反沖洗對(duì)4種換炭模式下生物活性炭層生物量和水質(zhì)指標(biāo)的影響

方 芳

(上海市供水調(diào)度監(jiān)測(cè)中心,上海 200080)

近年來,隨著生活飲用水水質(zhì)指標(biāo)的不斷提升,越來越多的水廠采用臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝以應(yīng)對(duì)日益受到微污染的原水水質(zhì)[1]。BAC池主要是利用微生物的生物降解作用和顆?；钚蕴康奈絹砣コ械奈⒘坑袡C(jī)物。為了充分發(fā)揮炭池的微生物作用,炭層中需要有足夠的生物量?；钚蕴啃枰靡栽偕?且截留雜質(zhì)不宜過多。因此,反沖洗是維護(hù)活性炭池正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素,與常規(guī)處理工藝中砂濾池反沖洗的目的不同,BAC反沖洗的目的是通過水流剪切摩擦、活性炭顆粒間碰撞摩擦等過程的多重作用下,使老化的生物膜及雜質(zhì)在強(qiáng)烈的剪切、碰撞作用下得以脫落,促進(jìn)生物膜的更新,同時(shí),需要保持必要的生物量,以滿足下一個(gè)周期的正常運(yùn)行[2]。

隨著近年O3-BAC工藝在水廠中的持續(xù)運(yùn)行,大部分采用O3-BAC工藝的水廠均面臨著大規(guī)模炭池?fù)Q炭問題。在活性炭換炭方式的選取上,研究[3]表明,相比于部分換炭,全換炭方式對(duì)水質(zhì)處理效果更佳,但全換炭用炭量大,總體投入大,短期投資效益低。我國南方某水廠提出,在原水水質(zhì)相對(duì)較好的情況下,通過裝填2/3舊炭、1/3新炭的方式就能夠使出水水質(zhì)顯著提高[4]。上海某水廠提出更換2/3的舊炭更為合適[5]。由此可見,不同的換炭方式對(duì)O3-BAC工藝穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

因此,本文主要考察4種換炭模式下,即1/3新炭和2/3舊炭(已經(jīng)在生產(chǎn)中運(yùn)行使用3年的顆粒炭)、2/3新炭和1/3舊炭、全部粗制新炭以及全部精制新炭,反沖洗對(duì)生物量以及水質(zhì)指標(biāo)的影響,研究成果可為保障飲用水深度處理工藝的安全高效運(yùn)行提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及其工藝流程

試驗(yàn)采用的模型BAC柱高為3.5 m,溢流口和進(jìn)水口均位于3 m的高度,活性炭層高為1.8 m,炭柱直徑為100 mm,炭柱下層鋪設(shè)20 cm厚的綠豆砂承托層,起到承托和反沖洗時(shí)均勻布水的作用,與生產(chǎn)的活性炭池相當(dāng)?；钚蕴恐牧髁靠刂圃?0 L/h,流速為7.7 m/h,空床接觸時(shí)間為14 min。反沖洗水箱尺寸:長為50 cm,寬為30 cm,高為40 cm,容積為60 L。反沖洗水泵和提升水泵均采用高壓自吸管道泵,型號(hào)為SCP-180A,揚(yáng)程為25 m,流量為16 m3/h,吸程為6 m,轉(zhuǎn)速為2 850 r/min。試驗(yàn)采用的工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及工藝流程

試驗(yàn)采用粗制和精制顆粒活性炭,其各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 粗制炭和精制炭的性能參數(shù)

4根活性炭柱的填裝新炭和舊炭的比例和品種狀況如表2所示。

表2 試驗(yàn)炭柱填裝活性炭種類

1.2 試驗(yàn)活性炭柱反沖洗參數(shù)

某水廠BAC柱的反沖洗以膨脹率間接指示反沖洗強(qiáng)度,4根活性炭柱的膨脹率均為25%,旨在考查不同的換炭方式對(duì)單獨(dú)水反沖洗的適應(yīng)情況。

反沖洗周期以舊炭比例最高的1#活性炭柱為準(zhǔn),每周反沖洗2次。反沖洗均采用砂濾池濾后水進(jìn)行。研究認(rèn)為,反沖洗時(shí)20%～30%為炭層最佳膨脹率[6-7],因此,本試驗(yàn)采用了大部分水廠常用的反沖洗膨脹率。反沖洗參數(shù)選擇如下:炭層膨脹率e=25%,沖洗時(shí)間為10 min,對(duì)應(yīng)的反沖洗強(qiáng)度約為25 m3/(m2·h)。試驗(yàn)階段的水溫為28 ℃。一方面,反沖洗時(shí)間取10 min是為了使炭層內(nèi)積聚較多的懸浮固體和老化的生物膜能夠充分剝離炭層,提高反沖洗效果;另一方面,反沖洗時(shí)間又不宜過長,以防造成大量生物膜的損失。

1.3 采樣與檢測(cè)方法

反沖洗前測(cè)定的指標(biāo)在炭池生產(chǎn)周期結(jié)束反沖前30 min取樣,反沖后測(cè)定的指標(biāo)則在反沖洗后運(yùn)行20 min取樣?；钚蕴枯d體生物量的測(cè)定:所取炭樣均為相距炭層表面50 cm處(上層)的炭。水質(zhì)指標(biāo)和三鹵甲烷生成潛能(THMFP)以及生物量等分析方法與使用儀器如表3所示。

表3 水質(zhì)指標(biāo)分析方法及儀器

2 結(jié)果與討論

2.1 反沖洗對(duì)活性炭試驗(yàn)柱炭層中生物量的影響

采用慣用的脂磷分析方法對(duì)炭層中的生物量進(jìn)行測(cè)定[9],該法測(cè)定的是炭層樣品中的生物總量。根據(jù)有關(guān)研究[9],硝化細(xì)菌在炭層生物總量中所占比例很少,因而測(cè)定結(jié)果不能反映硝化自養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量,而脂磷法在測(cè)定不可培養(yǎng)型生物量方面具有優(yōu)勢(shì)。

磷脂為所有細(xì)胞中生物膜的主要組分[10],往往在細(xì)胞死亡后快速分解,其在細(xì)胞中含量約為50 μmol/(g干重),在不同生理和化學(xué)壓力之下波動(dòng)一般不超過30%～50%。生物膜脂類(90%～98%)以磷脂形式存在,磷脂中的磷含量用比色法測(cè)定,稱“脂磷法”,用其來表示生物量,已經(jīng)在飲用水BAC處理研究中得以應(yīng)用。生物量結(jié)果往往以nmol Lipid-P/g或nmol Lipid-P/(mL填料)來表示,1 nmol P大約相當(dāng)于水中1×108個(gè)大腸桿菌(E.Coli)細(xì)胞的大小。試驗(yàn)采用反沖洗強(qiáng)度約為25 m3/(m2·h)。

由圖2可知,反沖洗前后活性炭上層的生物量發(fā)生明顯變化,4根炭柱生物量均有不同程度損失。根據(jù)BAC池中微生物之存在形式,可將其分為附著型微生物和懸浮型微生物。試驗(yàn)結(jié)果[11]表明,附著型微生物的量較大(占80%左右),且與炭粒之間結(jié)合力比較強(qiáng);而懸浮型微生物約占生物總量的20%,游離于炭粒之間。

注:AC——活性炭。

異養(yǎng)菌的主要作用被認(rèn)為是降解有機(jī)物,可用CODMn表示,其活性大小以及數(shù)量關(guān)系到水中有機(jī)物的去除效果。由圖2可知,反沖洗前后有效降解有機(jī)物的生物損失量并不大,其降解有機(jī)物的作用并未因水力沖刷而減弱,而生物量的降低主要是為懸浮態(tài)的微生物受反沖洗水力沖刷脫落所致,并且這些損失的懸浮態(tài)微生物對(duì)降解有機(jī)物的貢獻(xiàn)不大,真正對(duì)有機(jī)物降解的異養(yǎng)菌大多為附著態(tài),比較穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)中的生物才是降解有機(jī)物的關(guān)鍵。

一般而言,微生物活性是由基質(zhì)濃度和微生物量兩個(gè)方面來共同決定的。在進(jìn)水基質(zhì)濃度基本穩(wěn)定的情況下,反沖洗使活性炭上層的微生物量損失大,那么總降解能力就會(huì)下降,這恰恰為下層微生物創(chuàng)造了相對(duì)較大的基質(zhì)濃度,此時(shí)微生物活性將會(huì)有所提高。這就是在對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行了水力沖刷后,BDOC去除率仍然上升的原因。

試驗(yàn)對(duì)炭柱的總生物量進(jìn)行了測(cè)定,1#炭柱生物量的損失率低,2#炭柱損失的生物量略低于3#炭柱,但是反沖洗前后生物量的損失率和3#炭柱接近。同時(shí),炭柱中舊炭比例的高低和炭的粗制與精制均對(duì)生物量的大小略有影響,3#炭柱裝填全新炭(粗制),炭層的生物量比其余3根炭柱(1#、2#和4#)更多。但4#炭柱裝填全新炭(精制),不僅生物量不高,而且生物量的損失也明顯較大,相對(duì)于3#炭柱,4#炭柱上的生物系統(tǒng)更無法抵抗水力沖刷。這說明前期吸附階段表現(xiàn)優(yōu)異的炭未必適應(yīng)O3-BAC的長期運(yùn)行,以生物載體作用為主的活性炭,不僅要有好的吸附效果,更重要的是要為異養(yǎng)菌和硝化自養(yǎng)菌提供合適的生長環(huán)境,這可為BAC池選炭提供參考。

2.2 某水廠活性炭池反沖洗對(duì)炭層中生物量的影響

由于本研究試驗(yàn)條件的限制,無法對(duì)炭柱進(jìn)行氣沖的試驗(yàn)研究。因此,對(duì)某水廠生產(chǎn)工藝上的反沖洗工況進(jìn)行了生物量的對(duì)比測(cè)定研究(炭柱中的舊炭來自該水廠的炭池)。濾池反沖洗過程以往都是采用水沖洗,后來才發(fā)展為氣水沖,生產(chǎn)上的炭池沿用了濾池的氣水沖洗。實(shí)際上炭的質(zhì)量低于石英砂,即炭比砂輕,所以在某種意義上單獨(dú)使用水沖洗,理念上也可行,但需要試驗(yàn)研究結(jié)果來證明。因此,做單獨(dú)水反沖洗試驗(yàn),進(jìn)行對(duì)比研究,具有實(shí)用意義。

某水廠生產(chǎn)上運(yùn)行的炭池反沖洗采用氣水先后反沖,反沖洗過程為先氣沖5 min,氣沖強(qiáng)度為55 m3/(m2·h);然后再水沖5 min,沖洗強(qiáng)度為25 m3/(m2·h),沖洗周期是5 d。測(cè)定所取炭樣為近炭面的BAC。

對(duì)某水廠生產(chǎn)上正在運(yùn)行的條件相仿的4個(gè)活性炭池(亦分別編號(hào)為1#、2#、3#和4#)分別取自BAC池上層,分析測(cè)定其在反沖洗前后的總生物量(圖3)與附著生物量(圖4)。由圖3可知,生產(chǎn)運(yùn)行中的炭池內(nèi)BAC上層的生物量相較試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞恐械钠毡橐?一方面,這可能是由于正在生產(chǎn)中的炭池運(yùn)行時(shí)間較長;另一方面,也可能由于取炭樣的高度不同,存在誤差。試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞恐〉氖巧蠈犹繕?其距離炭面約有50 cm;生產(chǎn)上運(yùn)行的BAC池由于取樣條件的局限,取的是靠上層炭樣,其相對(duì)于下層炭,上層炭中的基質(zhì)濃度會(huì)更高,因而生物量也會(huì)相對(duì)更多。

圖3 生產(chǎn)運(yùn)行中的BAC池在反沖洗前后炭表面的總生物量變化和損失率比較

圖4 生產(chǎn)運(yùn)行中BAC池反沖洗前后BAC表面附著生物量變化以及損失率比較

生產(chǎn)運(yùn)行炭池氣水反沖洗前后總生物量的損失率比單獨(dú)水沖炭柱的反沖洗前后總生物量的損失大,同時(shí)運(yùn)行的2#和3#炭池的生物量和生物損失率相近,4#炭池的生物量損失率最大。這說明由于生產(chǎn)運(yùn)行的炭池中生物量承受了氣沖的沖刷力,4#炭柱上的生物量比3#炭柱更低。

活性炭表面附著的生物量在反沖洗前后變化較小,損失率都在10%以下。這說明適當(dāng)?shù)姆礇_洗方式以及反沖洗強(qiáng)度,對(duì)活性炭層上穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)影響很小,這也說明BAC池可嘗試采用單獨(dú)水沖洗的方式。反沖洗損失的大多數(shù)為懸浮態(tài)微生物,附著微生物不僅完好保存在生物載體上,而且由于反沖洗將老化的生物膜和懸浮生物沖洗去除,使活性炭上留存的微生物得到了更高質(zhì)量的基質(zhì)濃度,提高了其活性。

2.3 BAC反沖洗前后主要水質(zhì)指標(biāo)的變化

試驗(yàn)進(jìn)行了4根炭柱的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定,各指標(biāo)在反沖洗前后的變化曲線如圖5～圖11所示。這種變化主要是反映反沖洗前30 min和后20 min炭層出水水質(zhì)的變化,一般在反沖洗后2 h趨于穩(wěn)定運(yùn)行[11]。

圖5 反沖洗前后各BAC柱水中渾濁度變化

(1)渾濁度

反沖洗前后各BAC柱水中渾濁度的變化如圖5所示。

從圖5可知,4根活性炭柱反沖洗前后的渾濁度雖均有不同程度的上升,但是均保持在0.30 NTU以下,變化幅度不大。其均出現(xiàn)上升的現(xiàn)象,分析可能是反沖洗過程中老化的生物膜剝落,且并未被反沖水流帶出炭柱,而從取樣口泄漏造成渾濁度上升的現(xiàn)象。

(2)CODMn

與前述常規(guī)指標(biāo)反沖洗前后存在差異不同,CODMn卻沒有很大變化,4根炭柱在反沖洗前后的去除率波動(dòng)較小(圖6)。反沖洗后活性炭有效的吸附部位得到恢復(fù),吸附能力增強(qiáng),同時(shí)生物的活性也得到加強(qiáng),使CODMn的去除率維持在一個(gè)較高的水平上。一般,反沖洗前后活性炭柱出水中CODMn與進(jìn)出水濃度相關(guān)。

圖6 反沖洗前后BAC柱出水中CODMn 去除率比較

(3)UV254

反沖洗后UV254的去除率較反沖洗前均有一定上升(圖7),這是由于反沖洗將老化的生物膜剝落之后,原有活性炭上有效的吸附部位空出來,可再次進(jìn)行吸附作用,加上降解有機(jī)物的生物數(shù)量并未明顯減少,所以UV254體現(xiàn)出了更高的去除率。一般,反沖洗前后活性炭柱出水中UV254與進(jìn)出水濃度相關(guān)。

圖7 反沖洗前后BAC柱出水中UV254去除率比較

(4)DOC

DOC的情況(圖8)和UV254類似,空出的有效吸附部位和異養(yǎng)菌的生物活動(dòng),保證了反沖洗后DOC的去除率均有所上升。

圖8 反沖洗前后BAC柱出水中DOC去除率比較

另一個(gè)現(xiàn)象是,反沖洗前3#炭柱對(duì)DOC的去除率略高于4#炭柱,但是反沖洗后,4#炭柱的去除率大幅上升,為4根炭柱中最高。對(duì)反沖洗前后的生物量分析也表明,4#炭柱的生物量在反沖洗前后的損失率最高。由此可見,雖然反沖洗減少了生物量,但生物膜的脫落騰出了更多的吸附位置。因此,4#炭柱老化的易剝落的生物數(shù)量最多,在反沖洗后,吸附作用恢復(fù)最大。一般,反沖洗前后活性炭柱出水中DOC與進(jìn)出水濃度相關(guān)。

由此可見,反沖洗有利有弊。它既能沖刷掉部分附著在活性炭上的生物膜,導(dǎo)致生物降解的去除效果降低(反沖洗后運(yùn)行20 min時(shí)),但同時(shí)又能使活性炭的吸附能力得到恢復(fù),老化生物膜脫落也提高了微生物獲得營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)效率,增強(qiáng)后續(xù)去除效果。

(5)BDOC以及NBDOC變化

從CODMn反沖洗前后的變化可以推斷,4根活性炭柱上異養(yǎng)菌的數(shù)量沒有明顯降低,而反沖洗后BDOC(圖9)去除率均升高的現(xiàn)象,則說明總生物量雖然減少,但是生物活性反而加強(qiáng),生物降解作用更為明顯,這與參考文獻(xiàn)[11,9]研究結(jié)果一致。這再次表明反沖洗能使老化的生物膜脫落,提高了微生物獲得營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)效率,增強(qiáng)去除效果。

圖9 反沖洗前后BAC柱出水中BDOC去除率比較

NBDOC(依靠吸附去除的DOC)在反沖洗前后變化明顯(圖10)。反沖洗前,1#、2#和3#炭柱分別按照舊炭比例的多少呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。1#炭柱的舊炭比例最高,所以有效的吸附位最低,反沖前已基本上沒有吸附作用。2#和3#炭柱在反沖前雖然還具有吸附作用,但是也比較微弱,這是因?yàn)锽AC柱都已進(jìn)入以生物降解作用為主的運(yùn)行后期。但是反沖洗后,4根炭柱的NBDOC的去除率均大幅度上升,活性炭柱的吸附作用均有很大程度的恢復(fù),再次證明了,反沖洗會(huì)將老化脆弱的生物膜沖刷下來,使得有效的吸附位被騰出,使得活性炭的吸附作用得到恢復(fù)。

圖10 反沖洗前后BAC柱出水中NBDOC去除率比較

此外,反沖前4#炭的吸附能力略差于3#。而反沖后,4#的吸附能力恢復(fù)情況更好,之后對(duì)NBDOC的去除效果最好。說明4#炭上的生物系統(tǒng)相對(duì)3#脆弱,在反沖洗時(shí)會(huì)有更多老化的生物膜剝落,反沖后活性炭上則會(huì)空出更多可用于吸附的部位,使其吸附能力得到較大的恢復(fù)[12]。

(6)THMFP

反沖洗對(duì)THMFP去除率的提高也有較大作用(圖11),隨著活性炭有效吸附位的增加,THMFP的去除也隨之提高。下一個(gè)運(yùn)行周期到來前,活性炭的有效吸附位又被老化、脆弱的生物膜系統(tǒng)所覆蓋,THMFP的去除率又會(huì)恢復(fù)到正常的狀態(tài)。

圖11 反沖洗前后BAC柱出水中THMFP去除率比較

3 結(jié)論

通過對(duì)4種活性炭裝填工況下,反沖洗對(duì)活性炭層中生物量以及出水指標(biāo)的影響,明確了不同工況下,活性炭層中生物量以及出水水質(zhì)的變化規(guī)律,得到以下結(jié)論。

(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞恐礇_洗前后總生物量均出現(xiàn)下降,但有效降解有機(jī)物的異養(yǎng)菌數(shù)量沒有降低,CODMn在反沖洗前后的去除率差別不大。

(2)氣水反沖洗前后的生物量雖然比單獨(dú)水反沖洗損失更多,但附著生物量基本不變,說明適當(dāng)?shù)姆礇_洗方式和反沖洗強(qiáng)度,對(duì)活性炭上穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)幾乎沒有影響,同時(shí)也說明BAC池可嘗試使用單獨(dú)水沖洗。

(3)反沖洗對(duì)恢復(fù)4#炭柱(填裝精制新炭)的吸附容量效果最明顯,但生物量的損失率卻最大,說明相對(duì)于3#炭柱(填裝粗制新炭),4#炭柱上的生物系統(tǒng)抵抗水力沖刷能力相對(duì)較弱,水廠BAC池選炭可作為參考。

(4)反沖洗既能沖刷掉部分附著在活性炭上的生物膜,導(dǎo)致生物降解去除效果短暫降低,但同時(shí)又能恢復(fù)活性炭的吸附能力,老化生物膜脫落也提高了微生物獲得營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)效率,提高其活性,增強(qiáng)對(duì)有機(jī)物的去除效果。