溫度對生物活性炭反應器凈水效能的影響研究

楊世東，劉志東，張蘭河，崔鳳國，于 雷，潘 強

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林 吉林 132012;2.東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132012;3.吉林市市政設施管理處，吉林 吉林 132011;4.吉林油田公司公用事業管理公司，吉林 松原 138000)

隨著經濟的發展，水污染范圍的擴大，人們對高效水處理技術的需求更加迫切。國內相關工作者通過對現有技術運行參數的調整、設備的改進和新型處理水技術的研發來滿足這一需求[1－5]。生物活性炭技術綜合了微生物降解及物理化學吸附的優勢，使得該工藝對有機物(尤其是分子量在1 kD－3 kD)、色度、濁度、氨氮等都具有良好的去除效果。生物活性炭對分子量大于3 kD的有機物的生物降解能力有限，從而使得化學氧化和生物活性炭吸附降解相結合的聯合工藝被廣泛研究，部分已被實際應用[6]。其中臭氧—生物活性炭(BAC)作為良好的深度水處理技術被人們普遍接受。本研究針對我國北方四季溫差變化大的氣候條件，分別考察了低溫階段(5－18℃)和常溫階段(19－26℃)下溫度對生物活性炭技術凈水效能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置與材料

實驗裝置均采用有機玻璃粘制而成。生物活性炭反應器為長200 cm，直徑為4 cm。活性炭填裝高度為100 cm，底層是10 cm的襯托層，并在間隔30 cm處安裝取樣閥。

1.2 實驗方法

圖1 實驗裝置圖

本實驗分為生物活性炭微生物培養、低溫實驗、常溫實驗三個階段完成。第一個階段連續運行使活性炭表面微生物生長富集到足夠的數量。第二、三各階段分別在溫度為5－18℃和19－26℃下運行反應器。三個階段進水量均為6.28 L/h，停留時間為12 min，流速5 m/h。實驗過程中每三天監測一次水中高錳酸鹽指數、濁度、硝態氮、UV254變化情況。進水水質見表1。

表1 生物活性炭反應器進水水質

1.3 水質分析方法

水質分析方法見表2。

表2 測量儀器及方法

2 結果與討論

2.1 生物活性炭掛膜培養

圖2為進出水高錳酸鹽指數隨時間的變化情況。反應器在運行前期，在活性碳表面沒有微生物生長，只有單純的活性炭吸附作用。由于進水高錳酸鹽指數相對比較低，所以在19 d以前沒有明顯的去除效果。隨著微生物膜的初步成型，在21－27 d去除率明顯升高。28 d到30 d生物活性炭出水高錳酸鹽指數值趨于穩定，說明生物活性炭掛膜培養基本完成。

圖2 掛膜培養階段進、出水高錳酸鹽指數

圖3 常溫和低溫兩個階段進、出水高錳酸鹽指數

2.2 高錳酸鹽指數的變化

從圖2中可以看出，該生物活性炭反應器對高錳酸鹽指數的去除情況不理想。這是由于進水高錳酸鹽指數低，說明生物活性炭對低濃度可氧化有污染物的去除能力有限。在該研究中常溫狀態下高錳酸鹽指數的去除率平均達到15.90%，低溫實驗階段生物活性炭對高錳酸鹽指數的去除率平均為4.38%，效果差于常溫狀態。分析其原因是由于活性炭表面穩定的生物膜進入到相對低溫的環境后，微生物代謝減慢，微生物降解作用也隨之減弱。另一個原因可能是由于溫度的降低使得部分與活性炭結合相對較弱的表面微生物在剪切力的作用下脫落，從而引起了微生物膜的不穩定，最終導致代謝能力的減弱。總之，常溫狀態下的去除效果要好于低溫狀態，單獨的生物活性炭對低高錳酸鹽指數的原水去除能力有限，需要和其他工藝聯合應用。

2.3 硝態氮的變化

通過硝酸鹽濃度的變化可以反映反應器內硝化細菌的生長情況，同時間接反映氨氮的去除情況。如圖5可以看出生物活性炭對硝態氮去除效果不理想。這與亞硝化細菌、硝化細菌的硝化作用有關，而硝化細菌屬于自養菌，從無機物的氧化過程中獲得能量，所以在一般情況下硝化細菌生長緩慢。從圖5中可以看出，在常溫狀態下，反應器中存在一定濃度的硝化細菌生長。而在低溫條件下進出水硝態氮基本無變化，這是由于低溫降低了硝化細菌的生長速率，進而影響了其代謝速度。所以，溫度對硝態氮的去除有很大影響。

圖4 常溫和低溫兩階段進、出水高錳酸鹽指數去除率

圖5 常溫和低溫兩階段進、出水硝態氮

2.4 濁度的變化

多數有機物隨溫度的降低溶解度下降，所以低溫下更容易被吸附，同時活性炭的吸附過程是放熱過程，隨溫度的下降，活性炭的吸附能力反而加強。反之，溫度上升，活性炭吸附能力減弱，但微生物活性代謝活動增強，被降解的有機物量增加。吸附作用和生物降解兩者共同作用構成了一個動態平衡的運行狀態。所以溫度對生物活性炭濁度的去除沒有明顯影響，這也是生物活性炭運行穩定的表現。

圖6 常溫和低溫兩階段進、出水濁度

圖7 常溫和低溫狀態下進出水UV254吸光度

2.5 UV254的變化

UV254是以光學原理為基礎的參數，芳香族化合物或具有共軛雙鍵的化合物在254 nm的波長處有吸收峰，可作為TOC及T－THMFP的代用參數[7]。圖7中表明在常溫和低溫狀態下前期的處理效果均不理想，低于相同實驗階段高錳酸鹽指數的去除率。有研究發現在1－3 KU范圍之內生物活性炭才具有良好的降解去除能力[8]。這說明水中芳香族或共軛雙鍵化合物分子量大多小于1KU。另外，通過圖7可以發現:進入常溫和低溫環境后生物活性炭對該因素的反應有滯后性。通過常溫和低溫曲線對比發現經過一定時間后，去除效果并沒有明顯的區別。說明活性炭表面微生物對溫度的變化存在一定的適應能力。所以，對于吸附和生物降解共同作用構成的動態平衡反應器而言，常溫和低溫兩個狀態下生物活性炭對UV254的去除效果沒有明顯區別。

3 結 論

本研究結論如下:

(1)單級生物活性炭反應器對低濃度可氧化有機污染物的去除能力有限;生物活性炭反應器對高錳酸鹽指數的去除受溫度的影響，常溫條件下去除能力強于低溫條件;

(2)常溫條件下生物活性炭對硝態氮的去除效果依賴于系統中足夠濃度的硝化細菌。低溫抑制微生物活性，影響硝態氮的去除;

(3)溫度對生物活性炭去除濁度的能力沒有明顯的影響;

(4)本研究反應器進水中含芳香族或共軛雙鍵化合物的分子量大多小于1 KU;生物活性炭在5－18℃和19－26℃兩個溫度范圍對UV254去除率差別不大，但都有明顯的滯后性。

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