生物活性炭吸附石化废水有机污染物实验研究

乔国亮，张国珍，王倩，杨浩，牛燕

（兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070）

0 引言

随着我国市场对石油类产品需求的不断上升，各地石化公司都在扩大其生产规模，导致公司排出的废水中有机物污染物种类不断增加，水质状况不容乐观。生物活性炭工艺作为水处理深度处理技术，已在各地实践应用中取得了良好的效果[1]。本实验以中国兰州石化公司下属污水处理厂二级废水作为研究对象，采用生物活性炭挂膜方式，通过对有机污染物吸附能力研究，确定出最佳水力负荷及活性炭滤层厚度，为进一步处理兰州石化二级废水提供一定的科学依据。

1 实验条件

1.1 实验装置

本实验装置图如图1所示，生物活性炭过滤柱内径为5 cm，柱高130 cm，柱内距底部20 cm处设有承托层，为防止活性炭颗粒流失，在承托板上端放置过滤网。活性炭滤柱底部设有曝气头，由空气泵将空气打入滤柱底层。本实验采用颗粒活性炭，粒径 0.8～2 mm，比表面积 700～1500 m2/g，柱内填装高度为90 cm，在承托板上方20 cm与60 cm处分别设置取样口A、B，并在滤柱上方设置主出水口，滤柱底部隔离处设置原水进水口。实验原水在提升泵的作用下由原水水箱进入滤柱底部，经过生物活性炭过滤后，流至出水水箱。本实验采用下部进水曝气，上部出水的方式，使水和空气以推流方式上升，保证污水在过滤时具有均匀的滤速。滤料受到向上的冲击力，可以使得滤料具有一定膨胀度，保证滤料与水及空气的充分混合，既提高了滤料的挂膜效果，又降低了滤池的冲洗频率。

1.2 实验方法

本实验采用挂膜方法为气水上流式自然挂膜法[2]，实验原水由兰州石化二级废水与生活污水按一定比例混合而成。实验具体方法为：在温度20℃ 左右，水力停留时间为3 h，气水比为 1:3的条件下进行自然挂膜。初始进水量约为0.6 L/h，之后逐渐增大进水量，为微生物提供所需的生存环境。从装置运行第二天开始，对滤柱的进出水COD及NH3-N的浓度进行测定，待COD与NH3-N的去除率稳定在一定范围内时，即可判定活性炭滤柱挂膜成功[3]。挂膜期间实验水质,见表1：

表1 挂膜期间实验水质

2 生物活性炭挂膜实验

图2为挂膜启动到挂膜成功近55 d中生物活性炭滤柱进出水COD变化曲线。由图2可以看出，挂膜前期活性炭对原水中的COD去除率较好，平均去除率达到70%以上。这是因为挂膜前期活性炭吸附能力未饱和，可以对水体中的有机污染物进行吸附，从而使水体达到净化。活性炭吸附能力饱和后，生物膜会逐渐形成，挂膜后期滤柱对原水的净化能力由初始的活性炭吸附作用转化为生物降解作用，最后达到比较稳定的去除效果，对COD的平均去除率达到40.3%，实验45 d左右，滤柱挂膜成功。

图3为挂膜期间活性炭滤柱进出水NH3-N变化及其去除率曲线。由图3可以看出，挂膜前期NH3-N去除主要依靠活性炭的吸附作用，去除率呈上升趋势。活性炭挂膜成功后，对NH3-N的去除主要依靠硝化细菌的硝化作用，滤柱对NH3-N的平均去除率达到了60%。

3 生物活性炭影响因素实验

3.1 水力负荷对污染物去除效果影响

本实验研究生物活性炭滤层厚度一定的前提下，在不同水力负荷条件下对各污染物的去除效果，实验选用的水力负荷分别为0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5 m3/（m2·h），活性炭滤层厚度为 90 cm，气水比保持为1:3。

图4是活性炭滤柱在不同水力负荷条件下对水中污染物COD的去除效果图。由图4可以看出，在滤层厚度一定的条件下，不同的水力负荷可以影响活性炭滤柱对原水COD的去除率。本实验表现为，当水力负荷由 0.25 m3/（m2·h）逐级增加至1.5 m3/（m2·h）时，活性炭滤柱对原水的COD 去除率由45.33%降低至24%。由此可得，随着水力负荷的不断增大，会使其相对应的水力停留时间减少，从而降低活性炭滤柱对COD的去除率。根据各地实践工程经验[4]，对于处理有机污染物较低的石化二级出水，水力负荷一般采用0.75 m3/（m2·h）。

图5是活性炭滤柱在不同水力负荷条件下对水中污染物NH3-N的去除效果图。由图5可以看出，在滤层厚度一定的条件下，水力负荷的增大使得滤柱对NH3-N的去除率呈现下降趋势。当水力负荷由 0.25 m3/（m2·h） 逐级增加至 1.5m3/（m2·h）时，活性炭滤柱对原水的NH3-N去除率逐渐降低， 其中水力负荷由 0.25～0.75 m3/（m2·h） 时，滤柱对NH3-N去除率变化不大，达到87%以上，继续增大水力负荷，滤柱对NH3-N的去除率出现明显下降，其中当水力负荷为 1.25 m3/（m2·h）时，滤柱对原水NH3-N的去除率下降至62.11%。由此可得，水力负荷在合理范围内，活性炭滤柱对NH3-N的去除率较高，这是因为水力停留时间充足，硝化细菌在溶解氧充足的情况下，会增大其硝化能力，继而提升对进入滤柱的NH3-N的分解及氧化能力。

图6是活性炭滤柱在不同水力负荷条件下对水中污染物UV254的去除效果图。由图6可以看出，在滤料厚度一定的条件下，UV254的去除率随着水力负荷的增加而下降。当水力负荷由0.25 m3/（m2·h）逐级增加至 1.5 m3/（m2·h） 时，活性炭滤柱对UV254的去除率由44.52%下降至 6.24%，原因是由于水力负荷的增加，使得水力停留时间对应减少，使得活性炭滤柱对原水UV254的去除率下降。

图7是活性炭滤柱在不同水力负荷条件下对水中污染物浊度的去除效果图。出水浊度随着水力负荷的增加而逐渐减小。当水力负荷由0.25 m3/（m2·h）逐级增加至 1.5 m3/（m2·h）时，活性炭滤柱对原水浊度的去除率由87.15%下降至59.14%。当水力负荷较小时，原水在滤柱中水力停留时间较长，由于活性炭吸附及生物膜的截留作用，使原水浊度的去除率较高。随着水力负荷的增大，导致水力停留时间减少，原本被活性炭截留的物质会被高负荷的水流冲出滤柱，同时高负荷的水流还会造成生物膜失稳脱落，最终导致活性炭滤柱出水浊度升高。

3.2 活性炭滤层厚度对污染物去除效果影响

在水力负荷一定时，活性炭滤层厚度对原水中有机污染物的去除有重要作用。活性炭滤层厚度与吸附时间呈正比关系，滤层厚度越大，活性炭吸附时间则越长，活性炭与原水的反应越充分，对原水的净化作用越明显。反之，对原水的净化作用越弱。本实验在水力负荷保持在0.75 m3/（m2·h）的前提下，保证其它初始参数不变，通过改变滤层厚度这一变量，研究滤层厚度对原水中有机污染物的去除效率，滤层厚度分别取 30、60、90 cm。

图8是不同滤料厚度条件下活性炭滤柱对COD的去除效果图。由图8可以看出，水力负荷保持在一定条件下时，滤层厚度由30 cm逐级增加至90 cm时，活性炭滤柱对 COD的去除率由22.37%上升至46.3%。由此可得，在水力负荷保持一定的条件下，滤层厚度越大，对原水中COD的去除率越高。

图9是不同滤层厚度条件下活性炭滤柱对NH3-N的去除效果图。由图9可以看出，在水力负荷保持在一定的条件下，活性炭滤层厚度越大，对原水NH3-N的去除率越大。当滤层厚度由30 cm逐级增加至90 cm时，滤柱对原水NH3-N的去除率由20.93%增至89.08%。这是因为本实验的进水采用下进上出的运行方式，废水中的有机物可以为异养细菌提供良好的生长环境，使异养细菌快速繁殖，极大阻碍了硝化细菌的硝化作用，从而导致滤层底部的 NH3-N去除率降低；随着废水上升至滤柱中上层，废水中利于异养细菌的有机物总量下降，异养细菌的繁殖能力受到重大影响。相反，硝化细菌在该区域可以利用的溶解氧含量升高，大大提升了其硝化作用，对原水NH3-N的去除率也随之升高。

图10是不同滤层厚度条件下活性炭滤柱对浊度的去除效果图。由图10可知，当滤层厚度由30 cm增至90 cm时，浊度的平均去除率由43.76%增至77.2%。其中滤层厚度在0～60 cm时，浊度去除率随着滤层厚度增加而大幅增加，继续增加滤层厚度，浊度的去除率增加呈现相对缓慢的趋势，在超过90 cm后，浊度的去除率基本稳定。这是因为实验进水采用下进上出的方式，当废水进入滤柱后，底层滤料会对浊度有很好的截留作用，浊度去除率较高。随着滤层厚度的增加，废水达到滤柱的中上层时，只剩下体积较小的污染颗粒，从而出现滤料对污染物截留效率下降的现象。

4 结论

（1）挂膜前期，活性炭对原水中COD的平均去除率达到70%以上；对NH3-N的去除率不稳定，但整体呈上升趋势。挂膜后期，由于生物膜的降解作用，COD与NH3-N的去除率都比较稳定，其中滤柱对COD的平均去除率为40.35%，对NH3-N的平均去除率达到60%。

（2）通过考察不同水力负荷条件下对各污染物的去除效果，结果表明：当水力负荷由0.25 m3/（m2·h） 逐级增加至 1.5 m3/（m2·h） 时，原水 COD的平均去除率由45.33%降低至24%，原水NH3-N的平均去除率由89.47%降至62.11%，原水UV254的平均去除率由44.52%降至6.24%，原水浊度平均去除率由87.15%降至59.14%。通过对结果分析，最佳水力负荷为 0.25～0.75 m3/（m2·h）。

（3）在水力负荷一定的条件下，废水中污染物的去除率随着滤层厚度的增加而上升。当滤层厚度由30 cm增至90 cm的过程中，对原水中COD的平均去除率由22.37%上升至46.3%，对原水中NH3-N的平均去除率由20.93%上升至89.08%，对原水中浊度的平均去除率由43.76%上升至77.2%。通过对结果分析，最佳活性炭滤层厚度为90 cm。

[1]秦永生,孙长虹.生物活性炭工艺用于废水深度处理的设计[J].中国给水排水.2003,19:88-91.

[2]姚宏,马放,李圭白等.臭氧-生物活性炭工艺深度处理石化废水[J].中国给水排.2003,19(6):39-41.

[3]张金松.臭氧化-生物活性炭除微污染工艺过程研究[J].给水排水.1996,22(4):55-56.

[4]蒋福春.臭氧一生物活性炭工艺的优化运行研究[D].哈尔滨工业大学,2006.