生物活性炭工艺在废水处理中的应用_1 15页

生物活性炭工艺在废水处理中的应用1.活性炭吸附净水原理活性炭是一种非极性吸附剂。外观为暗黑色，有粒状和粉状两种。近几年又发展了球状活性炭，浸透型活性炭和高分子涂层活性炭等新的品种。主要成分除炭以外还含少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。其具有巨大的比表面积(通常比表面积高达500～1700m2/g)和特别发达的微孔，吸附性能和化学稳定性良好，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。活性炭吸附水中溶质分子是一个复杂的过程，是几种力综合作用的结果，包括离子吸引力、范德华力、化学杂和力。根据吸附的双速率扩散理论认为，吸附是一个由迅速扩散和缓慢扩散两阶段构成的双速过程，迅速扩散在数小时内即完成，发挥了60%－80%活性炭的吸附容量。迅速扩散是溶质分子在碳粒内沿径向均匀分布的阻力小的大孔隙中扩散的过程。这些大孔隙产生径向的扩散阻力。当分子从大孔进一步进入与大孔相通的微孔中扩散时，由于受到狭窄孔径所产生的很大阻力，从而极为缓慢。微孔也是在碳粒内均匀分布，但不构成径向的扩散阻力。影响粉末活性炭吸附的因素涉及溶质分子极性、分子量大小、空间结构，这一点取决于水源水质的特征。活性炭对不同的物质分子具有选择吸附性。n投加粉末活性碳后，水体相当部分有机物得到去除，水体中胶状物质含量减少，表面粘度下降。粉末活性碳吸附在絮凝物上，有利于絮体的架桥，能改善絮体的结构。除有良好的去除有机污染能力，同时还具有良好的助凝作用，使出水CODcr、色度、浊度大幅度下降。同时活性炭对水中的致癌物与致突变物及其含酚化合物均有良好的去除效果。粉末活性炭对人工合成化学物的吸附去除主要取决于该化合物的类型。在选择投加点时，要有充足的搅拌条件，使粉末活性炭能快速与处理水有良好的混合接触；尽量延长粉末活性炭与水体接触吸附时间，充分利用粉末活性炭的吸附能力，提高吸附率；选取粒径小和中孔较发达的木质粉末活性炭，使同等重量的活性炭吸附面积相对大，提高活性炭对有机物的吸附效能；尽量减少水处理药剂对吸附的干扰(如氯、高锰酸钾、混凝剂等)；根据投加量的多少、场地条件选取干式或湿式投加。2.粉末活性炭活性污泥法在印染废水处理中的应用某企业印染产品以化纤织物和棉布染色为主，废水中含有纤维、浆料、染料、助剂、油、漂白剂以及等。废水排放方式为半连续，具有色度深、水温高、悬浮物高、瞬时排放浓度高、水质变化大、难降解有机物比例高，可生化性差等特点，属于较难处理的工业废水之一。日排放织物染色废水500～1200m3/d，采用物化预沉—生物接触氧化—n物化二沉工艺，出水要求达到国家纺织染整工业水污染排放标准（GB4287-1992）中的一级排放标准。经物化和生化处理后，其色度等指标已能达标，但CODcr在150mg/l左右。经小试后在生化池末段投加少量活性炭，对生物处理进行强化，最终做到达标排放。工艺流程如下：该工艺中冷却塔根据水温情况选择性使用，确保进生化池水温在30℃左右，一般冬季基本能满足要求，勿需开启。粉末活性炭投加品种及量由水样小试确定，首次投加量为100mg/l，以后视出水水质补加少量，循环使用周期约为一周。初沉所用混凝药剂为石灰和硫酸亚铁，控制PH在7.5～8.5间；生化后使用聚合氯化铝和聚丙烯酰胺，主要为确保絮凝沉淀效果，用量很少。表一 主要构筑物设计说明编号构筑物说明1调节池地下钢砼结构；30m×20m×2m，有效容积1000m3，停留时间19h2初沉池地上钢制；多斗重力排泥；5m×10m×5m，有效停留时间2h；表面负荷1.0m3/m2.hn3生物接触氧化池半地上式钢砼结构；15m×18m×3.3m，有效容积约800m3，停留时间16h；风机(Q=13.8m3/min P=0.35kg/cm2 W=15kw)；内置弹性填料4斜板二沉池地上钢制；多斗污泥泵排泥；2.5m×6.5m×2.5m；表面负荷3.0m3/m2.h表二 各构筑物实际平均处理效率序号指标单位调节池初沉池去除率生化池去除率二沉池去除率标准1CODcrmg/l1500～300070069%15078%10033%1002色度倍500～200015090%6060%3540%403pH　6～78/6～7/6～7/6～94水温0C70～8030～35/25～30/20～25//3.颗粒状活性炭在玻璃纤维废水深度处理中的应用n某玻璃纤维生产企业主要产品是IT行业用电子一级玻璃纤维纱、增强型玻璃纤维纱和短切毡等五大类九个品种，近百个不同规格的产品。生产污水主要来自玻璃纤维表面处理工序，水中的污染物质主要是“浸润剂”组分(环氧乳液、PVAC乳液、聚氨酯乳液、润滑剂及抗静电剂、各种偶联剂等)以及微细玻璃纤维等悬浮物。除溶剂外大部分是些热稳定性高、难溶于水的高分子有机物，具有比重轻、颗粒细、可生化性差等物点。设计日排放废水量800吨，采用气浮—接触氧化—炭砂过滤工艺，出水排放执行国家《污水综合排放标准》(GB8978—1996)的一级排放标准。工艺流程如下：该工艺中：由于废水表面活性物质较多，悬浮物疏水性较强且质量轻，预处理特别适合采用气浮工艺。气浮技术采用进口气液混合泵，较传统气浮溶气水气泡粒径在10～30微米，效果稳定，浮选效率高，操作管理简便；炭砂过滤器承托层采用石英砂，内装￠2～3mm、h=6mm的柱状活性炭，其进水CODcr(控制<150nmg/l)及悬浮物已近达标，反冲洗根据过滤器内压力控制(正常运行为0.02～0.06Mpa)，一般周期为3～5天，原水浓度较低时，终沉后已能达标，可跨越生物炭床直接排放；自动控制化程度较高，气浮及过滤器前提升泵均采用Key牌液位计自动控制，气浮反应池投加的PAC、NaOH(PH计自动控制PH值在7～8间)、PAM都与提升泵一起联锁控制，大大节约了劳动力；污泥脱水采用带式压滤机，该机滤布应用进口方向性立毛纤维技术(滤布宽度1.5m)，脱水后污泥含水率低，易剥离，滤布较清洁易冲洗。表三 主要构筑物设计说明编号构筑物说明1调节池半地上式钢砼结构；8.0m×7.5m×3.5m，容积210m3，停留时间约6h；环状穿孔管曝气2气浮池地上钢制成套；2.5m×4.5m×2.5m，停留时间0.8h；表面负荷3.1m3/m2.h；不锈钢链轮刮泥机3生物接触氧化池半地上式钢砼结构；15m×13m×3.5m，有效容积约600m3，停留时间18h；内置立体填料4二/终沉池半地上式钢砼；中间进水周边出水；周边传动刮泥机；￠8m×4.1m；表面负荷0.7m3/m2.h5炭砂过滤器钢制，数量两个；￠3m×n3.5m，炭层有效高度1.2m，石英砂0.3m；滤速2.5m/h，气水比为3：1，连续供气；采用气水联舍反冲洗方式(反冲气强度为10L/m2.s,反冲水强度为3.2L/m2.s)；每年补充反洗损失活性炭表四 各构筑物实际平均处理效率序号指标单位调节池气浮池去除率生化/二沉去除率终沉池去除率炭滤器去除率标准1CODcrmg/l1200～1900350～55071%15067%100～12027%60～8036%1003pH 5～6.57.5～8.07.2～7.87.0～7.56.8～7.06～94.工程应用中应解决的问题(1)粉尘飞扬的污染问题。由于粉末活性炭在诸多环节如装卸、拆包、配制、投加过程中劳动强度大、容易引起粉尘飞扬，造成工作环境恶劣，成为制约粉末活性炭技术应用的一个关键的、实质性的问题。n(2)投资、成本控制。粉末活性炭作为一种有效的强化或废水深度处理方法，必须确保待处理废水水质较好，尽量延长其循环使用周期，以减少活性炭用量，节约运营费用。(3)对于生物活性炭池，由于炭床空间中生长的微生物总量有限，因此只有当炭床在单位时间内从废水中吸附截留下来的有机物总量小于炭床微生物的最大分解再生能力时，才能维持动态平衡，确保长期稳定运行。一般设计时应控制进水CODcr在200mg/l以下，同时考虑设置跨越管，以免事故排放时对炭床造成不易恢复的损害。(4)加强生物炭池的操作管理，制定相关操作规程。加强反冲洗并控制好强度，防止活性炭流失；运转时保证连续曝气，不进水或水量少时可适当减少供气量。生物活性炭滤池的反冲洗方式研究　　　　　在臭氧—生物活性炭深度处理技术应用中，生物活性炭(BAC)滤池的反冲洗问题非常棘手又亟需解决。随着BAC滤池运行时间的延长，炭粒表面和滤床中积累的生物和非生物颗粒量不断增加，导致炭粒间隙减小，影响滤池的出水水质和产水量［1］。反冲洗方式与相关参数直接影响BAC滤池的运行效果和成本。有研究表明［2］n，采用单独水冲的滤池出水中生物可同化有机碳(AOC)和细菌量高于采用气水联合反冲的滤池，而充分去除过量的生物膜是保证滤池成功运行的重要前提。国外对生物滤池反冲过程中的颗粒脱附机理进行了研究［3］，但关于其程序及相关参数选取的报道较少，而这又恰是指导生产所必须解决的重要问题。国内对此方面的研究起步较晚，个别采用生物活性炭技术的水厂只能直接参照国外经验，如昆明、北京水司均采用单独水冲(滤层膨胀率为25%)。1　　试验方法1.1工艺流程及装置　　中试的工艺流程为预臭氧化→混凝、沉淀、过滤→臭氧—生物活性炭，试验装置包括常规处理、臭氧化和BAC滤池处理系统。　　BAC滤池横断面尺寸为500mm×500mm，高度为4.92m，内部均分为两格，采用小阻力配水系统。池内装填ZJ-15型柱状活性炭，其碘值和亚甲蓝吸附值分别为961、187mg/g。运行之前采用未加氯的砂滤出水先浸泡活性炭1周，再反洗清洁。　　试验期间，臭氧化与常规处理工艺参数基本恒定。预臭氧化的接触时间和投量分别为4.5min和1.5mg/L左右；主臭氧化的接触时间和投量分别为16min和2.0mg/L左右。常规处理水量为3～3.5m3/h，混合时间为6～6.5s，反应时间为23.2～19.9min，沉淀池清水区上升流速为1.39～1.62mm/s、斜管内上升流速为1.60～1.87mm/s，滤池滤速为6.49～7.57m/h。混凝剂和pH值调节剂分别采用液态碱铝和氢氧化钠，投加浓度分别为2.5、6mg/L左右。n1.2 反冲方式　　第一阶段单独水反冲试验的炭床高度分别为2.0、2.5m，冲洗强度分别为12、14、18L/(m2·s)，冲洗历时约为10min。第二阶段气水联合反冲洗试验的炭床高度为2.0m，气冲强度分别为8、11、14L/(m2·s)，气冲历时分别为3、5min；水冲强度分别为6、8、10、12、14L/(m2·s)，水冲历时约为10min。　　试验期间BAC滤池进水水温较高(平均为29℃)，采用自然挂膜(生物膜成熟时间约为15d)，其反冲洗周期一般为7d。2 结果与分析　　水中生物颗粒的相对含量以浊度表示，其微生物最低检测浓度为3.7×105个/mL［4］。BAC滤池反冲废水中微生物浓度(个/mL)的数量级一般不低于105［2、3］，故以反冲废水的浊度作为一项主要检测指标。2.1　水反冲　　①冲洗强度　　试验中以相同反冲历时下的反冲废水浊度、反冲废水浊度与初始浊度的比值、从高浊度到持续低浊度的出现历时作为评价指标。　　在一定范围内提高水冲强度会改善反冲洗效果。当运行条件相近、水冲强度分别为14、18/(m2·s)时，反冲废水初始浊度分别为34.3、116NTU。去除负荷相同导致二池截污量大致相等，而初始浊度高意味着被冲下的杂质多，由此推知经低强度水n冲后的BAC滤池残余杂质较多，这主要是由于水冲强度高会产生较大的剪切力和拖拽力，更好地促使炭、水以及炭粒间的摩擦碰撞。两种水冲强度下反冲废水浊度比值为10%的历时分别为200s和80s，反冲废水浊度由高到趋于平稳的历时分别为210s和180s，这间接表明采用高强度水冲对滤层冲洗得较为彻底、排出被冲杂质较为容易。炭床高度为2.5m的BAC滤池的试验结果与此类似。　　在低强度水冲后期换以高强度水冲的过程中，反冲废水浊度随反冲洗历时呈倒V”形变化。　　说明高、低强度联合水冲的效果优于单一低强度水冲。虽然组合强度的水反冲效果有所改善，但不显著，还大大增加了反冲洗耗水量，由此认为单独水反冲的适宜水冲强度为14L/(m2·s)左右，对应滤层膨胀率为20%左右。　　②水冲历时　　试验中发现反冲废水初期浊度、色度高，后期浊度、色度低，水冲强度为14、18L/(m2·s)时肉眼可见少量微生物絮体。这说明BAC滤池的反冲废水中生物颗粒和非生物颗粒均占相当比例，并且生物颗粒的出现时间相对滞后。一般，颗粒脱附的前提条件是外加脱附力大于颗粒所受的粘附力，而非生物颗粒的粘附力主要由范德华力和化学键力等构成。对于生物颗粒，微生物的疏水性及胞外物质会产生比前述引力大得多的微观引力［3］n。　　非生物滤池的反冲废水中非生物颗粒占绝大多数，一般以反冲废水浊度达到5NTU作为反冲洗结束条件。生物滤池中生物颗粒的脱附较难，其含量又难以浊度指标来间接反映，故以反冲废水浊度＜5NTU作为反冲洗结束的上限条件。同时，BAC滤池在反冲废水浊度达到3NTU以后则很难下降，故将3NTU作为反冲洗结束的下限条件。对应浊度为3～5NTU的反冲洗历时为6～8min，即采用水冲强度为14L/(m2·s)的适宜历时为6～8min。　　③反冲洗排水槽与滤层间距　　反冲洗排水槽与滤层的间距过小易造成滤料流失，间距过大则不利于反冲废水的及时排出，还会消耗较多的反冲洗用水。如采用14、18L/(m2·s)强度联合反冲洗、在去除负荷相近的情况下，炭床高度为2.0m和2.5m的BAC滤池反冲废水浊度变化趋于平稳的历时分别为210s和180s，反冲废水浊度比值为10%的所需历时分别为200s和110s，反冲废水浊度达到5NTU的历时分别为170s和160s。在保证活性炭不被冲出池外的前提下，此高度差可适当降低，建议实际应用中以1.5～2.0m为宜。2.2两段式气水联合反冲洗　　因长有生物膜的活性炭体积质量小、气水同时反冲洗的控制要求高，故采用两段式气水联合反冲洗，即先排水至炭床表面下10ncm处，然后通入压缩空气反洗，停气后再用水反冲。为更准确地比较不同方式的反冲洗效果，采用浊污比(反冲废水浊度与反冲之前去除CODMn总量之比)、浊污比与初始浊污比的比值、从高浊污比到持续低浊污比的出现历时作为评价指标。　　①气水反冲与单独水反冲的比较　　炭床高度为2.0m的BAC滤池在去除负荷相近时，尽管水冲强度均为14L/(m2·s)，但先气冲5min的效果明显较好。　　气水联合反冲时反冲废水的初始浊污比(1.39NTU/gCOD)高于单独水反冲的值(0.79NTU/gCOD),前者反冲废水的浊污比从高到趋于平稳的时刻(300s)迟于后者(210s)，反冲废水浊污比与初始浊污比的比值达到10%的历时也如此，原因在于较大的紊流气体能预先冲松滤层并更好地冲刷活性炭表面的生物膜。和普通滤池类似，单独采用水反冲的BAC滤池具有一定的局限性。　　②气冲强度与水冲强度的匹配　　气、水强度的匹配是优化气、水联合反冲洗的重要方面。气、水强度组合分别为14、8L/(m2·s)和8、10～12L/(m2·s)的试验结果表明，在反冲洗初期(0～60s)，相同反冲历时下的反冲废水浊污比是前者大于后者，而反冲废水的持续低浊污比及浊污比与初始浊污比的比值为10%的出现历时大体相近；所需反冲水量大致相等。由此决定采取高气冲强度、低水冲强度的匹配方式。　　其他条件相同，增大水冲强度会改善反冲洗效果，表现为反冲废水初期浊污比增大，反冲废水浊污比从高值到持续低值及浊污比与初始浊污比的比值为10%的所需历时缩短，达到反冲废水浊度为3～5NTU的所需耗水量大体相等。虽然水冲强度为6、8L/(m2·s)n的试验结果也类似，但因常规工艺出水中会残存一定的溶解性有机污染物，臭氧化又减小了其粒径，增大了微粒扩散常数，增加了微粒间碰撞几率和范德华引力，促使微粒被粘附的强度和机会增加而更难于脱附。建议气冲后采用微膨胀水冲［强度为8L/(m2·s)］。　　③气冲强度　　固定气冲历时为5min、后续水冲强度为8L/(m2·s)，分别以气冲强度为8、11、14L/(m2·s)进行气、水反冲洗的试验结果表明，提高气冲强度可改善反冲洗效果，主要表现为初期反冲废水的浊污比基本随气冲强度增大而增大。　　在气冲强度为14L/(m2·s)的反冲洗试验中发现生物膜的脱落较为明显，且气冲后的新一轮运行初期，BAC滤池对CODMn、藻类等的去除效果下降，这又说明反冲洗的关键是既要去除过量的老化生物膜，又要充分保证新一轮启动所需的生物量。建议生产中采用11～14L/(m2·s)的气冲强度，待积累一定经验后再取适当高值。　　④反冲历时　　反冲历时直接影响反冲洗的效果和能耗。当采用气、水冲强度分别为14、8L/(m2·s)，气冲历时分别为5、3min时，反冲废水的初期浊污比差别不明显；但浊污比从高值到持续低值、浊污比与初始浊污比的比值为10%、反冲废水浊度达到5～3NTU的出现历时有所差异，原历时为3min的值约延长了1～2min。这说明延长气冲历时可使炭粒表面污物受到更为持久的剪切和剥离，使脱落污物的排出较为容易，但因总体效果相近，实际气冲历时可视情况选3～5min。　　综合气冲强度为11～14L/(m2·ns)、气冲历时为(3～5min、水冲强度为8L/(m2·s)的反冲洗试验结果可知，反冲废水浊度达到5～3NTU的所需历时为260～550s，即所需的水冲历时约为5～7min。3　结语　　①炭粒表面生物颗粒的脱附难于非生物颗粒，建议生产中反冲洗结束的控制指标为反冲废水浊度达到3～5NTU。　　②两段式气、水联合反冲洗的效果优于单独水反冲，并可节约耗水量，推荐采用先以高强度空气擦洗、再以微膨胀水漂洗的方式。适宜的气冲强度为11～14L/(m2·s)、历时为3～5min，水冲强度为8L/(m2·s)、历时为5～7min。　　③如采用单独水反冲，建议适宜的反冲强度为12～14L/(m2·s)、滤层膨胀率为20%左右，反冲历时为6～8min。　　④炭床上表面与反冲废水排水槽间的高度差对反冲洗效果有一定影响，实际应用中以1.5～2.0m为宜。