楊開，周濤，高婷，周毅
(武漢大學 土木與建筑學院，湖北 武漢 430072)

　　摘要：試驗研究表明，在濾前未預氯化或預氧化的條件下，生物活性炭—砂濾對有機物和氨氮的去除效果是顯著的，CODCr和UV254的平均去除率分別為40.4%和48.9%。當進水氨氮濃度在2 mg/L以下時，其平均去除率為82.5%；濁度的平均去除率約82.4%，出水濁度的平均值為0.51 NTU；CHCl3和CCl4的去除率為38.9%。
　　關鍵詞：微污染原水；生物活性炭；砂濾；氨氮；消毒副產物
　　中圖分類號：TU991.24
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)12-0054-03

　　1 試驗流程及原水水質

　　1.1 試驗流程
　　采用混凝→沉淀→生物活性炭—砂濾工藝處理微污染原水，試驗裝置如圖1。

　　該工藝的特點是取消了預氯化或其他預氧化過程(如臭氧氧化)，利用生物活性炭提供的巨大比表面積和吸附性能，為微生物氧化降解水中的有機物創造了良好的條件，并能部分去除水中鹵代烴類消毒副產物(DBPs)。
　　1.2 原水水質
　　過濾的原水采用兩種水配制而成，其一為武漢大學校園內的河水(含生活污水)，并先經混凝沉淀處理(加入混凝劑量為50mg/L，靜置沉淀2h)；其二為自來水，在使用前先放置2h以去除余氯。濾前水由這兩種水以1∶3的比例配制而成，各種水的具體水質情況見表1。

　　2 試驗裝置及設計參數

　　2.1 試驗裝置
　　生物活性炭—砂濾柱采用雙層濾料，上層為顆粒活性炭，下層為石英砂。濾柱直徑為45mm，高度為3.0m；活性炭層厚1.0m，粒徑為1.5 mm(柱狀)；石英砂層厚0.5m，粒徑為0.5～1.0mm；礫石(承托層)厚0.2m，粒徑為6～8mm。
　　2.2 主要試驗運行參數
　　試驗采用連續流恒速過濾方式，濾速范圍為4～7m/h。采用氣水反沖洗，氣沖洗1.5min，沖洗強度為5～15L/(s·m²)；然后水沖洗5～6 min，沖洗強度為5～10L/(s·m²)。沖洗頻率視試驗中水頭損失情況而定，用本試驗的濾后水作反沖洗水。

　　3 試驗運行情況及結果分析

　　3.1 掛膜和生物相觀測
　　1999年7月24日自然開始掛膜，水溫為24～27℃，進水流速為5m/h。7月24日—8月2日的原水為處理后的河水，8月3日后的原水為人工配制的濾前水。至9月6日，氨氮的硝化率即達到60%，這標志掛膜基本完成(歷時一個半月左右)，觀察到的生物膜呈黃褐色，上層生物膜較厚，并隨濾層深度的增加漸漸變薄。
　　3.2 活性炭吸附階段
活性炭吸附階段試驗數據統計結果見表2。

　　從各水質指標的變化可知，NH₃-N的去除率極低，濾后水和濾前水的pH值差別不大，說明該階段的生物活性較弱。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，而且活性炭上已長有微生物(這可從NH₃-N含量的降低看出)。在第39d(8月31日)COD_Cr的去除率突然下降，說明活性炭的吸附容量已趨飽和，吸附去除有機物的能力變得很弱。
　　3.3 生物活性炭階段
　　生物活性炭階段試驗數據統計結果見表3。

　　3.4 影響生物活性炭去除有機物的因素
　　① 濾速的影響。不同濾速對COD_Cr和UV₂₅₄的去除效果見表4。

　　由表4可以看出，隨著停留時間的增加，COD_Cr和UV₂₅₄的去除率有一定程度的提高，但有機物去除率的增加并不與停留時間的增加成正比。試驗表明，當濾速為5m/h時，即炭層停留時間為12min時，生物活性炭—砂濾柱獲得較為理想的去除效果。
　　② 濾層深度的影響。生物活性炭對COD_Cr的去除是微生物的生物氧化降解作用的結果，因而與生物量沿濾層深度的分布密切相關。為了便于研究COD_Cr隨濾柱深度的沿程去除情況，比較了各取樣口的COD_Cr去除率(見表5)。

　　從表中可看出，大部分COD_Cr的去除發生在生物活性炭濾柱上部，這也間接說明了濾柱上部附著和懸浮的微生物數量是很高的。此外，從各取樣口COD_Cr去除率的最大值和最小值來看，去除率并不穩定。這一方面是受試驗條件的影響，如原水水質的配制不夠穩定，濾柱直徑偏小，邊壁影響較大等；另一方面是因為COD_Cr的去除和微生物的降解作用受許多條件限制。由4＃取樣口的數據可知，砂層對COD_Cr的去除有一定的作用。因而，水流經過生物活性炭處理后，再進行砂層過濾是非常必需的。
　　3.5 影響生物活性炭去除NH₃-N的因素
　　① 溶解氧的影響。氨氮的硝化作用和有機物的氧化作用分別由自養型和異養型好氧微生物進行。從理論上講，硝化1g氮需氧4.57g，這個需氧量稱為“硝化需氧量”(NOD)。當水溫為0 ℃時，飽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—砂濾柱硝化去除NH₃-N的能力是有限的，應控制進水NH₃-N濃度≯2mg/L。經測定，出水中的溶解氧范圍為2.36～0.29mg/L，這說明硝化反應所消耗的溶解氧較大，所以水中的溶解氧幾乎耗盡。
　　② 進水NH₃-N濃度的影響。本試驗進水中的NH₃-N濃度比較低(＜2mg/L)，因而對硝化效果影響不大。但隨著進水的NH₃-N濃度接近2 mg/L，出水NH₃-N濃度有明顯上升的趨勢，且NH₃-N的去除率也相應下降。
　　3.6 影響生物活性炭去除濁度的因素
　　① 濾層深度的影響。各取樣口的濁度去除率見表6。

　　從表6可看出：去除的大部分濁度發生在生物活性炭濾柱上部。由于濾柱上部附著和懸浮著大量微生物，生物絮凝和生物降解對濁度的去除起了重要作用。砂濾層有精濾作用，通過顆粒的粘附作用使濁度進一步降低。
　　此外，從各取樣口濁度去除率的最大值和最小值來看，其去除率并不穩定，這是因為在過濾后期，游離在水中的菌膠團增多，容易在取樣時隨水流溢出，從而也影響了出水中濁度的準確測定。
　　在過濾后期，生物活性炭柱上部對濁度的去除率下降，而在反沖洗前后，整個生物活性炭—砂濾柱對濁度的去除率無太大的變化。這表明在過濾后期，上層濾料的截污量逐漸達到飽和，對濁度的去除率降低，下層濾料充分發揮作用，彌補了上層濾料對濁度去除量的不足，從而使濾柱對濁度的去除在反沖洗前后基本無差別。
　　② 進水濁度的影響。在進水濁度較低時，出水濁度幾乎保持不變，且＜0.5NTU，這表明生物活性炭—砂濾柱對濁度的去除不隨進水濁度的變化而波動，其處理效果穩定。但當進水濁度＞3NTU時，出水濁度波動較大，有時＞1NTU。
　　3.7 生物活性炭對消毒副產物的去除情況
　　試驗以CHCl₃和CCl₄作為主要消毒副產物，通過比較濾前水和濾后水加氯消毒后水中CHCl₃和CCl₄的含量，確定生物活性炭對消毒副產物的去除率。在生物活性炭階段，對CHCl₃和CCl₄的去除情況做過一次檢測(1999年10月24日)，其結果如表7，濾后水為加氯后的檢測結果。

　　由表7可看出，生物活性炭—砂過濾工藝能夠去除部分消毒副產物，表明此工藝對于減少或抑制消毒副產物的產生是有效的。

　　4 結論

　　① 生物活性炭—砂濾柱對有機物和氨氮的去除效果是顯著的：COD_Cr和UV₂₅₄的平均去除率分別為40.4%和48.9%；當進水氨氮濃度在2 mg/L以下時，平均去除率是82.5%；濁度平均去除率約82.4%，平均出水濁度為0.51NTU。
　　② 生物活性炭—砂過濾技術在改善水質、保證飲用水的安全方面，有望成為一種高效低耗的水質凈化新工藝。

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收稿日期：2000-09-08