活性炭滤柱反冲洗对有机物去除效果的影响

李敏，夏琼琼

（ 1东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏南京20096；2．中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074）

  摘要：反冲洗方式是影响活性炭滤池正常运行的关键因素。以反冲洗废水浊度、浊污比、反冲洗前后活性炭滤柱上生物量和生物活性的变化为指标，分析反冲洗后活性炭滤柱去除有机物的效果，观察4种不同的反冲洗方式对活性炭滤柱运行效果的影响。试验结果表明：在活性炭滤柱试验中，以气冲强度8L(s．m2)、水冲强度11 L(s．m2)、膨胀度10%、历时8 min的气水混合反冲效果最好，反冲洗后活性炭滤柱对有机物的去除率增长最多。

  关键词：活性炭滤柱；反冲洗方式；浊度；生物量；生物活性

  中图分类号：TU991.2    文献标志码：A    文章编号：1004-4655( 2015) 06-0033-03

    活性炭技术是近年来应用于饮用水深度处理领域的技术之一。活性炭处理技术能有效去除水中微量有机物和嗅味等，提高饮用水的化学安全性和生物稳定性。随着活性炭滤池运行时间的延长，炭粒表面和滤床中积累的生物和非生物颗粒数量不断增加、炭粒间间隙不断减小，影响活性炭滤池的出水水质及产水量，及时进行合理的反冲洗是保证活性炭滤池有效运行的重要因素。

    本文以反冲洗废水浊度、浊污比、反冲洗前后活性炭滤柱上生物量和生物活性的变化以及反冲洗后活性炭滤柱对有机物的去除效果为指标，观察4种不同的反冲洗方式对活性炭滤柱运行效果的影响。

1试验条件及方法

1.1工艺流程及进水水质

本试验在南京某水厂进行。水厂以长江下游水为原水，采用混凝、沉淀、过滤、消毒的常规工艺。混凝剂采用聚合氯化铝（冬季采用聚合氯化铝复合药剂），混凝剂投加量为13~16 mg/L。水厂的工艺流程与试验流程见图1。

试验选用4根相同柱型活性炭滤柱（见图2），活性炭滤柱为内径100 mm的有机玻璃柱，柱高1.8 m，炭层高1.1 m，下设10 cm砂滤层。滤料采用ZJ-15型柱状颗粒活性炭，粒径0.8~1.5 mm。在各炭层高度设置取样口，活性炭滤柱底部设置反冲洗进水阀及空压机气冲装置，活性炭滤柱由顶部进水、底部出水，炭床接触时间EBCT为20 min。

活性炭柱进水为水厂砂滤池出水。活性炭柱进水水质情况见表1。

1.2试验方法及检测指标

    活性炭滤池反冲洗通常有单独水冲、气水联合反冲、气水混合反冲3种方式。单独水冲根据水流速度分为高速水冲和低速水冲。在一定范围内提高水冲强度会使滤层得到更好的反冲，但是当水冲强度达到一定程度时，对反冲洗效果的改善程度有限，并且会极大增加反冲洗的水耗；气冲的主要作用在于气流紊动先冲松滤层，产生比同等条件下水冲大得多的剪切力，更好冲刷生物膜，使得生物滤料得到更好清洗。但是，强度过大的气冲在冲刷老化生物膜的同时，也会将生长良好的生物膜去除。

    本次试验共采用4种反冲洗方式。

    1)方式一：单独水冲，强度13 L／(s．m2)，膨胀度20%，历时10 min，静沉排水。

    2)方式二：单独水冲，强度18 L(s．m2)，膨胀度37%，历时10 min，静沉排水。

    3)方式三：气水联合反冲，先气冲，强度10 L(s．m2)，历时2 min，再水反冲，强度

12 L/( S.m2)，膨胀度16%，历时8 min，静沉排水。

    4)方式四：气水混和反冲，气冲强度8 L(s．m2)，水冲强度11 L／(s．m 2)，膨胀度10%，历时8 min，静沉排水。

    反冲洗程序：首先停止活性炭滤柱进水，待活性炭上层水位降至表层15 cm左右，关闭出水阀门；打开反冲洗进水阀，调至相应流量，进行反冲洗（有气冲程序同时进行），之后将反冲洗废水静置1 min左右，由反冲洗排水阀排出。

    评价指标：分别以反冲洗废水浊度及其浊污比（反冲洗废水浊度与反冲前滤池去除CODM。总量之比）、反冲洗前后活性炭滤柱上各层生物量和生物活性的变化为评价指标，考察不同反冲洗方式对活性炭滤柱去除有机物的效果。

    生物量采用脂磷分析法，磷脂是所有细胞生物膜的主要成分，以它表示生物量已经在很多饮用水生物处理的试验研究中得到应用。生物活性采用TTC-脱氢酶活性检测方法1。该方法利用被脱氢酶活化的氢原子被人为受氢体接受，利用人为受氢体直接测定脱氢酶活性。选用无色的氯化三苯基四氮唑( TTC)受氢变成红色的三苯甲基(TF)，然后利用比色法做定量分析。

2研究分析

2.1以反冲洗废水浊度、浊污比为评价指标

    图3反应不同反冲洗方式下，反冲洗废水浊度随反冲洗时间的变化趋势。图中的变化曲线与横坐标、纵坐标所围面积代表反冲洗期间去除的炭床累积的生物和非生物颗粒的总量。由图3可以看出，膨胀度为37%的单独水冲方式去除的物量最多，清洗程度最大。4种冲洗方式分别在第8、9、6、9 min时，反冲洗废水浊度不再下降，其中，气水混和反冲洗方式，反冲洗废水浊度在最后水冲阶段进一步下降。

为更准确比较不同冲洗方式的效果，采用反冲洗废水初期浊污比，浊污比从高值到趋于平稳的历时作为评价指标。由图4可以看出，气水联合反冲洗方式初期浊污比最大，原因在于气冲能预先冲松滤层，使得老化的生物膜从活性炭表面脱附下来，气冲2 min后再进行水冲，将已经松动的滤层中的生物颗粒和非生物颗粒更好地去除。膨胀度为20%的单独水反冲方式初期浊污比最小、浊污比达到平稳历时最短，气水混合反冲洗方式最长，原因是小强度的单独水冲方式力度小，对活性炭滤层的冲刷作用有限。随着反冲洗时间的增加，活性炭滤层中颗粒和非生物颗粒不能冲刷下来；而气冲方式能产生大得多的水冲剪切力，从而冲刷出活性炭表面更多的生物膜，使得反冲洗废水浊污比达到稳定的时间更长。

2.2以反冲洗前后活性炭滤柱各层生物量、生物活性作为评价指标

    活性炭滤池成功运行的关键是保证滤料上有一定数量的具有活性的微生物，活性炭滤柱上生物量和生物活性是影响处理效果的一个重要因素I 4J。因此生物量、生物活性是反映反冲洗效果的另一个很重要的指标。

图5、图6反应4种不同的反冲洗方式反冲洗前后炭层不同高度上生物量的损失情况和生物活性的增加情况。

由图5可知，4种不同的反冲洗方式均为炭层上部的生物量损失较大，下层损失较小。这主要有两个方面的原因，一是反冲洗时炭层上部的膨胀度较大，炭粒之间的冲刷、碰撞较为激烈；另一原因为上层滤料中悬浮微生物占总生物量的比例较下层滤料大，而悬浮微生物与滤料的结合很松散，反冲洗时很容易随水流流失。附着微生物主要分布在炭粒表面及炭粒发达的孔隙中，与滤料的结合力强，不容易随反冲洗水冲走。另外，膨胀度37%的单独水冲损失的生物量最大，膨胀度20%的单独水冲损失的生物量最小。原因在于本次试验气冲强度较小，产生的膨胀度也较小，故气冲时生物量的损失量也较小。

    由图6可以看出，膨胀度37%单独水冲的反冲洗方式下，生物活性增强最大。膨胀度20%的单独反冲洗方式生物增强最小，原因和生物量损失相同。气水混合反冲洗方式较气水联合反冲洗方式的生物活性增强大，原因在于气水联合反冲洗方式下，气冲时间较短的缘故。

2.3不同反冲洗方式对有机物的去除效果

    炭床的除污能力是活性炭滤池反冲洗的最终目的，是评价反冲洗方式优劣的最终指标。UV254值代表水中含有共轭双键或苯环的有机物。UV254值不仅与水中有机物含量（TOC或DOC）有关，而与色度、消毒副产物（THMs等）的前体物有较好的相关性。

反冲洗后96 h内炭床对CODMn、UV254的去除能力如表2，表3所示。

比较表2、表3，可以看出活性炭工艺对UV254的去除作用均大于对DOC的去除作用。主要原因0.17 mg/L，平均去除率在65%以上，TP达到规范一级A排放标准。图5为逆流式连续砂滤池对TP的去除效果。

4结语

    逆流式连续砂滤池对水中的悬浮物有较好的去除效果，可以保证出水SS浓度稳定在10 mg/L以下，SS的平均去除率在65%以上，另外，通过去除SS的同时也可以使COD进一步降低。通过投加聚合硫酸铁可以有效去除水中TP，保证TP浓度稳定在0.5 mg/L以下，TP的平均去除率在65%以上。连续式砂滤器对浊度和TP浓度的去除效果较明显，针对污水处理厂的水质条件，连续活性砂滤系统在滤速9.62 m/h的水力条件下，投加聚合硫酸铁50 mg/L，

砂滤出水水质可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准规范一级A标准。