温度对生物活性炭反应器净水效能的影响研究

杨世东，刘志东，张兰河，崔凤国，于 雷，潘 强

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132012;2.东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012;3.吉林市市政设施管理处，吉林 吉林 132011;4.吉林油田公司公用事业管理公司，吉林 松原 138000)

随着经济的发展，水污染范围的扩大，人们对高效水处理技术的需求更加迫切。国内相关工作者通过对现有技术运行参数的调整、设备的改进和新型处理水技术的研发来满足这一需求[1－5]。生物活性炭技术综合了微生物降解及物理化学吸附的优势，使得该工艺对有机物(尤其是分子量在1 kD－3 kD)、色度、浊度、氨氮等都具有良好的去除效果。生物活性炭对分子量大于3 kD的有机物的生物降解能力有限，从而使得化学氧化和生物活性炭吸附降解相结合的联合工艺被广泛研究，部分已被实际应用[6]。其中臭氧—生物活性炭(BAC)作为良好的深度水处理技术被人们普遍接受。本研究针对我国北方四季温差变化大的气候条件，分别考察了低温阶段(5－18℃)和常温阶段(19－26℃)下温度对生物活性炭技术净水效能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置与材料

实验装置均采用有机玻璃粘制而成。生物活性炭反应器为长200 cm，直径为4 cm。活性炭填装高度为100 cm，底层是10 cm的衬托层，并在间隔30 cm处安装取样阀。

1.2 实验方法

图1 实验装置图

本实验分为生物活性炭微生物培养、低温实验、常温实验三个阶段完成。第一个阶段连续运行使活性炭表面微生物生长富集到足够的数量。第二、三各阶段分别在温度为5－18℃和19－26℃下运行反应器。三个阶段进水量均为6.28 L/h，停留时间为12 min，流速5 m/h。实验过程中每三天监测一次水中高锰酸盐指数、浊度、硝态氮、UV254变化情况。进水水质见表1。

表1 生物活性炭反应器进水水质

1.3 水质分析方法

水质分析方法见表2。

表2 测量仪器及方法

2 结果与讨论

2.1 生物活性炭挂膜培养

图2为进出水高锰酸盐指数随时间的变化情况。反应器在运行前期，在活性碳表面没有微生物生长，只有单纯的活性炭吸附作用。由于进水高锰酸盐指数相对比较低，所以在19 d以前没有明显的去除效果。随着微生物膜的初步成型，在21－27 d去除率明显升高。28 d到30 d生物活性炭出水高锰酸盐指数值趋于稳定，说明生物活性炭挂膜培养基本完成。

图2 挂膜培养阶段进、出水高锰酸盐指数

图3 常温和低温两个阶段进、出水高锰酸盐指数

2.2 高锰酸盐指数的变化

从图2中可以看出，该生物活性炭反应器对高锰酸盐指数的去除情况不理想。这是由于进水高锰酸盐指数低，说明生物活性炭对低浓度可氧化有污染物的去除能力有限。在该研究中常温状态下高锰酸盐指数的去除率平均达到15.90%，低温实验阶段生物活性炭对高锰酸盐指数的去除率平均为4.38%，效果差于常温状态。分析其原因是由于活性炭表面稳定的生物膜进入到相对低温的环境后，微生物代谢减慢，微生物降解作用也随之减弱。另一个原因可能是由于温度的降低使得部分与活性炭结合相对较弱的表面微生物在剪切力的作用下脱落，从而引起了微生物膜的不稳定，最终导致代谢能力的减弱。总之，常温状态下的去除效果要好于低温状态，单独的生物活性炭对低高锰酸盐指数的原水去除能力有限，需要和其他工艺联合应用。

2.3 硝态氮的变化

通过硝酸盐浓度的变化可以反映反应器内硝化细菌的生长情况，同时间接反映氨氮的去除情况。如图5可以看出生物活性炭对硝态氮去除效果不理想。这与亚硝化细菌、硝化细菌的硝化作用有关，而硝化细菌属于自养菌，从无机物的氧化过程中获得能量，所以在一般情况下硝化细菌生长缓慢。从图5中可以看出，在常温状态下，反应器中存在一定浓度的硝化细菌生长。而在低温条件下进出水硝态氮基本无变化，这是由于低温降低了硝化细菌的生长速率，进而影响了其代谢速度。所以，温度对硝态氮的去除有很大影响。

图4 常温和低温两阶段进、出水高锰酸盐指数去除率

图5 常温和低温两阶段进、出水硝态氮

2.4 浊度的变化

多数有机物随温度的降低溶解度下降，所以低温下更容易被吸附，同时活性炭的吸附过程是放热过程，随温度的下降，活性炭的吸附能力反而加强。反之，温度上升，活性炭吸附能力减弱，但微生物活性代谢活动增强，被降解的有机物量增加。吸附作用和生物降解两者共同作用构成了一个动态平衡的运行状态。所以温度对生物活性炭浊度的去除没有明显影响，这也是生物活性炭运行稳定的表现。

图6 常温和低温两阶段进、出水浊度

图7 常温和低温状态下进出水UV254吸光度

2.5 UV254的变化

UV254是以光学原理为基础的参数，芳香族化合物或具有共轭双键的化合物在254 nm的波长处有吸收峰，可作为TOC及T－THMFP的代用参数[7]。图7中表明在常温和低温状态下前期的处理效果均不理想，低于相同实验阶段高锰酸盐指数的去除率。有研究发现在1－3 KU范围之内生物活性炭才具有良好的降解去除能力[8]。这说明水中芳香族或共轭双键化合物分子量大多小于1KU。另外，通过图7可以发现:进入常温和低温环境后生物活性炭对该因素的反应有滞后性。通过常温和低温曲线对比发现经过一定时间后，去除效果并没有明显的区别。说明活性炭表面微生物对温度的变化存在一定的适应能力。所以，对于吸附和生物降解共同作用构成的动态平衡反应器而言，常温和低温两个状态下生物活性炭对UV254的去除效果没有明显区别。

3 结 论

本研究结论如下:

(1)单级生物活性炭反应器对低浓度可氧化有机污染物的去除能力有限;生物活性炭反应器对高锰酸盐指数的去除受温度的影响，常温条件下去除能力强于低温条件;

(2)常温条件下生物活性炭对硝态氮的去除效果依赖于系统中足够浓度的硝化细菌。低温抑制微生物活性，影响硝态氮的去除;

(3)温度对生物活性炭去除浊度的能力没有明显的影响;

(4)本研究反应器进水中含芳香族或共轭双键化合物的分子量大多小于1 KU;生物活性炭在5－18℃和19－26℃两个温度范围对UV254去除率差别不大，但都有明显的滞后性。

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