生物活性炭吸附石化廢水有機污染物實驗研究

喬國亮，張國珍，王倩，楊浩，牛燕

（蘭州交通大學環境與市政工程學院，蘭州 730070）

0 引言

隨著我國市場對石油類產品需求的不斷上升，各地石化公司都在擴大其生產規模，導致公司排出的廢水中有機物污染物種類不斷增加，水質狀況不容樂觀。生物活性炭工藝作為水處理深度處理技術，已在各地實踐應用中取得了良好的效果[1]。本實驗以中國蘭州石化公司下屬污水處理廠二級廢水作為研究對象，采用生物活性炭掛膜方式，通過對有機污染物吸附能力研究，確定出最佳水力負荷及活性炭濾層厚度，為進一步處理蘭州石化二級廢水提供一定的科學依據。

1 實驗條件

1.1 實驗裝置

本實驗裝置圖如圖1所示，生物活性炭過濾柱內徑為5 cm，柱高130 cm，柱內距底部20 cm處設有承托層，為防止活性炭顆粒流失，在承托板上端放置過濾網。活性炭濾柱底部設有曝氣頭，由空氣泵將空氣打入濾柱底層。本實驗采用顆粒活性炭，粒徑 0.8～2 mm，比表面積 700～1500 m2/g，柱內填裝高度為90 cm，在承托板上方20 cm與60 cm處分別設置取樣口A、B，并在濾柱上方設置主出水口，濾柱底部隔離處設置原水進水口。實驗原水在提升泵的作用下由原水水箱進入濾柱底部，經過生物活性炭過濾后，流至出水水箱。本實驗采用下部進水曝氣，上部出水的方式，使水和空氣以推流方式上升，保證污水在過濾時具有均勻的濾速。濾料受到向上的沖擊力，可以使得濾料具有一定膨脹度，保證濾料與水及空氣的充分混合，既提高了濾料的掛膜效果，又降低了濾池的沖洗頻率。

1.2 實驗方法

本實驗采用掛膜方法為氣水上流式自然掛膜法[2]，實驗原水由蘭州石化二級廢水與生活污水按一定比例混合而成。實驗具體方法為：在溫度20℃ 左右，水力停留時間為3 h，氣水比為 1:3的條件下進行自然掛膜。初始進水量約為0.6 L/h，之后逐漸增大進水量，為微生物提供所需的生存環境。從裝置運行第二天開始，對濾柱的進出水COD及NH3-N的濃度進行測定，待COD與NH3-N的去除率穩定在一定范圍內時，即可判定活性炭濾柱掛膜成功[3]。掛膜期間實驗水質,見表1：

表1 掛膜期間實驗水質

2 生物活性炭掛膜實驗

圖2為掛膜啟動到掛膜成功近55 d中生物活性炭濾柱進出水COD變化曲線。由圖2可以看出，掛膜前期活性炭對原水中的COD去除率較好，平均去除率達到70%以上。這是因為掛膜前期活性炭吸附能力未飽和，可以對水體中的有機污染物進行吸附，從而使水體達到凈化。活性炭吸附能力飽和后，生物膜會逐漸形成，掛膜后期濾柱對原水的凈化能力由初始的活性炭吸附作用轉化為生物降解作用，最后達到比較穩定的去除效果，對COD的平均去除率達到40.3%，實驗45 d左右，濾柱掛膜成功。

圖3為掛膜期間活性炭濾柱進出水NH3-N變化及其去除率曲線。由圖3可以看出，掛膜前期NH3-N去除主要依靠活性炭的吸附作用，去除率呈上升趨勢。活性炭掛膜成功后，對NH3-N的去除主要依靠硝化細菌的硝化作用，濾柱對NH3-N的平均去除率達到了60%。

3 生物活性炭影響因素實驗

3.1 水力負荷對污染物去除效果影響

本實驗研究生物活性炭濾層厚度一定的前提下，在不同水力負荷條件下對各污染物的去除效果，實驗選用的水力負荷分別為0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5 m3/（m2·h），活性炭濾層厚度為 90 cm，氣水比保持為1:3。

圖4是活性炭濾柱在不同水力負荷條件下對水中污染物COD的去除效果圖。由圖4可以看出，在濾層厚度一定的條件下，不同的水力負荷可以影響活性炭濾柱對原水COD的去除率。本實驗表現為，當水力負荷由 0.25 m3/（m2·h）逐級增加至1.5 m3/（m2·h）時，活性炭濾柱對原水的COD 去除率由45.33%降低至24%。由此可得，隨著水力負荷的不斷增大，會使其相對應的水力停留時間減少，從而降低活性炭濾柱對COD的去除率。根據各地實踐工程經驗[4]，對于處理有機污染物較低的石化二級出水，水力負荷一般采用0.75 m3/（m2·h）。

圖5是活性炭濾柱在不同水力負荷條件下對水中污染物NH3-N的去除效果圖。由圖5可以看出，在濾層厚度一定的條件下，水力負荷的增大使得濾柱對NH3-N的去除率呈現下降趨勢。當水力負荷由 0.25 m3/（m2·h） 逐級增加至 1.5m3/（m2·h）時，活性炭濾柱對原水的NH3-N去除率逐漸降低， 其中水力負荷由 0.25～0.75 m3/（m2·h） 時，濾柱對NH3-N去除率變化不大，達到87%以上，繼續增大水力負荷，濾柱對NH3-N的去除率出現明顯下降，其中當水力負荷為 1.25 m3/（m2·h）時，濾柱對原水NH3-N的去除率下降至62.11%。由此可得，水力負荷在合理范圍內，活性炭濾柱對NH3-N的去除率較高，這是因為水力停留時間充足，硝化細菌在溶解氧充足的情況下，會增大其硝化能力，繼而提升對進入濾柱的NH3-N的分解及氧化能力。

圖6是活性炭濾柱在不同水力負荷條件下對水中污染物UV254的去除效果圖。由圖6可以看出，在濾料厚度一定的條件下，UV254的去除率隨著水力負荷的增加而下降。當水力負荷由0.25 m3/（m2·h）逐級增加至 1.5 m3/（m2·h） 時，活性炭濾柱對UV254的去除率由44.52%下降至 6.24%，原因是由于水力負荷的增加，使得水力停留時間對應減少，使得活性炭濾柱對原水UV254的去除率下降。

圖7是活性炭濾柱在不同水力負荷條件下對水中污染物濁度的去除效果圖。出水濁度隨著水力負荷的增加而逐漸減小。當水力負荷由0.25 m3/（m2·h）逐級增加至 1.5 m3/（m2·h）時，活性炭濾柱對原水濁度的去除率由87.15%下降至59.14%。當水力負荷較小時，原水在濾柱中水力停留時間較長，由于活性炭吸附及生物膜的截留作用，使原水濁度的去除率較高。隨著水力負荷的增大，導致水力停留時間減少，原本被活性炭截留的物質會被高負荷的水流沖出濾柱，同時高負荷的水流還會造成生物膜失穩脫落，最終導致活性炭濾柱出水濁度升高。

3.2 活性炭濾層厚度對污染物去除效果影響

在水力負荷一定時，活性炭濾層厚度對原水中有機污染物的去除有重要作用。活性炭濾層厚度與吸附時間呈正比關系，濾層厚度越大，活性炭吸附時間則越長，活性炭與原水的反應越充分，對原水的凈化作用越明顯。反之，對原水的凈化作用越弱。本實驗在水力負荷保持在0.75 m3/（m2·h）的前提下，保證其它初始參數不變，通過改變濾層厚度這一變量，研究濾層厚度對原水中有機污染物的去除效率，濾層厚度分別取 30、60、90 cm。

圖8是不同濾料厚度條件下活性炭濾柱對COD的去除效果圖。由圖8可以看出，水力負荷保持在一定條件下時，濾層厚度由30 cm逐級增加至90 cm時，活性炭濾柱對 COD的去除率由22.37%上升至46.3%。由此可得，在水力負荷保持一定的條件下，濾層厚度越大，對原水中COD的去除率越高。

圖9是不同濾層厚度條件下活性炭濾柱對NH3-N的去除效果圖。由圖9可以看出，在水力負荷保持在一定的條件下，活性炭濾層厚度越大，對原水NH3-N的去除率越大。當濾層厚度由30 cm逐級增加至90 cm時，濾柱對原水NH3-N的去除率由20.93%增至89.08%。這是因為本實驗的進水采用下進上出的運行方式，廢水中的有機物可以為異養細菌提供良好的生長環境，使異養細菌快速繁殖，極大阻礙了硝化細菌的硝化作用，從而導致濾層底部的 NH3-N去除率降低；隨著廢水上升至濾柱中上層，廢水中利于異養細菌的有機物總量下降，異養細菌的繁殖能力受到重大影響。相反，硝化細菌在該區域可以利用的溶解氧含量升高，大大提升了其硝化作用，對原水NH3-N的去除率也隨之升高。

圖10是不同濾層厚度條件下活性炭濾柱對濁度的去除效果圖。由圖10可知，當濾層厚度由30 cm增至90 cm時，濁度的平均去除率由43.76%增至77.2%。其中濾層厚度在0～60 cm時，濁度去除率隨著濾層厚度增加而大幅增加，繼續增加濾層厚度，濁度的去除率增加呈現相對緩慢的趨勢，在超過90 cm后，濁度的去除率基本穩定。這是因為實驗進水采用下進上出的方式，當廢水進入濾柱后，底層濾料會對濁度有很好的截留作用，濁度去除率較高。隨著濾層厚度的增加，廢水達到濾柱的中上層時，只剩下體積較小的污染顆粒，從而出現濾料對污染物截留效率下降的現象。

4 結論

（1）掛膜前期，活性炭對原水中COD的平均去除率達到70%以上；對NH3-N的去除率不穩定，但整體呈上升趨勢。掛膜后期，由于生物膜的降解作用，COD與NH3-N的去除率都比較穩定，其中濾柱對COD的平均去除率為40.35%，對NH3-N的平均去除率達到60%。

（2）通過考察不同水力負荷條件下對各污染物的去除效果，結果表明：當水力負荷由0.25 m3/（m2·h） 逐級增加至 1.5 m3/（m2·h） 時，原水 COD的平均去除率由45.33%降低至24%，原水NH3-N的平均去除率由89.47%降至62.11%，原水UV254的平均去除率由44.52%降至6.24%，原水濁度平均去除率由87.15%降至59.14%。通過對結果分析，最佳水力負荷為 0.25～0.75 m3/（m2·h）。

（3）在水力負荷一定的條件下，廢水中污染物的去除率隨著濾層厚度的增加而上升。當濾層厚度由30 cm增至90 cm的過程中，對原水中COD的平均去除率由22.37%上升至46.3%，對原水中NH3-N的平均去除率由20.93%上升至89.08%，對原水中濁度的平均去除率由43.76%上升至77.2%。通過對結果分析，最佳活性炭濾層厚度為90 cm。

[1]秦永生,孫長虹.生物活性炭工藝用于廢水深度處理的設計[J].中國給水排水.2003,19:88-91.

[2]姚宏,馬放,李圭白等.臭氧-生物活性炭工藝深度處理石化廢水[J].中國給水排.2003,19(6):39-41.

[3]張金松.臭氧化-生物活性炭除微污染工藝過程研究[J].給水排水.1996,22(4):55-56.

[4]蔣福春.臭氧一生物活性炭工藝的優化運行研究[D].哈爾濱工業大學,2006.