反沖洗對生物增強活性炭工藝穩定性的影響研究

摘 要：生物增強活性炭技術是在活性炭載體上通過固定從自然界中篩選的優勢菌種，增強水處理過程中的降解作用，并且提高降解效率的一種方法和措施。通過向活性炭投加人工篩選的優勢菌種進行生物增強，不僅可以加快系統啟動，增強系統穩定性，而且有較強抗沖擊負荷能力。反沖洗包含了水流剪切摩擦、濾料顆粒間碰撞摩擦等過程，在反沖洗過程的多重作用下，促使老化的生物膜及雜質在強烈的剪切、碰撞作用下快速脫落，加速優勢菌株的更新，提高活性，對控制生物增強活性炭工藝穩定性具有重要意義。

關鍵詞：生物增強活性炭；反沖洗；生物量；初濾水

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗原水經砂濾柱過濾進入水箱，臭氧發生器中產生的臭氧送往臭氧化柱與原水進行充分混合，混合后的水經過紫外發生器進行消毒后進入生物活性炭濾柱，設置紫外發生器的目的主要是通過紫外殺菌滅活原水中的雜菌，以盡量消除雜菌對試驗效果的影響。試驗采用的裝置見圖1。

當活性炭濾柱需要進行反沖洗時，在反沖洗水泵的作用下，水經由水箱進入活性炭濾柱底部，自下往上對濾柱進行反沖洗作用，反沖洗過程中產生的廢水經由活性炭濾柱頂部的反沖洗排水管排走，按照25～30%的膨脹度對反沖洗過程給予控制。

原水各項水質參數見表1。

1.2 分析參數與監測方法

試驗中的各項水質指標分析均依照現行的規范和標準執行，主要包括《生活飲用水標準檢驗法》、《生活飲用水衛生規范》和《水和廢水監測分析方法》（國家環境保護總局第四版）

試驗過程中涉及的主要參數及測定方法如下：

水溫：采用普通玻璃溫度計。

pH值：采用pHS-2C型酸度計。

濁度：采用TSZ-1臺式智能散射光濁度儀。

溶解氧（DO）：采用碘量法。

CODMn：采用酸性高錳酸鉀氧化法。

UV254：用UV756PC型紫外可見分光光度計測定水樣在254nm處的吸光度值。

生物量：采用生物量磷脂法測定技術。

出水細菌總數：采用普通瓊脂培養基培養計數。

2 結果與討論

2.1 反沖洗周期與時間確定

反沖洗周期與生物增強活性炭工藝隨時間的處理效果息息相關。因此，本次試驗以濁度、UV254、CODMn為分析指標，研究生物增強活性炭對各項指標的去除效果隨時間的變化，通過處理效果的變化規律確定最佳的反沖洗周期。

過濾期間濁度隨時間的處理效果變化規律見圖2。分析可知，在工藝運行的前7天，濁度的去除率一直穩定在50%～60%，自第7.5天后開始出現下降，第8天時去除率急劇下降，相對于前7天的平均去除率55%左右，第8天的下降幅度達到30%以上。

過濾期間UV254隨時間的處理效果變化規律見圖3。分析可知，在工藝運行的8天中，UV254的去除率相對比較穩定。工藝運行至第8天時，去除率降幅僅為10%。

過濾期間CODMn隨時間的處理效果變化規律見圖4。由圖中可以看出，該項指標的去除隨時間變化較為明顯，前7天的平均去除率約為33%，從第8天開始，去除率呈現大幅度下降，到運行至第8.5天，該工藝對CODMn的去除率降至僅為10%左右。

通過分析圖2～4結果可知，三項指標在工藝運行至7天以后，去除率均發生變化，濁度和CODMn的去除率降低較為明顯，UV254的去除率降幅相對較小。去除率降低的原因主要為濾柱中截留了較多的雜質，需要進行適當反沖洗，以保障工藝持續運行的效果。綜上所述，確定反沖洗周期控制在7～8天。

反沖洗時間主要根據反沖洗出水濁度進行判斷，圖5描述了活性炭濾柱反沖洗出水12min內的濁度變化規律。

由圖5可知，在進行反沖洗試驗的12min內，從整體上看其出水濁度隨著反沖洗時間的增長逐漸降低，濁度變化趨勢為由快到慢。反沖洗前4分鐘出水濁度降幅非常明顯，1min時濁度為30.2NTU，而4min時降低到12.7NTU，3min內濁度下降值達到17.5NTU，降幅約為58%。第4min以后，下降趨勢較之前趨緩。通常認為，當反沖洗廢水濁度下降到5.0NTU時，即可作為結束反沖洗過程的標志。由上圖可知，到11min時反沖洗廢水濁度為3.96NTU，與反沖洗進水濁度相當，符合上述反沖洗結束的條件。又考慮到活性炭的生物增強作用，為保證優勢菌群的活性，且為達到菌群均勻附著在活性炭表面的目的，反沖洗時間不宜過長，因此確定最終反沖洗時間為10min。

2.2 反沖洗周期內生物量的變化

從圖6中可以看出反沖洗前后生物量損失的變化規律，生物量的主要損失位于上層和中層，反沖洗前后，上層生物量約損失31.53%，中層生物量約損失36.46%，其主要原因是由于啟動期間中上層的菌群與載體未形成有力的結合，在反沖洗過程中易于損失。反沖洗前后的下層損失約為6%，變化幅度較小。經分析可知，優勢菌群具有很強的適應能力，在反沖洗后運行至第4天時，上中下層的生物量總數已進行了較為明顯的恢復和增長，較之反沖洗剛完成時分別增長1.27倍、2.73倍和1.1倍，在運行周期內，于反沖洗之前時上中下層生物量分別達到峰值，比反沖洗剛完成時分別增長4.25倍、7.08倍和6.04倍。啟動初期由于優勢菌種與載體的結合能力較弱，因此反沖洗對生物量的影響較大，當生物增強活性炭濾柱運行至第4周期以后，工藝運行已基本穩定，此時反沖洗對生物量的影響已微乎其微。

2.3 初濾水控制方法

初濾水一般持續的時間30～120min，初濾水中所含污染物濃度較高，為實現初濾水能夠被過濾，降低出水污染物濃度，采用在生物增強活性炭工藝反沖洗和過濾之間增加讓濾柱靜置的一段時間。圖7-圖9中以濁度為考察指標，分析了靜置0、15和30min后初濾水濁度的變化情況。

當靜置時間為0min進行過濾時（見圖7），由于反沖洗過程中滯留的雜質隨過濾過程流出，出現出水濁度高于進水濁度的現象，不利于水處理的達標運行。而當經過一定時間的靜置時（見圖8、9），初濾水濁度的最大值會降低。通過圖7～9分析可知，無論過濾前靜置與否，出水濁度均會出現短暫回升，靜置時間越長時，濁度回升的時間越短，靜置0min、15min和30min時濁度回升的時間分別為13min，3min，2min，由此可見靜置時間的加長有利于保證出水的安全性。除了短暫的回升時間外，濁度的整體變化趨勢均為隨過濾時間不斷降低，且發現靜置時間越長，達到出水濁度基本穩定的時間越短，靜置30min后較之靜置0min時出水濁度可提前8分鐘達到穩定值。同時發現，適當的靜置也有利于改善濁度的去除率。

3 結束語

本研究主要確定了生物增強活性炭工藝的最佳反沖洗參數，并對工藝運行初期的初濾水控制試驗方法進行了適當分析，采用水進行反沖洗，膨脹率控制在25%～30%，通過反沖洗出水濁度和優勢菌群活性的要求，綜合確定反沖洗時間為10min。且當濾柱的濾速為4.2m/h時，最佳反沖洗周期為8d。通過試驗也發現，當反沖洗結束時，生物增強活性炭濾柱靜置15～30min，待反沖洗時流化狀態的活性炭濾料下沉并壓實穩定后再進行過濾，對于控制初濾水水質效果顯著。

參考文獻

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