生物活性炭滤池的反冲洗方式研究
摘要：反冲洗是保证生物活性炭滤池成功运行的一个重要环节。对不同反冲洗方式的效果进行了比较，根据反冲洗废水浊度变化及对滤池出水水质的影响，确立了合理的反冲洗方式，并给出相关的反冲洗强度和反冲洗历时参数，以期为生物活性炭滤池的设计和运行提供参考。
在臭氧—生物活性炭深度处理技术应用中，生物活性炭(BAC)滤池的反冲洗问题非常棘手又亟需解决。随着BAC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量不断增加，导致炭粒间隙减小，影响滤池的出水水质和产水量。反冲洗方式与相 关参数直接影响BAC滤池的运行效果和成本。有研究表明，采用单独水冲的滤池出水中生物可同化有机碳(AOC)和细菌量高于采用气水联合反冲的滤池，而充分去除过量的生物膜是保证滤池成功运行的重要前提。国外对生物滤池反冲过程中的颗粒脱附机理进 行了研究，但关于其程序及相关参数选取的报道较少，而这又恰是指导生产所必须解决的重要问题。国内对此方面的研究起步较晚，个别采用生物活性炭技术的水厂只能直接参照国外经验，如昆明、北京水司均采用单独水冲(滤层膨胀率为25%)。
1.试验方法
1.1 工艺流程及装置
中试的工艺流程为预臭氧化→混凝、沉淀、过滤→臭氧—生物活性炭，试验装置包括常规处理、臭氧化和BAC滤池处理系统。
BAC滤池横断面尺寸为500 mm×500 mm，高度为4.92 m，内部均分为两格，采用小阻力配水系统。池内装填ZJ-15型柱状活性炭，其碘值和亚甲蓝吸附值分别为961、187 mg/ g。运行之前采用未加氯的砂滤出水先浸泡活性炭1周，再反洗清洁。
试验期间，臭氧化与常规处理工艺参数基本恒定。预臭氧化的接触时间和投量分别为4.5min和1.5 mg/L左右；主臭氧化的接触时间和投量分别为16 min和2.0mg/L左右。常规处理水 量为3～3.5m3/h，混合时间为6～6.5s，反应时间为23.2～19.9 min，沉淀池清水 区上升流速为1.39～1.62 mm/s、斜管内上升流速为1.60～1.87mm/s，滤池滤速为6.49～7. 57 m/h。混凝剂和pH值调节剂分别采用液态碱铝和氢氧化钠，投加浓度分别为2.5、6 mg/L左右。
1.2 反冲方式
第一阶段单独水反冲试验的炭床高度分别为2.0、2.5 m，冲洗强度分别为12、14、18L/(m2·s)，冲洗历时约为10 min。第二阶段气水联合反冲洗试验的炭床高度为2.0 m，气冲强 度分别为8、11、14L/(m2·s)，气冲历时分别为3、5min；水冲强度分别为6、8、10、1 2、14L/(m2·s)，水冲历时约为10 min。
试验期间BAC滤池进水水温较高(平均为29 ℃)，采用自然挂膜(生物膜成熟时间约为15d)，其反冲洗周期一般为7d。
2.结果与分析
水中生物颗粒的相对含量以浊度表示，其微生物最低检测浓度为3.7×105个/mL［4］。BAC滤池反冲废水中微生物浓度(个/mL)的数量级一般不低于105［2、3］，故以反冲废水的浊度作为一项主要检测指标。
2.1 水反冲
①冲洗强度
试验中以相同反冲历时下的反冲废水浊度、反冲废水浊度与初始浊度的比值、从高浊度到持续低浊度的出现历时作为评价指标。
在一定范围内提高水冲强度会改善反冲洗效果。当运行条件相近、水冲强度分别为14、18/(m2·s)时，反冲废水初始浊度分别为34.3、116 NTU。去除负荷相同导致二池截污量大致相等，而初始浊度高意味着被冲下的杂质多，由此推知经低强度水 冲后的BAC滤池残余杂质较多，这主要是由于水冲强度高会产生较大的剪切力和拖拽力，更好地促使炭、水以及炭粒间的摩擦碰撞。两种水冲强度下反冲废水浊度比值为10%的历时分别为200s和80 s，反冲废水浊度由高到趋于平稳的历时分别为210s和180s，这间接表明采用高强度水冲对滤层冲洗得较为彻底、排出被冲杂质较为容易。炭床高度为2.5 m的BAC滤 池的试验结果与此类似。
在低强度水冲后期换以高强度水冲的过程中，反冲废水浊度随反冲洗历时呈倒V”形变化。
说明高、低强度联合水冲的效果优于单一低强度水冲。虽然组合强度的水反冲效果有所 改善，但不显著，还大大增加了反冲洗耗水量，由此认为单独水反冲的适宜水冲强度为14 L/(m2·s)左右，对应滤层膨胀率为20%左右。
②水冲历时
试验中发现反冲废水初期浊度、色度高，后期浊度、色度低，水冲强度为14、18L/(m2·s)时肉眼可见少量微生物絮体。这说明BAC滤池的反冲废水中生物颗粒和非生物颗粒均占相 当比例，并且生物颗粒的出现时间相对滞后。一般，颗粒脱附的前提条件是外加脱附力大于颗粒所受的粘附力，而非生物颗粒的粘附力主要由范德华力和化学键力等构成。对于生物颗粒，微生物的疏水性及胞外物质会产生比前述引力大得多的微观引力。
非生物滤池的反冲废水中非生物颗粒占绝大多数，一般以反冲废水浊度达到5NTU作为反冲洗结束条件。生物滤池中生物颗粒的脱附较难，其含量又难以浊度指标来间接反映，故以反冲废水浊度＜5NTU作为反冲洗结束的上限条件。同时，BAC滤池在反冲废水浊度达到3NTU以后则很难下降，故将3NTU作为反冲洗结束的下限条件。对应浊度为3～5 NTU的反冲洗历时为6～8 min，即采用水冲强度为14L/(m2·s)的适宜历时为6～8min。
③反冲洗排水槽与滤层间距
反冲洗排水槽与滤层的间距过小易造成滤料流失，间距过大则不利于反冲废水的及时排出，还会消耗较多的反冲洗用水。如采用14、18L/(m2·s)强度联合反冲洗、在去除负荷相近的情况下，炭床高度为2.0m和2.5 m的BAC滤池反冲废水浊度变化趋于平稳的历时分别为210s和180s，反冲废水浊度比值为10%的所需历时分别为200 s和110s，反冲废水浊度达到5 NTU的历时分别为170s和160 s。在保证活性炭不被冲出池外的前提下，此高度差可适当降低，建议实际应用中以1.5～2.0 m为宜。
2.2 两段式气水联合反冲洗
因长有生物膜的活性炭体积质量小、气水同时反冲洗的控制要求高，故采用两段式气水联合反冲洗，即先排水至炭床表面下10 cm处，然后通入压缩空气反洗，停气后再用水反冲。为更准确地比较不同方式的反冲洗效果，采用浊污比(反冲废水浊度与反冲之前去除CODMn总量之比)、浊污比与初始浊污比的比值、从高浊污比到持续低浊污比的出现历时作为评价指标。
①气水反冲与单独水反冲的比较
炭床高度为2.0 m的BAC滤池在去除负荷相近时，尽管水冲强度均为14L/(m2·s)，但先气冲5 min的效果明显较好。
气水联合反冲时反冲废水的初始浊污比(1.39 NTU/gCOD)高于单独水反冲的值(0.79NTU/gCO D),前者反冲废水的浊污比从高到趋于平稳的时刻(300 s)迟于后者(210s)，反冲废水浊 污比与初始浊污比的比值达到10%的历时也如此，原因在于较大的紊流气体能预先冲松滤层 并更好地冲刷活性炭表面的生物膜。和普通滤池类似，单独采用水反冲的BAC滤池具有一定的局限性。
②气冲强度与水冲强度的匹配
气、水强度的匹配是优化气、水联合反冲洗的重要方面。气、水强度组合分别为14、8L/(m2·s)和8、10～12L/(m2·s)的试验结果表明，在反冲洗初期(0～60s)，相同反冲历 时下的反冲废水浊污比是前者大于后者，而反冲废水的持续低浊污比及浊污比与初始浊污比的比值为10%的出现历时大体相近；所需反冲水量大致相等。由此决定采取高气冲强度、低水冲强度的匹配方式。
其他条件相同，增大水冲强度会改善反冲洗效果，表现为反冲废水初期浊污比增大，反冲废水浊污比从高值到持续低值及浊污比与初始浊污比的比值为10%的所需历时缩短，达到反冲废水浊度为3～5 NTU的所需耗水量大体相等。虽然水冲强度为6、8 L/(m2·s) 的试验结果也类似，但因常规工艺出水中会残存一定的溶解性有机污染物，臭氧化又减小了其粒径，增大了微粒扩散常数，增加了微粒间碰撞几率和范德华引力，促使微粒被粘附的强 度和机会增加而更难于脱附。建议气冲后采用微膨胀水冲［强度为8L/(m2·s)］。
③气冲强度
固定气冲历时为5 min、后续水冲强度为8L/(m2·s)，分别以气冲强度为8、11、14 L/(m2·s)进行气、水反冲洗的试验结果表明，提高气冲强度可改善反冲洗效果，主要 表现为初期反冲废水的浊污比基本随气冲强度增大而增大。
在气冲强度为14L/(m2·s)的反冲洗试验中发现生物膜的脱落较为明显，且气冲后的新一轮运行初期，BAC滤池对CODMn、藻类等的去除效果下降，这又说明反冲洗的关键是既要去除过量的老化生物膜，又要充分保证新一轮启动所需的生物量。建议生产中采用11～14L/(m2·s)的气冲强度，待积累一定经验后再取适当高值。
④反冲历时
反冲历时直接影响反冲洗的效果和能耗。当采用气、水冲强度分别为14、8L/(m2·s)，气冲历时分别为5、3min时，反冲废水的初期浊污比差别不明显；但浊污比从高值到持续低值、浊污比与初始浊污比的比值为10%、反冲废水浊度达到5～3 NTU的出现历时有所差异，原历时为3 min的值约延长了1～2 min。这说明延长气冲历时可使炭粒表面污物受到更为持久的剪切和剥离，使脱落污物的排出较为容易，但因总体效果相近，实际气冲历时可视情况选3～5min。
综合气冲强度为11～14L/(m2·s)、气冲历时为(3～5min、水冲强度为8L/(m2·s)的反冲洗试验结果可知，反冲废水浊度达到5～3 NTU的所需 历时为260～550 s，即所需的水冲历时约为5～7 min。
3.结语
①炭粒表面生物颗粒的脱附难于非生物颗粒，建议生产中反冲洗结束的控制指标为反冲废水浊度达到3～5 NTU。
②两段式气、水联合反冲洗的效果优于单独水反冲，并可节约耗水量，推荐采用先以高强度空气擦洗、再以微膨胀水漂洗的方式。适宜的气冲强度为11～14L/(m2·s)、历时为3～5 min，水冲强度为8L/(m2·s)、历时为5～7 min。
③如采用单独水反冲，建议适宜的反冲强度为12～14L/(m2·s)、滤层膨胀率为20%左右，反冲历时为6～8 min。
④炭床上表面与反冲废水排水槽间的高度差对反冲洗效果有一定影响，实际应用中以1.5 ～2.0 m为宜。
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