穩(wěn)定。這與2.1中BAC的強(qiáng)度降低較快區(qū)間高度重合。這一方面是由于微生物在迅速增殖時(shí)分泌大量的有機(jī)酸，甚至攝取利用BAC上的部分無序碳[22]；另一方面是由于微生物快速占據(jù)大孔，并加劇污染物向BAC上的富集，孔結(jié)構(gòu)堵塞加劇。如圖10(b)所示，濾池出水中的菌落總數(shù)較進(jìn)水有顯著的增加，且夏季更明顯。在運(yùn)行的第78～120個(gè)月，雖然生物量相對(duì)穩(wěn)定，但出水菌落總數(shù)由53(冬季)/180(夏季) CFU/mL迅速增加到80(冬季)/255(夏季) CFU/mL。如2.1小節(jié)所述，該階段表層BAC強(qiáng)度低于86%，小粒徑炭粒占比增加。低強(qiáng)度、小粒徑的“炭粉”層會(huì)賦存大量微生物，有概率穿透墊層造成微生物泄露，并成為后續(xù)工藝中潛在的病原菌滋生溫床[4,23]。長(zhǎng)期運(yùn)行后的下向流濾池，表層BAC強(qiáng)度大幅減小，且往往附著生長(zhǎng)了最多的微生物量[12]，加劇了微生物泄露。南方濕熱地區(qū)的BAC池往往采用含氯水反沖、強(qiáng)化消毒等方式應(yīng)對(duì)生物泄露現(xiàn)象[24]。但外源消毒劑的投加成本高、有二次污染風(fēng)險(xiǎn)，而通過及時(shí)檢測(cè)表層炭強(qiáng)度、合理調(diào)整反沖洗強(qiáng)度并定期“刮炭”的方法很可能是更加經(jīng)濟(jì)、安全的解決途徑。

此外，根據(jù)碰撞-剪切共作用機(jī)理，目前普遍采用的反沖強(qiáng)度在碰撞和剪切的共同高效區(qū)間內(nèi)，其大小與濾料的形狀、粒度密切相關(guān)[18]。BAC粒徑變小時(shí)，反沖理想工況發(fā)生偏移，污染物的脫附效率變差，生物膜不能及時(shí)脫附再生而發(fā)生老化。老化增厚的生物膜會(huì)釋放更多的胞外聚合物(EPS)，其中含有的有機(jī)酸類物質(zhì)能夠加劇炭的氧化解體。

3 結(jié)論

通過對(duì)水廠及中試裝置的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，明確了BAC的強(qiáng)度在運(yùn)行過程中的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)BAC強(qiáng)度隨運(yùn)行時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，其降低速度與本身炭型有關(guān)。壓塊破碎活性炭強(qiáng)度能夠長(zhǎng)時(shí)間保持在較高水平，使用10年平均強(qiáng)度仍在90%以上，建議優(yōu)先選用。運(yùn)行中的炭池會(huì)出現(xiàn)表層炭強(qiáng)度低、底層炭強(qiáng)度大的分級(jí)現(xiàn)象，且隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而愈發(fā)明顯。在強(qiáng)度評(píng)價(jià)中應(yīng)注明樣品深度，并注意取樣點(diǎn)的沿層分布，宜對(duì)表層(0～0.1 m)、中間層(0.5～0.6 m)、底層(1.0～1.2 m)均勻取樣。

(2)BAC強(qiáng)度的下降伴隨著粒徑的減小和分級(jí)，直接造成濾池納污能力浪費(fèi)和產(chǎn)水能力的下降。再生后的BAC雖然初始強(qiáng)度低，但強(qiáng)度及粒徑在運(yùn)行過程中減小緩慢。因此，可以考慮對(duì)濾池0.5 m以下的大粒徑舊炭進(jìn)行再生回用，節(jié)約成本的同時(shí)避免資源浪費(fèi)。針對(duì)“炭粉”造成的濾層水頭損失過大問題，應(yīng)避免過度依靠頻繁反沖洗來解決。

(3)中試試驗(yàn)表明，運(yùn)行摩擦和反沖碰撞主導(dǎo)了BAC強(qiáng)度的減小，而污染物的吸附在此過程中只起到了加快和促進(jìn)作用。可以間隔24～30個(gè)月對(duì)濾池表層10～20 cm進(jìn)行“刮炭”、部分換炭，以保障高效穩(wěn)定運(yùn)行。

基于試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步分析并明確了造成BAC運(yùn)行過程中強(qiáng)度衰減的機(jī)理,具體如下。

(1)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析表明，日常運(yùn)行時(shí)污染物的積累導(dǎo)致孔隙堵塞，耐磨強(qiáng)度變差；經(jīng)典赫茲彈性理論對(duì)碰撞形變過程的分析表明，耐壓強(qiáng)度一定的情況下，碰撞是否造成炭粒破碎與運(yùn)行流速、粒徑有關(guān)。因此，有條件的水廠可根據(jù)2.3.2中的公式計(jì)算碰撞臨界粒徑，進(jìn)一步細(xì)化粒徑要求并優(yōu)選商家。

(2)BAC池運(yùn)行超過78個(gè)月后，表層炭平均強(qiáng)度低于86%，夏季出水菌落總數(shù)達(dá)到255 CFU/mL，存在較高的生物泄露風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻率，必要時(shí)進(jìn)行“刮炭”、換炭操作。

(3)“炭粉層”中微生物賦存量大，反沖洗效果差，加大了生物泄露的風(fēng)險(xiǎn)。老化生物膜分泌的EPS中的有機(jī)酸等也會(huì)加劇BAC的解體。