生物活性炭濾池的工藝參數(shù)試驗(yàn)研究
隨著水源污染的日益嚴(yán)重，為了克服常規(guī)處理工藝的不足，滿足不斷提高的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)常規(guī)處理工藝出水再進(jìn)行深度凈化將成為自來(lái)水廠的選擇之一。生物活性炭技術(shù)能有效去除水中有機(jī)物(尤其是可生物降解部分)和嗅味等，從而提高飲用水化學(xué)和微生物安全性，目前它已作為自來(lái)水深度凈化的一個(gè)重要途徑而被水工業(yè)界重視[1，2]。該技術(shù)要點(diǎn)是：以粒狀活性炭為載體富集水中的微生物而形成生物膜，通過(guò)生物膜的生物降解和活性炭的吸附去除水中污染物，同時(shí)生物膜能通過(guò)降解活性炭吸附的部分污染物而再生活性炭，從而大大延長(zhǎng)活性炭的使用周期。生物活性炭濾池的工藝參數(shù)直接影響其處理效果和成本，并且合適的參數(shù)值還和濾池邊水水質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，在大規(guī)模應(yīng)用前進(jìn)行針對(duì)性的研究很有必要。
1． 試驗(yàn)研究方法
l.1 試驗(yàn)工藝流程及裝置
本次試驗(yàn)為中試規(guī)模，試驗(yàn)工藝流程為預(yù)臭氧化十混凝、沉淀、過(guò)濾+臭氧--生物活性炭，試驗(yàn)裝置(圖1)設(shè)于深圳大涌水廠內(nèi)，包括常規(guī)處理、臭氧化和活性炭濾池處理系統(tǒng)。
活性炭濾池橫截?cái)嗝娉叽鐬?span lang="EN-US">500×500mm，高度為4.92m，內(nèi)部均分兩格，采用小阻力配水系統(tǒng)。裝填ZJ-15型柱狀活性炭（山西新華化工廠產(chǎn)品），該炭碘值和亞甲蘭吸附值分別為961和187mg/g，堆積密度460g/L。活性炭在使用之前，先用未加氯的砂濾出水浸泡1周，再用未加氯的砂濾出水反洗清潔，然后裝池。生物活性炭濾池采用下向流型式，進(jìn)水溶解氧含量一般在7.50mg/L左右，能充分生物降解對(duì)溶解氧的需求。濾池采用兩段式氣水反沖洗，即首先以空氣擦洗、再以未加氯的砂濾出水反沖，反沖洗周期為7天。
臭氧采用Ozonia公司的CFS-1A型臭氧發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)制備，以空氣為氣源、以自來(lái)水為冷卻介質(zhì)。預(yù)臭氧化的臭氧接觸時(shí)間和投加量分別為4.5min和1.5mg/L左右，水在塔內(nèi)流速40m/h左右。主臭氧化的臭氧接觸時(shí)間和投加量分別采用液態(tài)堿鋁和氫氧化鈉，投加濃度分別為2.5mg/L和6mg/L左右。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
在參考現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本研究首先采用2.0m和2.5m炭床高度，分別進(jìn)行空床接觸時(shí)間10、12min的對(duì)比試驗(yàn)。然后選定炭床高度，分別進(jìn)行空床接觸時(shí)間7.5、10、12、15、20min的對(duì)比試驗(yàn)。
1.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)期間水溫較高（26-31℃，平均29℃），生物活性炭濾池采用自然掛膜，生物膜成熟時(shí)間約為15天。進(jìn)行上述各組條件的試驗(yàn)時(shí)間均為7天，其中2天為過(guò)渡適應(yīng)期，5天為穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)期。試驗(yàn)期間生物活性炭濾池進(jìn)水水質(zhì)如表1所示：
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表1 生物活性炭濾池進(jìn)水水質(zhì)
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數(shù)值
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指標(biāo)
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水溫（℃）
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PH值
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濁度（NTU）
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色度
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CODMn（mg/L)
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含藻量（萬(wàn)個(gè)體數(shù)/L）
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小
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26
|
7.38
|
0.13
|
＜5
|
0.69
|
5.0
|
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31
|
7.97
|
0.38
|
5
|
2.08
|
24
|
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|
平均
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29
|
7.768
|
0.237
|
--
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1.393
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11.3
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注：表1中實(shí)測(cè)期間色度＜5的次數(shù)約占1/3
2. 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 炭床高度
當(dāng)生物活性炭濾池空床接觸時(shí)間分別為12min和10min時(shí)，2.0m和2.5m炭床高度的BAC池進(jìn)出水濁度、CODMn的歷時(shí)變化情況見(jiàn)圖2--3，圖中5/23——6/2、6/2——6/9分別對(duì)應(yīng)12min和10min的試驗(yàn)結(jié)果。
由圖2——3：雖然二池出水濁度、CODMn的歷時(shí)變化有所差異，但平均而言差異并不明顯。當(dāng)空床接觸時(shí)間為12min時(shí)，在2.0m和2.5m池進(jìn)水濁度、CODMn均值分別同為0.327NTU、1.498mg/L的條件下，二池出水濁度、CODMn均值分別為0.293NTUT 0.309NTU、0.995mg/L和1.01mg/L。當(dāng)空床接觸時(shí)間為10min時(shí)，在2.0m和2.5m池進(jìn)水濁度、CODMn均值分別同為0.368NTU、1.596mg/L的條件下，二池出水濁度、CODMn均值分別為0.314和0.314TNU、1.304和1.402mg/L。由此可認(rèn)為在本試驗(yàn)條件下，如果空床接觸時(shí)間、進(jìn)水水質(zhì)等其它件相同，炭床高度對(duì)BAC池出水濁度、CODMn影響較小。雖然圖2--3也反映出BAC池出水濁度和CODMn有稍高于進(jìn)水相應(yīng)值的情形，但其中的主要原因可能在于進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)及生物膜脫落及微生物代謝產(chǎn)物，此外低濁度分析也是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）還表明，在空床接觸時(shí)間等其它試驗(yàn)條件相同時(shí)，炭床高度對(duì)BAC池出水色度、PH值的影響不大；但對(duì)嗅閾值卻有一定影響，在空床接觸時(shí)間同為10min時(shí)，炭床高度2.5m池的出水嗅閾值超過(guò)深水集團(tuán)管道直飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（Q/ZLS001-1998）3的上限標(biāo)準(zhǔn)，這表明較高的濾速不利于除臭。
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表2 炭床高度對(duì)嗅閾值、色度、PH值的影響
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指標(biāo)
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接觸時(shí)間
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12min
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10min
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進(jìn)水
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2.0m出水
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2.5m出水
|
進(jìn)水
|
2.0m出水
|
2.5m出水
|
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嗅閾值
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18
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2
|
2
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20
|
2
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4
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色度
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10-20(15)
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≤5
|
≤5
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25-40(31)
|
≤5
|
≤5
|
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PH值
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7.72
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7.43
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7.50
|
7.43
|
7.37
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7.44
|
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注：表2中嗅閾值、PH值欄數(shù)值為均值。
綜合12min和10min的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，在空床接觸時(shí)間、進(jìn)水水質(zhì)等主要試驗(yàn)條件相同的前提下，炭床高度對(duì)BAC池的凈水效果總體相同；但較大的炭床高度不利于嗅閾值的控制。事實(shí)上的BAC池去除污染物主要靠生物吸附降解和物化吸附，而這些過(guò)程都需要一定的時(shí)間，在進(jìn)水水質(zhì)和污染物與生物顆粒接觸時(shí)間相同時(shí)，污染物的降解程度理應(yīng)相同。當(dāng)然生物活性炭顆粒的機(jī)械截留也有一定作用，較大炭床高度的BAC池的出水水質(zhì)略差，其原因可能就在于較大濾速不利于機(jī)械截留作用的發(fā)揮。此外，炭床高度的增大還將會(huì)對(duì)BAC池的反沖洗提出更高的要求，有基于此，建議生產(chǎn)中BAC池的適宜炭床高度可取2.0m。
2.2 空床接觸時(shí)間
·空床接觸時(shí)間與出水濁度
當(dāng)BAC池的空床接觸時(shí)間在7.5-2.0min之間變化時(shí)，BAC池進(jìn)出水濁度變化情況如表3所示。觀察表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)BAC池的出水濁度比較穩(wěn)定，平均在0.22NTU以下；此均值和BAC池的進(jìn)水濁度均值（0.25NTU以下）較為接近，也限BAC池能稍微降低水的濁度，但空床接觸時(shí)間對(duì)濁度的去除沒(méi)有明顯影響。由此可見(jiàn)，BAC池的訂功效不在于除濁。
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表3 BAC池空床接觸時(shí)間與出水濁度
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接觸時(shí)間（min）
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進(jìn)水濁度（NTU）
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出水濁度（NTU）
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平均去除率（%）
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值
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小值
|
平均值
|
值
|
小值
|
平均值
|
|
|
7.5
|
0.18
|
0.13
|
0.142
|
0.17
|
0.14
|
0.156
|
-9.90
|
|
|
10
|
0.32
|
0.16
|
0.244
|
0.25
|
0.19
|
0.218
|
10.70
|
|
|
12
|
0.32
|
0.16
|
0.244
|
0.32
|
0.17
|
0.222
|
9.02
|
|
|
15
|
0.25
|
0.13
|
0.196
|
0.27
|
0.15
|
0.190
|
3.06
|
|
|
20
|
0.18
|
0.13
|
0.142
|
0.18
|
0.12
|
0.136
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4.23
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·空床接觸時(shí)間與出水CODMn
當(dāng)BAC池的空床接觸時(shí)間在7.5--20min之間變化時(shí)，BAC池進(jìn)出水CODMn變化情況不及濁度值穩(wěn)定（表4）。由表4可見(jiàn)，在空床接觸時(shí)間相同、進(jìn)水水質(zhì)相近的情況下，增大BAC池的空床接觸時(shí)間，BAC池對(duì)CODMn的去除效果隨之改善，表現(xiàn)為CODMn平均去除率的提高。在生物膜工藝中，延長(zhǎng)空床接觸時(shí)間意味著延長(zhǎng)基質(zhì)和生物膜的接觸時(shí)間，有利于基質(zhì)的生物降解；從生物膜降解機(jī)理上來(lái)看，接觸時(shí)間縮短意味著進(jìn)入BAC池的基質(zhì)量增加，導(dǎo)致生物膜在單位時(shí)間內(nèi)接觸的基質(zhì)增加，而進(jìn)水水質(zhì)一定使得生物膜對(duì)基質(zhì)的降解速率相對(duì)穩(wěn)定，終導(dǎo)致出水CODMn濃度增加，處理效果下降。此外，接觸時(shí)間的延長(zhǎng)也有利于污染物的物化吸附去除。
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表4達(dá)式 BAC池進(jìn)出水的CODMn變化
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接觸時(shí)間（min）
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進(jìn)水CODMn（mg/L)
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出水CODMn（mg/L)
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平均去除率（%）
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|
|
值
|
小值
|
平均值
|
值
|
小值
|
平均值
|
|
|
7.5
|
1.68
|
0.91
|
1.27
|
1.60
|
0.71
|
1.10
|
13.1
|
|
|
10
|
2.08
|
1.4
|
1.726
|
1.67
|
0.96
|
1.254
|
27.35
|
|
|
12
|
2.08
|
1.4
|
1.726
|
1.67
|
0.33
|
1.21
|
29.90
|
|
|
15
|
1.59
|
0.69
|
1.292
|
1.11
|
0.65
|
0.754
|
41.64
|
|
|
20
|
1.68
|
0.91
|
1.27
|
0.96
|
0.44
|
0.78
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38.6
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從表4還可以看出，BAC池空床接觸時(shí)間的增加幅度影響BAC池對(duì)CODMn去除率的提高程度，空床接觸時(shí)間的增幅大對(duì)CODMn去除效果的改善程度較為明顯反之收效一般，但接觸時(shí)間增大到一定程度時(shí)，CODMn去除率的提高有限，這主要是由于進(jìn)水中可生物降解及吸附的物質(zhì)所占的比例一定。此外，對(duì)比接觸時(shí)間15min和20min的CODMn平均去除率，發(fā)現(xiàn)前者稍高于后者，筆者認(rèn)為主要原因可能在于BAC池運(yùn)行前的成熟條件不同。進(jìn)行接觸時(shí)間20min的試驗(yàn)前，采用的氣沖強(qiáng)度較大（14L/m2.S），生物膜脫落明顯，又限于當(dāng)時(shí)條件、只經(jīng)12h即取樣化驗(yàn)；而進(jìn)行其余接觸時(shí)間的試驗(yàn)之前，采用的氣沖強(qiáng)度小于14L/m2.s，生物膜脫落程度較輕，且經(jīng)48h成熟期后再取樣化驗(yàn)。這說(shuō)明BAC池的反沖洗及其充分成熟對(duì)其成功運(yùn)行極為重要，在實(shí)際生產(chǎn)中需對(duì)氣水聯(lián)合反沖洗后的初始處理水量作必要的小幅減小。
·空床接觸時(shí)間與出水含藻量
深度處理作為改善飲用水水質(zhì)的有效途徑，除藻也是其重要任務(wù)之一，尤其是對(duì)于原水取自富營(yíng)養(yǎng)化水源的自來(lái)水廠。本研究以含藻量作為優(yōu)選BAC池空床接觸時(shí)間的另一重要分析指標(biāo)，臭氧——生物活性炭作為一個(gè)整體，因臭氧化條件固定，故不影響對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析。
BAC池進(jìn)出水含藻量的檢測(cè)結(jié)果（表5）表明，在進(jìn)水含藻量為10萬(wàn)個(gè)體數(shù)/L左右、BAC池空床接觸時(shí)間從75min增加到15min時(shí)，BAC池出水含藻量從8.5萬(wàn)個(gè)體數(shù)/L逐漸降低到2.43萬(wàn)個(gè)體數(shù)/L,對(duì)應(yīng)除藻率從23%逐漸增加到73.5%，但增加程度逐漸降低。試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)活性炭表面并未完全長(zhǎng)有生物膜，因此生物處理和活性炭處理是生物活性炭的兩大除藻途徑。生物除藻的可能機(jī)理有以下幾種：生物膜的吸附、附著，生物載體之間的生物絮凝和機(jī)械截留，微生物的氧化分解，原、后生動(dòng)物的捕食等。近的研究又表明，在短短（0--10nm）范圍內(nèi)，細(xì)菌等微生物的疏水性產(chǎn)生的微觀疏水引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大范德華引力，藻類向炭粒的遷移和粘附將是影響生物活性炭除藻的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在一定范圍內(nèi)延長(zhǎng)BAC池空床接觸時(shí)間，將會(huì)增加藻類和生物活性炭的接觸機(jī)會(huì)，利于藻類尋求合適的附著點(diǎn)，促使上述各機(jī)理作用的發(fā)揮，從而加強(qiáng)該系統(tǒng)對(duì)藻類的去除效果；而接觸時(shí)間15min和20min的除污染效果對(duì)比（表4和表5）又表明此結(jié)論須以BAC池充分成熟為前提條件。另一方面，過(guò)高地延長(zhǎng)BAC池接觸時(shí)間，會(huì)降低BAC池的水力負(fù)荷，明顯增加包括活性炭在內(nèi)的基建投資，不足為取。結(jié)合中試結(jié)果，建議生產(chǎn)上用于除藻的空床接觸時(shí)間不宜高于15min。
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表5 空床接觸時(shí)間與O3——BAC單元出水的含藻量
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接觸時(shí)間(min）
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進(jìn)水
（104個(gè)體數(shù)/L）
|
出水
（104個(gè)體數(shù)/L）
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均去除率（%）
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|
|
值
|
小值
|
平均值
|
值
|
小值
|
平均值
|
|
|
7.5
|
14.9
|
5.9
|
11.04
|
13.8
|
4.2
|
8.5
|
23
|
|
|
10
|
13.2
|
6.8
|
10.37
|
6.2
|
3.7
|
4.57
|
55.9
|
|
|
12
|
13.2
|
6.8
|
10.37
|
4.9
|
2.4
|
3.43
|
66.9
|
|
|
15
|
24
|
5
|
9.15
|
5.6
|
1.2
|
2.43
|
73.5
|
|
|
20
|
14.9
|
5.9
|
11.04
|
6.4
|
2.5
|
3.98
|
63.9
|
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.空床接觸時(shí)間與其它出水水質(zhì)參數(shù)
在7.5——20min的范圍內(nèi)變化BAC池空床接觸時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果表明，BAC池出水的嗅閾值、色度、PH值相對(duì)變化不大，也即空床接觸時(shí)間對(duì)嗅閾值、色度、PH值的影響相對(duì)微小。一般BAC池出水的臭閾值在2--3甚至更小，色度在5或5以下，BAC池出水的PH值在7.60左右。
綜合炭床高度和空床接觸時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出空床接觸時(shí)間是影響BAC池凈水效果的決定性因素，這和大多數(shù)研究成果一致，但具體數(shù)值取決于BAC池進(jìn)水水質(zhì)情況和出水水質(zhì)要求。基于目前深圳水源泉水低濁高藻、有機(jī)物和氮磷含量較高的水質(zhì)特征，結(jié)合不同空床接觸時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果，若BAC池出水水質(zhì)以CODMn達(dá)到深水集團(tuán)管道直飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（Q/ZLS001--1998）1mg/L的上限標(biāo)準(zhǔn)，BAC池的空床接觸時(shí)間以12-15min為宜，原水水質(zhì)差時(shí)取相應(yīng)高值。
3 結(jié)語(yǔ)
�。�1）在本試驗(yàn)條件下，生物活性炭濾池的空床接觸時(shí)間是影響其凈水效果的決定性因素，且主要影響有機(jī)物和藻類的去除；炭床高度和運(yùn)行濾速的影響相對(duì)較小。
�。�2）生物活性炭濾池的具體空床接觸時(shí)間取決于原水水質(zhì)情況和出水水質(zhì)要求，針對(duì)目前深圳的水源條件，若出水水質(zhì)以CODMn達(dá)到深水集團(tuán)管道直飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（Q/ZLS001--1998）1mg/L的上限標(biāo)準(zhǔn)，建議生物活性炭池的適宜炭床高度為2.0m，適宜的空床接觸時(shí)間為12-15min，原水水質(zhì)較差時(shí)取此范圍內(nèi)的較高值。 | 
