生物活性炭吸附石化廢水有機(jī)污染物實驗研究

喬國亮，張國珍，王倩，楊浩，牛燕

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

隨著我國市場對石油類產(chǎn)品需求的不斷上升，各地石化公司都在擴(kuò)大其生產(chǎn)規(guī)模，導(dǎo)致公司排出的廢水中有機(jī)物污染物種類不斷增加，水質(zhì)狀況不容樂觀。生物活性炭工藝作為水處理深度處理技術(shù)，已在各地實踐應(yīng)用中取得了良好的效果[1]。本實驗以中國蘭州石化公司下屬污水處理廠二級廢水作為研究對象，采用生物活性炭掛膜方式，通過對有機(jī)污染物吸附能力研究，確定出最佳水力負(fù)荷及活性炭濾層厚度，為進(jìn)一步處理蘭州石化二級廢水提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 實驗條件

1.1 實驗裝置

本實驗裝置圖如圖1所示，生物活性炭過濾柱內(nèi)徑為5 cm，柱高130 cm，柱內(nèi)距底部20 cm處設(shè)有承托層，為防止活性炭顆粒流失，在承托板上端放置過濾網(wǎng)。活性炭濾柱底部設(shè)有曝氣頭，由空氣泵將空氣打入濾柱底層。本實驗采用顆?；钚蕴?，粒徑 0.8～2 mm，比表面積 700～1500 m2/g，柱內(nèi)填裝高度為90 cm，在承托板上方20 cm與60 cm處分別設(shè)置取樣口A、B，并在濾柱上方設(shè)置主出水口，濾柱底部隔離處設(shè)置原水進(jìn)水口。實驗原水在提升泵的作用下由原水水箱進(jìn)入濾柱底部，經(jīng)過生物活性炭過濾后，流至出水水箱。本實驗采用下部進(jìn)水曝氣，上部出水的方式，使水和空氣以推流方式上升，保證污水在過濾時具有均勻的濾速。濾料受到向上的沖擊力，可以使得濾料具有一定膨脹度，保證濾料與水及空氣的充分混合，既提高了濾料的掛膜效果，又降低了濾池的沖洗頻率。

1.2 實驗方法

本實驗采用掛膜方法為氣水上流式自然掛膜法[2]，實驗原水由蘭州石化二級廢水與生活污水按一定比例混合而成。實驗具體方法為：在溫度20℃ 左右，水力停留時間為3 h，氣水比為 1:3的條件下進(jìn)行自然掛膜。初始進(jìn)水量約為0.6 L/h，之后逐漸增大進(jìn)水量，為微生物提供所需的生存環(huán)境。從裝置運行第二天開始，對濾柱的進(jìn)出水COD及NH3-N的濃度進(jìn)行測定，待COD與NH3-N的去除率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)時，即可判定活性炭濾柱掛膜成功[3]。掛膜期間實驗水質(zhì),見表1：

表1 掛膜期間實驗水質(zhì)

2 生物活性炭掛膜實驗

圖2為掛膜啟動到掛膜成功近55 d中生物活性炭濾柱進(jìn)出水COD變化曲線。由圖2可以看出，掛膜前期活性炭對原水中的COD去除率較好，平均去除率達(dá)到70%以上。這是因為掛膜前期活性炭吸附能力未飽和，可以對水體中的有機(jī)污染物進(jìn)行吸附，從而使水體達(dá)到凈化?；钚蕴课侥芰︼柡秃螅锬饾u形成，掛膜后期濾柱對原水的凈化能力由初始的活性炭吸附作用轉(zhuǎn)化為生物降解作用，最后達(dá)到比較穩(wěn)定的去除效果，對COD的平均去除率達(dá)到40.3%，實驗45 d左右，濾柱掛膜成功。

圖3為掛膜期間活性炭濾柱進(jìn)出水NH3-N變化及其去除率曲線。由圖3可以看出，掛膜前期NH3-N去除主要依靠活性炭的吸附作用，去除率呈上升趨勢?；钚蕴繏炷こ晒?，對NH3-N的去除主要依靠硝化細(xì)菌的硝化作用，濾柱對NH3-N的平均去除率達(dá)到了60%。

3 生物活性炭影響因素實驗

3.1 水力負(fù)荷對污染物去除效果影響

本實驗研究生物活性炭濾層厚度一定的前提下，在不同水力負(fù)荷條件下對各污染物的去除效果，實驗選用的水力負(fù)荷分別為0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5 m3/（m2·h），活性炭濾層厚度為 90 cm，氣水比保持為1:3。

圖4是活性炭濾柱在不同水力負(fù)荷條件下對水中污染物COD的去除效果圖。由圖4可以看出，在濾層厚度一定的條件下，不同的水力負(fù)荷可以影響活性炭濾柱對原水COD的去除率。本實驗表現(xiàn)為，當(dāng)水力負(fù)荷由 0.25 m3/（m2·h）逐級增加至1.5 m3/（m2·h）時，活性炭濾柱對原水的COD 去除率由45.33%降低至24%。由此可得，隨著水力負(fù)荷的不斷增大，會使其相對應(yīng)的水力停留時間減少，從而降低活性炭濾柱對COD的去除率。根據(jù)各地實踐工程經(jīng)驗[4]，對于處理有機(jī)污染物較低的石化二級出水，水力負(fù)荷一般采用0.75 m3/（m2·h）。

圖5是活性炭濾柱在不同水力負(fù)荷條件下對水中污染物NH3-N的去除效果圖。由圖5可以看出，在濾層厚度一定的條件下，水力負(fù)荷的增大使得濾柱對NH3-N的去除率呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)水力負(fù)荷由 0.25 m3/（m2·h） 逐級增加至 1.5m3/（m2·h）時，活性炭濾柱對原水的NH3-N去除率逐漸降低， 其中水力負(fù)荷由 0.25～0.75 m3/（m2·h） 時，濾柱對NH3-N去除率變化不大，達(dá)到87%以上，繼續(xù)增大水力負(fù)荷，濾柱對NH3-N的去除率出現(xiàn)明顯下降，其中當(dāng)水力負(fù)荷為 1.25 m3/（m2·h）時，濾柱對原水NH3-N的去除率下降至62.11%。由此可得，水力負(fù)荷在合理范圍內(nèi)，活性炭濾柱對NH3-N的去除率較高，這是因為水力停留時間充足，硝化細(xì)菌在溶解氧充足的情況下，會增大其硝化能力，繼而提升對進(jìn)入濾柱的NH3-N的分解及氧化能力。

圖6是活性炭濾柱在不同水力負(fù)荷條件下對水中污染物UV254的去除效果圖。由圖6可以看出，在濾料厚度一定的條件下，UV254的去除率隨著水力負(fù)荷的增加而下降。當(dāng)水力負(fù)荷由0.25 m3/（m2·h）逐級增加至 1.5 m3/（m2·h） 時，活性炭濾柱對UV254的去除率由44.52%下降至 6.24%，原因是由于水力負(fù)荷的增加，使得水力停留時間對應(yīng)減少，使得活性炭濾柱對原水UV254的去除率下降。

圖7是活性炭濾柱在不同水力負(fù)荷條件下對水中污染物濁度的去除效果圖。出水濁度隨著水力負(fù)荷的增加而逐漸減小。當(dāng)水力負(fù)荷由0.25 m3/（m2·h）逐級增加至 1.5 m3/（m2·h）時，活性炭濾柱對原水濁度的去除率由87.15%下降至59.14%。當(dāng)水力負(fù)荷較小時，原水在濾柱中水力停留時間較長，由于活性炭吸附及生物膜的截留作用，使原水濁度的去除率較高。隨著水力負(fù)荷的增大，導(dǎo)致水力停留時間減少，原本被活性炭截留的物質(zhì)會被高負(fù)荷的水流沖出濾柱，同時高負(fù)荷的水流還會造成生物膜失穩(wěn)脫落，最終導(dǎo)致活性炭濾柱出水濁度升高。

3.2 活性炭濾層厚度對污染物去除效果影響

在水力負(fù)荷一定時，活性炭濾層厚度對原水中有機(jī)污染物的去除有重要作用?；钚蕴繛V層厚度與吸附時間呈正比關(guān)系，濾層厚度越大，活性炭吸附時間則越長，活性炭與原水的反應(yīng)越充分，對原水的凈化作用越明顯。反之，對原水的凈化作用越弱。本實驗在水力負(fù)荷保持在0.75 m3/（m2·h）的前提下，保證其它初始參數(shù)不變，通過改變?yōu)V層厚度這一變量，研究濾層厚度對原水中有機(jī)污染物的去除效率，濾層厚度分別取 30、60、90 cm。

圖8是不同濾料厚度條件下活性炭濾柱對COD的去除效果圖。由圖8可以看出，水力負(fù)荷保持在一定條件下時，濾層厚度由30 cm逐級增加至90 cm時，活性炭濾柱對 COD的去除率由22.37%上升至46.3%。由此可得，在水力負(fù)荷保持一定的條件下，濾層厚度越大，對原水中COD的去除率越高。

圖9是不同濾層厚度條件下活性炭濾柱對NH3-N的去除效果圖。由圖9可以看出，在水力負(fù)荷保持在一定的條件下，活性炭濾層厚度越大，對原水NH3-N的去除率越大。當(dāng)濾層厚度由30 cm逐級增加至90 cm時，濾柱對原水NH3-N的去除率由20.93%增至89.08%。這是因為本實驗的進(jìn)水采用下進(jìn)上出的運行方式，廢水中的有機(jī)物可以為異養(yǎng)細(xì)菌提供良好的生長環(huán)境，使異養(yǎng)細(xì)菌快速繁殖，極大阻礙了硝化細(xì)菌的硝化作用，從而導(dǎo)致濾層底部的 NH3-N去除率降低；隨著廢水上升至濾柱中上層，廢水中利于異養(yǎng)細(xì)菌的有機(jī)物總量下降，異養(yǎng)細(xì)菌的繁殖能力受到重大影響。相反，硝化細(xì)菌在該區(qū)域可以利用的溶解氧含量升高，大大提升了其硝化作用，對原水NH3-N的去除率也隨之升高。

圖10是不同濾層厚度條件下活性炭濾柱對濁度的去除效果圖。由圖10可知，當(dāng)濾層厚度由30 cm增至90 cm時，濁度的平均去除率由43.76%增至77.2%。其中濾層厚度在0～60 cm時，濁度去除率隨著濾層厚度增加而大幅增加，繼續(xù)增加濾層厚度，濁度的去除率增加呈現(xiàn)相對緩慢的趨勢，在超過90 cm后，濁度的去除率基本穩(wěn)定。這是因為實驗進(jìn)水采用下進(jìn)上出的方式，當(dāng)廢水進(jìn)入濾柱后，底層濾料會對濁度有很好的截留作用，濁度去除率較高。隨著濾層厚度的增加，廢水達(dá)到濾柱的中上層時，只剩下體積較小的污染顆粒，從而出現(xiàn)濾料對污染物截留效率下降的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）掛膜前期，活性炭對原水中COD的平均去除率達(dá)到70%以上；對NH3-N的去除率不穩(wěn)定，但整體呈上升趨勢。掛膜后期，由于生物膜的降解作用，COD與NH3-N的去除率都比較穩(wěn)定，其中濾柱對COD的平均去除率為40.35%，對NH3-N的平均去除率達(dá)到60%。

（2）通過考察不同水力負(fù)荷條件下對各污染物的去除效果，結(jié)果表明：當(dāng)水力負(fù)荷由0.25 m3/（m2·h） 逐級增加至 1.5 m3/（m2·h） 時，原水 COD的平均去除率由45.33%降低至24%，原水NH3-N的平均去除率由89.47%降至62.11%，原水UV254的平均去除率由44.52%降至6.24%，原水濁度平均去除率由87.15%降至59.14%。通過對結(jié)果分析，最佳水力負(fù)荷為 0.25～0.75 m3/（m2·h）。

（3）在水力負(fù)荷一定的條件下，廢水中污染物的去除率隨著濾層厚度的增加而上升。當(dāng)濾層厚度由30 cm增至90 cm的過程中，對原水中COD的平均去除率由22.37%上升至46.3%，對原水中NH3-N的平均去除率由20.93%上升至89.08%，對原水中濁度的平均去除率由43.76%上升至77.2%。通過對結(jié)果分析，最佳活性炭濾層厚度為90 cm。

[1]秦永生,孫長虹.生物活性炭工藝用于廢水深度處理的設(shè)計[J].中國給水排水.2003,19:88-91.

[2]姚宏,馬放,李圭白等.臭氧-生物活性炭工藝深度處理石化廢水[J].中國給水排.2003,19(6):39-41.

[3]張金松.臭氧化-生物活性炭除微污染工藝過程研究[J].給水排水.1996,22(4):55-56.

[4]蔣福春.臭氧一生物活性炭工藝的優(yōu)化運行研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.