生物活性炭滤池气水反冲洗方式的优化

李贺文（郑州市第四十七中学高二（3）班，河南　郑州　450008）

生物活性炭滤池气水反冲洗方式的优化

李贺文（郑州市第四十七中学高二（3）班，河南郑州450008）

生物活性炭滤池冲洗效果的好坏是影响滤池运行的一个关键因素，合理优化反冲洗过程有助于改善其整体运行性能。采用3种不同的气水反冲洗方式对生物活性炭滤池进行反冲洗，以反冲洗后水头损失变化和出水浊度，氨氮、亚硝酸氮、CODMn去除率及DO消耗率作为评价指标。试验结果表明，先气水反冲后水反冲效果最好。其中气水反冲4～5m in，气反冲强度为9L/（m2·s），水反冲强度为4L/（m2·s）；水反冲8～10m in，水反冲强度为8L/（m2·s）。

生物活性炭滤池；反冲洗方式；优化

臭氧生物活性炭技术是20世纪六、七十年代首先从欧洲发展起来的一种饮用水处理技术。该工艺是采用臭氧氧化和生物活性炭滤池联用的方法，将臭氧化学氧化、活性炭物理化学吸附、生物氧化降解等几种技术合为一体。其主要目的是去除原水中微量有机物和氯消毒副产物的前体物等有机指标，提高饮用水的安全性。臭氧氧化可使生物活性碳进水中可同化有机碳（AOC）的含量增加10～20倍，水质可生化性提高20%～30%［1～5］。

然而生物活性滤池经过一段时间的运行，生物膜由于吸附作用，在滤层表面会生成滤料颗粒、悬浮固体和黏性物质结成的泥球，以及生物膜本身老化脱落，导致滤层板结，阻碍了营养基质和溶解氧在生物膜内的传递，滤床空隙率降低，水头损失增加，滤池的产水量减少，出水水质下降等。所以，选用适当的方式进行反冲洗对保证生物活性炭滤池正常运行具有十分重要的作用［6，7］：将截留的无机颗粒带出滤池，清洁和更新生物膜，使滤池恢复原有的过滤能力。

1　试验装置与方法

1.1试验装置

试验在华北水利水电大学进行，试验流程为：太湖原水-气浮池-臭氧接触塔-生物活性炭-出水，试验装置如图1所示。

图1　试验装置图Fig.1 The chartof experimenta lequipm ent

原水经泵提升进气浮池，采用Al2（SO4）3作为混凝剂（停留时间为20min），再经泵提升进入臭氧接触柱（停留时间为15min），最后自流进入生物活性炭滤柱（停留时间为22min，炭层高2.0m采用ZJ-15型颗粒活性炭），活性炭出水为最后出水。

1.2试验方法

共尝试了3种不同方式下的气水联合反冲洗方式，具体参数见表1。气水反冲洗具有采用高气冲强度的压缩空气擦洗炭滤层，用低水冲洗强度的水对滤料进行反冲，减少大量反冲洗水的特点。文献［8］表明，气水同时反冲洗比单纯水反冲洗的耗水量减少60%左右，滤料的截污量可提高一倍，过滤周期可延长70%左右。故在此尝试中不考虑单一的水冲洗方式。

表1　不同方式下的气水联合冲洗参数表Tab.1 Parameters of differentair-waterbackwashingmethods on the operation BAC filter

2　试验结果与分析

以反冲洗后水头损失和出水浊度，氨氮、亚盐、CODMn去除率及DO消耗率作为评价指标。冲洗结束正常运行后进行96小时连续监测，具体结果和分析如下：

2.1以水头损失为评价指标

确定生物活性炭滤池反冲周期的一个重要参考指标就是滤池的水头损失。在过滤期间，随着炭床上生物颗粒和非生物颗粒的逐渐累积，水头损失也逐渐增加。图2显示了经不同方式反冲后生物活性炭柱水头损失的变化情况（“0”点表示反冲前）。

图2　反冲洗后水头损失的变化曲线Fig.2　Variation of head loss of BAC filterw ith different backwashing strategies

由图2可知，反冲洗后随着运行时间的推移，不同反冲洗方式下的水头损失均缓慢增加。其中方式Ⅰ和方式Ⅱ气水反冲洗方式水头损失增加较快，说明滤料清洗不彻底，但方式Ⅱ用反冲水量低于方式Ⅰ的；方式Ⅲ水头损失增加最慢，反冲用水量低于方式Ⅰ的。

2.2以浊度为评价指标

由图3可知，反冲后3种冲洗方式下的出水浊度均低于反冲洗前的。在运行过程中方式Ⅰ和方式Ⅱ的反冲方式下出水浊度缓慢上升，但方式Ⅲ反冲洗方式下出水浊度缓慢下降。

图3　反冲洗后浊度的变化曲线Fig.3　Variation o f turbidity of BAC filterw ith differentbackwashing strategies

2.3以氨氮、亚硝酸盐去除率为评价指标

由图4、图5可知，无论哪种方式的反冲洗，NH4+-N去除率都在57.1%～76.6%之间波动，且随着过滤的进行，NH4+-N去除率都在提高。NO2--N的去除率都在65%～95%之间波动，但过滤开始的第一天快速下降，然后有所上升趋于平稳，但方式Ⅱ下降幅度最大，这与方式ⅡNH4+-N去除率较高有关。平稳阶段的去除率都在75%左右波动。

硝化过程分为两个阶段：由NH4+-N转化为NO2--N阶段和NO2--N转化为NO3--N阶段，所以NO2--N的去除受NH4+-N去除的影响较大。当NH4+-N去除率上升时，NO2--N的去除率表现出一定程度的下降。

图4　反冲洗后氨氮去除率的变化曲线Fig.4　Variation o fNH4+-N o f BAC filterw ith differentbackwashing strategies

图5　反冲洗后NO2--N去除率的变化曲线Fig.5　Variation ofNO2--N of BAC filterw ith differentbackwashing strategies

2.4以CODMn去除率为评价指标

图6　反冲洗后CODMn去除率的变化曲线Fig.6　Variation of CODMnof BAC filterw ith differentbackwashing strategies

由图6可知，方式Ⅰ和方式Ⅲ反冲洗方式下，CODMn的去除率比较平稳，在75%左右波动。方式Ⅱ的反冲洗，CODMn的去除率开始阶段比较低，随着过滤的进行缓慢上升。由此看出，气水冲洗方式在方式Ⅱ高强度水冲洗下，对生物膜影响最大。

2.5以DO消耗率为评价指标

通过反冲洗后DO的消耗情况可以反映出活性炭中微生物的生长情况和量的多少，DO消耗率越大，微生物的生长情况越好、量也越大。由图7可知，开始阶段，不同反冲方式下的溶解氧消耗率有所下降，然后开始缓慢上升，受进水DO的影响，DO的消耗率出现一定的波动。由于生物活性炭前是臭氧接触塔，所以进水中DO含量较高，有时达到过饱和状态。从DO消耗情况来评价，方式1的反冲方式最好，方式Ⅱ的反冲方式最差。

图7　反冲洗后DO的变化曲线Fig.7　Variation of DO of BAC filterw ith differentbackwashing strategies

3　结语

采用3种不同的气水反冲洗方式对生物活性炭滤池进行反冲洗，以反冲洗后水头损失和出水浊度，氨氮、亚盐、CODMn去除率及DO消耗率作为评价指标。试验结果表明：

（1）以反冲洗后水头损失和出水浊度为评价指标，方式Ⅲ的反冲洗方式效果最好；

（2）以氨氮、亚硝酸盐去除率为评价指标，3种反冲洗方式效果差不多，但方式Ⅱ反冲洗方式用水量最少。

（3）以CODMn去除率和DO消耗率为评价指标，方式Ⅱ的反冲洗方式效果最差。

（4）综合分析认为应选用方式Ⅲ的反冲洗方式，即先气水反冲4～5min，其中气反冲强度为9L/m2·s，水反冲强度为4L/m2· s；后水反冲8～10min，水反冲强度为8L/m2·s。

［1］杨浅晶.国外膜过滤型净水处理现状［J］.水环境学会志，2001，18（2）：10-14.

［2］Cipparone L A，Diehl A C，Gerald E S.Ozonation and BDOC removal effect on water quality［J］.Journal AWWA，1997，89（2）：84-87.

［3］James PMalley Jr，Eighmy T T，Collins M R，et al.The performance and microbiology of ozone-Enhanced biological filtration［J］.JournalAWWA，1993，85（12）：47-57.

［4］Mohamed S Siddiquiq，Gary L Amy，Brian D Murphy. Ozone enhanced removal of natural organic matter from drinking water sources［J］.Water Research，1997，31（12）：3098-3106.

［5］Hu JY，Wang ZS，NgW J，etal.The effectofwater treatment processes on the biological stability of potablewater［J］.Water Research，1999，33（11）：2587-2592.

［6］Liu X B，Peter M，Slawbin R M.Factors affecting drinking waterbiofiltration.AWWA，2001，93（12）:90～100.

［7］Niquette P，Maclean R G，Thibault D.Backwashing firststage sand-BAC filters.Journalof AmericanWaterWorks Association，1998，90（1）:86～97.

［8］张朝晖，吕锡武，乐林生等.生物活性炭滤池反冲洗技术的优化［J］.中国给水排水，2005，4（21）:51～53.

李贺文（1999-），女，河南郑州，河南省郑州市第四十七中学高二学生，主要研究水污染防治。