Study on the Backwash Method of Biological Activated Carbon Filter

SUN Xin¹，ZHANG Jinsong¹，GE Xu¹，ZHU Jianguo ²，LI Yuezeng²
(1.Shenzhen Water Supply Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518031,China;2.China South Ce ntral Municipal Engineering Design and Research Institute,Wuhan 430010,China)

　　Abstract：Backwash is very important for ensuring the successful performance of biological activated carbon (BAC) filter and an experimental study on the comparison of va rious backwash methods‘ results was carried out.Based on the variation in turbid ity of backwash effluent and the impact of backwash methods on filter effluent q uality,the proper backwash method was determined and the related parameters such as backwash strength and period were recommended,so as to offer reference for t he design and operation of BAC filter.
　　Keywords:biological activated carbon;filter;backwash

　　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］，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500 mm×500 mm，高度为4.92 m，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、187 mg/ 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1.5 mg/L左右；主臭氧化的接触时间和投量分别为16 min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23.2～19.9 min，沉淀池清水 区上升流速为1.39～1.62 mm/s、斜管内上升流速为1.60～1.87mm/s，滤池滤速为6.49～7. 57 m/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、6 mg/L左右。

1.2  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、2.5 m，冲洗强度分别为12、14、18L/(m²·s)，冲洗历时约为10 min。第二阶段气水联合反冲洗试验的炭床高度为2.0 m，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、1 2、14L/(m²·s)，水冲历时约为10 min。
　　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、116 NTU。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 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80 s，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2.5 m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14 L/(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］。
　　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3～5 NTU的反冲洗历时为6～8 min，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2.5 m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200 s和110s，反冲废水浊度达到5 NTU的历时分别为170s和160 s。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1.5～2.0 m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10 cm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2.0 m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5 min的效果明显较好。

　　气水联合反冲时反冲废水的初始浊污比(1.39 NTU/gCOD)高于单独水反冲的值(0.79NTU/gCO D),前者反冲废水的浊污比从高到趋于平稳的时刻(300 s)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3～5 NTU的所需耗水量大体相等。虽然水冲强度为6、8 L/(m²·s) 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5 min、后续水冲强度为8L/(m²·s)，分别以气冲强度为8、11、14 L/(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5～3 NTU的出现历时有所差异，原历时为3 min的值约延长了1～2 min。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·s)、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5～3 NTU的所需 历时为260～550 s，即所需的水冲历时约为5～7 min。

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3～5 NTU。
　　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3～5 min，水冲强度为8L/(m²·s)、历时为5～7 min。
　　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6～8 min。
　　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 ～2.0 m为宜。

参考文献：

　　［1］Bouwer E J，Growe P B.Biological processes in drinking water［J］. AWWA,1988,80(9):93-99.
　　［2］Ahmad Rasheed,Amirtharajah A,etal.Effects of backwashing on biological filters［J］.AWWA,1998,90(12):62-73.
　　［3］Ahmad R,Amirtharajah A.Detachment of particles during biofilter backwashing［J］.AWWA,1998,90(12):74-85.
　　［4］Kawabata N,Teramoto K.Electrochemical sensor for viable microbial cell concentration based on a functional polymer that captures microorganisms alive［J］.Sonsors & Actuators B,1993,13(3):309-317.