劉璟言,盧小燕,尤作亮,張金松郭建寧*

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生物活性炭老化對濾池過濾阻力和處理效果的影響

劉璟言1,2,盧小燕2,尤作亮2,張金松2郭建寧2*

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082；2.深圳市水務(wù)(集團(tuán))有限公司,廣東 深圳 518033)

利用飲用水廠運(yùn)行10年的生物活性炭(BAC)裝填濾柱,研究活性炭老化對濾柱過濾阻力和處理效果的影響.結(jié)果表明,活性炭老化會產(chǎn)生大量小粒徑顆粒炭,沉積于活性炭池表層的小粒徑顆粒炭產(chǎn)生的過濾阻力是濾柱總阻力的主要來源,其比阻約為底層炭的22倍.強(qiáng)化反沖洗僅可降低初始過濾阻力,移除表層細(xì)炭是降低活性炭濾池阻力的有效方法.強(qiáng)化反沖洗對濾柱過濾性能無顯著影響.移除表層細(xì)炭后,老化活性炭濾柱對總有機(jī)碳的去除率由24.71%下降至7.04%,而后恢復(fù)至移除前的水平.移除表層炭后老化活性炭對UV254和大于2μm顆粒數(shù)的去除率與對照組活性炭相似.降低活性炭濾池的反沖強(qiáng)度、延長過濾周期是延長老化活性炭壽命的有效方法.

生物活性炭；粒徑；過濾阻力；飲用水

是目前應(yīng)用較多的飲用水深度處理工藝中之一.BAC可有效去除水中的有機(jī)物、氨氮、顆粒物、個人護(hù)理品與藥品和消毒副產(chǎn)物前體物等污染物[1-10].通過BAC中微生物的作用,可維持活性炭對氨氮等污染物的去除效果,延長活性炭使用壽命.工程經(jīng)驗表明,某些水廠的活性炭使用10年后仍可維持一定的處理效果.然而,活性炭濾池需定期進(jìn)行氣水反沖洗.隨著運(yùn)行時間延長,活性炭逐漸老化、破碎,粒徑變小.濾料粒徑變化可能引起濾池過濾性能的改變[11-12].田家宇等[13]發(fā)現(xiàn),粒徑為0.8~1.2mm的活性炭對污染物的去除效果好于1.0~2.0mm的顆粒炭,且水頭損失無明顯差別.王群等[14]發(fā)現(xiàn),雖然過濾時大粒徑和小粒徑組合濾料的水頭損失增長速率相近,但小粒徑濾料的初始水頭損失較大.同時,小粒徑的無煙煤和砂粒組合濾料對濁度的去除效果好于大粒徑濾料,單獨(dú)砂濾池過濾時也出現(xiàn)類似結(jié)果[15].值得注意的是,活性炭在使用過程中不僅整體粒徑變小,而且部分濾池的小粒徑顆粒炭無法排出,反沖后沉積至炭層表面.此部分活性炭粒徑遠(yuǎn)小于當(dāng)前研究中所采用的濾料,現(xiàn)有研究成果無法指導(dǎo)老化活性炭濾池的運(yùn)行,其對活性炭濾池過濾性能的影響尚無報道.

本研究利用運(yùn)行10年的活性炭和有機(jī)物吸附飽和狀態(tài)的新炭,研究活性炭老化對濾池過濾阻力的影響及機(jī)理.通過強(qiáng)化反沖、人工移除表層細(xì)炭,考察了老化活性炭過濾阻力的控制及表層細(xì)炭的移除對有機(jī)物和顆粒物去除的影響,旨在為老化活性炭濾池的維護(hù)和正常運(yùn)行提供參考.

1 材料與方法

1.1 濾柱裝填

圖1為BAC過濾裝置示意.炭柱內(nèi)徑15cm,柱高2.6m,活性炭裝填高度1.4m.活性炭為煤質(zhì)破碎炭(山西新華),采樣時將運(yùn)行10年的老化活性炭按0~0.5m、0.5~1m、1~1.5m的深度分層取樣,每層樣品混勻后按照相應(yīng)高度裝入炭柱.根據(jù)實驗需要,移除部分表層炭后用1~1.5m深度的活性炭補(bǔ)充.濾柱承托層上部為20cm石英砂,下部為10cm鵝卵石.同時采用運(yùn)行1年的同規(guī)格活性炭濾柱作為對照組.

1.2 實驗方法

采用砂濾池出水作為BAC進(jìn)水,恒水位過濾,炭層上方水深0.65m.濾柱運(yùn)行參數(shù)為:平均濾速8.4m/h、平均空床接觸時間10min、反沖洗周期6d、氣沖強(qiáng)度15L/(m2×s)、氣沖時間2min、水沖強(qiáng)度4L/(m2×s)、水沖時間15min、反沖膨脹率20%~40%.承托層水頭損失可忽略.濾柱反沖后開始運(yùn)行,每日記錄水頭損失,每個周期內(nèi)采樣測定水質(zhì)指標(biāo).

利用內(nèi)徑2.6cm的層析柱,分別裝填20cm沖洗后的表層和底層老化活性炭,水平放置后采用純水恒濾速過濾.記錄過濾時裝置的空白壓強(qiáng)和過濾壓強(qiáng),對不同粒徑的清潔活性炭進(jìn)行過濾阻力對比.圖2為活性炭過濾阻力實驗裝置示意.

圖2 活性炭過濾阻力實驗裝置示意
Fig.2 Schematic of the resistance test system

1.3 檢測方法

水質(zhì)指標(biāo):總有機(jī)碳(TOC),GE Sievers 5310C分析;UV254,紫外吸收分光光度法(Gray 50Conc UV-Visible);顆粒數(shù),激光照射/光吸收法(GR-1000A激光顆粒物分析儀);濁度,光散射法(哈希2100N).

活性炭指標(biāo):活性炭的碘值、亞甲藍(lán)值、強(qiáng)度和粒徑按照國標(biāo)GB/T 7701-2008系列標(biāo)準(zhǔn)[16]測定;堆積空隙率采用排水稱重法進(jìn)行估算;總DNA,取10g濕炭,將微生物分離后,采用Omega Bio-Tek Water DNA Isolation Kit 試劑盒(Omega,美國)進(jìn)行提取,具體操作步驟參考文獻(xiàn)[17].提取后的樣品-20℃保存,利用Qubit Fluorometer (Thermo Fisher,美國) 進(jìn)行定量分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭老化對過濾阻力的影響

由圖3可見,老化活性炭的初始過濾阻力約為對照組活性炭的3倍.移除占炭柱高度7.1%(10cm)和28.6%(40cm)的表層活性炭后,初始過濾水頭損失分別降低35.4%和69.2%.說明表層炭是濾柱初始過濾阻力的主要來源,且越接近表層,其對過濾阻力的貢獻(xiàn)越大,此結(jié)果與其他研究結(jié)論一致[12].

表1 老化活性炭粒徑變化(%)Table 1 Variation of particle size of the aged activited carbon (%)

注:0~0.5m活性耐炭中粒徑小于0.15mm活性炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.3%.

清潔濾料的初始阻力與濾料粒徑和級配有關(guān),粒徑較小的濾料過濾阻力較大[11,14].由表1可見,老化活性炭中,表層炭的粒徑最細(xì),當(dāng)深度大于0.5m后,老化炭的粒徑隨著深度增加變化不顯著,趨于穩(wěn)定.因此,移除表層炭即可達(dá)到顯著降低濾柱初始過濾阻力的目的.表2中,新炭(對照組)中粒徑大于0.83mm的活性炭比例為93.17%,而運(yùn)行10年(實驗組)后此部分活性炭比例僅為28.17%.活性炭使用過程中,臭氧氧化、微生物分解和自然老化等均有可能降低活性炭的強(qiáng)度,反沖洗時炭粒間的相互摩擦、碰撞等產(chǎn)生了大量小粒徑炭粒.如反沖過程無法排出炭池部分小粒徑活性炭則積累于炭層表面,形成相對密實的過濾層,可導(dǎo)致初始過濾阻力升高.

強(qiáng)化反沖排炭后,過濾時濾柱水頭損失平均增長率為15cm/d,移除表層40cm炭后水頭損失平均增長率為1.0cm/d,與對照組相同.這是因為移除表層細(xì)炭形成的致密濾層后,顆粒物可進(jìn)入到濾柱較深處,增強(qiáng)了濾柱的納污能力,表現(xiàn)為水頭損失增長率的降低.

表2 混合活性炭參數(shù)變化Table 2 Variation of typical characteristics of the mixed activited carbon

2.2 老化活性炭過濾阻力機(jī)理分析

利用圖2所示裝置,以10m/h濾速測定老化活性炭的過濾阻力.結(jié)果表明,表層和底層炭的比過濾阻力分別為10.65,0.50kPa/m.

- Carman模型計算,式1為其表達(dá)式

式中:為Kozony常數(shù),一般取5;為水的粘度系數(shù),10-3Pa·s;為水的密度,g/mL;為重力加速度, m/s2;為固定床孔隙率,%;S為,m,不規(guī)則顆粒S=6/;為濾料球度系數(shù);為濾料顆粒等體積球體直徑,m;為濾速, m/s;為濾層厚度,m.

2種濾料的水頭損失比值可以簡化為式(2):

由于濾料中存在多種粒徑的顆粒,如采用50對應(yīng)的粒徑值可較好的模擬整個濾層的過濾阻力[18].表層炭和底層炭的50分別為0.33,0.58mm,孔隙率分別為62%和75%.計算結(jié)果顯示:

由式(2)及模擬結(jié)果可知,影響清潔濾層過濾阻力的主要因素為粒徑、孔隙率和顆粒球度.在假設(shè)2種炭球度系數(shù)相等的情況下,表層炭過濾阻力是底層炭的33.7倍,大于實測值的21.3倍.模擬值與實測值之間的差別可能來源于球度系數(shù).據(jù)此推測表層小粒徑炭的球度系數(shù)應(yīng)高于底層炭,其均值約為底層炭的1.26倍.因此,老化活性過濾阻力增加的主要原因為粒徑變小,炭粒徑的監(jiān)測對活性炭濾池的運(yùn)行具有指導(dǎo)作用.

2.3 強(qiáng)化反沖洗和移除表層炭對有機(jī)物去除的影響

由圖4可見,強(qiáng)化反沖階段,老化活性炭濾柱對TOC和UV254的平均去除率分別分別為24.71%和24.13%,相應(yīng)的對照組濾柱值為16.65%和16.18%.移除表層炭后,老化活性炭對TOC的平均去除率降為7.04%,但UV254的平均去除率仍為23.42%.強(qiáng)化反沖階段,老化活性炭對有機(jī)物去除率高于對照組.移除表層炭后,老化活性炭對TOC的去除效果大幅降低. 一方面,由表2可知,活性炭使用5年后,其碘值和亞甲藍(lán)值顯著降低,隨著使用年限的增加,變化幅度逐漸降低.說明老化活性炭的孔隙已經(jīng)堵塞,吸附位已趨于飽和.此時微生物降解是老化活性炭去除TOC的主要途徑.而且,研究表明,較小粒徑的顆粒炭能為微生物的生長提供更大的表面積,增大微生物量[13,19].同時,表層活性炭中的微生物量最高[19],隨著活性炭深度增加,微生物量呈線性下降的趨勢[20].研究中所用的表層老化活性炭呈粉末狀,粒徑小于0.15mm(100目篩)的活性炭比例為23.3%.細(xì)顆?；钚蕴繛槲⑸锏臈⑻峁┝肆己玫妮d體.總DNA提取結(jié)果顯示,表層老化活性炭和對照組活性炭的總DNA分別為0.92, 0.45μg/g濕炭,說明表層老化活性炭中具有更多的微生物.另一方面,老化活性炭濾柱表層的細(xì)顆粒炭層有較好的截留效果.因此,老化活性炭對TOC的去除效果好于對照組,移除表層40cm炭的同時也移除了大部分微生物,導(dǎo)致TOC的去除效果下降.

UV254的去除率并未隨著表層炭的移除而顯著降低,這是因為微生物并不是UV吸收類有機(jī)物去除的主要貢獻(xiàn)者[21].同時也說明老化活性炭仍可通過微生物以外的作用,如吸附等去除部分UV吸收類有機(jī)物.值得注意的是,在移除表層40cm活性炭后10d左右,活性炭對TOC的去除效果接近對照組水平,說明微生物對TOC的降解功能已經(jīng)恢復(fù).

2.4 強(qiáng)化反沖洗和移除表層炭對顆粒物去除的影響

試驗期間濾柱進(jìn)水平均濁度為0.18NTU,老化活性炭和對照組活性炭活出水的濁度均值分別為0.19,0.13NTU,強(qiáng)化反沖和移除表層炭對老化活性炭濾柱出水濁度無影響.濁度較低的情況下,采用顆粒數(shù)可更好地表征飲用水中的顆粒物狀態(tài).由圖5可見,強(qiáng)化反沖階段老化活性炭柱出水的顆粒數(shù)均值為74個/mL,略低于對照組(91個/mL).由于老化活性炭濾柱表層的細(xì)炭粒形成了較致密的過濾層,對顆粒物具有較好的截留作用.顆粒物被截留于表層后無法進(jìn)入濾床深處,可導(dǎo)致較高的水頭損失增長率(圖3),與2.1中的結(jié)果相吻合.移除表層活性炭后,出水顆粒數(shù)均值為95個/mL,與對照組基本相同.說明移除表層炭不會顯著影響老化活性炭對顆粒物的截留效果,其對大于2μm顆粒數(shù)的去除率可保持在34.7%左右.

3 結(jié)論

3.2 移除表層炭后,老化活性炭對TOC的去除效率降低,其去除效果可在較短時間內(nèi)恢復(fù),對UV254的去除則無顯著影響.

3.3 移除表層炭對濁度的去除無顯著影響,大于2μm顆粒數(shù)的去除率高于30%.

3.4 在保證水質(zhì)的前提下,降低老化活性炭的反沖強(qiáng)度、延長反沖周期是減緩濾池阻力增加的有效方法.

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依據(jù)收付實現(xiàn)制的原則，凡當(dāng)期實際收到的現(xiàn)金收入均作為當(dāng)期的收入?！墩畷嬛贫取奉A(yù)算會計賬務(wù)處理規(guī)定：收回以前年度貨幣資金投資成本時，借記“資金結(jié)存”，貸記“其他結(jié)余”。賬務(wù)處理中“其他結(jié)余”科目的使用與收付實現(xiàn)制的預(yù)算會計核算基礎(chǔ)存在一定偏差，略有幾分財務(wù)會計凈資產(chǎn)類科目“以前年度盈余調(diào)整”的意味，帶有一定權(quán)責(zé)發(fā)生制的“色彩”。同時，貨幣資金投資成本的收回與“其他結(jié)余”科目核算口徑“收支相抵后的余額”存在出入。

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* 責(zé)任作者, 高級工程師, guojn08@163.com

Effect of aged biological activated carbon on the filtration resistance and performance of biological activated carbon filter

LIU Jing-yan1,2, LU Xiao-yan2, YOU Zuo-liang2, ZHANG Jin-song2, GUO Jian-ning2*

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2.Shenzhen Water (Group) co., Ltd, Shenzhen 518033, China)., 2016,36(6)：

Biological activated carbon (BAC) used for about 10years was collected from drinking water treatment plant. The filtration resistance and performance of the aged BAC filter were investigated. The ageing of BAC produced a lot of small BAC particles. The small particles deposited on the surface of the BAC column after backwash and formed a dense filtration layer. The specific resistance of the dense filtration layer was 22 times higher than that of the deep layer of the aged BAC column. Enhanced backwash only decreased the initial filtration resistance and the removal of the dense filtration layer was the most effective method to reduce the filtration resistance. Enhanced backwash had no significant effect on the performance of the aged BAC column. The removal efficiency of the total organic carbon decreased from 24.71% to 7.04% after the removal of the dense filtration layer. However, the removal efficiencies of UV254and particle count larger than 2μm did not change greatly and the values were nearly the same as those of the control group. There are several methods to increase the life cycle of the aged BAC, including decreasing the backwashing strength and prolonging the filtration cycle.

biological actived carbon；particle size；filtration resistance；drinking water

X703,TU991.2

A

1000-6923(2016)06-1752-05

劉璟言(1990-),女,山西大同人,碩士研究生,主要從事飲用水的膜工藝處理研究.

2015-12-07

國家水專項深圳市配套(2009ZX07423-003);中國博士后科學(xué)基金資助項目