反沖洗對4種換炭模式下生物活性炭層生物量和水質指標的影響

方 芳

(上海市供水調度監測中心,上海 200080)

近年來,隨著生活飲用水水質指標的不斷提升,越來越多的水廠采用臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝以應對日益受到微污染的原水水質[1]。BAC池主要是利用微生物的生物降解作用和顆?；钚蕴康奈絹砣コ械奈⒘坑袡C物。為了充分發揮炭池的微生物作用,炭層中需要有足夠的生物量?；钚蕴啃枰靡栽偕?且截留雜質不宜過多。因此,反沖洗是維護活性炭池正常運行的關鍵因素,與常規處理工藝中砂濾池反沖洗的目的不同,BAC反沖洗的目的是通過水流剪切摩擦、活性炭顆粒間碰撞摩擦等過程的多重作用下,使老化的生物膜及雜質在強烈的剪切、碰撞作用下得以脫落,促進生物膜的更新,同時,需要保持必要的生物量,以滿足下一個周期的正常運行[2]。

隨著近年O3-BAC工藝在水廠中的持續運行,大部分采用O3-BAC工藝的水廠均面臨著大規模炭池換炭問題。在活性炭換炭方式的選取上,研究[3]表明,相比于部分換炭,全換炭方式對水質處理效果更佳,但全換炭用炭量大,總體投入大,短期投資效益低。我國南方某水廠提出,在原水水質相對較好的情況下,通過裝填2/3舊炭、1/3新炭的方式就能夠使出水水質顯著提高[4]。上海某水廠提出更換2/3的舊炭更為合適[5]。由此可見,不同的換炭方式對O3-BAC工藝穩定運行具有重要意義。

因此,本文主要考察4種換炭模式下,即1/3新炭和2/3舊炭(已經在生產中運行使用3年的顆粒炭)、2/3新炭和1/3舊炭、全部粗制新炭以及全部精制新炭,反沖洗對生物量以及水質指標的影響,研究成果可為保障飲用水深度處理工藝的安全高效運行提供理論與技術指導。

1 試驗部分

1.1 試驗設備及其工藝流程

試驗采用的模型BAC柱高為3.5 m,溢流口和進水口均位于3 m的高度,活性炭層高為1.8 m,炭柱直徑為100 mm,炭柱下層鋪設20 cm厚的綠豆砂承托層,起到承托和反沖洗時均勻布水的作用,與生產的活性炭池相當?；钚蕴恐牧髁靠刂圃?0 L/h,流速為7.7 m/h,空床接觸時間為14 min。反沖洗水箱尺寸:長為50 cm,寬為30 cm,高為40 cm,容積為60 L。反沖洗水泵和提升水泵均采用高壓自吸管道泵,型號為SCP-180A,揚程為25 m,流量為16 m3/h,吸程為6 m,轉速為2 850 r/min。試驗采用的工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗設備及工藝流程

試驗采用粗制和精制顆?；钚蕴?其各項參數如表1所示。

表1 粗制炭和精制炭的性能參數

4根活性炭柱的填裝新炭和舊炭的比例和品種狀況如表2所示。

表2 試驗炭柱填裝活性炭種類

1.2 試驗活性炭柱反沖洗參數

某水廠BAC柱的反沖洗以膨脹率間接指示反沖洗強度,4根活性炭柱的膨脹率均為25%,旨在考查不同的換炭方式對單獨水反沖洗的適應情況。

反沖洗周期以舊炭比例最高的1#活性炭柱為準,每周反沖洗2次。反沖洗均采用砂濾池濾后水進行。研究認為,反沖洗時20%～30%為炭層最佳膨脹率[6-7],因此,本試驗采用了大部分水廠常用的反沖洗膨脹率。反沖洗參數選擇如下:炭層膨脹率e=25%,沖洗時間為10 min,對應的反沖洗強度約為25 m3/(m2·h)。試驗階段的水溫為28 ℃。一方面,反沖洗時間取10 min是為了使炭層內積聚較多的懸浮固體和老化的生物膜能夠充分剝離炭層,提高反沖洗效果;另一方面,反沖洗時間又不宜過長,以防造成大量生物膜的損失。

1.3 采樣與檢測方法

反沖洗前測定的指標在炭池生產周期結束反沖前30 min取樣,反沖后測定的指標則在反沖洗后運行20 min取樣?；钚蕴枯d體生物量的測定:所取炭樣均為相距炭層表面50 cm處(上層)的炭。水質指標和三鹵甲烷生成潛能(THMFP)以及生物量等分析方法與使用儀器如表3所示。

表3 水質指標分析方法及儀器

2 結果與討論

2.1 反沖洗對活性炭試驗柱炭層中生物量的影響

采用慣用的脂磷分析方法對炭層中的生物量進行測定[9],該法測定的是炭層樣品中的生物總量。根據有關研究[9],硝化細菌在炭層生物總量中所占比例很少,因而測定結果不能反映硝化自養細菌的數量,而脂磷法在測定不可培養型生物量方面具有優勢。

磷脂為所有細胞中生物膜的主要組分[10],往往在細胞死亡后快速分解,其在細胞中含量約為50 μmol/(g干重),在不同生理和化學壓力之下波動一般不超過30%～50%。生物膜脂類(90%～98%)以磷脂形式存在,磷脂中的磷含量用比色法測定,稱“脂磷法”,用其來表示生物量,已經在飲用水BAC處理研究中得以應用。生物量結果往往以nmol Lipid-P/g或nmol Lipid-P/(mL填料)來表示,1 nmol P大約相當于水中1×108個大腸桿菌(E.Coli)細胞的大小。試驗采用反沖洗強度約為25 m3/(m2·h)。

由圖2可知,反沖洗前后活性炭上層的生物量發生明顯變化,4根炭柱生物量均有不同程度損失。根據BAC池中微生物之存在形式,可將其分為附著型微生物和懸浮型微生物。試驗結果[11]表明,附著型微生物的量較大(占80%左右),且與炭粒之間結合力比較強;而懸浮型微生物約占生物總量的20%,游離于炭粒之間。

注:AC——活性炭。

異養菌的主要作用被認為是降解有機物,可用CODMn表示,其活性大小以及數量關系到水中有機物的去除效果。由圖2可知,反沖洗前后有效降解有機物的生物損失量并不大,其降解有機物的作用并未因水力沖刷而減弱,而生物量的降低主要是為懸浮態的微生物受反沖洗水力沖刷脫落所致,并且這些損失的懸浮態微生物對降解有機物的貢獻不大,真正對有機物降解的異養菌大多為附著態,比較穩定的生態系統中的生物才是降解有機物的關鍵。

一般而言,微生物活性是由基質濃度和微生物量兩個方面來共同決定的。在進水基質濃度基本穩定的情況下,反沖洗使活性炭上層的微生物量損失大,那么總降解能力就會下降,這恰恰為下層微生物創造了相對較大的基質濃度,此時微生物活性將會有所提高。這就是在對生物系統進行了水力沖刷后,BDOC去除率仍然上升的原因。

試驗對炭柱的總生物量進行了測定,1#炭柱生物量的損失率低,2#炭柱損失的生物量略低于3#炭柱,但是反沖洗前后生物量的損失率和3#炭柱接近。同時,炭柱中舊炭比例的高低和炭的粗制與精制均對生物量的大小略有影響,3#炭柱裝填全新炭(粗制),炭層的生物量比其余3根炭柱(1#、2#和4#)更多。但4#炭柱裝填全新炭(精制),不僅生物量不高,而且生物量的損失也明顯較大,相對于3#炭柱,4#炭柱上的生物系統更無法抵抗水力沖刷。這說明前期吸附階段表現優異的炭未必適應O3-BAC的長期運行,以生物載體作用為主的活性炭,不僅要有好的吸附效果,更重要的是要為異養菌和硝化自養菌提供合適的生長環境,這可為BAC池選炭提供參考。

2.2 某水廠活性炭池反沖洗對炭層中生物量的影響

由于本研究試驗條件的限制,無法對炭柱進行氣沖的試驗研究。因此,對某水廠生產工藝上的反沖洗工況進行了生物量的對比測定研究(炭柱中的舊炭來自該水廠的炭池)。濾池反沖洗過程以往都是采用水沖洗,后來才發展為氣水沖,生產上的炭池沿用了濾池的氣水沖洗。實際上炭的質量低于石英砂,即炭比砂輕,所以在某種意義上單獨使用水沖洗,理念上也可行,但需要試驗研究結果來證明。因此,做單獨水反沖洗試驗,進行對比研究,具有實用意義。

某水廠生產上運行的炭池反沖洗采用氣水先后反沖,反沖洗過程為先氣沖5 min,氣沖強度為55 m3/(m2·h);然后再水沖5 min,沖洗強度為25 m3/(m2·h),沖洗周期是5 d。測定所取炭樣為近炭面的BAC。

對某水廠生產上正在運行的條件相仿的4個活性炭池(亦分別編號為1#、2#、3#和4#)分別取自BAC池上層,分析測定其在反沖洗前后的總生物量(圖3)與附著生物量(圖4)。由圖3可知,生產運行中的炭池內BAC上層的生物量相較試驗模型炭柱中的普遍要高,一方面,這可能是由于正在生產中的炭池運行時間較長;另一方面,也可能由于取炭樣的高度不同,存在誤差。試驗模型炭柱取的是上層炭樣,其距離炭面約有50 cm;生產上運行的BAC池由于取樣條件的局限,取的是靠上層炭樣,其相對于下層炭,上層炭中的基質濃度會更高,因而生物量也會相對更多。

圖3 生產運行中的BAC池在反沖洗前后炭表面的總生物量變化和損失率比較

圖4 生產運行中BAC池反沖洗前后BAC表面附著生物量變化以及損失率比較

生產運行炭池氣水反沖洗前后總生物量的損失率比單獨水沖炭柱的反沖洗前后總生物量的損失大,同時運行的2#和3#炭池的生物量和生物損失率相近,4#炭池的生物量損失率最大。這說明由于生產運行的炭池中生物量承受了氣沖的沖刷力,4#炭柱上的生物量比3#炭柱更低。

活性炭表面附著的生物量在反沖洗前后變化較小,損失率都在10%以下。這說明適當的反沖洗方式以及反沖洗強度,對活性炭層上穩定的生態系統影響很小,這也說明BAC池可嘗試采用單獨水沖洗的方式。反沖洗損失的大多數為懸浮態微生物,附著微生物不僅完好保存在生物載體上,而且由于反沖洗將老化的生物膜和懸浮生物沖洗去除,使活性炭上留存的微生物得到了更高質量的基質濃度,提高了其活性。

2.3 BAC反沖洗前后主要水質指標的變化

試驗進行了4根炭柱的相關水質指標測定,各指標在反沖洗前后的變化曲線如圖5～圖11所示。這種變化主要是反映反沖洗前30 min和后20 min炭層出水水質的變化,一般在反沖洗后2 h趨于穩定運行[11]。

圖5 反沖洗前后各BAC柱水中渾濁度變化

(1)渾濁度

反沖洗前后各BAC柱水中渾濁度的變化如圖5所示。

從圖5可知,4根活性炭柱反沖洗前后的渾濁度雖均有不同程度的上升,但是均保持在0.30 NTU以下,變化幅度不大。其均出現上升的現象,分析可能是反沖洗過程中老化的生物膜剝落,且并未被反沖水流帶出炭柱,而從取樣口泄漏造成渾濁度上升的現象。

(2)CODMn

與前述常規指標反沖洗前后存在差異不同,CODMn卻沒有很大變化,4根炭柱在反沖洗前后的去除率波動較小(圖6)。反沖洗后活性炭有效的吸附部位得到恢復,吸附能力增強,同時生物的活性也得到加強,使CODMn的去除率維持在一個較高的水平上。一般,反沖洗前后活性炭柱出水中CODMn與進出水濃度相關。

圖6 反沖洗前后BAC柱出水中CODMn 去除率比較

(3)UV254

反沖洗后UV254的去除率較反沖洗前均有一定上升(圖7),這是由于反沖洗將老化的生物膜剝落之后,原有活性炭上有效的吸附部位空出來,可再次進行吸附作用,加上降解有機物的生物數量并未明顯減少,所以UV254體現出了更高的去除率。一般,反沖洗前后活性炭柱出水中UV254與進出水濃度相關。

圖7 反沖洗前后BAC柱出水中UV254去除率比較

(4)DOC

DOC的情況(圖8)和UV254類似,空出的有效吸附部位和異養菌的生物活動,保證了反沖洗后DOC的去除率均有所上升。

圖8 反沖洗前后BAC柱出水中DOC去除率比較

另一個現象是,反沖洗前3#炭柱對DOC的去除率略高于4#炭柱,但是反沖洗后,4#炭柱的去除率大幅上升,為4根炭柱中最高。對反沖洗前后的生物量分析也表明,4#炭柱的生物量在反沖洗前后的損失率最高。由此可見,雖然反沖洗減少了生物量,但生物膜的脫落騰出了更多的吸附位置。因此,4#炭柱老化的易剝落的生物數量最多,在反沖洗后,吸附作用恢復最大。一般,反沖洗前后活性炭柱出水中DOC與進出水濃度相關。

由此可見,反沖洗有利有弊。它既能沖刷掉部分附著在活性炭上的生物膜,導致生物降解的去除效果降低(反沖洗后運行20 min時),但同時又能使活性炭的吸附能力得到恢復,老化生物膜脫落也提高了微生物獲得營養物質的傳質效率,增強后續去除效果。

(5)BDOC以及NBDOC變化

從CODMn反沖洗前后的變化可以推斷,4根活性炭柱上異養菌的數量沒有明顯降低,而反沖洗后BDOC(圖9)去除率均升高的現象,則說明總生物量雖然減少,但是生物活性反而加強,生物降解作用更為明顯,這與參考文獻[11,9]研究結果一致。這再次表明反沖洗能使老化的生物膜脫落,提高了微生物獲得營養物質的傳質效率,增強去除效果。

圖9 反沖洗前后BAC柱出水中BDOC去除率比較

NBDOC(依靠吸附去除的DOC)在反沖洗前后變化明顯(圖10)。反沖洗前,1#、2#和3#炭柱分別按照舊炭比例的多少呈現相同的趨勢。1#炭柱的舊炭比例最高,所以有效的吸附位最低,反沖前已基本上沒有吸附作用。2#和3#炭柱在反沖前雖然還具有吸附作用,但是也比較微弱,這是因為BAC柱都已進入以生物降解作用為主的運行后期。但是反沖洗后,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復,再次證明了,反沖洗會將老化脆弱的生物膜沖刷下來,使得有效的吸附位被騰出,使得活性炭的吸附作用得到恢復。

圖10 反沖洗前后BAC柱出水中NBDOC去除率比較

此外,反沖前4#炭的吸附能力略差于3#。而反沖后,4#的吸附能力恢復情況更好,之后對NBDOC的去除效果最好。說明4#炭上的生物系統相對3#脆弱,在反沖洗時會有更多老化的生物膜剝落,反沖后活性炭上則會空出更多可用于吸附的部位,使其吸附能力得到較大的恢復[12]。

(6)THMFP

反沖洗對THMFP去除率的提高也有較大作用(圖11),隨著活性炭有效吸附位的增加,THMFP的去除也隨之提高。下一個運行周期到來前,活性炭的有效吸附位又被老化、脆弱的生物膜系統所覆蓋,THMFP的去除率又會恢復到正常的狀態。

圖11 反沖洗前后BAC柱出水中THMFP去除率比較

3 結論

通過對4種活性炭裝填工況下,反沖洗對活性炭層中生物量以及出水指標的影響,明確了不同工況下,活性炭層中生物量以及出水水質的變化規律,得到以下結論。

(1)試驗模型炭柱反沖洗前后總生物量均出現下降,但有效降解有機物的異養菌數量沒有降低,CODMn在反沖洗前后的去除率差別不大。

(2)氣水反沖洗前后的生物量雖然比單獨水反沖洗損失更多,但附著生物量基本不變,說明適當的反沖洗方式和反沖洗強度,對活性炭上穩定的生態系統幾乎沒有影響,同時也說明BAC池可嘗試使用單獨水沖洗。

(3)反沖洗對恢復4#炭柱(填裝精制新炭)的吸附容量效果最明顯,但生物量的損失率卻最大,說明相對于3#炭柱(填裝粗制新炭),4#炭柱上的生物系統抵抗水力沖刷能力相對較弱,水廠BAC池選炭可作為參考。

(4)反沖洗既能沖刷掉部分附著在活性炭上的生物膜,導致生物降解去除效果短暫降低,但同時又能恢復活性炭的吸附能力,老化生物膜脫落也提高了微生物獲得營養物質的傳質效率,提高其活性,增強對有機物的去除效果。