杜怡昕 劉華平 劉發(fā)富

（1江蘇省蘇豪控股集團公司 江蘇南京 210012 2鑫緣繭絲綢集團股份有限公司 江蘇海安 22660）

4 壓力式生物活性吸附處理裝置

4.1 目的和作用

壓力式生物過濾裝置的出水由于還含有一定量的污染物，并且有異味，不能滿足桑蠶絲生產(chǎn)工藝標準要求，必需通過引至壓力式生物活性炭吸附處理裝置進行處理后才能供給桑蠶絲生產(chǎn)使用，生物活性炭裝置內(nèi)充填經(jīng)特殊處理馴化的生物活性炭。而生物活性炭技術能有效去除水中有機物(尤其是可生物降解部分)和臭味等，從而提高桑蠶絲生產(chǎn)的用水化學和微生物安全性，目前，對常規(guī)處理工藝出水再進行深度凈化將成為紡織工業(yè)水處理方面的選擇之一。它已作為水深度凈化的一個重要途徑也逐漸被紡織工業(yè)企業(yè)重視。

活性炭內(nèi)部具有發(fā)達的空隙，比表面積巨大，因此具有很強的吸附處理污物的能力，被廣泛用于對空氣、水體的凈化。但是，在常規(guī)方法中活性炭會隨著吸附處理物質(zhì)的積累，其內(nèi)部空隙會不斷減少（飽和度不斷提高），而導致吸附處理能力相應降低，即活性碳的飽和程度與吸附處理能力成反比。當飽和度至定值后，就不能保證出水水質(zhì)。因此常規(guī)方法中只能頻繁更換活性炭，才能保證出水水質(zhì)。同時活性炭的價值較高，不斷更換新炭必然會提高水處理的成本。本課題為了解決這個問題，進行了如下的試驗和研究。

4.2 技術特點

以粒狀活性炭為載體富集水中的微生物而形成生物膜，通過生物膜的生物降解和活性炭的吸附處理去除水中污染物，同時生物膜能通過降解活性炭吸附處理的部分污染物而再生活性炭，從而大大延長活性炭的使用周期。生物活性炭濾池的工藝參數(shù)直接影響其處理效果和成本，并且合適的參數(shù)值還和濾池進水水質(zhì)有一定關聯(lián)，對本課題而言，在全面投入應用前進行針對性的研究，找出最佳實施方案，為課題的順利實施提供可靠的保障。

4.3 試驗研究方法

4.3.1 試驗工藝流程及裝置

本課題的試驗工藝流程為生物接觸氧化+生物過濾+生物活性炭，桑蠶絲廢水生物凈化試驗裝置見工藝流程示意圖1，包括常規(guī)處理、生物接觸氧化裝置+生物過濾裝置+活性炭濾池處理系統(tǒng)。

生物活性炭吸附處理裝置尺寸為∮1500mm，高度為4.5m，內(nèi)部均分兩格，采用小阻力配水系統(tǒng)。裝填ZJ-15型柱狀活性炭，該炭碘值和亞甲蘭吸附處理值分別為961和187mg/g，堆積密度460g/L?；钚蕴吭谑褂弥?，先用未加氯的砂濾出水浸泡一周，再用未加氯的砂濾出水反洗清潔，然后裝池。生物活性炭吸附處理裝置采用下向流型式，進水溶解氧含量一般在7.50mg/L左右，能充分保證生物降解對溶解氧的需求。生物活性炭吸附處理裝置采用兩段式氣水反沖洗，即首先以空氣擦洗、再以未加氯的砂濾出水反沖，反沖洗周期為7天。

生物活性炭吸附處理裝置的啟動與壓力式生物濾池的啟動方式相同。國外一般采用三種方式：①間歇培養(yǎng)并逐步增加流速；②在設計流速下或逐漸增加流速進行連續(xù)培養(yǎng)；③用活性污泥接種，穩(wěn)態(tài)運行。三種啟動方式中生物膜的生長速率、分布和對污染物的去除率等變化規(guī)律各不相同，但達到穩(wěn)態(tài)所需的時間卻大致相同。本課題根據(jù)國外的試驗結果采用設計流速進行連續(xù)培養(yǎng)，得到了更加穩(wěn)定的生物量。調(diào)試正常并投入正常生產(chǎn)后廢水在塔內(nèi)流速40m/h左右。

4.3.2 試驗設計

在參考現(xiàn)有國內(nèi)外文獻的基礎上，本課題研究首先采用2.0m和2.5m炭床高度，分別進行空床接觸時間10、12min的對比試驗。然后選定炭床高度，分別進行空床接觸時間7.5、10、12、15、20min的對比試驗。

4.3.3 試驗方法

試驗期間水溫較高（26-31℃，平均29℃），生物活性炭吸附處理裝置采用自然掛膜，生物膜成熟時間約為15天。進行上述各組條件的試驗時間均為7天，其中2天為過渡適應期，5天為穩(wěn)態(tài)試驗期。試驗期間生物活性炭吸附處理裝置進水水質(zhì)如表9所示：實驗結果（表10）還表明，在壓力式生物過濾裝置接觸時間等其它試驗條件相同時，炭床高度對壓力式生物過濾裝置出水色度、pH值的影響不大；但對嗅閾值卻有一定影響，在壓力式生物過濾裝置接觸時間同為10min時，炭床高度2.5m池的出水嗅閾值超過管道直飲水水質(zhì)標準（Q/ZLS001-1998）3的上限標準，這表明較高的濾速不利于除臭。

表9 生物活性炭濾吸附處理裝置進水水質(zhì)

綜合12min和10min的試驗結果，可以看出，在壓力式生物過濾裝置接觸時間、進水水質(zhì)等主要試驗條件相同的前提下，炭床高度對壓力式生物過濾裝置的凈水效果總體相同；但較大的炭床高度不利于嗅閾值的控制。事實上的壓力式生物過濾裝置去除污染物主要靠生物吸附處理降解和物化吸附處理，而這些過程都需要一定的時間，在進水水質(zhì)和污染物與生物顆粒接觸時間相同時，污染物的降解程度理應相同。當然生物活性炭顆粒的機械截留也有一定作用，較大炭床高度的壓力式生物過濾裝置的出水水質(zhì)略差，其原因可能就在于較大濾速不利于機械截留作用的發(fā)揮。此外，炭床高度的增大還將會對壓力式生物過濾裝置的反沖洗提出更高的要求，有基于此，建議生產(chǎn)中壓力式生物過濾裝置的適宜炭床高度取2.0m。

表10 炭床高度對嗅閾值、色度、pH值的影響

4.3.4 空床接觸時間

4.3.4.1 空床接觸時間與出水濁度

當壓力式生物過濾裝置的接觸時間在7.5～2.0min之間變化時，壓力式生物過濾裝置進出水濁度變化情況如表11所示。觀察表11中的試驗數(shù)據(jù)，壓力式生物過濾裝置的出水濁度比較穩(wěn)定，平均在0.22NTU以下；此均值和壓力式生物過濾裝置的進水濁度均值（0.25NTU以下）較為接近，壓力式生物過濾裝置能稍微降低水的濁度，但壓力式生物過濾裝置接觸時間對濁度的去除沒有明顯影響。由此可見，壓力式生物過濾裝置的功效不在于除濁。

表11 壓力式生物過濾裝置接觸時間與出水濁度

4.3.4.2 空床接觸時間與出水CODMn

當壓力式生物過濾裝置的空床接觸時間在7.5～20min之間變化時，壓力式生物過濾裝置進出水CODMn變化情況不及濁度值穩(wěn)定（表12）。由表12可見，在空床接觸時間相同、進水水質(zhì)相近的情況下，增大壓力式生物過濾裝置的空床接觸時間，壓力式生物過濾裝置對CODMn的去除效果隨之改善，表現(xiàn)為CODMn平均去除率的提高。在生物膜工藝中，延長空床接觸時間意味著延長基質(zhì)和生物膜的接觸時間，有利于基質(zhì)的生物降解；從生物膜降解機理上來看，接觸時間縮短意味著進入壓力式生物過濾裝置的基質(zhì)量增加，導致生物膜在單位時間內(nèi)接觸的基質(zhì)增加，而進水水質(zhì)一定使得生物膜對基質(zhì)的降解速率相對穩(wěn)定，最終導致出水CODMn濃度增加，處理效果下降。此外，接觸時間的延長也有利于污染物的物化吸附處理去除。

表12 壓力式生物過濾裝置進出水的CODMn變化

從表12還可以看出，壓力式生物過濾裝置空床接觸時間的增加幅度影響壓力式生物過濾裝置對CODMn去除率的提高程度，空床接觸時間的增幅大對CODMn去除效果的改善程度較為明顯反之收效一般，但接觸時間增大到一定程度時，CODMn去除率的提高有限，這主要是由于進水中可生物降解及吸附處理的物質(zhì)所占的比例一定。此外，對比接觸時間15min和20min的CODMn平均去除率，發(fā)現(xiàn)前者稍高于后者，主要原因在于壓力式生物過濾裝置運行前的成熟條件不同。進行接觸時間20min的試驗前，采用的氣沖強度較大（14L/m2·s），生物膜脫落明顯，又限于當時條件、只經(jīng)12h即取樣化驗；而進行其余接觸時間的試驗之前，采用的氣沖強度小于14L/m2·s，生物膜脫落程度較輕，且經(jīng)48h成熟期后再取樣化驗。這說明壓力式生物過濾裝置的反沖洗及其充分成熟對保證其成功運行極為重要，在實際生產(chǎn)中需對氣水聯(lián)合反沖洗后的初始處理水量作必要的小幅減小。

4.3.4.3 空床接觸時間與出水含藻量

壓力式生物過濾裝置深度處理是作為改善桑蠶絲生產(chǎn)用水水質(zhì)的有效途徑，除藻也是其重要任務之一，因本課題采用的原水供水系統(tǒng)及管網(wǎng)經(jīng)長期使用后會產(chǎn)生藻類。本研究以含藻量作為優(yōu)選壓力式生物過濾裝置空床接觸時間的另一重要分析指標，壓力式生物接觸氧化裝置＋壓力式生物過濾裝置＋壓力式生物活性炭吸附處理裝置作為一個整體，因使用過程中條件固定，故不影響對試驗結果的分析。

壓力式生物過濾裝置進出水含藻量的檢測結果（表13）表明，在進水含藻量為10萬個體數(shù)/L左右、壓力式生物過濾裝置空床接觸時間從7.5min增加到15min時，壓力式生物活性炭吸附處理裝置出水含藻量從8.5萬個體數(shù)/L逐漸降低到2.43萬個體數(shù)/L,對應除藻率從23%逐漸增加到73.5%，但增加程度逐漸降低。試驗期間，發(fā)現(xiàn)活性炭表面并未完全長有生物膜，因此生物處理和活性炭處理是生物活性炭的兩大除藻途徑。生物除藻的可能機理有以下幾種：生物膜的吸附處理、附著，生物載體之間的生物絮凝和機械截留，微生物的氧化分解，原、后生動物的捕食等。本課題研究又表明，在短短（0～10nm）范圍內(nèi)，細菌等微生物的疏水性產(chǎn)生的微觀疏水引力遠遠大范德華引力，藻類向炭粒的遷移和粘附將是影響生物活性炭除藻的一個重要環(huán)節(jié)。在一定范圍內(nèi)延長壓力式生物過濾裝置空床接觸時間，將會增加藻類和生物活性炭的接觸機會，利于藻類尋求合適的附著點，促使上述各機理作用的發(fā)揮，從而加強該系統(tǒng)對藻類的去除效果；而接觸時間15min和20min的除污染效果對比（表13）又表明此結論須以壓力式生物活性炭吸附處理裝置充分成熟為前提條件。另一方面，過高地延長壓力式生物活性炭吸附處理裝置接觸時間，會降低壓力式生物活性炭吸附處理裝置的水力負荷，明顯增加包括活性炭在內(nèi)的基建投資，不足為取。結合中試結果，建議生產(chǎn)上用于除藻的空床接觸時間不宜高于15min。

表13 空床接觸時間與O3-BAC單元出水的含藻量

4.3.4.4 空床接觸時間與其它出水水質(zhì)參數(shù)

在7.5～20min的范圍內(nèi)變化壓力式生物活性炭吸附處理裝置空床接觸時間的試驗結果表明，壓力式生物活性炭吸附處理裝置出水的嗅閾值、色度、pH值相對變化不大，也即空床接觸時間對嗅閾值、色度、pH值的影響相對微小。一般壓力式生物活性炭吸附處理裝置出水的臭閾值在2～3甚至更小，色度在5或5以下，壓力式生物活性炭吸附處理裝置出水的pH值在7.60左右。

綜合炭床高度和空床接觸時間的試驗結果，可以看出空床接觸時間是影響壓力式生物活性炭吸附處理裝置凈水效果的決定性因素，這和大多數(shù)研究成果一致，但具體數(shù)值取決于壓力式生物活性炭吸附處理裝置進水水質(zhì)情況和出水水質(zhì)要求?；谀壳爱?shù)厮此蜐岣咴?、有機物和氮磷含量較高的水質(zhì)特征，結合不同空床接觸時間的試驗結果，若壓力式生物活性炭吸附處理裝置出水水質(zhì)以CODMn達到桑蠶絲生產(chǎn)用水水質(zhì)標準，壓力式生物活性炭吸附處理裝置的空床接觸時間以12～15min為宜，原水水質(zhì)差時取相應高值。

5 結語

（1）加壓生物接觸氧化法通過“加壓”方式提高了桑蠶絲生產(chǎn)廢水中污染物去除率,減少了生化反應時間。其高效的關鍵原因是有效提高了廢水中的溶解氧含量，加大了氧向生物膜內(nèi)遷移的推力和向生物膜內(nèi)滲透程度，使生物膜活性得到提高，活性微生物數(shù)量增加，從而使有機物降解速度提高。而且可通過調(diào)節(jié)壓力和水氣比使加壓生物接觸氧化設施內(nèi)保持適當?shù)娜芙庋鹾縼磉m應水質(zhì)和水量的變化，耐沖擊負荷能力增強。

（2）課題研究表明，加壓生物接觸氧化法處理桑蠶絲生產(chǎn)廢水，采用壓力0.2Mpa（表壓），流速30m/h，水氣比3～4∶1時，可使出水中COD、BOD5、SS等污染物含量達到一級排放標準。與常壓法相比，在相同的流經(jīng)時間內(nèi)污染物去除率提高10%～18%，達到相同的處理效果（一級排放標準）流經(jīng)時間為常規(guī)生物處理法的1/3-1/4。因此，該法具有處理效率高、效果好、用地少、適應性強、耐沖擊負荷的特點，適合桑蠶絲生產(chǎn)廢水處理成套設施的建設，對高濃度有機廢水的處理也有較好的應用前景。

（3）與常壓生化法對比，加壓接觸氧化法的區(qū)別是采用壓縮空氣，能耗有所增加。炭粒表面生物顆粒的脫附難于非生物顆粒，建議生產(chǎn)中反沖洗結束的控制指標為反沖廢水濁度達到3～5NTU。

（4）兩段式氣、水聯(lián)合反沖洗的效果優(yōu)于單獨水反沖，并可節(jié)約耗水量，推薦采用先以高強度空氣擦洗、再以微膨脹水漂洗的方式。適宜的氣沖強度為11～14L/(m2·s)、歷時為3～5min，水沖強度為8L/(m2·s)、歷時為5～7min。

（5）如采用單獨水反沖，建議適宜的反沖強度為12～14L/(m2·s)、濾層膨脹率為20%左右，反沖歷時為6～8min。

（6）炭床上表面與反沖廢水排水槽間的高度差對反沖洗效果有一定影響，實際應用中以1.5～2.0m為宜。

（7）在本課題試驗條件下，壓力式生物活性炭吸附處理裝置的空床接觸時間是影響其凈水效果的決定性因素，且主要影響有機物和藻類的去除；炭床高度和運行濾速的影響相對較小。

（8）壓力式生物活性炭吸附處理裝置的具體空床接觸時間取決于原水水質(zhì)情況和出水水質(zhì)要求，若出水水質(zhì)以CODMn達到桑蠶絲用水水質(zhì)標準，建議壓力式生物活性炭吸附處理裝置的適宜炭床高度為2.0m，適宜的空床接觸時間為12～15min，原水水質(zhì)較差時取此范圍內(nèi)的較高值。

[1]明欲曉，曹敬華．加壓生物接觸氧化法的初步研究[J]．中國環(huán)境科學，1991，11（2）：147-150.

[2]李汝琪，錢易，孔波，等．曝氣生物濾池去除污染物的機理研究 [J]．環(huán)境科學，1999，20(6)：49-52．