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炭池生物量在反冲洗前后的变化规律 ＊ 张朝晖 1 邵 林 2 王 亮 1 吕锡武 3 1.天津工业大学环境工程系, 天津 300160; 2.天津市电力科学研究院, 天津 300022; 3. 东南大学环境工程系, 江苏 南京 210096 摘要 适当的反冲洗是保证生物活性炭滤池正常运行的关键。 反冲洗的主要目的是要控制和维持滤料上生物量在合 适的范围。 试验发现, 反冲洗过程中去除的生物量主要是悬浮生物量, 炭池在反冲洗过程中需要认真控制附着生物量 的损失。 关键词 生物活性炭滤池 反冲洗 生物量 ＊国家高技术研究发展计划 “863”计划 资助项目 2002AA601130 。 0 引言 目前 ,关于生物活性炭滤池运行的工艺方面的研 究较多,但对炭池反冲洗方面的研究却较少 。生物活 性炭滤池反冲洗的关键是要充分去除炭床中多余的生 物量,同时又要保证炭池在下一周期重新启动时有足 够的微生物 。为此, 研究炭床生物量在反冲洗前后的 变化规律对于确定合理的反冲洗方式具有重要意义。 1 试验 1. 1 试验工艺流程及进水水质 该试验在上海市杨树浦水厂进行, 水源为黄浦江 水。试验工艺流程见图 1。黄浦江原水经常规工艺 处理后进入高位水箱, 然后自流进入充氧柱 ,经空气 曝气提高水中溶解氧后, 进入生物活性炭柱。 常规工艺出水※ 高位水箱 ※ 充氧柱 ※ 生物活性炭柱 ※出水 图 1 试验工艺流程 试验期间生物活性炭柱进水水质见表 1。充氧 柱的气水比为 1∶ 1 ,气水接触时间 10 min 。生物活性 炭柱的空床接触时间 EBCT 为 15 min, 炭层高度 1. 2 m ,采用ZJ-15 型颗粒活性炭 。 表 1 生物活性炭滤池进水水质 项目 DO mgL- 1 COD mgL- 1 NH 4-N mgL- 1 NO- 2-N mgL- 1 UV254 浊度 NTU 水温 ℃ 最低值7. 04. 040. 010. 000870. 1110. 25318. 5 平均值8. 184. 630. 250. 040. 1210. 4622. 3 最高值9. 05 . 20. 650 . 20. 1290. 91726. 2 1. 2 试验方法 生物量测定采用脂磷分析法。磷脂是所有细胞 生物膜的主要组分 ,在细胞死亡后很快分解 ,它在细 胞中的含量约为 50 μ mol g ,不同生理 -化学压力下 的波动不超过 30～ 50 [ 1] ,90～ 98 的生物膜脂 类是以磷脂的形式存在的 , 磷脂中的磷 脂磷 , lipid- p 含量很容易用比色法测定,以它表示的生物量已经 在很多饮用水生物处理的研究中得到应用 [ 1-3] 。生物 量结果以每克滤料中含 lipid- P nmol g 表示,1 nmol P 约相当于大肠杆菌 E . Coli 大小的细胞 10 8 个 。 1. 3 反冲洗方式 第 1 阶 段为 水单 独反 冲洗 试验 , 冲 洗 强度 13 L m 2s ,炭层膨胀度25,反冲洗历时10 min; 第 2 阶段为两阶段气水联合反冲洗试验 , 首先是气冲, 强度为 8 L m 2s , 冲洗历时 3 min , 然后改为水冲, 冲洗强度 8 L m 2s , 冲洗历时7 min。第3 阶段为气 水混合反冲洗试验 , 气冲强度 8 L m 2s , 水冲强度 4 L m 2 s ,冲洗 8 min 后停止气冲 ,继续水冲强度不 变,漂洗 2 min 后停止冲洗 。 2 试验结果及分析 2. 1 生物活性炭 BAC 滤池中生物量的构成 镜检发现,在 BAC 滤池中, 微生物主要以 2 种生 长方式存在 悬浮生长和附着生长。悬浮生长的微生 物与滤料间的结合很松散, 甚至没有结合 ,只是游离 于滤料之间 ,反冲洗时很容易随水流失 ; 附着生长的 微生物主要附着在炭粒表面及内部孔隙中,与滤料的 结合力较强 ,不易被冲洗掉。图2 为反冲洗前炭层不 同高度生物量的构成情况 。显然 , 沿整个炭床高度, 生物量的构成都是以附着生物量为主,占总生物量的 70～ 90。悬浮生物量只占 10～ 30,而且主要 分布在炭床的中上部, 尤其是顶层滤料 , 取炭样时可 以明显看到许多黄褐色的悬浮生物膜碎片。 与悬浮生物量相比, 附着生物量与滤料间的结合 42 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 复杂的多 。附着微生物主要分布在炭粒表面及内部 孔道中,微生物在炭粒上的附着是在远程力 范德华 引力 ,双电层静电斥力 和近程力 Bron 斥力 ,结构力 如水合力或疏水作用 的共同作用下实现的。要想使 这些微生物从炭粒表面脱附下来, 反冲洗所产生的脱 附力至少要克服细菌附着势能图中的最低能级 primary minimum 。也有一些细菌是借助其胞外聚 合物 EPSs 的架桥作用附着在颗粒表面的, 首先, 这 些细菌在远程范德华引力的作用下靠近炭粒表面 ,当 达到一定距离时渐渐增强的静电斥力会阻止细菌与 炭粒接触, 但由于 EPSs 受到静电斥力的作用比细菌 本身受到静电斥力作用小得多 ,它会在细菌和炭粒间 起到桥联作用, 并通过各种化学键 包括静电 , 共价 键,偶极-诱导偶极等 及疏水作用附着在炭粒上。 此时反冲洗所产生的脱附力须克服细菌附着能级图 中的二次极值 secondary minimum 才能将细菌及其胞 外聚合物从炭粒上脱附下来 [ 4] 。 图 2 反冲洗前炭层不同高度生物量构成 R. Ahmad 通过试验和理论计算证实反冲洗时去 除无机颗粒 如黏土 、 铝盐絮凝体 所需的水动力要远 远小于去除附着细菌所需的水动力 [ 4] 。因此在反冲 洗过程中首先随水流出的无机颗粒和悬浮生物量 ,附 着生物量要稍后出现 ,而且由于其抗水动力的能力较 强,因此随水流失的量也就相对较小些 。也正因为如 此,生物滤池才能得以正常运行。试验中也发现在气 水混合反冲洗时初期的反冲洗废水中有许多黄褐色 碎片状 、 颗粒状和絮状的生物量, 而反冲洗后期肉眼 能观察到的生物量较少, 多呈淡黄色或灰白色 ,由此 推断初期和后期反冲洗废水中的生物量在滤池中的 存在形式可能是不一样的 。 2. 2 反冲洗方式对滤池生物量的影响规律 图3～ 图5 是3 种反冲洗方式对炭层不同深度处 悬浮生物量和附着生物量的去除率情况 。在冲洗强 度为 13 L m 2s 的水单独反冲洗下 , 炭床中的附着 生物量几乎没有损失 ,反冲洗后炭床中上部悬浮生物 量的去除率只有 50～ 60。在水反冲后炭床除污 染能力没有受到影响, 甚至略有上升, 但炭床的水头 损失却增长很快 ,在试验中 ,保持相同水头损失情况 下,水单独反冲洗的冲洗周期只有 2 阶段气水联合反 冲洗的 1 2左右。这说明在此冲洗强度下, 水单独反 冲洗不能充分去除炭床中多余的生物量 ,从而造成过 剩和老化的微生物迅速阻塞滤床的现象 。 图 3 水单独反冲洗对生物量的去除 图 4 两阶段气水联合反冲洗对生物量的去除 图 5 气水混合反冲洗对悬浮生物量的去除 两阶段气水联合反冲洗对炭床中悬浮生物量的 去除在 80左右 ,同时对附着生物量也有一定去除, 去除率在5 ～ 10。反冲洗后 COD 的去除效果略 有下降 从 28. 66 降到22. 29 , 但很快恢复到正常 水平 。反冲洗后炭床水头损失的增长要比水单独反 冲洗缓慢得多, 冲洗周期在1 周左右 。这说明气水联 合反冲洗能够充分去除炭床中的多余生物量 ,使反冲 后炭床微生物量控制在合适的水平 。 在气水混合反冲洗方式中 ,对悬浮生物量的去除 率在 95 左右, 对附着生物量的平均去除率为 17, 炭床定层达到 26, 反冲后滤池运行效果受到明显 影响,COD从反冲洗前的 31. 66 下降到 20. 82, 之 43 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 后的运行中滤池 COD的去除效果恢复得很缓慢。显 然,这样的冲洗方式使炭床生物量损失过多 ,已经不 能保证反冲洗后 BAC 滤池的正常运行 。另外, 由于 活性炭颗粒较轻 ,如果气冲强度控制不好 ,极容易造 成滤料随水流失 ,所以这种反冲洗方式并不适合于生 物活性炭滤池。 从以上的分析可以看出, 合理的反冲洗方式既要 充分去除悬浮生物量 ,同时又要适当去除部分附着生 物量 。附着生物量对生物滤池的运行起着至关重要 的作用,同时也是确定反冲洗条件的关键。反冲洗强 度不够 ,附着生物量没有更新, 炭粒上生物膜会逐渐 增厚, 一方面会加速滤料的堵塞, 另一方面也会造成 滤池出水微生物含量增加。Rasheed Ahmad 在试验中 证实 ,采用水单独反冲洗时 20炭床膨胀度 滤池出 水微生物计数明显高于气水反冲洗 ,而滤池对生物可 同化有机碳 AOC 等指标的去除效果却并没有明显 改善 [ 5] 。另一方面 ,反冲洗强度过高时, 附着生物量 会大量随水流失 , 滤池的运行效果将受到明显影响, 这一点在上面的气水混合反冲洗方式中已经得到 证明 。 在试验中还发现, 反冲洗对炭层上部的生物量 尤其是附着生物量 影响较大 ,下部影响较小 。这主 要是因为反冲洗时不同位置的炭层膨胀度不同,中上 部膨胀较大 ,顶层滤料处于悬浮状态, 特别是气反冲 时,顶层滤料被激烈翻卷搅拌 ,气水对炭粒不断剪切、 冲刷, 炭粒间也不断进行摩擦碰撞, 加速了附着在炭 粒上的生物膜脱落。 3 结论 1生物活性炭滤池中的生物量以悬浮和附着 两种方式生长 , 附着生物量占总生物量的 70～ 90,是保证生物活性炭滤池正常运行的关键。 2反冲洗对附着生物量的影响是确定滤池反 冲洗方式的首要因素 ,合理的反冲洗方式在充分去除 悬浮生物量的基础上 ,要对附着生物量有适当去除, 去除率控制在 5～ 10。 3两阶段气水联合反冲洗方式更能使炭床生 物量维持在合理的水平。这是因为 ,该反冲洗方式一 方面对炭床附着生物量影响较小,另一方面又能充分 去除炭层中过剩的总生物量, 特别是在夏季水温较高 时,微生物生长、繁殖很快 , 顶层滤料很容易堵塞结 垢,如果不采用气水联合反冲方式很难将过剩的微生 物有效去除 ,从而有效保证生物活性炭滤池的正常运 行。因此两阶段气水联合反冲洗方式更适于生物活 性炭滤池。 参考文献 [ 1] Lazarova V, Manem J. Biofilm characterization and activity analysis in water and wastewater treatment. Wat . Res. , 1995, 29 10 2227 - 2245 [ 2] Findlay R H, King G M, Walting L. Efficacy of phospholipid analysis in determining microbial biomass in sediments.Appl.Environ. Microbiol, 1989, 55 11 2888 -2893 [ 3] Wang J Z, Summers R S, Miltner R J. Biofiltration perance part Ⅰ , relationship to biomass. AWWA , 1995, 87 12 55 -63 [ 4] Ahmad R, Amirtharajah A.Detachment of particals during biofilter backwashing . AWWA, 1998, 90 12 74-85 [ 5] Ahmad R,Amirtharajah A,AL-Shawwa A ,et al.Effects of backwashing on biological filters. AWWA , 1998, 90 12 62 -73 作者通信处 张朝晖 300160 天津市河东区成林道 63 号 天津工 业大学材料科学与化学工程学院环境工程系 E -mail zzh7448 126. com 2007- 10-15 收稿 欢迎登陆“环境工程网” http www. hjgc . net . cn http www. hjgc . com. cn 44 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 95. The maximum volume loading of COD for UBF was 6～ 7 kg m3d .pH alkalinity, regurgitation ratio were important factors of system stabilization. When MLSS10 000 mg L, the membrane was greatly polluted.The membrane flux was achieved 75 of its original one after washed by acid, alkaline andNaClO solutions. Keywords UBF AOMBR membrane pollution CHANGEOFBIOMASSINACTIVATEDCARBONFILTERSBEFOREANDAFTER BACKWASHINGZhang Zhaohui Shao Lin Wang Liang et al 42 Abstract The success of biological activated carbon BACfilters depends on effective backwashing. The main purpose of backwashing is to carefully control and maintain the biomass with a suitable range on the media. In this experiment it was found that suspended biomass was the main body whichwasremoved during backwashing, and itwas the attachedbiomass that should be carefully controlled during backwashing of BAC filters. Keywords biological activated carbon filters backwashing biomass PRETREATMENT TECHNOLOGY OF CHEMICAL WASTEWATER WITH HIGH CONCENTRAT- ION BY Fe C INNER -ELECTROLYSIS Han Rongxin Li Yanfeng Yu Fenggang et al 45 Abstract A study on pretreatment of chemical industry wastewater with high concentration contamination by non -aeratd inner -electrolysis was carriedout. The optimum operation conditions are as follows pH is4～ 5, the rate of the solid quality and the liquid bulk is 0. 8 g mL, HR T is60 min, The ratio of the iron and the active carbon quality is 3∶ 1, the removal rates of COD and chromaticity were 71. 6 and 87. 5 respectively, the BOD5 COD ratio was improved from 0. 09 to 0. 19, and the reached a good pretreatment effect. And the effect of the reaction temperature on the inner -electrolysis was studied, too. Keywords inner -electrolysis industrial wastewater COD chromaticity TECHNIQUEOFTREATINGCOLDROLLINGEMULSIONWASTEWATERANDITS APPLICATIONLi Zhengyao Song Cunyi Wang Li 48 Abstract The treatment of cold rolling emulsion wastewater from an iron and steel corporation was studied, whose oil and COD were 6 200mg L and 3 400 mg L respectively. Organic polymer SYS and polyaluminium chloride were used as efficient emulsion breaker. The rate of oilremoval was 99. 58 and the rate of COD removal was 97. 79 after two -step demulsification.The suited conditions of the two step demulsification were confirmed after examining the effectsof the amount of emulsion breaker, time for demulsification, mixing intensity and pH on demulsification. The process of separating oil -demulsification-airfloatation-filtration has been adopted. The effluent meets the second-order of the national sewage discharge. Keywords cold rolling emulsion wastewater demulsify application TREATMENT OF OILY WASTE EMULSION BY MICROELECTROLYSIS-FENTON PROCESS Li Chuncheng 51 Abstract Treatment of the oily waste emulsion produced in the machining by microelectrolysis -Fenton processwas studied. The influences of pH, the quantity of H2O2, the quantity of iron fragment, the ratio of Fe C and the reaction time on treatment effectswere explored. Onthe best influent condition, the removal rate of COD was above 97. Keywords waste emulsion microelectrolysis -Fenton COD removal rate TREATMENT OF HEXAVALENT CHROME CrⅥ IN WASTEWATER FROM VANADIUM INDUSTRYXie Jinglong 54 Abstract The redox reaction can be produced by the reducing property of Na2S in the original treating system and hexavalent chrome Cr Ⅵ in the wastewater, which can reduce CrⅥto CrⅢ, then chemical deposition is used to remove it. Project practice proves that this has an obvious effect. Keywords hexavalent chrome oxidation reduction solubility product treatment THE DETERMINATION OFDENITRIFICATION RATEOFSTEP-FEED A ONITROGEN REMOVAL PROCESSWang Sheping Wang Qingqing Hui Lingling et al 56 Abstract The denitrification rate is determined in batch reactor, the results indicated that there are three stages with obvious different denitrification rates in the denitrification process, and with the reaction time prolonging , the denitrification rate declined gradually. According to the experimental results, the reference values of the denitrification rate and hydraulic retention time HR Tare suggested, which are used in designing and calculating the anoxic selecting tank and the bio -reactor anoxic zone of the municipal wastewater treatment plant MWTP . Keywords municipal wastewater denitrification rate step -feed nitrogen removal process THE APPLICATIONS OF GREY CLUSTER RELATION ANALYSIS TO ASSESS THE WATER ENVIRONMENTAL QUALITYWang Qingfen Wang Boduo MaJunjie et al 59 Abstract This paper applies grey cluster relation analysis in water environmental quality assessment to introduce its and procedure. After using this to uates Xingping, Nanying, Tieluqiao and Zhonglong monitoring sections of Weihe River in Xianyang based on the year of 2005 water quality monitoring result, water quality of four monitoring sections are classified to Ⅴ , whose order is Nanying 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 3, June ,2008