摘要:通过中试模型实验考察了生物活性炭工艺对污染地表水除污染效能的影响因素。结果表明温度降低对生物活性炭去除有机物与氨氮有较大影响,温度低于10℃,生物活性炭对有机物的去除率为20%左右,对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率为20%～40%;生物活性炭工艺采用底部曝气与顶部曝气运行方式对有机物和氨氮的去除影响不大,但采用两种曝气运行方式的生物活性炭工艺对有机污染物去除率均稍高于无曝气时生物活性炭的去除率;实验表明空床接触时间低于20ｍｉｎ时,有机物的去除能力明显下降,但其对氨氮和亚硝酸盐氮的去除影响较小。
关键词:生物活性炭;温度;曝气方式;空床接触时间
中图分类号:ＴＵ991.2 文献标识码:Ａ 文章编号:0253-4320(2006)Ｓ1-0201-03
过滤工艺是给水处理工艺中去除污染物的一个主要工序,如何强化过滤工艺的除污染效能是目前水处理领域的研究热点。生物活性炭滤池由于具有空床接触时间短、占地面积小、处理效率高等优点而备受研究人员关注。生物活性炭滤池依靠载体上固定生长的大量微生物体对有机物的分解和对氨氮的硝化从而去除水中的污染物,因此凡是影响微生物生长代谢活性的因素,例如温度、溶解氧、辐射、营养物质及一些有毒的化学物质等,都会影响生物活性炭滤池的运行效果。笔者以淮河流域某水厂原水为研究对象,通过中试实验探讨了温度、曝气方式和空床停留时间对生物活性炭滤池除污染效能的影响。
1 实验装置及方法
1 1 实验装置
实验采用“高锰酸盐预氧化-生物活性炭”处理工艺,工艺流程见图1。高锰酸盐(ＰＰＣ)投量为1 5ｍｇ/Ｌ,预氧化时间为20～30ｍｉｎ,聚合氯化铝投量为30ｍｇ/Ｌ。混凝条件:快速搅拌2ｍｉｎ,转速为100ｒ/ｍｉｎ,静止沉淀1ｈ。为防止破坏絮体,首先从混凝水箱中部取沉后水上清液转移到调节水箱中贮存,再用水泵从调节水箱中提取上清液经流量计定量送入生物活性炭滤池。生物活性炭工艺采用下向流方式运行,滤速为6ｍ/ｈ,反冲洗采用单独水冲,反冲洗膨胀率为25%～30%,过滤周期为48ｈ。
滤柱采用有机玻璃制成,高为3000ｍｍ,直径为100ｍｍ,活性炭高度为800ｍｍ,粒径为2～3ｍｍ,活性炭底部设有400ｍｍ的石英砂承托层,粒径为1ｍｍ。由滤柱底部向上每200ｍｍ设有一个取样口,并在滤池底部设有曝气装置和反冲洗设备。
1 2 原水水质
实验原水水质指标见表1。
1 3 分析方法
化学需氧量(ＣＯＤＭｎ)、氨氮(ＮＨ3-Ｎ)和亚硝氮(ＮＯ2-Ｎ)等的测定依据国家环保总局编《水和废水监测分析方法》。
2 实验结果与分析讨论
2 1 温度对ＢＡＣ工艺除污染效能的影响
2 1 1 温度对ＢＡＣ去除有机物效能的影响图2是温度变化对生物活性炭工艺去除有机物的影响。由图2可知,随着温度的下降,生物活性炭对ＣＯＤＭｎ的去除率呈下降趋势。平均温度在25、15、9℃时,生物活性炭对有机物平均去除率分别为36 96%、31 71%和23 42%。从生物活性炭进出水有机物浓度上看,进水有机物浓度不高,于3 8～4 3ｍｇ/Ｌ变化,25、15℃时生物活性炭出水ＣＯＤＭｎ值均低于国家饮水水质标准3 0ｍｇ/Ｌ,分别为2 39、2 97ｍｇ/Ｌ,而温度低于10℃时活性炭出水ＣＯＤＭｎ均值为3 02ｍｇ/Ｌ,稍高于国家标准值。
上述结果表明,降低温度影响了生物活性炭对有机物的去除率,25℃和9℃时生物活性炭对有机物的去除率相差可达15%左右。有研究表明,细菌在其适当的温度范围内,温度每升高10℃,酶促反应速度将提高1～2倍[1],代谢速度相应提高,有利于有机物的去除。因此一般来说,夏天去除效率要高于冬天约10%～20%。
2 1 2 温度对ＢＡＣ工艺硝化性能的影响
实验对比了不同温度下生物活性炭工艺对氨氮的去除效果,实验结果见图3。温度的下降对生物活性炭滤池的硝化能力有明显的抑制作用。当温度高于15℃时,生物活性炭对氨氮的去除率可达到50%～75%,而当温度降低于10℃以下时,对氨氮的去除率下降到20%～40%。
上述实验表明温度下降对硝化细菌的生物活性具有抑制作用,因而影响生物除氮的效果。Ｈａｇｏｐｉ ａｎ[2]研究发现硝化菌的活性在5～7℃以下时会迅速下降。Ｇｒｏｅｎｅｗｅｇ[3]等通过纯培养实验考察了温度的变化对硝化细菌活性的影响,结果表明温度为25℃时亚硝酸盐氮的活性约为15℃的3倍。Ｏｌｅｓｚｋｉｅｗｉｃｚ[4]发现,在低温范围内随着水温的降低,温度对硝化率的影响越大。另外其他研究结果表明,水中的氨氮是ＮＨ3和ＮＨ+4的总和,而亚硝化菌只能利用ＮＨ3,ＮＨ+4只有转化成ＮＨ3才能被亚硝化菌利用[5]。当温度较低时,ＮＨ3在氨氮中所占的比例较低,影响了降低了亚硝化菌所能直接利用的基质浓度,进而硝化菌生长也受到限制。
2 2 空床接触时间对ＢＡＣ工艺除污染效能的影响
空床接触时间(ＥＢＣＴ)是确定生物反应器处理能力的重要参数,是与水力负荷直接相关的设计指标。笔者在水温为20～25℃时,考察了不同空床接触时间下生物活性炭滤池除污染效能。
2 2 1 ＥＢＣＴ对ＢＡＣ除有机物效能的影响
表2是空床接触时间的变化对生物活性炭工艺去除有机物的影响。可知随着ＥＢＣＴ的减少,生物活性炭滤池对ＣＯＤＭｎ的去除率呈下降趋势。ＥＢＣＴ由54ｍｉｎ缩短到27ｍｉｎ时,生物活性炭对ＣＯＤＭｎ的平均去除由55 57%降到50 71%,有机物去除能力变化幅度较小;但ＥＢＣＴ降到18ｍｉｎ和12ｍｉｎ时,生物活性炭对ＣＯＤＭｎ的去除率分别降到了43 0%和33 43%,有机物的去除能力明显下降。
Ｈｕｃｋ[6]等的研究表明,生物活性炭对有机物的去除率与进水浓度有很好的线性关系,即符合1级反应模式,在一定范围内,ＥＢＣＴ的延长(12ｍｉｎ延长到27ｍｉｎ)对有机物去除效率的提高较为明显,但两者不总是线性关系,过长的ＥＢＣＴ(27ｍｉｎ增加到54ｍｉｎ)对提高去除率的贡献则很小。
2 2 2 ＥＢＣＴ对ＢＡＣ工艺硝化去除能力的影响
实验通过改变空床接触时间,考察了生物活性炭滤池对氨氮的去除效能,实验结果见表3。在54、27、18、12ｍｉｎ不同空床接触时间内,生物活性炭对氨氮的去除率分别为78 84%、77 57%、69 86%、64 71%,说明ＥＢＣＴ对生物活性炭的硝化性能的影响较小。这主要是由于饮用水中的氨氮浓度很低,滤料上繁殖的自养菌属于贫营养型微生物,这类微生物一般具有较大的比表面积,对可利用的基质具有较大的亲和力,也有较小的最大繁殖速度和Ｍｏｎ ｏｄ饱和常数Ｋｓ(为1～10μｇ/Ｌ)[7],并且硝化细菌具有较强的硝化能力,世代时间长,一旦形成稳定的硝化状态后,氨氮能在短时间内被硝化细菌吸附、分解和氧化。
2 3 曝气运行方式对ＢＡＣ工艺的影响
实验考察了底部曝气、顶部曝气和无曝气3种曝气运行方式对生物活性炭滤池去除有机物和氨氮等的影响,结果见图4和图5。底部曝气、顶部曝气和无曝气3种曝气方式对有机物的平均去除率分别为37 86%、33 97%、32 99%;3种曝气方式对氨氮的平均去除率分别为:53 71%、51 71%、46 43%。
上述分析可看出,不同曝气方式对有机物去除的影响较小;采用底部曝气和顶部曝气,生物活性炭对氨氮的去除率基本无影响,而无曝气时,生物活性炭对氨氮的去除率稍有下降。
采用不同曝气方式对生物活性炭除有机物和氨氮影响较小的主要原因是原水中有机物和氨氮含量较低,氨氮含量一般低于1 0ｍｇ/Ｌ。由于生物活性炭进水中溶解氧含量较高,因此在有机污染物浓度较低的情况下,溶解氧不会成为生物活性炭去除有机物和氨氮的限定因素。
3 结语
针对淮河流域某水厂原水,探讨了温度、曝气方式和空床停留时间对生物活性炭滤池除污染效能的影响。在15～25℃时生物活性炭滤池对有机物和氨氮的去除受温度影响较小,而当温度低于10℃时其去除有机物与氨氮能力明显降低。ＥＢＣＴ在20ｍｉｎ以上时,生物活性炭对有机物去除受ＥＢＣＴ的影响较小,当ＥＢＣＴ低于20ｍｉｎ时,生物活性炭对有机物的去除能力明显下降;但ＥＢＣＴ对生物活性炭去除氨氮的影响较小。生物活性炭采用底部曝气与顶部曝气方式对有机物和氨氮的去除影响不大,但两种曝气方式下生物活性炭的去除率均稍高于无曝气时生物活性炭的去除率。
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