沸石濾料代替石英砂、錳砂在凈水中的作用
沸石替代石英砂、錳砂在凈水中的作用：
摘要：濾料的優(yōu)化選擇對(duì)于生物活性濾池(BAF)至關(guān)重要。本文通過(guò)濾柱模型實(shí)驗(yàn)，考察了沸石替代石英砂之后對(duì)BAF除污染效能的強(qiáng)化作用。結(jié)果表明，采用沸石濾料的BAF-1除有機(jī)污染和氨氮能力明顯優(yōu)于采用石英砂濾料的BAF-2。BAF-1的CODM。去除率比BAF一2高13％．18％，uv2s4去除率高6．8～8．4％，氨氮去除率高8．8～16．5％。
BAF-1具有更加優(yōu)良的除濁性能，濾后水濁度比BAF-2低0．03—0．07NTU。兩種濾料的BAF都不會(huì)造成濾后水細(xì)菌的放大，BAF一1的細(xì)菌總數(shù)去除率比BAF-2高8．6％。采用沸石濾料的BAF一1是通過(guò)生物氧化、吸附、離子交換等作用共同完成對(duì)有機(jī)物、氨氮等污染物質(zhì)的去除，因此具有更加優(yōu)良的飲用水除污染效能。
關(guān)鍵詞：沸石；石英砂：生物活性濾池(BAF)；除污染；
飲用水面對(duì)水源水質(zhì)的惡化，常規(guī)處理工藝已不能保證生活飲用水水質(zhì)的安全。受污染水源水經(jīng)常規(guī)的混凝、沉淀、及過(guò)濾工藝只能去除有機(jī)物的20％～30％。地表水源中普遍存在的氨氮問(wèn)題常規(guī)處理也不能有效解決。大量研究表明，生物活性濾池(BAF)工藝是飲用水深度除污染的-4中行之有效的工藝n’2]oBAF工藝不同于常規(guī)過(guò)濾，其濾料上沒(méi)有附著生長(zhǎng)的生物膜，主要用來(lái)除濁；也不同于生物預(yù)處理工藝，其采用的濾料較粗，主要用來(lái)去除有機(jī)物和氨氮。BAF工藝用生物活性濾料來(lái)替代傳統(tǒng)濾料，從而對(duì)傳統(tǒng)過(guò)濾起到生物強(qiáng)化的作用，可同時(shí)滿足除濁功能和生物凈化功能。該法經(jīng)濟(jì)有效，簡(jiǎn)便易行，適合在我國(guó)推廣應(yīng)用。
在水源水未預(yù)加氯或待濾水中有效氯含量較低的情況下，石英砂濾料上也能生長(zhǎng)出具有除污染效能的生物膜。但是，由于石英砂濾料表面孔隙少，比表面積和等電點(diǎn)低，通常情況下呈電負(fù)性B1，不利于細(xì)菌的富集生長(zhǎng)。因此，濾料的優(yōu)化對(duì)于BAF至關(guān)重要。沸石是一組非常引人注目的無(wú)機(jī)物，有著巨大的內(nèi)表面積，具有獨(dú)特的吸附、離子交換和催化性能，能有效去除有機(jī)物、氨氮等多種污染物，表現(xiàn)出優(yōu)良的水處理效能。
本文采用以實(shí)際沉淀池出水進(jìn)行配水的方式，通過(guò)濾柱模型實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了以沸石濾料替代石英砂之后，進(jìn)行生物掛膜，生物強(qiáng)化去除CODM。、UV2：鉗、氨氮、濁度等污染物質(zhì)的效能。
1實(shí)驗(yàn)裝置與方法
1．1實(shí)驗(yàn)裝置
BAF模型為兩套平行裝置，有機(jī)玻璃加工，尺寸140mmx4000mm。底部采用8—16mm、4—8mm卵石承托層各50mm。BAF一1填充斜發(fā)沸石，BAF一2填充石英砂，均選用0．8～1．2mm的均質(zhì)濾料，濾層厚度均為1200mm。反應(yīng)器內(nèi)徑大于濾料平均直徑50倍時(shí)，可消減反應(yīng)器的邊界效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可適用于生產(chǎn)實(shí)際H1。本實(shí)驗(yàn)中兩組模型反應(yīng)器的該比值均為140。
1．2實(shí)驗(yàn)方法
該實(shí)驗(yàn)在南方某水廠進(jìn)行，水源水質(zhì)如表1所示。實(shí)驗(yàn)用水取自水廠實(shí)際沉淀池出水，自2005年6月開(kāi)始對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)濾柱進(jìn)行自然掛膜。經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的運(yùn)行，兩組濾柱的除CODM。、NH3-N能力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，標(biāo)志著濾料上生物膜的成熟。之后裝置采用變水頭等速過(guò)濾方式運(yùn)行，濾速恒定為8rn／h，過(guò)濾周期48h。反沖方式采用單獨(dú)水反沖洗，反沖用水為收集的實(shí)驗(yàn)濾后水，反沖歷時(shí)15rain，濾層膨脹度控制在40％左右。
1．3檢測(cè)項(xiàng)目
CODM。采用酸性高錳酸鉀法，NH。一N采用納氏試劑分光光度法，細(xì)菌總數(shù)采用平皿計(jì)數(shù)法進(jìn)行測(cè)定：uv25。采用CANY752N紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，濁度采用HACH2100N臺(tái)式濁度儀，溶解氧(Do)采用JPBJ一608便攜式溶氧儀進(jìn)行測(cè)定。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
實(shí)驗(yàn)期間，水源水質(zhì)比較穩(wěn)定，以沉淀池出水進(jìn)行配水作為實(shí)驗(yàn)用水。其中配入NH4CI使氨氮濃度維持在1．60mg／L左右。在配水階段一，有機(jī)負(fù)荷采用實(shí)際沉淀池出水自身的有機(jī)有機(jī)負(fù)荷：在配水階段二，沉淀池出水中另配入lmg／L牛肉膏+lmg／L蛋白胨+lmg／L葡萄糖；配水階段三則另配入2mg／L牛肉膏+2mg／L蛋白胨+2mg／L葡萄糖。各個(gè)配水階段的主要水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。若處理系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)污染物的去除效果穩(wěn)定5d以上，則認(rèn)為該系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)b’6。本實(shí)驗(yàn)中各個(gè)階段均穩(wěn)定運(yùn)行一周以上。
2．1沸石替代石英砂強(qiáng)化去除co‰效能
CODM。是反映水質(zhì)受到污染(特別是有機(jī)污染)的綜合性指標(biāo)之一，與水的感官性質(zhì)、水致腸道疾病、水的致突變性、致癌性等均有正相關(guān)關(guān)系。由圖1可見(jiàn)，在各個(gè)運(yùn)行階段，采用沸石濾料的BAF一1除CODM。效能均明顯優(yōu)于采用石英砂的BAF-2。在濾前水完全相同的情況下，配水階段一時(shí)，BAF-1的CODM。去除率平均為27．0％，而B(niǎo)AF一2僅有14．O％：階段二時(shí)BAF-1的除CODm效率升至38．0％，BAF一2為22．0％；到了配水階段三，BAF一1的CODM。平均去除率進(jìn)一步提高到40．0％，而B(niǎo)AF-2仍保持在22．0％。隨著濾前水CODM。的增加，兩組濾柱對(duì)CODM。的去除量和去除率均隨之而增加。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，BAF-1的CODM。去除率始終高于BAF-2約13％一18％。而且由圖l還可以看出，BAF-1的CODM。去除情況相對(duì)比較穩(wěn)定，BAF-2則波動(dòng)性較大。
天然斜發(fā)沸石表面極性強(qiáng)，內(nèi)部孔隙較小，能有效吸附水中極性較強(qiáng)的小分子量溶解性有機(jī)物Ⅲ。而這些有機(jī)物又易于生物降解，為微生物的富集生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因此沸石濾料上能培養(yǎng)出大量活性較高的生物膜。這些生物膜又能對(duì)沸石的選擇吸附性起到再生的作用，從而使生物沸石反應(yīng)器始終保持較高的有機(jī)物去除率。同時(shí)由于沸石表面粗糙，存在大量孔隙，能有效避免反沖洗時(shí)生物膜的脫落、丟失。而石英砂表面光滑，比表面積小，既不利于微生物的生長(zhǎng)，也不能在反沖洗時(shí)為微生物提供保護(hù)。因此其除有機(jī)物效果不如沸石。
2．2沸石替代石英砂強(qiáng)化去除uv。效能uv：鉗與水中TOC、DOC以及三鹵甲烷前體物THMFP等均有較好的相關(guān)性，可作為其替代參數(shù)。平均為33．6％，而采用石英砂濾料的BAF一2則為26．8％，低于BAF-1約7％；階段二時(shí)BAF一1的平均UV2。去除率達(dá)到46．．9％，BAF一2也升至38．5％，但仍低于BAF-1約8％；配水階段三時(shí)兩組BAF的除uv：，。情況基本和階段二保持一致。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，
2．3沸石替代石英砂強(qiáng)化去除氨氮效能
在配水階段一時(shí)，采用沸石濾料的BAF一1氨氮平均去除率為96．7％，采用石英砂濾料的BAF-2為87．9％，低于BAF-1約9％；階段二時(shí)BAF-1氨氮去除率降至75．4％，BAF-2降至62．4％，低于BAF一1約13％：到了配水階段三，BAF-1的除氨氮效率進(jìn)一步降至63．1％，而B(niǎo)AF-2更降至46．6％，低于BAF一1約16％。由圖3可見(jiàn)，隨著濾前水有機(jī)物濃度的增加，兩種濾料的BAF除氨氮能力均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)榻到庥袡C(jī)物的異養(yǎng)菌處于對(duì)溶解氧和生存空間競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)地位，對(duì)硝化菌的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生了不利的影響。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，BAF-I的除氨氮效率始終比BAF-2高8．8—16．5％。天然斜發(fā)沸石對(duì)氨氮有較強(qiáng)的選擇交換能力，采用沸石濾料的BAF-1對(duì)氨氮的去除是生物氧化、吸附以及離子交換共同作用的結(jié)果。生物氧化對(duì)沸石的吸附、離子交換又能起到再生作用，因此BAF一1能始終保持較高的氨氮去除率[83o而石英砂濾料比表面積小，表面光滑，不利于硝化菌的生長(zhǎng)。因此其除氨氮效果較差。
2．4沸石替代石英砂強(qiáng)化除濁效能
作為傳統(tǒng)過(guò)濾的強(qiáng)化工藝，BAF首先要滿足除濁功能。在配水階段一時(shí)，濾前水平均濁度為2．12NTU，采用石英砂濾料的BAF-2出水平均濁度為0．18NTU，采用沸石濾料的BAF-I為0．15NTU，比BAF一2降低了約17％；在階段二，濾前水濁度平均為2．27NTU，BAF一2出水平均為0．24NTU，BAF-1為0．20NTU，同樣比BAF-2降低了約17％：在階段三，濾前水濁度平均為2．25NTU，BAF-2出水平均為0．34NTU，BAF—I則為0．27NTU，比BAF一2降低約21％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩組濾柱的出水濁度均隨著濾前水有機(jī)物濃度的提高而逐漸增大。這是因?yàn)樗杏袡C(jī)物的存在能增加無(wú)機(jī)膠粒的Zeta電位值，使得無(wú)機(jī)膠粒更趨于穩(wěn)定∽1。而整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，BAF-1的濾后水濁度始終比BAF一2低0．03—0．07NTU，具有更加優(yōu)良的除濁性能。
兩組濾柱均能產(chǎn)生低濁水。在BAF中，有兩種作用參與除濁：一是傳統(tǒng)濾池的黏附截留作用：二是濾料上生物膜借助較大的比表面積及胞外粘性分泌物產(chǎn)生的生物吸附作用。沸石濾料上能生長(zhǎng)出比石英砂更多的、活性更高的生物膜，因此，采用濾料的BAF一1除濁性能優(yōu)于采用石英砂的BAF-2。
2．5沸石替代石英砂降低濾后水細(xì)菌總數(shù)
作為傳統(tǒng)過(guò)濾的強(qiáng)化工藝，BAF的出水將進(jìn)入清水池，并送入用水管網(wǎng)中。因此其出水的細(xì)菌問(wèn)題一直為人們所關(guān)注。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在濾前水細(xì)菌總數(shù)212～1050，平均455cfu／mL的情況下，BAF一1出水細(xì)菌總數(shù)為43。243，平均127cfu／mL，平均去除率69．9％；而采用石英砂濾料的BAF一2則為67—274，平均166cfu／mL，平均去除率61．3％。兩種濾料的BAF均能有效去除濾前水中的細(xì)菌，采用沸石濾料的BAF-1細(xì)菌總數(shù)去除率比采用石英砂的BAF-2高8．6％。
3.結(jié)論
采用天然斜發(fā)沸石替代石英砂濾料，能明顯提高濾池除污染性能：(1)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，采用沸石濾料的BAF-I比采用石英砂的BAF-2CODM。去除率高13．0～18．0％，UV25。去除率提高6．8-8．4％，并且BAF-1的CODM。去除情況更加穩(wěn)定，而B(niǎo)AF一2波動(dòng)性較大；(2)BAF-1的NH3一N去除率比BAF一2高8．8．16．5％，并且BAF-I抗有機(jī)負(fù)荷沖擊能力明顯優(yōu)于BAF一2；(3)兩組BAF的濾后水濁度均隨著濾前水有機(jī)物濃度的提高而逐漸增大，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，BAF一1的濾后水濁度比BAF-2低O．03—0．07NTU，具有更加優(yōu)良的除濁性能：(4)兩種濾料的BAF都不會(huì)造成濾后水細(xì)菌的放大，BAF-1細(xì)菌總數(shù)去除率比BAF～2高8．6％。沸石濾料的BAF通過(guò)生物氧化、吸附、離子交換等作用共同完成對(duì)有機(jī)物、氨氮等污染物質(zhì)的去除，因此具有更加優(yōu)良的飲用水除污染效能。
參考文獻(xiàn)
【1】楊開(kāi)，周濤，高婷，等．生物活性炭一砂濾處理微污染原水研究【J】：中國(guó)給水排水，2000，16(12)：54—56．
【2】龍小慶，富良，顧玉其，等．活性濾池去除微污染水中有機(jī)物和氨氮【JJ．中國(guó)給水排水，2002，18(8)：44—45．
【3】盛力，馬軍．濾料表面電位對(duì)濾床過(guò)濾效果的影響【J】．中國(guó)給水排水，2002，22(12)：34—36．
【4】MooreR，Quarmby J，Stephenson T．The effects of media size on the performance of biological aerated filters．
【J】．Wat．Res．，2001，35(10)：2514—2522．
A T．Performance of and sunken media aerated filters
【5】Mann T，Mendoza-Espinosa L，Stephenson floating biological
under unsteady stateconditions．【J】．Wat．Res．，1999，33(4)：1108—1113．
【6】Fdz—PolancoF，Mendez E，Villaverde S，et a1．Spatial distribution of heterotrophs and nitrifiers in a submerged
biofilterfornitrification．[J】．Wat．Res．，2000，34(16)：4081-4089．
【7】高俊敏，鄭澤根，王琰，等．沸石在水處理中的應(yīng)用【J】．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(1)：114—117．
【8】李德生，黃曉東，王占生．生物沸石反應(yīng)器作為微污染水源水預(yù)處理工藝的實(shí)驗(yàn)研究[J】．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，
20(增)：114—117．
【9】陳偉，范瑾初．微污染原水的生物接觸氧化預(yù)處理技術(shù)綜述【J】．凈水技術(shù)，1997，60(2)：43—46．