反冲洗对4种换炭模式下生物活性炭层生物量和水质指标的影响

2024-02-26方芳

净水技术 2024年2期

方芳

(上海市供水调度监测中心,上海 200080)

近年来,随着生活饮用水水质指标的不断提升,越来越多的水厂采用臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度处理工艺以应对日益受到微污染的原水水质[1]。BAC池主要是利用微生物的生物降解作用和颗粒活性炭的吸附来去除水中的微量有机物。为了充分发挥炭池的微生物作用,炭层中需要有足够的生物量。活性炭需要得以再生,且截留杂质不宜过多。因此,反冲洗是维护活性炭池正常运行的关键因素,与常规处理工艺中砂滤池反冲洗的目的不同,BAC反冲洗的目的是通过水流剪切摩擦、活性炭颗粒间碰撞摩擦等过程的多重作用下,使老化的生物膜及杂质在强烈的剪切、碰撞作用下得以脱落,促进生物膜的更新,同时,需要保持必要的生物量,以满足下一个周期的正常运行[2]。

随着近年O3-BAC工艺在水厂中的持续运行,大部分采用O3-BAC工艺的水厂均面临着大规模炭池换炭问题。在活性炭换炭方式的选取上,研究[3]表明,相比于部分换炭,全换炭方式对水质处理效果更佳,但全换炭用炭量大,总体投入大,短期投资效益低。我国南方某水厂提出,在原水水质相对较好的情况下,通过装填2/3旧炭、1/3新炭的方式就能够使出水水质显著提高[4]。上海某水厂提出更换2/3的旧炭更为合适[5]。由此可见,不同的换炭方式对O3-BAC工艺稳定运行具有重要意义。

因此,本文主要考察4种换炭模式下,即1/3新炭和2/3旧炭(已经在生产中运行使用3年的颗粒炭)、2/3新炭和1/3旧炭、全部粗制新炭以及全部精制新炭,反冲洗对生物量以及水质指标的影响,研究成果可为保障饮用水深度处理工艺的安全高效运行提供理论与技术指导。

1 试验部分

1.1 试验设备及其工艺流程

试验采用的模型BAC柱高为3.5 m,溢流口和进水口均位于3 m的高度,活性炭层高为1.8 m,炭柱直径为100 mm,炭柱下层铺设20 cm厚的绿豆砂承托层,起到承托和反冲洗时均匀布水的作用,与生产的活性炭池相当。活性炭柱的流量控制在60 L/h,流速为7.7 m/h,空床接触时间为14 min。反冲洗水箱尺寸:长为50 cm,宽为30 cm,高为40 cm,容积为60 L。反冲洗水泵和提升水泵均采用高压自吸管道泵,型号为SCP-180A,扬程为25 m,流量为16 m3/h,吸程为6 m,转速为2 850 r/min。试验采用的工艺流程如图1所示。

图1 试验设备及工艺流程

试验采用粗制和精制颗粒活性炭,其各项参数如表1所示。

表1 粗制炭和精制炭的性能参数

4根活性炭柱的填装新炭和旧炭的比例和品种状况如表2所示。

表2 试验炭柱填装活性炭种类

1.2 试验活性炭柱反冲洗参数

某水厂BAC柱的反冲洗以膨胀率间接指示反冲洗强度,4根活性炭柱的膨胀率均为25%,旨在考查不同的换炭方式对单独水反冲洗的适应情况。

反冲洗周期以旧炭比例最高的1#活性炭柱为准,每周反冲洗2次。反冲洗均采用砂滤池滤后水进行。研究认为,反冲洗时20%～30%为炭层最佳膨胀率[6-7],因此,本试验采用了大部分水厂常用的反冲洗膨胀率。反冲洗参数选择如下:炭层膨胀率e=25%,冲洗时间为10 min,对应的反冲洗强度约为25 m3/(m2·h)。试验阶段的水温为28 ℃。一方面,反冲洗时间取10 min是为了使炭层内积聚较多的悬浮固体和老化的生物膜能够充分剥离炭层,提高反冲洗效果;另一方面,反冲洗时间又不宜过长,以防造成大量生物膜的损失。

1.3 采样与检测方法

反冲洗前测定的指标在炭池生产周期结束反冲前30 min取样,反冲后测定的指标则在反冲洗后运行20 min取样。活性炭载体生物量的测定:所取炭样均为相距炭层表面50 cm处(上层)的炭。水质指标和三卤甲烷生成潜能(THMFP)以及生物量等分析方法与使用仪器如表3所示。

表3 水质指标分析方法及仪器

2 结果与讨论

2.1 反冲洗对活性炭试验柱炭层中生物量的影响

采用惯用的脂磷分析方法对炭层中的生物量进行测定[9],该法测定的是炭层样品中的生物总量。根据有关研究[9],硝化细菌在炭层生物总量中所占比例很少,因而测定结果不能反映硝化自养细菌的数量,而脂磷法在测定不可培养型生物量方面具有优势。

磷脂为所有细胞中生物膜的主要组分[10],往往在细胞死亡后快速分解,其在细胞中含量约为50 μmol/(g干重),在不同生理和化学压力之下波动一般不超过30%～50%。生物膜脂类(90%～98%)以磷脂形式存在,磷脂中的磷含量用比色法测定,称“脂磷法”,用其来表示生物量,已经在饮用水BAC处理研究中得以应用。生物量结果往往以nmol Lipid-P/g或nmol Lipid-P/(mL填料)来表示,1 nmol P大约相当于水中1×108个大肠杆菌(E.Coli)细胞的大小。试验采用反冲洗强度约为25 m3/(m2·h)。

由图2可知,反冲洗前后活性炭上层的生物量发生明显变化,4根炭柱生物量均有不同程度损失。根据BAC池中微生物之存在形式,可将其分为附着型微生物和悬浮型微生物。试验结果[11]表明,附着型微生物的量较大(占80%左右),且与炭粒之间结合力比较强;而悬浮型微生物约占生物总量的20%,游离于炭粒之间。

注:AC——活性炭。

异养菌的主要作用被认为是降解有机物,可用CODMn表示,其活性大小以及数量关系到水中有机物的去除效果。由图2可知,反冲洗前后有效降解有机物的生物损失量并不大,其降解有机物的作用并未因水力冲刷而减弱,而生物量的降低主要是为悬浮态的微生物受反冲洗水力冲刷脱落所致,并且这些损失的悬浮态微生物对降解有机物的贡献不大,真正对有机物降解的异养菌大多为附着态,比较稳定的生态系统中的生物才是降解有机物的关键。

一般而言,微生物活性是由基质浓度和微生物量两个方面来共同决定的。在进水基质浓度基本稳定的情况下,反冲洗使活性炭上层的微生物量损失大,那么总降解能力就会下降,这恰恰为下层微生物创造了相对较大的基质浓度,此时微生物活性将会有所提高。这就是在对生物系统进行了水力冲刷后,BDOC去除率仍然上升的原因。

试验对炭柱的总生物量进行了测定,1#炭柱生物量的损失率低,2#炭柱损失的生物量略低于3#炭柱,但是反冲洗前后生物量的损失率和3#炭柱接近。同时,炭柱中旧炭比例的高低和炭的粗制与精制均对生物量的大小略有影响,3#炭柱装填全新炭(粗制),炭层的生物量比其余3根炭柱(1#、2#和4#)更多。但4#炭柱装填全新炭(精制),不仅生物量不高,而且生物量的损失也明显较大,相对于3#炭柱,4#炭柱上的生物系统更无法抵抗水力冲刷。这说明前期吸附阶段表现优异的炭未必适应O3-BAC的长期运行,以生物载体作用为主的活性炭,不仅要有好的吸附效果,更重要的是要为异养菌和硝化自养菌提供合适的生长环境,这可为BAC池选炭提供参考。

2.2 某水厂活性炭池反冲洗对炭层中生物量的影响

由于本研究试验条件的限制,无法对炭柱进行气冲的试验研究。因此,对某水厂生产工艺上的反冲洗工况进行了生物量的对比测定研究(炭柱中的旧炭来自该水厂的炭池)。滤池反冲洗过程以往都是采用水冲洗,后来才发展为气水冲,生产上的炭池沿用了滤池的气水冲洗。实际上炭的质量低于石英砂,即炭比砂轻,所以在某种意义上单独使用水冲洗,理念上也可行,但需要试验研究结果来证明。因此,做单独水反冲洗试验,进行对比研究,具有实用意义。

某水厂生产上运行的炭池反冲洗采用气水先后反冲,反冲洗过程为先气冲5 min,气冲强度为55 m3/(m2·h);然后再水冲5 min,冲洗强度为25 m3/(m2·h),冲洗周期是5 d。测定所取炭样为近炭面的BAC。

对某水厂生产上正在运行的条件相仿的4个活性炭池(亦分别编号为1#、2#、3#和4#)分别取自BAC池上层,分析测定其在反冲洗前后的总生物量(图3)与附着生物量(图4)。由图3可知,生产运行中的炭池内BAC上层的生物量相较试验模型炭柱中的普遍要高,一方面,这可能是由于正在生产中的炭池运行时间较长;另一方面,也可能由于取炭样的高度不同,存在误差。试验模型炭柱取的是上层炭样,其距离炭面约有50 cm;生产上运行的BAC池由于取样条件的局限,取的是靠上层炭样,其相对于下层炭,上层炭中的基质浓度会更高,因而生物量也会相对更多。

图3 生产运行中的BAC池在反冲洗前后炭表面的总生物量变化和损失率比较

图4 生产运行中BAC池反冲洗前后BAC表面附着生物量变化以及损失率比较

生产运行炭池气水反冲洗前后总生物量的损失率比单独水冲炭柱的反冲洗前后总生物量的损失大,同时运行的2#和3#炭池的生物量和生物损失率相近,4#炭池的生物量损失率最大。这说明由于生产运行的炭池中生物量承受了气冲的冲刷力,4#炭柱上的生物量比3#炭柱更低。

活性炭表面附着的生物量在反冲洗前后变化较小,损失率都在10%以下。这说明适当的反冲洗方式以及反冲洗强度,对活性炭层上稳定的生态系统影响很小,这也说明BAC池可尝试采用单独水冲洗的方式。反冲洗损失的大多数为悬浮态微生物,附着微生物不仅完好保存在生物载体上,而且由于反冲洗将老化的生物膜和悬浮生物冲洗去除,使活性炭上留存的微生物得到了更高质量的基质浓度,提高了其活性。

2.3 BAC反冲洗前后主要水质指标的变化

试验进行了4根炭柱的相关水质指标测定,各指标在反冲洗前后的变化曲线如图5～图11所示。这种变化主要是反映反冲洗前30 min和后20 min炭层出水水质的变化,一般在反冲洗后2 h趋于稳定运行[11]。

图5 反冲洗前后各BAC柱水中浑浊度变化

(1)浑浊度

反冲洗前后各BAC柱水中浑浊度的变化如图5所示。

从图5可知,4根活性炭柱反冲洗前后的浑浊度虽均有不同程度的上升,但是均保持在0.30 NTU以下,变化幅度不大。其均出现上升的现象,分析可能是反冲洗过程中老化的生物膜剥落,且并未被反冲水流带出炭柱,而从取样口泄漏造成浑浊度上升的现象。

(2)CODMn

与前述常规指标反冲洗前后存在差异不同,CODMn却没有很大变化,4根炭柱在反冲洗前后的去除率波动较小(图6)。反冲洗后活性炭有效的吸附部位得到恢复,吸附能力增强,同时生物的活性也得到加强,使CODMn的去除率维持在一个较高的水平上。一般,反冲洗前后活性炭柱出水中CODMn与进出水浓度相关。

图6 反冲洗前后BAC柱出水中CODMn 去除率比较

(3)UV254

反冲洗后UV254的去除率较反冲洗前均有一定上升(图7),这是由于反冲洗将老化的生物膜剥落之后,原有活性炭上有效的吸附部位空出来,可再次进行吸附作用,加上降解有机物的生物数量并未明显减少,所以UV254体现出了更高的去除率。一般,反冲洗前后活性炭柱出水中UV254与进出水浓度相关。

图7 反冲洗前后BAC柱出水中UV254去除率比较

(4)DOC

DOC的情况(图8)和UV254类似,空出的有效吸附部位和异养菌的生物活动,保证了反冲洗后DOC的去除率均有所上升。

图8 反冲洗前后BAC柱出水中DOC去除率比较

另一个现象是,反冲洗前3#炭柱对DOC的去除率略高于4#炭柱,但是反冲洗后,4#炭柱的去除率大幅上升,为4根炭柱中最高。对反冲洗前后的生物量分析也表明,4#炭柱的生物量在反冲洗前后的损失率最高。由此可见,虽然反冲洗减少了生物量,但生物膜的脱落腾出了更多的吸附位置。因此,4#炭柱老化的易剥落的生物数量最多,在反冲洗后,吸附作用恢复最大。一般,反冲洗前后活性炭柱出水中DOC与进出水浓度相关。

由此可见,反冲洗有利有弊。它既能冲刷掉部分附着在活性炭上的生物膜,导致生物降解的去除效果降低(反冲洗后运行20 min时),但同时又能使活性炭的吸附能力得到恢复,老化生物膜脱落也提高了微生物获得营养物质的传质效率,增强后续去除效果。

(5)BDOC以及NBDOC变化

从CODMn反冲洗前后的变化可以推断,4根活性炭柱上异养菌的数量没有明显降低,而反冲洗后BDOC(图9)去除率均升高的现象,则说明总生物量虽然减少,但是生物活性反而加强,生物降解作用更为明显,这与参考文献[11,9]研究结果一致。这再次表明反冲洗能使老化的生物膜脱落,提高了微生物获得营养物质的传质效率,增强去除效果。

图9 反冲洗前后BAC柱出水中BDOC去除率比较

NBDOC(依靠吸附去除的DOC)在反冲洗前后变化明显(图10)。反冲洗前,1#、2#和3#炭柱分别按照旧炭比例的多少呈现相同的趋势。1#炭柱的旧炭比例最高,所以有效的吸附位最低,反冲前已基本上没有吸附作用。2#和3#炭柱在反冲前虽然还具有吸附作用,但是也比较微弱,这是因为BAC柱都已进入以生物降解作用为主的运行后期。但是反冲洗后,4根炭柱的NBDOC的去除率均大幅度上升,活性炭柱的吸附作用均有很大程度的恢复,再次证明了,反冲洗会将老化脆弱的生物膜冲刷下来,使得有效的吸附位被腾出,使得活性炭的吸附作用得到恢复。