臭氧-生物活性炭工艺间歇性运行的生物量保持方法

缪 刚，鲍 娟，陈云霄，林 涛，陈 卫

(1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；2.南京水务集团有限公司，江苏 南京 210002)

臭氧-生物活性炭工艺间歇性运行的生物量保持方法

缪 刚1，鲍 娟2，陈云霄2，林 涛1，陈 卫1

(1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；2.南京水务集团有限公司，江苏 南京 210002)

研究臭氧-生物活性炭工艺在间歇性运行时炭层中生物量的保持方法以及不同保存方式对该工艺重新运行净化效能的影响。结果表明，臭氧-生物活性炭工艺在停止运行后对生物活性炭柱采用浸泡保存时，活性炭层中的水质发生了很大的变化，活性炭层中的生物量发生了下降。同时周期性的换水能够延缓活性炭柱在浸泡保存时生物量的下降速度。在臭氧-生物活性炭工艺重新运行期间，周期换水减少生物量的下降虽然对浊度和UV254的去除效果影响不大，但是能够使得臭氧-生物活性炭工艺在短时间内对CODMn和NH3-N的去除率接近活性炭工艺在保存之前对其的去除率。

臭氧-生物活性炭工艺；间歇性运行；浸泡保存；周期换水；生物量；净化效能

随着人们对饮用水水质要求的提高，常规处理工艺的局限性逐渐显现[1-2]，饮用水的深度处理工艺被广泛应用。臭氧-生物活性炭工艺在除臭、去除微量有机物、消毒副产物前体物等方面具有明显优势，从而被广泛应用[3-8]。我国许多水厂采用了臭氧-生物活性炭工艺，并取得了良好的处理效果[9-11]。

但是在实际运行过程中，存在着在保障出水水质达标的前提下，该工艺的经济性运行问题。以长江三角地区的长江水源或部分湖库水源为例，多数时间原水水质达到或接近二类水标准，此时一般的常规工艺就能使得出厂水满足GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》，并且在原水水质良好的情况下，臭氧-生物活性炭工艺对水质的提升效果十分有限，同时开启臭氧-生物活性工艺所带来的运行成本也是巨大的。所以在水源水质良好的情况下，很多水厂的臭氧-生物活性炭工艺是停止运行的，只有当原水水质突然变差时，为保证水质达标，才会开启臭氧-生物活性炭工艺，这就造成了臭氧-生物活性炭工艺的间歇性运行。

在臭氧-生物活性炭工艺的间歇性运行情况下，就需要考虑该工艺在不运行时的保存问题，臭氧-生物活性炭工艺在停运期间能够保持一定的生物量，使得臭氧生物活性炭工艺在重新运行时启动快，处理效果好。现在水厂常用的保存方式为浸泡保存，但是对于浸泡保存的研究相对较少，本文研究该工艺在采取浸泡保存时活性炭层中水质和生物量的变化，并探讨周期换水对保存期间生物量的影响，同时考察两种浸泡保存方式(是否周期性换水)对臭氧-生物活性炭工艺重新运行净化效能的影响。

1 研究方法

1.1 试验装置

臭氧-生物活性炭工艺进水为滤后水，滤后水为长江三角地区某水厂以长江水为水源经过混凝沉淀过滤所得，原水及滤后水水质见表1。装置主要由一根臭氧接触柱及两根并联的活性炭柱组成，臭氧接触柱水深3 m，活性炭柱中活性炭层深度为 1.5 m，砂垫层0.3 m(图1)。

表1 原水及滤后水水质

图1 试验装置(单位：m)

1.2 运行参数

臭氧-生物活性炭工艺在正常运行时的运行参数为：总进水量1 m3/h；臭氧投加量1.5 mg/L；接触时间11 min；活性炭柱滤速8 m/h；反冲洗周期为6 d；冲洗方式：先气冲，时间4 min，强度14 L/(s·m2)，后水冲，时间8 min，强度8L/(s·m2)。

在工艺停止运行期间，1号活性炭柱采取浸泡保存并周期换水，2号活性炭柱仅采取浸泡保存，在两根活性炭柱进行保存期间，炭层上水深为0.5 m。

在工艺重新开始运行时，首先对两根活性炭柱进行反冲洗，为了尽量保存炭上的生物量，反冲洗采用单一水冲，时间15 min，强度11 L/(s·m2)，其余运行参数与正常运行相一致。

1.3 指标测定方法

2.5.1 系统适用性 取“2.2”项下混合对照品溶液、供试品溶液各适量，按“2.1”项下色谱条件进样测定，记录色谱图，详见图3。由图3可知，8种成分峰分离度均大于1.5，理论板数均大于5 000。

2 结果与分析

2.1 活性炭柱在停止运行采用浸泡保存时炭层中的水质变化

图2 活性炭柱在浸泡保存期间炭层50 cm、110 cm处DO质量浓度的变化

活性炭柱在采用浸泡保存期间，炭层中的DO发生了很大的变化。从图2中可知，在前5天中，DO下降速度最快，而由于50 cm处活性炭上的生物量生物活性要大于110 cm处的，所以50 cm处的DO下降速度要高于110 cm处，但是总体而言，两个不同深度炭层的DO变化呈现相似的规律。在浸泡保存的第5～13天，DO缓慢下降，第13天以后，DO下降速度达到一个很低的水平，到第29天时，两个炭层中的DO均保持在2.5～3.0 mg/L。DO的下降速度在一定程度上可以反映炭层中微生物的活性[13]，说明在活性炭柱浸泡保存期间炭层中的微生物活性是不断减小的。

由图3可见，活性炭柱在采用浸泡保存期间各种氮质量浓度均发生变化。其中，在浸泡保存过程中，TN一直在上升，而正常情况下，炭层和水中的各种氮存在转移，但是TN浓度应该是不变的，图3显示的TN浓度上升的现象是由活性炭上微生物发生降解并溶解到水中造成的，所以TN的变化在一定程度上也可以反映生物量的变化。

图3 活性炭柱在浸泡保存期间炭层80 cm处各种氮质量浓度的变化

图4 活性炭柱在浸泡期间炭层80 cm处CODMn和UV254的变化

由图4可见，在活性炭柱浸泡期间，CODMn一直上升，后期略有下降，UV254先上升后下降，分析认为，是炭层中的微生物降解作用造成水中的有机物上升，使得CODMn上升，而CODMn上升最快时间同样在前13 d；同样也造成了UV254上升的趋势。但是保存后期当水中营养物质匮乏，微生物降解产生的有机物也能够被活着的微生物作为营养源，从而造成UV254的迅速下降以及CODMn的缓慢下降。

2.2 周期性换水对活性炭柱在浸泡保存时炭上生物量的影响

由图5可见，活性炭柱在浸泡期间，炭层中的生物量一直在下降，其中第1～9天下降缓慢，第9～17天下降速度最大，而在第17天后下降速度减缓，50 cm处炭层中的生物量与110 cm处表现出相似的规律，经过28d的保存，50 cm处生物量由原来的69.15nmol/cm3降低到30.73 nmol/cm3，110 cm处生物量由59.64 nmol/cm3降低到28.94 nmol/cm3。

图5 两种不同保存方式炭层中生物量的变化(A：采取浸泡保存；B：采取浸泡保存并周期换水，换水周期为8 d)

而对采用浸泡保存的活性炭柱进行换水，可以在一定程度上使得炭层中的水恢复到初始状态，补充炭层中的DO，而采取浸泡保存从第9天开始，生物量下降速度最快，与此同时，第9天开始，炭层中中DO很低，下降速度很慢，说明此时微生物活性很低，而且炭层中水质在第9天左右也发生很大的变化，所以初步设置换水周期为8d，即在第9天进行第一次换水。

2.3 周期性换水对臭氧-生物活性炭工艺在保存后重新运行的影响

表2为臭氧-生物活性炭工艺在停止运行前对滤后水的净化效能，用于对比该工艺在重新运行后对于滤后水的净化效能，从而考察周期性换水延缓炭层中生物量下降对该工艺在重新运行的影响。

从表2和表3中可以看出，臭氧-生物活性炭工艺对UV254的去除主要依靠臭氧的氧化，生物活性炭的吸附降解效果所占比重不大，所以在重新运行期间，两活性炭柱对于UV254的去除效果并没有明显的区别，在反冲洗后30 min，均能够达到该工艺在停运前对UV254的净化效果。

表2 臭氧-生物活性炭工艺在停止运行前对滤后水的净化效能

注：运行工况：臭氧投加量为1.5 mg/L，接触时间11 min，炭床滤速8 m/h。

表3 臭氧-生物活性炭工艺重新运行后对浊度和UV254的净化效能

同时，两活性炭柱在重新运行30 min后对于浊度的去除效果与停运之前相当，而且两根活性炭柱对浊度的去除也没有明显的区别，分析认为，臭氧-生物活性炭工艺对浊度的去除主要依靠活性炭的截留作用，与生物量相关性不大。

所以周期性的换水浸泡保存虽然能够延缓生物量的下降，但是在重新运行后对于浊度和UV254的去除效果并没有明显的影响。

图6 臭氧活性炭工艺重新运行后对CODMn的净化效能

由图6可见，两根经过不同方式保存的活性炭柱在臭氧-生物活性炭工艺重新运行期间对CODMn的去除效果相差很大。1号活性炭柱在重新开始运行1 h后对CODMn的去除率就达到30%左右，而后对CODMn的总去除率也稳定在30%～35%之间；而2号活性炭柱在重新运行24 h之内，对CODMn的总去除率均没有达到23%，在运行48h之后，对CODMn的总去除率达到25%到28%之间，虽然随着运行时间的增加，总去除率略有增加，但是最终对CODMn的总去除率没有达到30%。

由图7可见，臭氧氧化能够将水中的部分有机氮氧化为NH3-N，从而造成NH3-N的增加，同时可以看出两根活性炭柱在重新运行期间对NH3-N的总去除率表现出与对CODMn的总去除率相似的规律。1号活性炭柱在重新运行后1h对NH3-N的总去除率就已经达到26.38%，而后对NH3-N的总去除率均维持在28%左右，而2号活性炭柱在重新运行后1h对NH3-N的总去除率仅达到15.54%，而后随着运行时间的增加，对NH3-N的总去除率有所增加，重新运行后24h，对NH3-N的总去除率达到20.47%，之后对NH3-N的总去除率稳定在22%左右。

图7 臭氧活性炭工艺重新运行后对NH3-N的净化效能

分析认为：臭氧-生物活性炭工艺在对CODMn的去除过程中炭层中的微生物降解作用占据了很大比重，生物量越大，该工艺对有机物的去除效果越好[14]；同时NH3-N的去除过程中也是主要依靠活性炭层中微生物对NH3-N的降解，而1号活性炭柱在保存期间采用的是周期性换水的浸泡保存，有效缓解了炭层中生物量的减少，从而使得1号活性炭柱在重新开始运行时对CODMn和NH3-N的总去除率要好于2号活性炭柱。

同时，把两个活性炭柱对臭氧后出水CODMn(mg/L)的去除量与两活性炭柱的平均生物量(nmol/cm3)的比值(图8)作为衡量该设备保持微生物活性的指标也可以看出，在臭氧-生物活性炭重新运行24 h，1号活性炭柱的该比值均要高于2号活性炭柱，而在运行48 h以后，两活性炭柱的该比值则相对接近。从而说明了臭氧生物活性炭工艺在停止运行期间采用周期性换水的浸泡保存方式能够更有效地保持炭层中的微生物活性，使得该工艺在重新开始运行时在短时间内对有机物就有较好的去除作用。

图8 CODMn去除量与两活性炭柱的平均生物量比值

3 结 论

臭氧-生物活性炭工艺在停止运行后对生物活性炭柱采取浸泡保存的方式会使得炭层中水质发生很大变化，从而使得活性炭柱在采取浸泡保存后炭层中生物量的下降，而在浸泡保存中周期性的换水能够延缓生物量的下降。同时在臭氧-生物活性炭工艺重新开始运行期间，延缓活性炭柱中生物量的下降对浊度和UV254的去除率影响不大，而保持一定的生物量能够使得臭氧-活性炭在重新开始运行时在较短时间内对CODMn和NH3-N就有一个比较好的去除效果。

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BiomassretentionmethodforintermittentoperationofOzoneBiologicalActivatedCarbonprocess

MIAOGang1，BAOJuan2,CHENYunxiao2，LINTao1，CHENWei1

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098，China; 2.NanjingWaterGroupCo.Ltd,Nanjing210002,China)

This paper studied the biomass maintaining method of Ozone Biological Activated Carbon (O3-BAC) process when intermittent operation was conducted as well as the influence of different storage way on the purifying effect of O3-BAC process rerunning. The results shows that when storage with immersion was implemented after O3-BAC process stopped, water quality in the activated carbon layer has changed a lot, and biomass was decreasing. In the meantime, periodic water replacement could delay the decline of biomass when the activated carbon column was immersed in storage. When the O3-BAC process was rerun, the decline of biomassbrought about by the periodic water replacement had little influence on the removal efficiency of turbidity and UV254, but this operation could make the removal efficiency of CODMnand ammonia nitrogen by the O3-BAC in a short time close to the same of the process before storage.

Ozone Biological Activated Carbon process; intermittent operation; storage with immersion; periodic water replacement; biomass; purifying effect

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.17

国家自然科学基金(51438006)

缪刚(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为水处理技术。E-mail：455934581@qq.com

林涛，教授。E-mail：hit_lintao@163.com

TU991

A

1004-6933(2017)06-0109-05

2016-12-19 编辑：徐 娟)