船用一体化生物活性炭装置反冲洗技术条件优化

顾超超，沈 波，韩振波

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063)

近年来，随着航运发展迅猛，船舶污水排放日益严格，国际海事组织(international maritime organization，IMO)在海上环境保护委员会第64届会议(MEPC.227(64))通过了“2012年生活污水处理装置排放标准和性能试验导则”，决议增加总氮及总磷的排放标准[1]，势必要求提高船舶污水处理装置处理效果。目前，船舶污水处理装置仍以常规生物法、电解法为主[2]，处理出水满足不了新标准，且出水难以回用，需进行深度处理。

生物活性炭工艺作为一种深度处理工艺[3]，综合了吸附和生物处理的优点。其中，活性炭具有大的比表面积，能吸附去除污染物，且能为微生物提供生长场所。同时，生物膜中微生物能分解活性炭表面的污染物，延长活性炭使用寿命。因而，生物活性炭装置在船舶污水深度处理中具有广阔的应用前景。

但由于一体化生物活性炭装置运行一段时间后，截留大量的悬浮物和老化生物膜，易造成水头损失增加，影响装置去除效果，因而，装置需要进行反冲洗。反洗通过水力剪切和水流扰动等形式增加活性炭之间的碰撞，能够去除老化的生物膜[4]。反洗的方式有水洗、气洗、气水联合冲洗，合理的反冲洗方式是保证装置正常运行的关键条件。

此次试验对象为一体化生物活性炭装置(以下简称装置)，研究装置的较优反冲洗工况条件，旨在为装置反冲洗条件优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 原水水质

试验原水为人工模拟的船用生活污水处理装置处理后的出水。进水温度为20～25 ℃，CODCr为70～90 mg/L，氨氮为7.3～12.1 mg/L，TP为0.64～1.20 mg/L，浊度为5.0～9.5 NTU，pH值为7.0～8.0。

1.2 试验流程

由于船舱空间较小，为节约空间，采用气液混合泵代替气泵进行供气，反冲洗采用水洗。本次试验装置流程如图1所示。

污水经生物活性炭处理后，排入紫外消毒器进行灭菌消毒，随后排入清水箱，作为中水进行回用。装置反冲洗时，反洗泵将清水泵入装置，除去老化的生物膜，反洗水排放至原水池。

1.3 试验装置

装置采用上流式进水，主体直径为400 mm，净高2 200 mm。装填粒径为4.0 mm的柱状活性炭，填料高度为800 mm，进水流量为7.4 m3/d，滤速为2.67 m/h，清水箱体积为500 L。

图1 试验流程Fig.1 Flow Chart of Experiment

1.4 试验方法

(1)装置挂膜

装置采用人工挂膜，前期闷曝，待运行3 d后，采用小流量进水，每天测试装置进出水水质。待运行20 d时，污染物去除率趋于稳定，且出现土黄色“污泥”时，表明挂膜成功。

(2)反冲洗后装置恢复情况

装置挂膜后，按照1.3的条件稳定运行20 d后，出现水头损失增大，出水水质变差的情况，此时装置需进行水洗反冲洗。采用反冲洗强度5.0 L/(m2·s)，反洗时间为5 min条件进行反洗。取装置反冲洗前和反冲洗后1～8 h内水样，分析水样 COD和氨氮含量。判断反冲洗后装置恢复情况。

(3)不同反冲洗条件对于装置性能影响

根据小试试验结果，采用反洗强度在8.5 L/(m2·s)条件时，由于反洗强度过大，活性炭柱整体随水流浮起，造成活性炭的流失。结合给排水手册，选取如下BW1～BW9条件进行反冲洗试验(注：反洗用的清水箱体积为500 L)反洗周期为24 h，反冲洗时观察活性炭柱膨胀率、生物膜的脱落情况以及水质浑浊情况。此外，取反洗1 min时排水以及反洗结束装置正常运行8 h后进水、出水的水样，进行水质检测。

表1 反冲洗条件参数Tab.1 Backwash Condition Parameter

(4)试验测定项目和方法[5]

COD：重铬酸盐法；氨氮：纳氏试剂分光光度法；TP：钼酸铵分光光度法；浊度：散射法；pH：玻璃电极法。

2 结果与讨论

装置稳定运行期间，装置进水CODCr为70～90 mg/L，去除率达到60%以上。氨氮进水浓度7.3～12.1 mg/L，去除率为5～10%。装置出水浓度接近《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920——2002)中冲厕的标准。好氧异养菌为优势菌种，好氧化能自养菌特别是硝化细菌处于相对弱势状态。

2.1 反冲前后装置污染物去除情况

反冲洗前装置的COD去除率仅为42.2%，明显低于装置的正常去除率。由于装置长时间运行，截留了大量的悬浮物，并且老化和脱落的生物膜阻塞了部分通道，造成部分污染物无法进入生物膜内部，进而形成短流，导致装置的污染物去除能力下降。且装置出现底部积泥，进水压力上升，活性炭内部水头损失明显增加的现象。

图2为装置反冲洗前和反冲洗后8 h内的污染物去除情况。进水CODCr为90 mg/L，氨氮为12.1 mg/L。由图2可知，装置在反冲洗后1 h时，COD去除率明显下降，COD去除率最低为15.6%，氨氮去除率为负值。随着装置正常运行，污染物去除率有所恢复并有所提升，在反洗后8 h趋于稳定。装置COD去除率稳定在60%左右，氨氮去除率稳定在10%左右。

图2 反冲洗前后装置COD去除效果Fig.2 Efficiency of the Device on COD Removal before and after Backwash

伴随反冲洗部分新鲜的生物膜会随之脱落，而脱落的生物膜吸附了污染物，伴随水力剪切碰撞等因素，会造成污染物的再次释放，引起装置反洗1 h时，污染物去除率下降。但由于大部分新鲜生物膜比较致密紧实，抗剪切能力较强[6]，反冲洗冲掉老化生物膜，有利于污染物在新鲜生物膜上的转移，所以，随着反洗后正常运行8 h时，装置污染物去除效果有所提高。

2.2 不同反冲洗条件对于装置性能影响

2.2.1不同反冲洗条件对于COD去除影响

反冲洗的效果取决于反冲洗强度和时间，不同反冲洗强度和时间组合条件下，装置反洗8 h后COD去除效果如图3所示。反冲洗3 min时，COD去除率维持在63%左右。反冲洗5 min时，随着反冲洗强度增加，去除率分别为63.22%、72.22%、80.28%。反冲洗强度为6.5 L/(m2·s)(即反洗条件BW6)时，去除效率最高，此时，对应此条件下，反冲洗1 min时出水COD相对较低。反冲洗7 min时，反冲洗强度为4.2～5.0 L/(m2·s)，去除效率维持在80%左右。但反冲洗强度为6.5 L/(m2·s)，去除率明显下降，且对应反洗1 min时出水COD较高。这是由于活性炭比重较轻，当装置反冲洗强度过大时，活性炭碰撞明显，局部膨胀率过高，容易随水流浮动，形成流化床，易造成活性炭损失和含有悬浮生长的异养菌的生物膜脱落过多[7]，生物膜短期恢复困难，导致装置COD去除效果降低。

图3 不同反冲洗条件对于装置COD去除影响Fig.3 Efficiency of the Device on COD Removal under Different Backwash Conditions

因此，在合适的反洗时间和强度下，随着反洗强度的增加，可以更加有效增加滤料的有效碰撞和扰动程度，有利于老化生物膜的脱落，提高生物膜活性，增强装置的COD去除率。综合COD去除率以及反洗耗水量，反洗条件为BW7、BW8和BW9为较优反洗条件，反洗后装置COD去除率维持在80%左右，耗水量为250～280 L。

2.2.2不同反冲洗条件对于氨氮去除影响

图4为装置采用不同反冲洗条件下氨氮去除影响。氨氮整体去除率维持在5～10%，装置硝化细菌处于相对劣势状态。对比可知，当反冲洗强度为5.0 L/(m2·s)，反洗时间为7 min时(即反洗条件BW8)，装置氨氮去除率最高，达到5.3%。反冲洗强度为6.5 L/(m2·s)，反洗时间7 min时(即反洗条件BW9)，去除率为负值。

图4 不同反冲洗条件对于装置氨氮去除影响Fig.4 Efficiency of the Device on Ammonia Nitrogen Removal under Different Backwash Conditions

由于好氧异养菌与具有氨氮硝化作用的好氧化能自养菌之间存在竞争关系[8]。且好氧异养菌繁殖迅速，在柱状活性炭大量悬浮生长，而化能自养型硝化菌生长则在生物膜内侧。因此，异养菌能大量截留污染物和溶解氧，阻止污染物和溶解氧向内部转移[9]，使得硝化作用不明显。通过水力剪切和活性炭的碰撞的作用，使得部分悬浮生长异养菌随水一起排出，有利于氨氮和溶解氧更好转移至硝化细菌所聚集的生物膜，因而氨氮去除率有所提升。但采用反冲条件BW9，由于反洗强度过大及反洗时间过长，活性炭剧烈扰动，部分氨氮会再次释放到水中，因而，反冲洗1 min时，出水氨氮浓度高于进水。此外，由于微生物和滤料损失较多，硝化细菌世代周期长[10]，因而硝化作用恢复较慢，氨氮去除率出现负值。

综合氨氮去除率以及反洗耗水量，反冲洗强度在5.0 L/(m2·s)，反洗时间为7 min时(即反洗条件BW8)，为相对较优反洗条件。

2.2.3不同反冲洗条件对于浊度去除影响

由张朝晖等[11]指出，当生物活性炭装置作为深度处理工艺，浊度在一定程度表征可以装置水中的微生物。图5为不同反冲洗条件下，装置水质浊度去除情况。装置进水浊度为5.0～10.0 NTU，出水浊度为2.0～3.5 NTU，去除率为50～70%，反洗出水浊度为11.0～14.0 NTU。对比可知，选用反冲洗强度为6.5 L/(m2·s)，反冲洗时间为7 min时(即反洗条件BW9)，对应装置反洗1 min排水浊度相对较高，为13.0 NTU，且此条件下装置反洗8 h后去除率相对较低，仅为55.4%。这是由于反洗强度大，活性炭扰动碰撞加剧，大量的生物膜及悬浮物随水流排走，造成反洗水浊度高于进水。且由于生物膜流失较多，短期恢复较慢，导致浊度去除率下降，这与2.2.1和2.2.2结论一致。

图5 不同反冲洗条件对于装置浊度去除影响Fig.5 Efficiency of the Device on Turbidity Removal under Different Backwash Conditions

2.2.4不同反冲洗条件对于pH影响

图6为不同反洗条件下，装置反洗8 h后pH情况。由图6可知，装置进出水及对应的反洗1 min时排水的pH值均为7.0～8.0，无明显变化，装置水质稳定，合适的pH能为生物膜更新再生提供良好的环境，装置易较快的恢复污染物去除能力。此次主要目标污染物为COD，好氧异养菌为优势菌种，其正常生长pH值为6.0～9.0，适应范围较广。具有硝化作用的化能自养菌，由氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌组成[12]，其生长环境要求相对苛刻。有文献[13]指出氨氧化细菌适宜生存的pH值为7.0～8.5，亚硝酸盐氧化细菌为6.0～7.5，这与硝化反应中需要一定的碱度相对应。装置氨氮去除率较低，若要增强氨氮的去除效率，需调整进水pH。

图6 不同反冲洗条件对于装置pH影响Fig.6 Efficiency of the Device on pH Value under Different Backwash Conditions

3 结论

(1)对比装置反冲前后污染物去除情况可知，反冲洗过程，部分新鲜的生物膜也会脱落，造成装置在反冲洗后1 h时污染物去除率下降，COD去除率最低为15.6%，氨氮去除率为负值。随着运行时间的延长，去除率恢复并在反洗8 h后趋于稳定。COD去除率在60%左右，氨氮去除率在10%左右。

(2)对比不同反冲洗条件，反洗强度控制在5.0 L/(m2·s)，反洗时间为7 min(即反洗条件BW8)为较优反冲洗条件，装置反洗8 h后COD去除率为79.8%，氨氮去除率为5.3%，耗水量273.0 L。反冲洗强度太小，难以脱落老化生物膜；反洗强度过大，则容易引起活性炭流失，微生物锐减，造成装置去除能力下降，且耗水量大，造成资源浪费。

活性炭在微生物和反冲洗的共同作用下，使用寿命大大延长。按照较优反洗条件运行装置，COD去除率维持在75%以上，活性炭更换周期为半年，反冲洗周期夏季为1 d，冬季为2～3 d。