生物活性炭滤池的工艺参数试验研究(0001)

生物活性炭滤池的工艺参数试验研究

随着水源污染的日益严重，为了克服常规处理工艺的不足，满足不断提高的饮用水水质标准，对常规处理工艺出水再进行深度净化将成为自来水厂的选择之一。生物活性炭技术能有效去除水中有机物(尤其是可生物降解部分)和嗅味等，从而提高饮用水化学和微生物安全性，目前它已作为自来水深度净化的一个重要途径而被水工业界重视[1，2]。该技术要点是：以粒状活性炭为载体富集水中的微生物而形成生物膜，通过生物膜的生物降解和活性炭的吸附去除水中污染物，同时生物膜能通过降解活性炭吸附的部分污染物而再生活性炭，从而大大延长活性炭的使用周期。生物活性炭滤池的工艺参数直接影响其处理效果和成本，并且合适的参数值还和滤池边水水质有一定关联，在大规模应用前进行针对性的研究很有必要。

1．试验研究方法

l.1 试验工艺流程及装置

本次试验为中试规模，试验工艺流程为预臭氧化十混凝、沉淀、过滤+臭氧--生物活性炭，试验装置(图1)设于深圳大涌水厂内，包括常规处理、臭氧化和活性炭滤池处理系统。

活性炭滤池横截断面尺寸为500×500mm，高度为4.92m，内部均分两格，采用小阻力配水系统。装填ZJ-15型柱状活性炭（山西新华化工厂产品），该炭碘值和亚甲兰吸附值分别为961和187mg/g，堆积密度460g/L。活性炭在使用之前，先用未加氯的砂滤出水浸泡1周，再用未加氯的砂滤出水反洗清洁，然后装池。生物活性炭滤池采用下向流型式，进水溶解氧含量一般在7.50mg/L左右，能充分保证生物降解对溶解氧的需求。滤池采用两段式气水反冲洗，即首先以空气擦洗、再以未加氯的砂滤出水反冲，反冲洗周期为7天。

臭氧采用Ozonia公司的CFS-1A型臭氧发生器现场制备，以空气为气源、以自来水为冷却介质。预臭氧化的臭氧接触时间和投加量分别为4.5min和1.5mg/L左右，水在塔内流速40m/h左右。主臭氧化的臭氧接触时间和投加量分别采用液态碱铝和氢氧化钠，投加浓度分别为2.5mg/L和6mg/L左右。

1.2 试验设计

在参考现有文献的基础上，本研究首先采用2.0m和2.5m炭床高

度，分别进行空床接触时间10、12min的对比试验。然后选定炭床高度，分别进行空床接触时间7.5、10、12、15、20min的对比试验。

1.3 试验方法

试验期间水温较高（26-31℃，平均29℃），生物活性炭滤池采用自然挂膜，生物膜成熟时间约为15天。进行上述各组条件的试验时间均为7天，其中2天为过渡适应期，5天为稳态试验期。试验期间生物活性炭滤池进水水质如表1所示：

表1 生物活性炭滤池进水水质

数值

指标

水温（℃）PH值浊度（NTU）

色

度

CODMn

（mg/L)

含藻量（万个体数

/L）

最

小

26 7.38 0.13 ＜5 0.69 5.0 最

大

31 7.97 0.38 5 2.08 24 平

均

29 7.768 0.237 -- 1.393 11.3

注：表1中实测期间色度＜5的次数约占1/3

2. 试验结果与分析

2.1 炭床高度

当生物活性炭滤池空床接触时间分别为12min和10min时，2.0m 和2.5m炭床高度的BAC池进出水浊度、CODMn的历时变化情况见图2--3，图中5/23——6/2、6/2——6/9分别对应12min和10min的试验结果。

由图2——3：虽然二池出水浊度、CODMn的历时变化有所差异，但平均而言差异并不明显。当空床接触时间为12min时，在2.0m和2.5m池进水浊度、CODMn均值分别同为0.327NTU、1.498mg/L的条件下，二池出水浊度、CODMn均值分别为0.293NTUT 0.309NTU、

0.995mg/L和1.01mg/L。当空床接触时间为10min时，在2.0m和2.5m 池进水浊度、CODMn均值分别同为0.368NTU、1.596mg/L的条件下，二池出水浊度、CODMn均值分别为0.314和0.314TNU、1.304和

1.402mg/L。由此可认为在本试验条件下，如果空床接触时间、进水水质等其它件相同，炭床高度对BAC池出水浊度、CODMn影响较小。虽然图2--3也反映出BAC池出水浊度和CODMn有稍高于进水相应值的情形，但其中的主要原因可能在于进水水质的波动及生物膜脱落及微生物代谢产物，此外低浊度分析也是值得进一步研究的问题。

实验结果（表2）还表明，在空床接触时间等其它试验条件相同时，炭床高度对BAC池出水色度、PH值的影响不大；但对嗅阈值却有一定影响，在空床接触时间同为10min时，炭床高度2.5m池的出水嗅阈值超过深水集团管道直饮水水质标准（Q/ZLS001-1998）3的上限标准，这表明较高的滤速不利于除臭。

表2 炭床高度对嗅阈值、色度、PH值的影响

指标

接触时间

12min 10min

进水

2.0m出

水

2.5m出

水

进水

2.0m出

水

2.5m出

水

嗅阈

18 2 2 20 2 4

值

色度10-20(15) ≤5 ≤5 25-40(31) ≤5 ≤5

PH值7.72 7.43 7.50 7.43 7.37 7.44

注：表2中嗅阈值、PH值栏数值为均值。

综合12min和10min的试验结果，可以看出，在空床接触时间、进水水质等主要试验条件相同的前提下，炭床高度对BAC池的净水效果总体相同；但较大的炭床高度不利于嗅阈值的控制。事实上的BAC 池去除污染物主要靠生物吸附降解和物化吸附，而这些过程都需要一定的时间，在进水水质和污染物与生物颗粒接触时间相同时，污染物的降解程度理应相同。当然生物活性炭颗粒的机械截留也有一定作用，较大炭床高度的BAC池的出水水质略差，其原因可能就在于较大滤速不利于机械截留作用的发挥。此外，炭床高度的增大还将会对BAC池的反冲洗提出更高的要求，有基于此，建议生产中BAC池的适宜炭床高度可取2.0m。

2.2 空床接触时间

·空床接触时间与出水浊度

当BAC池的空床接触时间在7.5-2.0min之间变化时，BAC池进出水浊度变化情况如表3所示。观察表3中的试验数据，不难发现BAC

池的出水浊度比较稳定，平均在0.22NTU以下；此均值和BAC池的进水浊度均值（0.25NTU以下）较为接近，也限BAC池能稍微降低水的

浊度，但空床接触时间对浊度的去除没有明显影响。由此可见，BAC 池的订功效不在于除浊。

表3 BAC池空床接触时间与出水浊度

接触时间（min）进水浊度（NTU）出水浊度（NTU）

平均去除率

（%）

最大

值

最小

值

平均

值

最大

值

最小

值

平均

值

7.5 0.18 0.13 0.142 0.17 0.14 0.156 -9.90

10 0.32 0.16 0.244 0.25 0.19 0.218 10.70

12 0.32 0.16 0.244 0.32 0.17 0.222 9.02

15 0.25 0.13 0.196 0.27 0.15 0.190 3.06

20 0.18 0.13 0.142 0.18 0.12 0.136 4.23

·空床接触时间与出水CODMn

当BAC池的空床接触时间在7.5--20min之间变化时，BAC池进出水CODMn变化情况不及浊度值稳定（表4）。由表4可见，在空床接触时间相同、进水水质相近的情况下，增大BAC池的空床接触时间，BAC池对CODMn的去除效果随之改善，表现为CODMn平均去除率的提高。在生物膜工艺中，延长空床接触时间意味着延长基质和生物膜的接触时间，有利于基质的生物降解；从生物膜降解机理上来看，接触时间缩短意味着进入BAC池的基质量增加，导致生物膜在单位时间内接触的基质增加，而进水水质一定使得生物膜对基质的降解速率相对

稳定，最终导致出水CODMn浓度增加，处理效果下降。此外，接触时间的延长也有利于污染物的物化吸附去除。

表4达式BAC池进出水的CODMn变化

接触时间（min）进水CODMn（mg/L) 出水CODMn（mg/L)

平均去除

率（%）最大

值

最小

值

平均

值

最大

值

最小

值

平均

值

7.5 1.68 0.91 1.27 1.60 0.71 1.10 13.1

10 2.08 1.4 1.726 1.67 0.96 1.254 27.35

12 2.08 1.4 1.726 1.67 0.33 1.21 29.90

15 1.59 0.69 1.292 1.11 0.65 0.754 41.64

20 1.68 0.91 1.27 0.96 0.44 0.78 38.6

从表4还可以看出，BAC池空床接触时间的增加幅度影响BAC池对CODMn去除率的提高程度，空床接触时间的增幅大对CODMn去除效果的改善程度较为明显反之收效一般，但接触时间增大到一定程度时，CODMn去除率的提高有限，这主要是由于进水中可生物降解及吸附的物质所占的比例一定。此外，对比接触时间15min和20min的CODMn平均去除率，发现前者稍高于后者，笔者认为主要原因可能在于BAC池运行前的成熟条件不同。进行接触时间20min的试验前，采用的气冲强度较大（14L/m2.S），生物膜脱落明显，又限于当时条件、

只经12h即取样化验；而进行其余接触时间的试验之前，采用的气冲强度小于14L/m2.s，生物膜脱落程度较轻，且经48h成熟期后再取样化验。这说明BAC池的反冲洗及其充分成熟对保证其成功运行极为重要，在实际生产中需对气水联合反冲洗后的初始处理水量作必要的小幅减小。

·空床接触时间与出水含藻量

深度处理作为改善饮用水水质的有效途径，除藻也是其重要任务之一，尤其是对于原水取自富营养化水源的自来水厂。本研究以含藻量作为优选BAC池空床接触时间的另一重要分析指标，臭氧——生物活性炭作为一个整体，因臭氧化条件固定，故不影响对试验结果的分析。

BAC池进出水含藻量的检测结果（表5）表明，在进水含藻量为10万个体数/L左右、BAC池空床接触时间从75min增加到15min时，BAC池出水含藻量从8.5万个体数/L逐渐降低到2.43万个体数/L,对应除藻率从23%逐渐增加到73.5%，但增加程度逐渐降低。试验期间，发现活性炭表面并未完全长有生物膜，因此生物处理和活性炭处理是生物活性炭的两大除藻途径。生物除藻的可能机理有以下几种：生物膜的吸附、附着，生物载体之间的生物絮凝和机械截留，微生物的氧化分解，原、后生动物的捕食等。最近的研究又表明，在短短（0--10nm）范围内，细菌等微生物的疏水性产生的微观疏水引力远远大范德华引力，藻类向炭粒的迁移和粘附将是影响生物活性炭除藻的一个重要环节。在一定范围内延长BAC池空床接触时间，将会增

加藻类和生物活性炭的接触机会，利于藻类寻求合适的附着点，促使上述各机理作用的发挥，从而加强该系统对藻类的去除效果；而接触时间15min和20min的除污染效果对比（表4和表5）又表明此结论须以BAC池充分成熟为前提条件。另一方面，过高地延长BAC池接触时间，会降低BAC池的水力负荷，明显增加包括活性炭在内的基建投资，不足为取。结合中试结果，建议生产上用于除藻的空床接触时间不宜高于15min。

表5 空床接触时间与O3——BAC单元出水的含藻量

接触时间(min）

进水

（104个体数/L）

出水

（104个体数/L）均去除率

（%）最大

值

最小

值

平均

值

最大

值

最小

值

平均

值

7.5 14.9 5.9 11.04 13.8 4.2 8.5 23

10 13.2 6.8 10.37 6.2 3.7 4.57 55.9

12 13.2 6.8 10.37 4.9 2.4 3.43 66.9

15 24 5 9.15 5.6 1.2 2.43 73.5

20 14.9 5.9 11.04 6.4 2.5 3.98 63.9

.空床接触时间与其它出水水质参数

在7.5——20min的范围内变化BAC池空床接触时间的试验结果表明，BAC池出水的嗅阈值、色度、PH值相对变化不大，也即空床接触时间对嗅阈值、色度、PH值的影响相对微小。一般BAC池出水的

臭阈值在2--3甚至更小，色度在5或5以下，BAC池出水的PH值在7.60左右。

综合炭床高度和空床接触时间的试验结果，可以看出空床接触时间是影响BAC池净水效果的决定性因素，这和大多数研究成果一致，但具体数值取决于BAC池进水水质情况和出水水质要求。基于目前深圳水源泉水低浊高藻、有机物和氮磷含量较高的水质特征，结合不同空床接触时间的试验结果，若BAC池出水水质以CODMn达到深水集团管道直饮水水质标准（Q/ZLS001--1998）1mg/L的上限标准，BAC池的空床接触时间以12-15min为宜，原水水质差时取相应高值。

3 结语

（1）在本试验条件下，生物活性炭滤池的空床接触时间是影响其净水效果的决定性因素，且主要影响有机物和藻类的去除；炭床高度和运行滤速的影响相对较小。

（2）生物活性炭滤池的具体空床接触时间取决于原水水质情况和出水水质要求，针对目前深圳的水源条件，若出水水质以CODMn

达到深水集团管道直饮水水质标准（Q/ZLS001--1998）1mg/L的上限标准，建议生物活性炭池的适宜炭床高度为2.0m，适宜的空床接触时间为12-15min，原水水质较差时取此范围内的较高值。

生物活性炭—砂滤处理微污染原水研究

1 试验流程及原水水质

1.1 试验流程

采用混凝→沉淀→生物活性炭—砂滤工艺处理微污染原水，试验装置如图1。

该工艺的特点是取消了预氯化或其他预氧化过程(如臭氧氧化)，利用生物活性炭提供的巨大比表面积和吸附性能，为微生物氧化降解水中的有机物创造了良好的条件，并能部分去除水中卤代烃类消毒副产物(DBPs)。

1.2 原水水质

过滤的原水采用两种水配制而成，其一为武汉大学校园内的河水(含生活污水)，并先经混凝沉淀处理(加入混凝剂量为50mg/L，静置沉淀2h)；其二为自来水，在使用前先放置2h以去除余氯。滤前水由这两种水以1∶3的比例配制而成，各种水的具体水质情况见表1。

表1 原水水质分类表

水样名称

数据

范围浊度

(NTU)

臭

味

pH值COD Cr(mg/L) NH3-N(mg/L) UV254

混凝沉淀后的河水最大

值

11.21 微

臭

8.11 41.85 6.85 0.135 最小

值

9.85 6.85 29.48 2.40 0.099 平均

值

10.56 7.50 31.26 3.73 0.112

自来水最大

值

2.67

无

7.80 12.82 0.89 0.086 最小

值

1.24 6.95 7.84 0.12 0.060 平均

值

1.87 7.20 10.77 0.57 0.074

配制的滤前

水最大

值

9.62

无

7.60 26.52 2.16 0.116 最小

值

0.60 6.70 7.77 1.08 0.063 平均 2.90 7.19 12.70 1.54 0.094

值

2 试验装置及设计参数

2.1 试验装置

生物活性炭—砂滤柱采用双层滤料，上层为颗粒活性炭，下层为石英砂。滤柱直径为45mm，高度为3.0m；活性炭层厚1.0m，粒径为1.5 mm(柱状)；石英砂层厚0.5m，粒径为0.5～1.0mm；砾石(承托层)厚0.2m，粒径为6～8mm。

2.2 主要试验运行参数

试验采用连续流恒速过滤方式，滤速范围为4～7m/h。采用气水反冲洗，气冲洗1.5min，冲洗强度为5～15L/(s·m2)；然后水冲洗5～6 min，冲洗强度为5～10L/(s·m2)。冲洗频率视试验中水头损失情况而定，用本试验的滤后水作反冲洗水。

3 试验运行情况及结果分析

3.1 挂膜和生物相观测

1999年7月24日自然开始挂膜，水温为24～27℃，进水流速为5m/h。7月24日—8月2日的原水为处理后的河水，8月3日后的原水为人工配制的滤前水。至9月6日，氨氮的硝化率即达到60%，这

标志挂膜基本完成(历时一个半月左右)，观察到的生物膜呈黄褐色，上层生物膜较厚，并随滤层深度的增加渐渐变薄。

3.2 活性炭吸附阶段

活性炭吸附阶段试验数据统计结果见表2。

表2 活性炭吸附阶段试验数据统计结果

项目水样

统计天数

(d)

最大值最小值平均值去除率(%)

浊度(NTU) ①

3.20 1.00 2.10

82.9

②0.80 0.10 0.36

COD Cr(mg/L) ①

14.30 6.70 10.02

60.9

②7.09 1.12 3.92

UV254①

0.107 0.081 0.095

57.9

②0.072 0.025 0.040

NH3-N(mg/L) ①

1.52 0.89 1.24

9.7

② 1.43 0.83 1.12

pH值①

7.60 6.70 7.19

②7.77 6.85 7.25

注①表示滤前水，②表示滤后水，以下表同。

从各水质指标的变化可知，NH3-N的去除率极低，滤后水和滤前水的pH值差别不大，说明该阶段的生物活性较弱。活性炭在吸附了25～33d之后(8月17日—8月25日)被穿透，但穿透后仍有一定的吸附能力，而且活性炭上已长有微生物(这可从NH3-N含量的降低看出)。在第39d(8月31日)COD Cr的去除率突然下降，说明活性炭的吸附容量已趋饱和，吸附去除有机物的能力变得很弱。

3.3 生物活性炭阶段

生物活性炭阶段试验数据统计结果见表3。

表3 生物活性炭阶段试验数据统计结果

项目水样统计天数(d) 最大值最小值平均值

去除率

(%)

浊度(NTU) ①

9.62 0.60 2.90

82.4

② 1.40 0.05 0.51

CODCr ①28 26.52 7.77 12.70 40.4

(mg/L)

②11.25 2.66 7.57

UV254①

0.116 0.063 0.094

48.9

②0.061 0.025 0.040

NH3-N (mg/L) ①

2.16 1.08 1.54

82.5

②0.60 0.09 0.27

3.4 影响生物活性炭去除有机物的因素

①滤速的影响。不同滤速对COD Cr和UV254的去除效果见表4。

表4 不同滤速对CODCr和UV254的去除效果对比表

项目时间段

滤速

(m/h) 水

样

统

计

天

数

(d)

最大

值

最小

值

平均

值

去除

率

(%)

COD Cr(mg/L) 9月8日—9

月22日5

①

13.33 7.77 11.63

52.2

②8.40 2.66 5.56

9月24日—

10月8日7

①

18.32 8.18 10.08

30.7

②11.12 7.12 7.19

UV2549月8日—9

月22日

①

0.105 0.088 0.098

51.0

②0.060 0.042 0.048

9月24日—

10月8日

①

0.112 0.075 0.095

46.3

②0.061 0.041 0.051

由表4可以看出，随着停留时间的增加，COD Cr和UV254的去除率有一定程度的提高，但有机物去除率的增加并不与停留时间的增加成正比。试验表明，当滤速为5m/h时，即炭层停留时间为12min时，生物活性炭—砂滤柱获得较为理想的去除效果。

②滤层深度的影响。生物活性炭对COD Cr的去除是微生物的生物氧化降解作用的结果，因而与生物量沿滤层深度的分布密切相关。为了便于研究COD Cr随滤柱深度的沿程去除情况，比较了各取样口的COD Cr去除率(见表5)。

表5 各取样口的CODCr去除率%

取样口1#2#3#4#

最大值86.8 94.5 95.8 97.5

最小值22.4 41.3 58.4 69.9

平均值51.3 66.0 75.3 85.6

从表中可看出，大部分COD Cr的去除发生在生物活性炭滤柱上部，这也间接说明了滤柱上部附着和悬浮的微生物数量是很高的。此外，从各取样口COD Cr去除率的最大值和最小值来看，去除率并不稳定。这一方面是受试验条件的影响，如原水水质的配制不够稳定，滤柱直径偏小，边壁影响较大等；另一方面是因为COD Cr的去除和微生物的降解作用受许多条件限制。由4＃取样口的数据可知，砂层对COD Cr 的去除有一定的作用。因而，水流经过生物活性炭处理后，再进行砂层过滤是非常必需的。

3.5 影响生物活性炭去除NH3-N的因素

①溶解氧的影响。氨氮的硝化作用和有机物的氧化作用分别由自养型和异养型好氧微生物进行。从理论上讲，硝化1g氮需氧4.57g，这个需氧量称为“硝化需氧量”(NOD)。当水温为0 ℃时，饱和溶解氧完全用于硝化水中的NH3-N，至多只能硝化3 mg/L，因此生物活性炭—砂滤柱硝化去除NH3-N的能力是有限的，应控制进水NH3-N浓度≯2mg/L。经测定，出水中的溶解氧范围为2.36～0.29mg/L，这说明硝化反应所消耗的溶解氧较大，所以水中的溶解氧几乎耗尽。

②进水NH3-N浓度的影响。本试验进水中的NH3-N浓度比较低(＜2mg/L)，因而对硝化效果影响不大。但随着进水的NH3-N浓度接近2