1 试验流程及原水水质
1.1 试验流程
采用混凝→沉淀→生物—砂滤工艺处理微污染原水，试验装置如图1。
该工艺的特点是取消了预氯化或其他预氧化过程(如臭氧氧化)，利用生物活性炭提供的巨大比表面积和吸附性能，为微生物氧化降解水中的有机物创造了良好的条件，并能部分去除水中卤代烃类消毒副产物(DBPs)。
1.2 原水水质
过滤的原水采用两种水配制而成，其一为武汉大学校园内的河水(含)，并先经混凝沉淀处理(加入量为50mg/L，静置沉淀2h)；其二为自来水，在使用前先放置2h以去除余氯。滤前水由这两种水以1∶3的比例配制而成，各种水的具体水质情况见表1。
表1 原水水质分类表
| 水样名称 | 数据范围 | 浊度(NTU) | 臭味 | pH值 | CODCr(mg/L) | NH3-N(mg/L) | UV254 |
| 混凝沉淀后的河水 | 最大值 | 11.21 | 微臭
|
8.11 | 41.85 | 6.85 | 0.135 |
| 最小值 | 9.85 | 6.85 | 29.48 | 2.40 | 0.099 | ||
| 平均值 | 10.56 | 7.50 | 31.26 | 3.73 | 0.112 | ||
| 自来水 | 最大值 | 2.67 | 无 | 7.80 | 12.82 | 0.89 | 0.086 |
| 最小值 | 1.24 | 6.95 | 7.84 | 0.12 | 0.060 | ||
| 平均值 | 1.87 | 7.20 | 10.77 | 0.57 | 0.074 | ||
| 配制的滤前水 | 最大值 | 9.62 | 无 | 7.60 | 26.52 | 2.16 | 0.116 |
| 最小值 | 0.60 | 6.70 | 7.77 | 1.08 | 0.063 | ||
| 平均值 | 2.90 | 7.19 | 12.70 | 1.54 | 0.094 |
2 试验装置及设计参数
2.1 试验装置
生物活性炭—砂滤柱采用双层滤料，上层为颗粒活性炭，下层为石英砂。滤柱直径为45mm，高度为3.0m；活性炭层厚1.0m，粒径为1.5 mm(柱状)；石英砂层厚0.5m，粒径为0.5～1.0mm；砾石(承托层)厚0.2m，粒径为6～8mm。
2.2 主要试验运行参数
试验采用连续流恒速过滤方式，滤速范围为4～7m/h。采用气水反冲洗，气冲洗1.5min，冲洗强度为5～15L/(s·m2)；然后水冲洗5～6 min，冲洗强度为5～10L/(s·m2)。冲洗频率视试验中水头损失情况而定，用本试验的滤后水作反冲洗水。
3 试验运行情况及结果分析
3.1 挂膜和生物相观测
1999年7月24日自然开始挂膜，水温为24～27℃，进水流速为5m/h。7月24日—8月2日的原水为处理后的河水，8月3日后的原水为人工配制的滤前水。至9月6日，氨氮的硝化率即达到60%，这标志挂膜基本完成(历时一个半月左右)，观察到的生物膜呈黄褐色，上层生物膜较厚，并随滤层深度的增加渐渐变薄。
3.2 活性炭吸附阶段
活性炭吸附阶段试验数据统计结果见表2。
表2 活性炭吸附阶段试验数据统计结果
| 项目 | 水样 | 统计天数
(d) |
最大值 | 最小值 | 平均值 | 去除率(%) |
| 浊度(NTU) | ① | 9 | 3.20 | 1.00 | 2.10 | 82.9 |
| ② | 0.80 | 0.10 | 0.36 | |||
| CODCr(mg/L) | ① | 10 | 14.30 | 6.70 | 10.02 | 60.9 |
| ② | 7.09 | 1.12 | 3.92 | |||
| UV254 | ① | 11 | 0.107 | 0.081 | 0.095 | 57.9 |
| ② | 0.072 | 0.025 | 0.040 | |||
| NH3-N(mg/L) | ① | 9 | 1.52 | 0.89 | 1.24 | 9.7 |
| ② | 1.43 | 0.83 | 1.12 | |||
| pH值 | ① | 9 | 7.60 | 6.70 | 7.19 | |
| ② | 7.77 | 6.85 | 7.25 | |||
| 注 ①表示滤前水，②表示滤后水，以下表同。 | ||||||
从各水质指标的变化可知，NH3-N的去除率极低，滤后水和滤前水的pH值差别不大，说明该阶段的生物活性较弱。活性炭在吸附了25～33d之后(8月17日—8月25日)被穿透，但穿透后仍有一定的吸附能力，而且活性炭上已长有微生物(这可从NH3-N含量的降低看出)。在第39d(8月31日)CODCr的去除率突然下降，说明活性炭的吸附容量已趋饱和，吸附去除有机物的能力变得很弱。
3.3 生物活性炭阶段
生物活性炭阶段试验数据统计结果见表3。
表3 生物活性炭阶段试验数据统计结果
|
项目 |
水样 |
统计天数(d) |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
去除率
(%) |
|
浊度
(NTU) |
① |
27 |
9.62 |
0.60 |
2.90 |
82.4 |
|
② |
1.40 |
0.05 |
0.51 | |||
|
CODCr
(mg/L) |
① |
28 |
26.52 |
7.77 |
12.70 |
40.4 |
|
② |
11.25 |
2.66 |
7.57 | |||
|
UV254 |
① |
28 |
0.116 |
0.063 |
0.094 |
48.9 |
|
② |
0.061 |
0.025 |
0.040 | |||
|
NH3-N
(mg/L) |
① |
27 |
2.16 |
1.08 |
1.54 |
82.5 |
|
② |
0.60 |
0.09 |
0.27 |
3.4 影响生物活性炭去除有机物的因素
① 滤速的影响。不同滤速对CODCr和UV254的去除效果见表4。
表4 不同滤速对CODCr和UV254的去除效果对比表
|
项目 |
时间段 |
滤速(m/h) |
水样 |
统计
天数 (d) |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
去除率
(%) |
|
CODCr(mg/L)
|
9月8日—9月22日 |
5 |
① |
7 |
13.33 |
7.77 |
11.63 |
52.2 |
|
② |
8.40 |
2.66 |
5.56 | |||||
|
9月24日—10月8日 |
7 |
① |
7 |
18.32 |
8.18 |
10.08 |
30.7 | |
|
② |
11.12 |
7.12 |
7.19 | |||||
|
UV254 |
9月8日—9月22日 |
5 |
① |
7 |
0.105 |
0.088 |
0.098 |
51.0 |
|
② |
0.060 |
0.042 |
0.048 | |||||
|
9月24日—10月8日 |
7 |
① |
7 |
0.112 |
0.075 |
0.095 |
46.3 | |
|
② |
0.061 |
0.041 |
0.051 |
由表4可以看出，随着停留时间的增加，CODCr和UV254的去除率有一定程度的提高，但有机物去除率的增加并不与停留时间的增加成正比。试验表明，当滤速为5m/h时，即炭层停留时间为12min时，生物活性炭—砂滤柱获得较为理想的去除效果。
② 滤层深度的影响。生物活性炭对CODCr的去除是微生物的生物氧化降解作用的结果，因而与生物量沿滤层深度的分布密切相关。为了便于研究CODCr随滤柱深度的沿程去除情况，比较了各取样口的CODCr去除率(见表5)。
表5 各取样口的CODCr去除率%
|
取样口 |
1# |
2# |
3# |
4# |
|
最大值 |
86.8 |
94.5 |
95.8 |
97.5 |
|
最小值 |
22.4 |
41.3 |
58.4 |
69.9 |
|
平均值 |
51.3 |
66.0 |
75.3 |
85.6 |
从表中可看出，大部分CODCr的去除发生在生物活性炭滤柱上部，这也间接说明了滤柱上部附着和悬浮的微生物数量是很高的。此外，从各取样口CODCr去除率的最大值和最小值来看，去除率并不稳定。这一方面是受试验条件的影响，如原水水质的配制不够稳定，滤柱直径偏小，边壁影响较大等；另一方面是因为CODCr的去除和微生物的降解作用受许多条件限制。由4＃取样口的数据可知，砂层对CODCr的去除有一定的作用。因而，水流经过生物活性炭处理后，再进行砂层过滤是非常必需的。
3.5 影响生物活性炭去除NH3-N的因素
① 溶解氧的影响。氨氮的硝化作用和有机物的氧化作用分别由自养型和异养型好氧微生物进行。从理论上讲，硝化1g氮需氧4.57g，这个需氧量称为“硝化需氧量”(NOD)。当水温为0 ℃时，饱和溶解氧完全用于硝化水中的NH3-N，至多只能硝化3 mg/L，因此生物活性炭—砂滤柱硝化去除NH3-N的能力是有限的，应控制进水NH3-N浓度≯2mg/L。经测定，出水中的溶解氧范围为2.36～0.29mg/L，这说明硝化反应所消耗的溶解氧较大，所以水中的溶解氧几乎耗尽。
② 进水NH3-N浓度的影响。本试验进水中的NH3-N浓度比较低(＜2mg/L)，因而对硝化效果影响不大。但随着进水的NH3-N浓度接近2 mg/L，出水NH3-N浓度有明显上升的趋势，且NH3-N的去除率也相应下降。
3.6 影响生物活性炭去除浊度的因素
① 滤层深度的影响。各取样口的浊度去除率见表6。
表6 各取样口的浊度去除率%
|
取样口 |
1# |
2# |
3# |
4# |
|
最大值 |
43.1 |
65.3 |
67.8 |
84.1 |
|
最小值 |
87.1 |
87.5 |
93.8 |
97.3 |
|
平均值 |
62.5 |
81.3 |
83.8 |
91.5 |
从表6可看出：去除的大部分浊度发生在生物活性炭滤柱上部。由于滤柱上部附着和悬浮着大量微生物，生物絮凝和生物降解对浊度的去除起了重要作用。砂滤层有精滤作用，通过颗粒的粘附作用使浊度进一步降低。
此外，从各取样口浊度去除率的最大值和最小值来看，其去除率并不稳定，这是因为在过滤后期，游离在水中的菌胶团增多，容易在取样时随水流溢出，从而也影响了出水中浊度的准确测定。
在过滤后期，生物活性炭柱上部对浊度的去除率下降，而在反冲洗前后，整个生物活性炭—砂滤柱对浊度的去除率无太大的变化。这表明在过滤后期，上层滤料的截污量逐渐达到饱和，对浊度的去除率降低，下层滤料充分发挥作用，弥补了上层滤料对浊度去除量的不足，从而使滤柱对浊度的去除在反冲洗前后基本无差别。
② 进水浊度的影响。在进水浊度较低时，出水浊度几乎保持不变，且＜0.5NTU，这表明生物活性炭—砂滤柱对浊度的去除不随进水浊度的变化而波动，其处理效果稳定。但当进水浊度＞3NTU时，出水浊度波动较大，有时＞1NTU。
3.7 生物活性炭对消毒副产物的去除情况
试验以CHCl3和CCl4作为主要消毒副产物，通过比较滤前水和滤后水加氯消毒后水中CHCl3和CCl4的含量，确定生物活性炭对消毒副产物的去除率。在生物活性炭阶段，对CHCl3和CCl4的去除情况做过一次检测(1999年10月24日)，其结果如表7，滤后水为加氯后的检测结果。
表7 加氯消毒后水中CHCl3和CCl4的检测结果
| 滤前水(μg/L) | 滤后水(μg/L) | 去除率(%) |
|
68.3 |
41.7 |
38.9 |
由表7可看出，生物活性炭—砂过滤工艺能够去除部分消毒副产物，表明此工艺对于减少或抑制消毒副产物的产生是有效的。
① 生物活性炭—砂滤柱对有机物和氨氮的去除效果是显著的：CODCr和UV254的平均去除率分别为40.4%和48.9%；当进水氨氮浓度在2 mg/L以下时，平均去除率是82.5%；浊度平均去除率约82.4%，平均出水浊度为0.51NTU。
② 生物活性炭—砂过滤技术在改善水质、保证饮用水的安全方面，有望成为一种高效低耗的水质净化新工艺。
