高錳酸鹽－生物活性炭工藝抗沖擊負荷研究

任芝軍，馬桂林，孫 勇，馬 軍，李 鈺

(1.哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，哈爾濱150001，renzhijun2003@126.com; 2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱150090;3.哈爾濱工業大學理學院，哈爾濱150090)

傳統的飲用水處理工藝主要以去除濁度和色度為主，當飲用水水源水質突然發生惡化時，傳統飲用水工藝的除污染能力和對污染水源的適應能力都明顯不足，導致出廠水質達不到國家飲用水水質標準，不能滿足人民生產和生活用水的安全性需求.將高錳酸鹽預氧化強化混凝工藝與顆粒活性炭取代部分石英砂形成的生物活性炭濾池有機結合，提出了高錳酸鹽預氧化－生物活性炭聯用工藝，該聯用工藝是對常規飲用水工藝的強化，具有基建投資少、除污染效能高等特點［1－2］.

試驗從有機物和氨氮兩方面考察水質突然變化時，高錳酸鹽預氧化－生物活性炭聯用工藝對水質變化的適應能力，以此探索該聯用工藝的抗沖擊負荷能力.

1 試驗

1.1 試驗工藝

采用“高錳酸鹽預氧化—混凝—沉淀—生物活性炭濾池”工藝與傳統飲用水處理工藝“混凝—沉淀—石英砂濾池”進行對比研究，試驗裝置見圖1.

圖1 中試模型試驗系統示意圖

以淮河流域某地表水為研究對象，混凝水箱的體積為27 m3(3 m×3 m×3 m)，高錳酸鹽復合藥劑(PPC)投量為1.5～2.0 mg·L－1，預氧化時間為20～30 min，混凝劑為聚合氯化鋁(PAC)，其投量為20～30 mg·L－1.混凝條件為快速攪拌2 min，轉速為120 rad·min－1，靜止沉淀1 h.分別以PPC預氧化沉后水作為生物活性炭濾池的進水，以單獨投加混凝劑的沉后水作為石英砂濾池進水.

為防止破壞絮體，首先從混凝水箱中部取沉后水上清液轉移到調節水箱中貯存，再用水泵從調節水箱中提取上清液經流量計定量送入濾池過濾.

濾柱采用有機玻璃制成，高為3 000 mm，直徑為100 mm，由濾柱底部向上每200 mm設有一個取樣口.濾池過濾均采用下向流運行，濾速為6 m·h－1.濾池反沖洗采用單獨水反沖洗，反沖洗膨脹率為25%～30%.石英砂濾柱中石英砂高度為1 200 mm，粒徑為1 mm;生物活性炭濾池將原有石英砂濾池上層800 mm的石英砂用粒徑為2～3 mm的顆粒活性炭代替，保留下層400 mm的石英砂.

1.2 試驗過程

生物活性炭工藝和砂濾池工藝運行穩定后，向原水中投加一定量的葡萄糖或氯化銨改變原水中有機物或氨氮的含量，并保持含量穩定，通過測定混凝工藝和過濾工藝出水中有機物和氨氮的含量，考察高錳酸鹽預氧化－生物活性炭聯用工藝和傳統飲用水工藝的抗沖擊負荷能力.

1.3 分析方法

CODMn和氨氮的測定依據國家環保總局編《水和廢水監測分析方法》(第四版，2002).

2 試驗結果與討論

2.1 抗氨氮沖擊負荷能力

向原水中投加一定量的氯化銨，使原水中氨氮含量由0.5 mg·L－1提高到2.0 mg·L－1左右，保持氨氮含量穩定，考察了原水中氨氮突然升高時，混凝工藝和過濾工藝對氨氮的去除效果，以及氨氮在過濾工藝中的去除率，試驗結果見圖2.

圖2 抗氨氮沖擊負荷試驗

由圖2(a)可知，進水氨氮的變化范圍在1.96～2.48 mg·L－1，平均值是2.16 mg·L－1，混凝沉淀工藝對氨氮基本沒有去除，單獨混凝工藝對氨氮的平均去除率為3.91%，在混凝工藝中投加一定量的高錳酸鹽預氧化，也沒有明顯提高混凝工藝對氨氮的去除效能，投加高錳酸鹽預氧化后，混凝工藝對氨氮的平均去除率為4.39%.

過濾工藝是氨氮去除的主要單元，進水氨氮質量濃度的突然升高對石英砂濾池和生物活性炭濾池都需要一定的適應過程，氨氮在過濾工藝中的去除效果見圖2(b).

石英砂濾池由于長期運行，也具有一定的硝化能力，石英砂濾池出水NH3－N值為1.46～2.12 mg·L－1，平均值為1.79 mg·L－1，砂濾池在第9天對氨氮去除率可達到10%以上，第19天可達到20%左右，并保持穩定.

生物活性炭濾池對NH3－N的去除效能有明顯改善，生物活性炭工藝出水氨氮為1.02～1.87 mg·L－1，平均值是1.36 mg·L－1，生物活性炭工藝在第6天時對氨氮的去除率達到30%以上，第11天后去除率可達到40%左右，并保持在40%左右的穩定去除率.

NH3－N的去除主要是濾池內硝化菌作用的結果，氨氮的去除程度與硝化菌的數量有直接關系.由于石英砂表面光滑，不易于硝化細菌的生長，硝化細菌數量少，氨氮去除率較低，并且硝化反應進行的不完全，在石英砂濾池出水中出現了NO2－N大量積累現象.

與石英砂過濾工藝相比，生物活性炭濾池出水中NH3－N的含量明顯降低.生物活性炭濾池中的顆粒活性炭具有較大的比表面積，表面粗糙，為硝化菌的生長提供了有利條件［3－4］.但由于受到原水中溶解氧質量濃度的限制和自養菌競爭的影響，原水中2 mg·L－1左右的氨氮不能夠被生物活性炭工藝中的硝化菌完全利用，生物活性炭工藝中大約只有1 mg·L－1左右的氨氮被亞硝酸菌利用，生物工藝出水氨氮質量濃度仍不能達到國家飲用水水質標準.

為改善過濾工藝的除氨氮效能，在過濾工藝頂端增加曝氣裝置，增加過濾工藝進水中溶解氧質量濃度，以期提高過濾工藝去除氨氮的效能，試驗考察了過濾工藝出水氨氮的變化過程和氨氮在過濾工藝中的去除率，試驗結果見圖3.

圖3 曝氣對過濾工藝除氮效能影響

實驗期間，在過濾工藝前增加曝氣裝置有效提高了濾前水溶解氧的含量.對石英砂濾池而言，由圖3可見，砂濾工藝出水NH3－N值為1.35～2.01 mg·L－1，平均值為1.62 mg·L－1，砂濾池在第10天對氨氮去除率可達到25%以上，并保持穩定，相對于無曝氣裝置時，砂濾工藝在穩定運行條件下對氨氮去除率提高了10%左右.

對于生物活性炭濾池，未曝氣時生物活性炭濾池最大氨氮去除量可達到1.14 mg·L－1，在生物活性炭工藝前端增加曝氣裝置，有效地提高了生物工藝對氨氮的去除率.生物活性炭工藝出水氨氮為0.63～1.28 mg·L－1，平均值是0.85 mg ·L－1，生物活性炭工藝在第4天時對氨氮的去除率達到60%左右的穩定去除率，相對于無曝氣時，生物活性炭工藝在穩定期對氨氮的去除率可以提高25%以上，在濾前水氨氮質量濃度不變的情況下，去除率也隨之增加.文獻［5］在研究生物活性濾池飲用水除氨氮的影響因素時也發現，濾前水中氨氮質量濃度大于一定數值時，溶解氧將成為BAF除氨氮的限制因素，認為隨著預曝氣裝置曝氣量的增加，濾前水中溶解氧量增加，BAF除氨氮量也相應地隨之增加.

2.2 抗有機物沖擊負荷能力

向原水中投加一定量的葡萄糖，使原水中有機物質量濃度提高到10 mg·L－1以上.為提高混凝工藝的處理效能，將高錳酸鹽的投量提高到3 mg·L－1以上.試驗考察了混凝工藝和過濾工藝出水有機物的變化及有機物在過濾工藝中的去除率，試驗結果見圖4.

圖4 各個工藝抗有機物沖擊負荷試驗

由圖4可知，進水有機物質量濃度的變化范圍在9.13～13.15 mg·L－1，平均值是10.94 mg ·L－1，常規飲用水處理工藝對增加的有機物具有一定的去除能力，單獨混凝工藝出水平均有機物質量濃度為7.84～11.44 mg·L－1，平均值為9.47 mg·L－1，平均去除率為13.25%.砂濾出水有機物變化范圍為5.28～7.95 mg·L－1，平均值為6.64 mg·L－1，砂濾池出水在第6天出水去除率達到30%左右，并保持穩定.

在混凝工藝中增加高錳酸鹽投量，對混凝工藝除有機物效能明顯改善，混凝出水有機物質量濃度為6.15～7.98 mg·L－1，平均值為7.16 mg ·L－1.生物活性炭工藝出水有機物變化范圍為2.88～4.89 mg·L－1，平均值為3.09 mg·L－1，在運行第4天時，生物活性炭工藝對有機物的去除率可達到60%左右，并保持穩定.

結果表明，高錳酸鹽－生物活性炭具有較高的抗有機物負荷能力，這主要是由于對混凝工藝和過濾工藝進行了兩級強化，可有效地降低整個工藝出水的有機物質量濃度.混凝工藝中，高錳酸鹽通過氧化作用可有效壓縮雙電層，提高對顆粒污染物的去除效能;高錳酸鉀在中性pH值條件下氧化的特有中間產物是新生態水合MnO2，具有巨大的比表面積和很高的活性，能通過吸附與催化等作用提高對水中微量有機污染物的去除效率.此外，高錳酸鉀與水中少量還原性成分作用產生的其他介穩狀態的中間產物［如Mn(III)～Mn(V)等］也對高錳酸鉀除微污染起著重要的促進作用［6－7］.

在過濾工藝中，生物活性炭通過物理吸附和生物氧化等共同作用去除有機污染物.一方面，在活性炭孔徑中絕大部分是微孔，能夠有效吸附小分子有機物，特別是相對分子質量在0.5～3.0 ku的有機物［8］.另一方面，由于活性炭上大量微生物的生長代謝中物質和能量的需要，能夠將部分低分子有機物分解成二氧化碳和水，同時也將降解中生成的部分中間產物合成微生物體.

為改善過濾工藝的除有機物效能，也考察了頂端增加曝氣裝置對過濾工藝去除有機污染物效能的影響，試驗結果見圖5.由圖5可見，在過濾工藝前端增加曝氣裝置，過濾工藝對有機物的去除率有所提高.石英砂濾池出水有機物值為4.91～6.21 g·L－1，平均值為5.62 g·L－1，運行穩定時，砂濾池對有機物去除率可達到35%左右，相對于無曝氣時，砂濾穩定去除率提高了5%左右.

圖5 曝氣對過濾工藝除有機物效能影響

生物活性炭工藝出水有機物為2.09～2.95 g ·L－1，平均值是2.45 g·L－1，運行穩定時，生物活性炭工藝平均去除率為65%左右，相對于無曝氣時，生物活性炭工藝在穩定期對有機物的去除率可以提高5%左右.

預曝氣工藝對生物活性炭去除有機物的效能提高不大，原因主要有以下兩方面:一、在混凝工藝中，高錳酸鹽氧化能夠強化混凝工藝去除部分有機物，有效降低后續生物工藝的有機物負荷［9－10］;二、在生物活性炭工藝中，有機物的去除是活性炭的物理吸附、物理截留和生物氧化等多方面共同作用的結果，其中活性炭的物理吸附與物理截留作用都不受溶解氧的影響，增加進水的溶解氧含量主要是提高自養菌的活性，進而提高生物降解有機物的效能.

3 結論

1)高錳酸鹽－生物活性炭工藝具有較強的抗沖擊負荷能力.在混凝工藝中，投加一定量的高錳酸鹽進行氧化，能有效提高混凝工藝對有機物的去除效能，但對氨氮的去除沒有明顯的提高;采用顆粒活性炭代替部分石英砂形成生物活性炭濾池能有效提高過濾工藝對水質惡化的適應能力，縮短工藝達到穩定出水水質的時間，提高出水水質.

2)當原水污染嚴重時，在生物活性炭工藝前增加曝氣裝置，提高生物工藝進水溶解氧質量濃度，有利于提高生物活性炭工藝對有機物和氨氮的去除率，提高整個工藝的出水水質.

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