延长活性炭池反冲洗周期生产性试验研究

臭氧活性炭工艺通过臭氧氧化和活性炭物理吸附、生物降解协同作用提升水质。为了保持活性炭池的持续运行效果, 需要定期进行反冲洗。通过反冲洗作用可以将活性炭表面的杂质冲掉, 但在冲洗过程中, 活性炭之间相互摩擦和碰撞, 不可避免造成活性炭磨损, 影响使用寿命。为了延长活性炭的使用寿命, 降低生产成本, 通过对南方某水厂深度处理工艺活性炭池进行延长反冲洗周期试验, 研究其对活性炭池运行效果以及水质的影响, 旨在优化微污染水源水深度处理工艺活性炭池的运行参数, 延长活性炭的使用寿命, 节省生产成本。

南方某水厂采用的是混凝-沉淀-砂滤-臭氧-活性炭-消毒处理工艺, 设计规模为50万m³/d, 于2009年投产, 共有12个活性炭池。该水厂的原水取自D江, 属于微污染水源水, 对D江水质进行了为期1年的水质监测, 水质指标如表1所示。

臭氧-活性炭工艺参数为:臭氧总投加量为1mg/L, 主臭氧分三级投加, 投加量分别是0.5mg/L、0.25 mg/L、0.25 mg/L, 接触时间为15min, 分别是3min、6 min、6 min;活性炭池采用颗粒活性炭料, 活性炭层采用厚度为1.2m的煤质破碎炭, 粒径8×30目, 碘吸附值>800 mg/g。炭床空床接触时间为10min, 相应滤速为14.1m/h, 反冲洗方式为气水分别单独反冲, 气冲强度为18L/ (m²·s) , 气冲时间为3 min, 水冲强度为7.5L/ (m²·s) , 水冲时间为10 min, 反冲洗周期为120h。选取了其中2个活性炭池进行延长反冲洗周期试验, 1#池延长反冲洗周期为240h, 2#池延长反冲洗周期不变, 为120h, 对2池进出水水质进行为期1年的监测。

浊度:采用HACH2100N型浊度仪测定;TOC:采用岛津TOC-VCPH总有机碳分析仪;UV₂₅₄:水样经0.45μm滤膜过滤后, 采用紫外可见分光光度计测定;COD_Mn:采用酸性高锰酸钾滴定法。

消毒副产物生成势:采用吹扫捕集气相色谱-质谱仪测定生成势, 试验条件为水样中加入20 mg/L NaClO溶液 (以有效氯计) , 密封后于暗处反应72h, 测定消毒副产物浓度。

三维荧光光谱测量:使用日立F-7000荧光光度计测量。激发光源为氙灯, 波长范围:激发波长200~400nm, 步长5nm;发射波长280~550nm, 步长2nm;狭缝宽度10nm光电倍增管电压500V, 扫描速度30 000nm/min, 在1cm石英荧光比色皿中测量。

1#池和2#池进出水浊度如图1所示。由图1可知, 1#池进水浊度为0.15~0.27NTU, 平均值为0.20NTU, 出水浊度为0.13~0.23NTU, 平均值为0.18 NTU;2#池进水浊度为0.16~0.28NTU, 平均值为0.21 NTU, 出水浊度为0.14~0.23NTU, 平均值为0.18 NTU。1#池和2#池对浊度的控制效果相当。主要原因是D江属于微污染水源水, 经过前面常规工艺处理后, 浊度都基本控制在较低的水平, 延长反冲洗周期至240h后, 活性炭池仍能有效截留水体中的杂质, 使出水浊度比较稳定, 能够满足水厂对出水浊度的水质控制要求。

对比研究1#和2#池对UV₂₅₄、TOC和COD_Mn的去除效果。由图2~图4可知, 1#池和2#池对UV₂₅₄平均去除率分别为25.12%和25.46%, 对TOC平均去除率分别为21.52%和23.96%, 对COD_Mn平均去除率分别为27.37%和27.16%。延长活性炭池的反冲洗周期至240h对UV₂₅₄、TOC和COD_Mn的去除效果与原反冲洗周期120h效果相当。主要原因一方面是因为该水厂的水源水为微污染水源水, 经过前面的常规处理后, 有机物都降到了较低的水平, 因此, 进入到深度处理工艺活性炭池的有机物负荷比较低, 即使延长活性炭池的反冲洗周期, 也不影响其处理能力。另一方面可能是因为该水厂活性炭池已运行将近了8年时间, 不管是碘吸附值还是亚甲基蓝值都下降了很多, 吸附性能较弱, 主要依靠活性炭池中的生物降解作用去除有机物。延长反冲洗周期, 虽然活性炭表面有一部分生物膜老化脱落, 但减少反冲洗频率, 也可以使更多的微生物在活性炭表面生长繁殖^[1], 达到对有机物的去除效果。因此, 延长反冲洗周期, 不影响活性炭池对有机物的去除效果。

根据相关文献报道^[2], 无脊椎动物在活性炭池中会进行二次繁殖。对1#和2#池出水进行微型水生无脊椎动物监测, 结果如图5所示。监测的数据显示, 1#和2#炭池出水微型水生无脊椎动物数量均较接近, 生物密度大概在100~370个/m³, 其中水生无脊椎动物以轮虫类为主, 长度为60~200μm不等, 少量为线虫和剑水蚤类。监测活性炭池出水数据显示, 延长反冲洗周期没有显著增加微型水生无脊椎动物的数量。

考察1#和2#池对消毒副产物三卤甲烷生成势和三氯乙醛生成势的去除情况, 结果如图6所示。由图6可知, 1#和2#池对三卤甲烷生成势的去除率分别为35.82%和36.68%, 对三氯乙醛生成势的去除率分别为40.38%和42.70%。消毒副产物的前体物主要是一些酸、醛、酮和醇等小分子极性有机物, 活性炭池对这些物质有较好的去除效果, 从数据可以看出, 1#和2#池对消毒副产物前体物的控制效果相当。

根据相关文献报道^[3,4], 三维荧光光谱技术能够有效分析水体里面低浓度有机物的去除情况。运用三维荧光光谱技术分析1#和2#池进出水溶解性有机物 (DOM) 的荧光特性。不同活性炭池进出水溶解性有机物的荧光图谱如图7所示。三维荧光光谱根据模式化合物的荧光特性共划为5个区域^[5], 区域I (λ_EM<330nm, λ_EX<250nm) 和区域Ⅱ (330nm<λ_EM<380nm, λ_EX<250nm) 表征芳香性蛋白质类物质;区域Ⅲ (λ_EM>380nm, λ_EX<250nm) 表征富里酸类物质;区域Ⅳ (λ_EM<380nm, λ_EX>250nm) 表征溶解性微生物代谢产物类物质;区域Ⅴ (λ_EM>380nm, λ_EX>250nm) 表征腐殖酸类物质。由图7分析可知, 1#和2#池进出水在区域Ⅱ、Ⅳ均有明显的特征峰, 说明1#和2#池进出水DOM主要以芳香性蛋白质类物质和溶解性微生物代谢产物类物质组成, 同时可以看出, 1#和2#池出水这两类物质的含量都有所降低, 说明活性炭池对这两种物质有一定的去除效果。

对1#和2#池进出水溶解性有机物荧光光谱各区域的荧光强度进行积分, 得到各区的区域标准体积, 区域标准体积可以间接表征有机物的含量。如图8所示。由图8分析可知, 1#和2#池进出水区域Ⅱ和区域Ⅳ所占比例最高, 与其荧光光谱存在明显的特征峰是一致的。活性炭池出水的区域标准总体积均比进水的有所降低, 1#池对区域标准总体积的去除率为30.43%, 其中Ⅰ~Ⅴ各个区域标准体积去除率分别为32.50%、25.48%、31.24%、33.73%、34.18%;2#池对区域标准总体积的去除率为22.65%, 其中Ⅰ~Ⅴ各个区域标准体积去除率分别为22.87%、21.40%、22.40%、24.53%、21.40%;1#池去除效果略好于2#池。荧光光谱技术可以对多组分体系中荧光光谱的重叠对象进行光谱识别和表征, 灵敏度较高, 对低浓度的有机物的认识和解析更充分^[6]。从UV₂₅₄、TOC和COD_Mn这3种有机物指标来看, 1#和2#池的去除效果相当, 从三维荧光光谱分析, 1#池去除效果略好于2#池, 说明延长反冲洗周期, 一定程度上可以增强对溶解性有机物的去除效果。

(1) 长期运行结果表明, 将原来活性炭池的反冲洗周期120h延长到240h, 出水浊度仍比较稳定, 能够满足水厂对出水浊度的水质控制要求, 对3种有机物指标UV₂₅₄、TOC和COD_Mn去除效果与原反冲洗周期相当, 没有显著增加活性炭池出水微型水生无脊椎动物的数量。

(2) 从三维荧光光谱技术分析得出, 活性炭池进出水溶解性有机物主要以芳香性蛋白质类物质和溶解性微生物代谢产物类物质组成, 1#池去除效果均略好于2#池。

(3) 以微污染水源水为原水的给水处理厂, 可根据水质情况, 适当延长深度处理工艺活性炭池反冲洗周期, 一方面可以节约用水, 降低水厂的自用水占比;另一方面可以减少活性炭池的反冲洗频率, 延长活性炭的使用寿命, 减少跑炭现象, 降低生产成本。