顧超超，沈 波，韓振波

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063)

近年來，隨著航運發(fā)展迅猛，船舶污水排放日益嚴格，國際海事組織(international maritime organization，IMO)在海上環(huán)境保護委員會第64屆會議(MEPC.227(64))通過了“2012年生活污水處理裝置排放標準和性能試驗導(dǎo)則”，決議增加總氮及總磷的排放標準[1]，勢必要求提高船舶污水處理裝置處理效果。目前，船舶污水處理裝置仍以常規(guī)生物法、電解法為主[2]，處理出水滿足不了新標準，且出水難以回用，需進行深度處理。

生物活性炭工藝作為一種深度處理工藝[3]，綜合了吸附和生物處理的優(yōu)點。其中，活性炭具有大的比表面積，能吸附去除污染物，且能為微生物提供生長場所。同時，生物膜中微生物能分解活性炭表面的污染物，延長活性炭使用壽命。因而，生物活性炭裝置在船舶污水深度處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

但由于一體化生物活性炭裝置運行一段時間后，截留大量的懸浮物和老化生物膜，易造成水頭損失增加，影響裝置去除效果，因而，裝置需要進行反沖洗。反洗通過水力剪切和水流擾動等形式增加活性炭之間的碰撞，能夠去除老化的生物膜[4]。反洗的方式有水洗、氣洗、氣水聯(lián)合沖洗，合理的反沖洗方式是保證裝置正常運行的關(guān)鍵條件。

此次試驗對象為一體化生物活性炭裝置(以下簡稱裝置)，研究裝置的較優(yōu)反沖洗工況條件，旨在為裝置反沖洗條件優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗原水為人工模擬的船用生活污水處理裝置處理后的出水。進水溫度為20～25 ℃，CODCr為70～90 mg/L，氨氮為7.3～12.1 mg/L，TP為0.64～1.20 mg/L，濁度為5.0～9.5 NTU，pH值為7.0～8.0。

1.2 試驗流程

由于船艙空間較小，為節(jié)約空間，采用氣液混合泵代替氣泵進行供氣，反沖洗采用水洗。本次試驗裝置流程如圖1所示。

污水經(jīng)生物活性炭處理后，排入紫外消毒器進行滅菌消毒，隨后排入清水箱，作為中水進行回用。裝置反沖洗時，反洗泵將清水泵入裝置，除去老化的生物膜，反洗水排放至原水池。

1.3 試驗裝置

裝置采用上流式進水，主體直徑為400 mm，凈高2 200 mm。裝填粒徑為4.0 mm的柱狀活性炭，填料高度為800 mm，進水流量為7.4 m3/d，濾速為2.67 m/h，清水箱體積為500 L。

圖1 試驗流程Fig.1 Flow Chart of Experiment

1.4 試驗方法

(1)裝置掛膜

裝置采用人工掛膜，前期悶曝，待運行3 d后，采用小流量進水，每天測試裝置進出水水質(zhì)。待運行20 d時，污染物去除率趨于穩(wěn)定，且出現(xiàn)土黃色“污泥”時，表明掛膜成功。

(2)反沖洗后裝置恢復(fù)情況

裝置掛膜后，按照1.3的條件穩(wěn)定運行20 d后，出現(xiàn)水頭損失增大，出水水質(zhì)變差的情況，此時裝置需進行水洗反沖洗。采用反沖洗強度5.0 L/(m2·s)，反洗時間為5 min條件進行反洗。取裝置反沖洗前和反沖洗后1～8 h內(nèi)水樣，分析水樣 COD和氨氮含量。判斷反沖洗后裝置恢復(fù)情況。

(3)不同反沖洗條件對于裝置性能影響

根據(jù)小試試驗結(jié)果，采用反洗強度在8.5 L/(m2·s)條件時，由于反洗強度過大，活性炭柱整體隨水流浮起，造成活性炭的流失。結(jié)合給排水手冊，選取如下BW1～BW9條件進行反沖洗試驗(注：反洗用的清水箱體積為500 L)反洗周期為24 h，反沖洗時觀察活性炭柱膨脹率、生物膜的脫落情況以及水質(zhì)渾濁情況。此外，取反洗1 min時排水以及反洗結(jié)束裝置正常運行8 h后進水、出水的水樣，進行水質(zhì)檢測。

表1 反沖洗條件參數(shù)Tab.1 Backwash Condition Parameter

(4)試驗測定項目和方法[5]

COD：重鉻酸鹽法；氨氮：納氏試劑分光光度法；TP：鉬酸銨分光光度法；濁度：散射法；pH：玻璃電極法。

2 結(jié)果與討論

裝置穩(wěn)定運行期間，裝置進水CODCr為70～90 mg/L，去除率達到60%以上。氨氮進水濃度7.3～12.1 mg/L，去除率為5～10%。裝置出水濃度接近《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920——2002)中沖廁的標準。好氧異養(yǎng)菌為優(yōu)勢菌種，好氧化能自養(yǎng)菌特別是硝化細菌處于相對弱勢狀態(tài)。

2.1 反沖前后裝置污染物去除情況

反沖洗前裝置的COD去除率僅為42.2%，明顯低于裝置的正常去除率。由于裝置長時間運行，截留了大量的懸浮物，并且老化和脫落的生物膜阻塞了部分通道，造成部分污染物無法進入生物膜內(nèi)部，進而形成短流，導(dǎo)致裝置的污染物去除能力下降。且裝置出現(xiàn)底部積泥，進水壓力上升，活性炭內(nèi)部水頭損失明顯增加的現(xiàn)象。

圖2為裝置反沖洗前和反沖洗后8 h內(nèi)的污染物去除情況。進水CODCr為90 mg/L，氨氮為12.1 mg/L。由圖2可知，裝置在反沖洗后1 h時，COD去除率明顯下降，COD去除率最低為15.6%，氨氮去除率為負值。隨著裝置正常運行，污染物去除率有所恢復(fù)并有所提升，在反洗后8 h趨于穩(wěn)定。裝置COD去除率穩(wěn)定在60%左右，氨氮去除率穩(wěn)定在10%左右。

圖2 反沖洗前后裝置COD去除效果Fig.2 Efficiency of the Device on COD Removal before and after Backwash

伴隨反沖洗部分新鮮的生物膜會隨之脫落，而脫落的生物膜吸附了污染物，伴隨水力剪切碰撞等因素，會造成污染物的再次釋放，引起裝置反洗1 h時，污染物去除率下降。但由于大部分新鮮生物膜比較致密緊實，抗剪切能力較強[6]，反沖洗沖掉老化生物膜，有利于污染物在新鮮生物膜上的轉(zhuǎn)移，所以，隨著反洗后正常運行8 h時，裝置污染物去除效果有所提高。

2.2 不同反沖洗條件對于裝置性能影響

2.2.1不同反沖洗條件對于COD去除影響

反沖洗的效果取決于反沖洗強度和時間，不同反沖洗強度和時間組合條件下，裝置反洗8 h后COD去除效果如圖3所示。反沖洗3 min時，COD去除率維持在63%左右。反沖洗5 min時，隨著反沖洗強度增加，去除率分別為63.22%、72.22%、80.28%。反沖洗強度為6.5 L/(m2·s)(即反洗條件BW6)時，去除效率最高，此時，對應(yīng)此條件下，反沖洗1 min時出水COD相對較低。反沖洗7 min時，反沖洗強度為4.2～5.0 L/(m2·s)，去除效率維持在80%左右。但反沖洗強度為6.5 L/(m2·s)，去除率明顯下降，且對應(yīng)反洗1 min時出水COD較高。這是由于活性炭比重較輕，當(dāng)裝置反沖洗強度過大時，活性炭碰撞明顯，局部膨脹率過高，容易隨水流浮動，形成流化床，易造成活性炭損失和含有懸浮生長的異養(yǎng)菌的生物膜脫落過多[7]，生物膜短期恢復(fù)困難，導(dǎo)致裝置COD去除效果降低。

圖3 不同反沖洗條件對于裝置COD去除影響Fig.3 Efficiency of the Device on COD Removal under Different Backwash Conditions

因此，在合適的反洗時間和強度下，隨著反洗強度的增加，可以更加有效增加濾料的有效碰撞和擾動程度，有利于老化生物膜的脫落，提高生物膜活性，增強裝置的COD去除率。綜合COD去除率以及反洗耗水量，反洗條件為BW7、BW8和BW9為較優(yōu)反洗條件，反洗后裝置COD去除率維持在80%左右，耗水量為250～280 L。

2.2.2不同反沖洗條件對于氨氮去除影響

圖4為裝置采用不同反沖洗條件下氨氮去除影響。氨氮整體去除率維持在5～10%，裝置硝化細菌處于相對劣勢狀態(tài)。對比可知，當(dāng)反沖洗強度為5.0 L/(m2·s)，反洗時間為7 min時(即反洗條件BW8)，裝置氨氮去除率最高，達到5.3%。反沖洗強度為6.5 L/(m2·s)，反洗時間7 min時(即反洗條件BW9)，去除率為負值。

圖4 不同反沖洗條件對于裝置氨氮去除影響Fig.4 Efficiency of the Device on Ammonia Nitrogen Removal under Different Backwash Conditions

由于好氧異養(yǎng)菌與具有氨氮硝化作用的好氧化能自養(yǎng)菌之間存在競爭關(guān)系[8]。且好氧異養(yǎng)菌繁殖迅速，在柱狀活性炭大量懸浮生長，而化能自養(yǎng)型硝化菌生長則在生物膜內(nèi)側(cè)。因此，異養(yǎng)菌能大量截留污染物和溶解氧，阻止污染物和溶解氧向內(nèi)部轉(zhuǎn)移[9]，使得硝化作用不明顯。通過水力剪切和活性炭的碰撞的作用，使得部分懸浮生長異養(yǎng)菌隨水一起排出，有利于氨氮和溶解氧更好轉(zhuǎn)移至硝化細菌所聚集的生物膜，因而氨氮去除率有所提升。但采用反沖條件BW9，由于反洗強度過大及反洗時間過長，活性炭劇烈擾動，部分氨氮會再次釋放到水中，因而，反沖洗1 min時，出水氨氮濃度高于進水。此外，由于微生物和濾料損失較多，硝化細菌世代周期長[10]，因而硝化作用恢復(fù)較慢，氨氮去除率出現(xiàn)負值。

綜合氨氮去除率以及反洗耗水量，反沖洗強度在5.0 L/(m2·s)，反洗時間為7 min時(即反洗條件BW8)，為相對較優(yōu)反洗條件。

2.2.3不同反沖洗條件對于濁度去除影響

由張朝暉等[11]指出，當(dāng)生物活性炭裝置作為深度處理工藝，濁度在一定程度表征可以裝置水中的微生物。圖5為不同反沖洗條件下，裝置水質(zhì)濁度去除情況。裝置進水濁度為5.0～10.0 NTU，出水濁度為2.0～3.5 NTU，去除率為50～70%，反洗出水濁度為11.0～14.0 NTU。對比可知，選用反沖洗強度為6.5 L/(m2·s)，反沖洗時間為7 min時(即反洗條件BW9)，對應(yīng)裝置反洗1 min排水濁度相對較高，為13.0 NTU，且此條件下裝置反洗8 h后去除率相對較低，僅為55.4%。這是由于反洗強度大，活性炭擾動碰撞加劇，大量的生物膜及懸浮物隨水流排走，造成反洗水濁度高于進水。且由于生物膜流失較多，短期恢復(fù)較慢，導(dǎo)致濁度去除率下降，這與2.2.1和2.2.2結(jié)論一致。

圖5 不同反沖洗條件對于裝置濁度去除影響Fig.5 Efficiency of the Device on Turbidity Removal under Different Backwash Conditions

2.2.4不同反沖洗條件對于pH影響

圖6為不同反洗條件下，裝置反洗8 h后pH情況。由圖6可知，裝置進出水及對應(yīng)的反洗1 min時排水的pH值均為7.0～8.0，無明顯變化，裝置水質(zhì)穩(wěn)定，合適的pH能為生物膜更新再生提供良好的環(huán)境，裝置易較快的恢復(fù)污染物去除能力。此次主要目標污染物為COD，好氧異養(yǎng)菌為優(yōu)勢菌種，其正常生長pH值為6.0～9.0，適應(yīng)范圍較廣。具有硝化作用的化能自養(yǎng)菌，由氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌組成[12]，其生長環(huán)境要求相對苛刻。有文獻[13]指出氨氧化細菌適宜生存的pH值為7.0～8.5，亞硝酸鹽氧化細菌為6.0～7.5，這與硝化反應(yīng)中需要一定的堿度相對應(yīng)。裝置氨氮去除率較低，若要增強氨氮的去除效率，需調(diào)整進水pH。

圖6 不同反沖洗條件對于裝置pH影響Fig.6 Efficiency of the Device on pH Value under Different Backwash Conditions

3 結(jié)論

(1)對比裝置反沖前后污染物去除情況可知，反沖洗過程，部分新鮮的生物膜也會脫落，造成裝置在反沖洗后1 h時污染物去除率下降，COD去除率最低為15.6%，氨氮去除率為負值。隨著運行時間的延長，去除率恢復(fù)并在反洗8 h后趨于穩(wěn)定。COD去除率在60%左右，氨氮去除率在10%左右。

(2)對比不同反沖洗條件，反洗強度控制在5.0 L/(m2·s)，反洗時間為7 min(即反洗條件BW8)為較優(yōu)反沖洗條件，裝置反洗8 h后COD去除率為79.8%，氨氮去除率為5.3%，耗水量273.0 L。反沖洗強度太小，難以脫落老化生物膜；反洗強度過大，則容易引起活性炭流失，微生物銳減，造成裝置去除能力下降，且耗水量大，造成資源浪費。

活性炭在微生物和反沖洗的共同作用下，使用壽命大大延長。按照較優(yōu)反洗條件運行裝置，COD去除率維持在75%以上，活性炭更換周期為半年，反沖洗周期夏季為1 d，冬季為2～3 d。