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生物活性炭濾池的反沖洗方式研究論文
摘要：反沖洗是保證生物活性炭濾池成功運(yùn)行的一個重要環(huán)節(jié)。對不同反沖洗方式的效果進(jìn)行了比較，根據(jù)反沖洗廢水濁度變化及對濾池出水水質(zhì)的影響，確立了合理的反沖洗方式，并給出相關(guān)的反沖洗強(qiáng)度和反沖洗歷時參數(shù)，以期為生物活性炭濾池的設(shè)計和運(yùn)行提供參考。
關(guān)鍵詞：生物活性炭 濾池 反沖洗
Study on the Backwash Method of Biological Activated Carbon Filter
Abstract：Backwash is very important for ensuring the successful performance of biological activated carbon (BAC) filter and an experimental study on the comparison of va rious backwash methods‘ results was carried out.Based on the variation in turbid ity of backwash effluent and the impact of backwash methods on filter effluent q uality,the proper backwash method was determined and the related parameters such as backwash strength and period were recommended,so as to offer reference for t he design and operation of BAC filter.
Keywords:biological activated carbon;filter;backwash
在臭氧—生物活性炭深度處理技術(shù)應(yīng)用中，生物活性炭(BAC)濾池的反沖洗問題非常棘手又亟需解決。隨著BAC濾池運(yùn)行時間的延長，炭粒表面和濾床中積累的生物和非生物顆粒量不斷增加，導(dǎo)致炭粒間隙減小，影響濾池的出水水質(zhì)和產(chǎn)水量［1］。反沖洗方式與相 關(guān)參數(shù)直接影響B(tài)AC濾池的運(yùn)行效果和成本。有研究表明［2］，采用單獨水沖的濾池出水中生物可同化有機(jī)碳(AOC)和細(xì)菌量高于采用氣水聯(lián)合反沖的濾池，而充分去除過量的生物膜是保證濾池成功運(yùn)行的重要前提。國外對生物濾池反沖過程中的顆粒脫附機(jī)理進(jìn) 行了研究［3］，但關(guān)于其程序及相關(guān)參數(shù)選取的報道較少，而這又恰是指導(dǎo)生產(chǎn)所必須解決的重要問題。國內(nèi)對此方面的研究起步較晚，個別采用生物活性炭技術(shù)的水廠只能直接參照國外經(jīng)驗，如昆明、北京水司均采用單獨水沖(濾層膨脹率為25%)。
1 試驗方法
1.1 工藝流程及裝置 中試的工藝流程為預(yù)臭氧化→混凝、沉淀、過濾→臭氧—生物活性炭，試驗裝置包括常規(guī)處理、臭氧化和BAC濾池處理系統(tǒng)。
BAC濾池橫斷面尺寸為500 mm×500 mm，高度為4.92 m，內(nèi)部均分為兩格，采用小阻力配水系統(tǒng)。池內(nèi)裝填ZJ-15型柱狀活性炭，其碘值和亞甲藍(lán)吸附值分別為961、187 mg/ g。運(yùn)行之前采用未加氯的砂濾出水先浸泡活性炭1周，再反洗清潔。
試驗期間，臭氧化與常規(guī)處理工藝參數(shù)基本恒定。預(yù)臭氧化的接觸時間和投量分別為4.5min和1.5 mg/L左右；主臭氧化的接觸時間和投量分別為16 min和2.0mg/L左右。常規(guī)處理水 量為3～3.5m3/h，混合時間為6～6.5s，反應(yīng)時間為23.2～19.9 min，沉淀池清水 區(qū)上升流速為1.39～1.62 mm/s、斜管內(nèi)上升流速為1.60～1.87mm/s，濾池濾速為6.49～7. 57 m/h。混凝劑和pH值調(diào)節(jié)劑分別采用液態(tài)堿鋁和氫氧化鈉，投加濃度分別為2.5、6 mg/L左右。
1.2 反沖方式
第一階段單獨水反沖試驗的炭床高度分別為2.0、2.5 m，沖洗強(qiáng)度分別為12、14、18L/(m2·s)，沖洗歷時約為10 min。第二階段氣水聯(lián)合反沖洗試驗的炭床高度為2.0 m，氣沖強(qiáng) 度分別為8、11、14L/(m2·s)，氣沖歷時分別為3、5min；水沖強(qiáng)度分別為6、8、10、1 2、14L/(m2·s)，水沖歷時約為10 min。
試驗期間BAC濾池進(jìn)水水溫較高(平均為29 ℃)，采用自然掛膜(生物膜成熟時間約為15d)，其反沖洗周期一般為7d。
2 結(jié)果與分析
水中生物顆粒的相對含量以濁度表示，其微生物最低檢測濃度為3.7×105個/mL［4］。BAC濾池反沖廢水中微生物濃度(個/mL)的數(shù)量級一般不低于105［2、3］，故以反沖廢水的濁度作為一項主要檢測指標(biāo)。
2.1 水反沖
�、贈_洗強(qiáng)度
試驗中以相同反沖歷時下的反沖廢水濁度、反沖廢水濁度與初始濁度的比值、從高濁度到持續(xù)低濁度的出現(xiàn)歷時作為評價指標(biāo)。
在一定范圍內(nèi)提高水沖強(qiáng)度會改善反沖洗效果。當(dāng)運(yùn)行條件相近、水沖強(qiáng)度分別為14、18/(m2·s)時，反沖廢水初始濁度分別為34.3、116 NTU。去除負(fù)荷相同導(dǎo)致二池截污量大致相等，而初始濁度高意味著被沖下的雜質(zhì)多，由此推知經(jīng)低強(qiáng)度水 沖后的BAC濾池殘余雜質(zhì)較多，這主要是由于水沖強(qiáng)度高會產(chǎn)生較大的剪切力和拖拽力，更好地促使炭、水以及炭粒間的摩擦碰撞。兩種水沖強(qiáng)度下反沖廢水濁度比值為10%的歷時分別為200s和80 s，反沖廢水濁度由高到趨于平穩(wěn)的歷時分別為210s和180s，這間接表明采用高強(qiáng)度水沖對濾層沖洗得較為徹底、排出被沖雜質(zhì)較為容易。炭床高度為2.5 m的BAC濾 池的試驗結(jié)果與此類似。
在低強(qiáng)度水沖后期換以高強(qiáng)度水沖的過程中，反沖廢水濁度隨反沖洗歷時呈倒V”形變化。
說明高、低強(qiáng)度聯(lián)合水沖的效果優(yōu)于單一低強(qiáng)度水沖。雖然組合強(qiáng)度的水反沖效果有所 改善，但不顯著，還大大增加了反沖洗耗水量，由此認(rèn)為單獨水反沖的適宜水沖強(qiáng)度為14 L/(m2·s)左右，對應(yīng)濾層膨脹率為20%左右。
�、谒疀_歷時
試驗中發(fā)現(xiàn)反沖廢水初期濁度、色度高，后期濁度、色度低，水沖強(qiáng)度為14、18L/(m2·s)時肉眼可見少量微生物絮體。這說明BAC濾池的反沖廢水中生物顆粒和非生物顆粒均占相 當(dāng)比例，并且生物顆粒的出現(xiàn)時間相對滯后。一般，顆粒脫附的前提條件是外加脫附力大于顆粒所受的粘附力，而非生物顆粒的粘附力主要由范德華力和化學(xué)鍵力等構(gòu)成。對于生物顆粒，微生物的疏水性及胞外物質(zhì)會產(chǎn)生比前述引力大得多的微觀引力［3］。
非生物濾池的反沖廢水中非生物顆粒占絕大多數(shù)，一般以反沖廢水濁度達(dá)到5NTU作為反沖洗結(jié)束條件。生物濾池中生物顆粒的脫附較難，其含量又難以濁度指標(biāo)來間接反映，故以反沖廢水濁度＜5NTU作為反沖洗結(jié)束的上限條件。同時，BAC濾池在反沖廢水濁度達(dá)到3NTU以后則很難下降，故將3NTU作為反沖洗結(jié)束的下限條件。對應(yīng)濁度為3～5 NTU的反沖洗歷時為6～8 min，即采用水沖強(qiáng)度為14L/(m2·s)的適宜歷時為6～8min。
�、鄯礇_洗排水槽與濾層間距
反沖洗排水槽與濾層的間距過小易造成濾料流失，間距過大則不利于反沖廢水的及時排出，還會消耗較多的反沖洗用水。如采用14、18L/(m2·s)強(qiáng)度聯(lián)合反沖洗、在去除負(fù)荷相近的情況下，炭床高度為2.0m和2.5 m的BAC濾池反沖廢水濁度變化趨于平穩(wěn)的歷時分別為210s和180s，反沖廢水濁度比值為10%的所需歷時分別為200 s和110s，反沖廢水濁度達(dá)到5 NTU的歷時分別為170s和160 s。在保證活性炭不被沖出池外的前提下，此高度差可適當(dāng)降低，建議實際應(yīng)用中以1.5～2.0 m為宜。
2.2 兩段式氣水聯(lián)合反沖洗
因長有生物膜的活性炭體積質(zhì)量小、氣水同時反沖洗的控制要求高，故采用兩段式氣水聯(lián)合反沖洗，即先排水至炭床表面下10 cm處，然后通入壓縮空氣反洗，停氣后再用水反沖。為更準(zhǔn)確地比較不同方式的反沖洗效果，采用濁污比(反沖廢水濁度與反沖之前去除CODMn總量之比)、濁污比與初始濁污比的比值、從高濁污比到持續(xù)低濁污比的出現(xiàn)歷時作為評價指標(biāo)。
�、贇馑礇_與單獨水反沖的比較
炭床高度為2.0 m的BAC濾池在去除負(fù)荷相近時，盡管水沖強(qiáng)度均為14L/(m2·s)，但先氣沖5 min的效果明顯較好。
氣水聯(lián)合反沖時反沖廢水的初始濁污比(1.39 NTU/gCOD)高于單獨水反沖的值(0.79NTU/gCO D),前者反沖廢水的濁污比從高到趨于平穩(wěn)的時刻(300 s)遲于后者(210s)，反沖廢水濁 污比與初始濁污比的比值達(dá)到10%的歷時也如此，原因在于較大的紊流氣體能預(yù)先沖松濾層 并更好地沖刷活性炭表面的生物膜。和普通濾池類似，單獨采用水反沖的BAC濾池具有一定的局限性。
�、跉鉀_強(qiáng)度與水沖強(qiáng)度的匹配
氣、水強(qiáng)度的匹配是優(yōu)化氣、水聯(lián)合反沖洗的重要方面。氣、水強(qiáng)度組合分別為14、8L/(m2·s)和8、10～12L/(m2·s)的試驗結(jié)果表明，在反沖洗初期(0～60s)，相同反沖歷 時下的反沖廢水濁污比是前者大于后者，而反沖廢水的持續(xù)低濁污比及濁污比與初始濁污比的比值為10%的出現(xiàn)歷時大體相近；所需反沖水量大致相等。由此決定采取高氣沖強(qiáng)度、低水沖強(qiáng)度的匹配方式。
其他條件相同，增大水沖強(qiáng)度會改善反沖洗效果，表現(xiàn)為反沖廢水初期濁污比增大，反沖廢水濁污比從高值到持續(xù)低值及濁污比與初始濁污比的比值為10%的所需歷時縮短，達(dá)到反沖廢水濁度為3～5 NTU的所需耗水量大體相等。雖然水沖強(qiáng)度為6、8 L/(m2·s) 的試驗結(jié)果也類似，但因常規(guī)工藝出水中會殘存一定的溶解性有機(jī)污染物，臭氧化又減小了其粒徑，增大了微粒擴(kuò)散常數(shù)，增加了微粒間碰撞幾率和范德華引力，促使微粒被粘附的強(qiáng) 度和機(jī)會增加而更難于脫附。建議氣沖后采用微膨脹水沖［強(qiáng)度為8L/(m2·s)］。
�、蹥鉀_強(qiáng)度
固定氣沖歷時為5 min、后續(xù)水沖強(qiáng)度為8L/(m2·s)，分別以氣沖強(qiáng)度為8、11、14 L/(m2·s)進(jìn)行氣、水反沖洗的試驗結(jié)果表明，提高氣沖強(qiáng)度可改善反沖洗效果，主要 表現(xiàn)為初期反沖廢水的濁污比基本隨氣沖強(qiáng)度增大而增大。
在氣沖強(qiáng)度為14L/(m2·s)的反沖洗試驗中發(fā)現(xiàn)生物膜的脫落較為明顯，且氣沖后的新一輪運(yùn)行初期，BAC濾池對CODMn、藻類等的去除效果下降，這又說明反沖洗的關(guān)鍵是既要去除過量的老化生物膜，又要充分保證新一輪啟動所需的生物量。建議生產(chǎn)中采用11～14L/(m2·s)的氣沖強(qiáng)度，待積累一定經(jīng)驗后再取適當(dāng)高值。
�、芊礇_歷時
反沖歷時直接影響反沖洗的效果和能耗。當(dāng)采用氣、水沖強(qiáng)度分別為14、8L/(m2·s)，氣沖歷時分別為5、3min時，反沖廢水的初期濁污比差別不明顯；但濁污比從高值到持續(xù)低值、濁污比與初始濁污比的比值為10%、反沖廢水濁度達(dá)到5～3 NTU的出現(xiàn)歷時有所差異，原歷時為3 min的值約延長了1～2 min。這說明延長氣沖歷時可使炭粒表面污物受到更為持久的剪切和剝離，使脫落污物的排出較為容易，但因總體效果相近，實際氣沖歷時可視情況選3～5min。
綜合氣沖強(qiáng)度為11～14L/(m2·s)、氣沖歷時為(3～5min、水沖強(qiáng)度為8L/(m2·s)的反沖洗試驗結(jié)果可知，反沖廢水濁度達(dá)到5～3 NTU的所需 歷時為260～550 s，即所需的水沖歷時約為5～7 min。
3 結(jié)語
�、偬苛１砻嫔镱w粒的脫附難于非生物顆粒，建議生產(chǎn)中反沖洗結(jié)束的控制指標(biāo)為反沖廢水濁度達(dá)到3～5 NTU。
�、趦啥问綒�、水聯(lián)合反沖洗的效果優(yōu)于單獨水反沖，并可節(jié)約耗水量，推薦采用先以高強(qiáng)度空氣擦洗、再以微膨脹水漂洗的方式。適宜的氣沖強(qiáng)度為11～14L/(m2·s)、歷時為3～5 min，水沖強(qiáng)度為8L/(m2·s)、歷時為5～7 min。
③如采用單獨水反沖，建議適宜的反沖強(qiáng)度為12～14L/(m2·s)、濾層膨脹率為20%左右，反沖歷時為6～8 min。
�、芴看采媳砻媾c反沖廢水排水槽間的高度差對反沖洗效果有一定影響，實際應(yīng)用中以1.5 ～2.0 m為宜。
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