高速給水曝氣生物濾池應(yīng)用于大型自來水廠的預(yù)處理*

陸少鳴 李芳 李少文

(華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006)

我國珠三角城市飲用水源水近年來普遍存在季節(jié)性氨氮和有機(jī)物微污染的問題，一些水源水氨氮含量往往超過1mg/L，某些時(shí)段甚至達(dá)到4～5mg/L.自來水廠的常規(guī)凈水工藝(混凝－沉淀－過濾－消毒)對氨氮的去除效果甚微，增加生物處理工藝可以經(jīng)濟(jì)有效地去除原水中的氨氮和微量有機(jī)污染物.目前投入工程應(yīng)用的彈性填料接觸氧化［1-3］和懸浮球流化［4-6］技術(shù)由于存在抗沖擊負(fù)荷能力差、氨氮硝化率較低的問題，不僅預(yù)處理單元容積大，出水水質(zhì)往往也達(dá)不到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006).筆者針對給水預(yù)處理的特點(diǎn)對曝氣生物濾池技術(shù)進(jìn)行了全面的革新［7］，形成了高速給水曝氣生物濾池(HUBAF)專利技術(shù)，為微污染原水的處理提供了一種高效、節(jié)能、省地的預(yù)處理工藝，該技術(shù)具有以下優(yōu)勢:(1)采用大顆粒球形輕質(zhì)陶粒濾料(粒徑Φ 6～10mm，表觀密度1.05～1.25g/cm3，HUBAF配套專利產(chǎn)品)，大幅度提高濾速至16～20m/h;(2)利用其在升流條件下微膨脹流化的特點(diǎn)，大大減小陶粒濾料對原水中懸浮顆粒物(SS)的截濾率，過濾水頭損失一般不超過0.6 m;(3)采用氣水聯(lián)合上、下沖洗系統(tǒng)［8］，沖洗前后的過濾水頭變化小，有條件共用集中鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各池均勻曝氣;(4)以單孔膜曝氣濾頭取代長柄濾頭和布置在濾料中的曝氣頭，達(dá)到了改善濾池曝氣系統(tǒng)維護(hù)管理的條件.廣州市某水廠生物預(yù)處理工程作為國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)的生物預(yù)處理示范工程，采用HUBAF技術(shù)，預(yù)處理規(guī)模為73.5萬m3/d，采用20格11m×9 m ×7.3 m(池高)生物濾池，已于2010年11月建成投產(chǎn).HUBAF的投產(chǎn)運(yùn)行有效地解決了東江原水季節(jié)性氨氮、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及鐵、錳超標(biāo)問題，是已知規(guī)模最大、濾速最高的曝氣生物濾池工程，也是第一座投產(chǎn)使用的市政給水曝氣生物濾池(陶粒濾料)預(yù)處理工程，同時(shí)也給其它依靠東江水源的水廠在工藝改造方面提供了重要參考價(jià)值.

1 示范工程的工藝概況

1.1 原水水質(zhì)

原水取自東江北干流，其主要的超標(biāo)項(xiàng)目是氨氮和有機(jī)污染物，原水氨氮含量為0.44～2.22mg/L，常在1.0mg/L 以上;CODMn含量為1.84 ～6.06mg/L，有時(shí)超過4mg/L，個(gè)別時(shí)段甚至超過6mg/L，其它水質(zhì)指標(biāo)常年處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅱ或Ⅲ類.

1.2 工藝流程

該水廠生物預(yù)處理工藝流程如圖1所示.

圖1 水廠凈水工藝流程圖Fig.1 Water purification process chart of waterworks

HUBAF的構(gòu)造如圖2所示:主體包括配水渠和兩座高速給水曝氣生物濾池，配水渠位于管廊的上方.原水經(jīng)總進(jìn)水渠1進(jìn)入配水渠4，從兩根進(jìn)水管5分別進(jìn)入兩座高速給水曝氣生物濾池，采用膜孔曝氣管或單膜孔曝氣濾頭進(jìn)行曝氣，在大顆粒輕質(zhì)陶粒濾料6的生物膜生化與截濾雙重作用下，去除水中的氨氮和有機(jī)物.由于微污染原水的硝化菌生物膜增殖緩慢，給水曝氣生物濾池的過濾水頭損失的增加主要由截濾SS造成.高速給水曝氣生物濾池既有傳統(tǒng)的氣水聯(lián)合上沖洗系統(tǒng)，又增加了特有的下沖洗系統(tǒng).

圖2 HUBAF構(gòu)造圖Fig.2 Structural diagram of HUBAF

2 運(yùn)行結(jié)果與討論

HUBAF預(yù)處理工程于2010年11月通水.運(yùn)行濾速為14～16 m/h，濾料空床接觸時(shí)間為12.0～13.7min;氣水比為 0.2 ～0.5.

水質(zhì)檢測按《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T 5750—2006)執(zhí)行:氨氮采用納氏試劑分光光度法，CODMn采用酸式滴定法，鐵采用二氮雜菲分光光度法，錳采用過硫酸氨分光光度法.溶解氧(DO)、溫度及渾濁度則分別由MODEL 50B溶氧儀和HACH 2100N濁度計(jì)測定.其中氨氮、CODMn、渾濁度檢測周期為每天一次;錳前期為每天一次，后期為每周兩次;鐵為每周兩次.

2.1 凈水效果分析

HUBAF投產(chǎn)掛膜成功后運(yùn)行穩(wěn)定，取掛膜成功后2011年1－3月生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，期間原水水溫介于11～19℃.

2.1.1 對氨氮的去除

生產(chǎn)運(yùn)行期間氨氮變化如圖3所示，HUBAF出水氨氮含量均小于0.5 mg/L，達(dá)到了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求.

圖3 氨氮的去除效果曲線Fig.3 Curves of ammonia removal efficiency

HUBAF對氨氮表現(xiàn)出良好的去除效果，主要有兩方面的原因:其一，原水中有機(jī)物濃度低，硝化與亞硝化細(xì)菌等自養(yǎng)菌成為優(yōu)勢菌種，濾池內(nèi)微生物固定生長的特點(diǎn)使硝化細(xì)菌有足夠的時(shí)間進(jìn)行增殖，HUBAF專用輕質(zhì)陶粒的比表面積≥3.0×104cm2/g，且輕質(zhì)濾料使濾料間孔隙在氣流作用下有一定伸縮性，可避免出現(xiàn)氣流堵塞的現(xiàn)象，沿床層的氧得以均勻傳遞，加之水中DO充足，氨化細(xì)菌、亞硝化與硝化細(xì)菌沿水流方向在陶粒濾料表面形成了完善的菌群結(jié)構(gòu);其二，由于HUBAF專用輕質(zhì)陶粒表面的親水性和粗糙度，厚度極薄的自養(yǎng)菌生物膜能夠牢固附著，而輕質(zhì)陶粒濾料在高濾速和曝氣氣流作用下形成微膨脹，覆蓋到濾料表面的SS不斷受到清洗，保證了自養(yǎng)菌生物膜與原水中氨氮和溶解氧的高效傳質(zhì)，為氨氮的快速硝化創(chuàng)造了優(yōu)越的條件［9］.

2.1.2 對 CODMn的去除

生產(chǎn)運(yùn)行期間的CODMn變化如圖4所示，出廠水CODMn符合《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ94—2005)的小于2.0 mg/L的要求，優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的小于3.0mg/L的限值.

圖4 CODMn去除效果曲線Fig.4 Curves of CODMnremoval efficiency

生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，HUBAF單元CODMn去除率并不高，月平均去除率僅9.4% ～23.2%，其原因在于:HUBAF的濾料空床接觸時(shí)間僅為12.0～13.7 min，對于自養(yǎng)菌硝化氨氮已足夠，而異養(yǎng)菌對有機(jī)物生化降解的反應(yīng)時(shí)間往往需要30min以上［10］，且微污染水的有機(jī)物濃度極低，異養(yǎng)菌長期處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，故有機(jī)物降解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硝化氨氮的速率.但經(jīng)過曝氣后HUBAF出水?dāng)y帶有豐富的微生物和溶解氧，為后續(xù)常規(guī)工藝創(chuàng)造了生化去除CODMn的條件.常規(guī)處理工藝的反應(yīng)池和沉淀池的水力停留時(shí)間長達(dá)1.5h以上，可以發(fā)揮類似于活性污泥曝氣池的生化作用;而砂濾池的濾料空床接觸時(shí)間也有約10min，相當(dāng)于再接一級降流式曝氣生物濾池［11］.CODMn去除率隨著原水CODMn濃度升高而增大，據(jù)水廠數(shù)據(jù)記錄，2011年3月份原水CODMn月均值與2010年3月份非常接近，而對于出廠水，2010年3月份有5天出廠水CODMn超過2.0mg/L，月平均CODMn總?cè)コ蕿?6.6%;2011年3月份出廠水CODMn最高值為1.80mg/L，月平均CODMn總?cè)コ蕿?8.1%，較2010年提高了11.5個(gè)百分點(diǎn)，與“臭氧－生物活性炭”給水深度凈水工藝處于同一水平［12］.不過本工程目前仍在反應(yīng)池前和砂濾池后兩處同時(shí)加氯消毒，使常規(guī)工藝的生物作用受到了氯消毒劑的抑制.如果取消前加氯，該水廠常規(guī)工藝通過生物強(qiáng)化可以使出廠水CODMn濃度進(jìn)一步降低.

2.1.3 對錳和鐵的去除

原水錳和鐵含量分別為0.07～0.22 mg/L和0.13～1.16mg/L，多數(shù)時(shí)段超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中集中式生活飲用水地表水源地錳(＜0.1mg/L)和鐵(＜0.3mg/L)的標(biāo)準(zhǔn)限值;出廠水錳和鐵含量分別為0～0.03 mg/L和0～0.05mg/L，均小于0.1mg/L，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中錳含量 ＜0.1 mg/L和鐵含量＜0.3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，錳和鐵平均去除率高達(dá)95.5%和 97.1%.

HUBAF對鐵和錳具有顯著的去除效果，其原因不僅在于陶粒表面生物氧化低價(jià)的鐵離子與錳離子，還在于陶粒表面吸附鐵和錳的氧化體，在水中溶解氧對鐵和錳的氧化具有類似于鐵砂與錳砂的催化作用.但是HUBAF對SS的去除率很低，故鐵和錳在HUBAF中形成的MnO2與Fe2O3不是在本單元直接去除，主要是在沉淀與砂濾單元中去除.

2.1.4 渾濁度的變化

生產(chǎn)運(yùn)行期間，原水渾濁度為7.8～50.3 NTU，平均為13.4 NTU;HUBAF出水渾濁度為 6.5～49.4NTU，平均為18.5 NTU;HUBAF 截濾的渾濁度平均為2.5NTU，平均去除率為12.0%.渾濁度的變化如圖5所示.

圖5 HUBAF進(jìn)出水渾濁度的變化Fig.5 Variation of turbidity before and after HUBAF treatment

大幅降低HUBAF渾濁度去除率是選用HUBAF專用大顆粒球形輕質(zhì)陶粒濾料的關(guān)鍵工藝目標(biāo).由于大顆粒球形輕質(zhì)陶粒濾料床層孔隙率大，阻力小，在高濾速和微曝氣的氣水上沖作用下，濾料層會(huì)出現(xiàn)微膨脹，大部分SS會(huì)穿透床層，隨水流出濾池，可以有效減緩過濾水頭的增長，延長濾池反沖洗周期，縮小沖洗前后的過濾水頭損失變幅，提高濾池的工作效率，節(jié)省沖洗能耗，便于運(yùn)行管理.

HUBAF的渾濁度去除率不高，且被陶粒濾料截濾的SS隨沖洗排水全部流入反應(yīng)池.但HUBAF通過陶粒濾料表面與水中膠體物質(zhì)不斷碰撞，加上曝氣生物預(yù)氧化作用，大大削弱了大分子有機(jī)物以及藻類對混凝沉淀的干擾，降低了水中膠體的Zeta電位［13］，產(chǎn)生了顯著的助凝作用.該水廠的運(yùn)行情況顯示，在混凝劑用量不變的情況下，沉淀池出水(待濾水)渾濁度由原來的0.8～1.2 NTU 降至 0.8 NTU以下，此前對HUBAF可能不利于混凝沉淀的擔(dān)心已經(jīng)完全消除.

2.1.5 氣水比的影響

為考察實(shí)際生產(chǎn)過程中氣水比對凈水效果的影響，2月16日至3月16日對一格HUBAF停止曝氣進(jìn)行對比試驗(yàn).曝氣工況下，HUBAF出水氨氮含量為0.02 ～0.39mg/L，均小于 0.5 mg/L;而在不曝氣工況下，只有當(dāng)原水氨氮含量低于1.0mg/L時(shí)HUBAF出水氨氮達(dá)標(biāo)才有保障.

DO是影響氨氮去除效果的主要因素之一.試驗(yàn)期間東江原水的DO一般在3 mg/L上下，經(jīng)過HUBAF配水槽跌水曝氣后，原水的DO一般達(dá)到4.5mg/L以上，不曝氣工況下 HUBAF出水 DO在2mg/L以上.按照硝化1mg氨氮理論上消耗4.57mg DO測算，將1.0mg/L氨氮降到0.5 mg/L需要消耗2.3mg/L的 DO，故當(dāng)原水氨氮低于1.0mg/L時(shí)，可以采用不曝氣的方式［14］.

HUBAF單孔膜曝氣濾頭以及陶粒濾料作用下的氧利用率高達(dá)25%以上，曝氣氣水比為0.1～0.5時(shí)，對應(yīng)的實(shí)際供氧量可以達(dá)到5.6～28.0mg/L，理論上可以將原水氨氮從1.5～6.5 mg/L降低至0.5mg/L 以下.

2.2 運(yùn)行狀況分析

2.2.1 濾池保安工藝的功效

為保證長期穩(wěn)定運(yùn)行，給水曝氣生物濾池做了一系列保安工藝措施.經(jīng)過3個(gè)多月的生產(chǎn)運(yùn)行，進(jìn)水渠20目濾網(wǎng)能夠有效攔截粒徑大于1mm的顆粒物，由于進(jìn)水濾網(wǎng)過水面積較大，未見堵塞現(xiàn)象，過濾水頭損失不超過0.1 m;HUBAF下部的配水配氣區(qū)使原水中攜帶的細(xì)砂粒沉降至底部積砂槽;借助特有的下沖洗系統(tǒng)予以排除，未見泥砂沉積現(xiàn)象;HUBAF采用單孔膜曝氣濾頭(HUBAF配套專利產(chǎn)品)在濾板下部曝氣，保持了濾板底部以及單孔膜曝氣濾頭本身的清潔狀態(tài)，至今未出現(xiàn)明顯的藻類滋長問題.

2.2.2 過濾水頭損失增長規(guī)律

生產(chǎn)運(yùn)行期間，HUBAF采用上沖洗和下沖洗結(jié)合的方式進(jìn)行反沖洗，5天為一個(gè)周期，其中連續(xù)4天上沖，1天下沖.2010年12月至2011年3月期間的過濾水頭損失變化規(guī)律如圖6所示.在曝氣工況下HUBAF生產(chǎn)運(yùn)行1個(gè)月后水頭趨于穩(wěn)定，反沖洗前過濾水頭損失約42.5～48.1cm，反沖洗后過濾水頭損失約39.4～43.8cm，反沖洗前后過濾水頭損失變化量為2.0～7.8cm，24h水頭損失變化量為2.7～5.5cm，符合集中式鼓風(fēng)曝氣的要求，現(xiàn)場20個(gè)生物濾池也沒有在某個(gè)生物濾池反沖洗前后出現(xiàn)配氣量不均勻現(xiàn)象.從2月16日至3月21日，在不曝氣工況下，HUBAF反沖洗前過濾水頭損失約53.7～57.3cm，反沖洗后約49.3 ～52.8 cm，與曝氣工況相比過濾水頭損失大約增加了10cm.

圖6 HUBAF在不同工況下過濾水頭損失的變化Fig.6 Variation of head loss of HUBAF under different conditions

2.2.3 沖洗方式的確定

HUBAF采用上沖洗與下沖洗結(jié)合的反沖洗系統(tǒng):上沖洗采用氣水聯(lián)合沖洗20 min，氣洗強(qiáng)度為20L/(m2·s)，水沖強(qiáng)度為6L/(m2·s);下沖洗先氣沖并排水10min(氣沖強(qiáng)度為10L/(m2·s));再氣水聯(lián)合上沖約10min(氣沖強(qiáng)度為20L/(m2·s)，水沖強(qiáng)度為8L/(m2·s)).在曝氣工況下，上沖洗前后過濾水頭損失相差2～5cm，下沖洗前后相差5～8cm.

上沖洗能將截留在濾料層上部的泥和老化的生物膜有效地沖刷掉，反沖洗出水直接排入出水渠與其它生物濾池的出水混合進(jìn)入后續(xù)的常規(guī)處理.下沖洗則可以有效地解決無機(jī)惰性SS在濾料層內(nèi)積累的問題.下沖洗出水渾濁度比上沖洗出水渾濁度要大，尤其以下沖洗過程中氣沖排水階段結(jié)束后、氣水上沖的沖洗出水渾濁度最為明顯，這也說明下沖洗在降低水頭損失方面比單獨(dú)上沖洗效果要好.但下沖洗排水的回收需要增加額外的運(yùn)行費(fèi)用.

2.3 經(jīng)濟(jì)分析

該水廠生物預(yù)處理工程總投資實(shí)際工程建設(shè)費(fèi)用合計(jì)8504.82萬元，濾池占地4538 m2.按處理規(guī)模73.5萬 m3/d 計(jì)算，單位投資 115.7元/(m3·d－1).單位占地6.17×10－3m2/m3.據(jù)廣州市某采用“臭氧－生物活性炭”深度凈化工程水廠的經(jīng)濟(jì)情況分析，其深度處理單位投資約為242元/(m3·d－1)，單位凈水成本為0.25元/m3.

水廠生物預(yù)處理工程的日常運(yùn)行費(fèi)用主要包括燃料及動(dòng)力費(fèi)、人員工資及福利費(fèi)等.該生物預(yù)處理示范工程的單位處理成本(含折舊費(fèi)與不含折舊費(fèi))計(jì)算如下:

(1)運(yùn)行電耗.生物預(yù)處理系統(tǒng)的運(yùn)行電耗的計(jì)算范圍主要包括鼓風(fēng)機(jī)房、反沖洗泵房的機(jī)電設(shè)備，以及管廊、走道、周邊照明系統(tǒng)等的電耗.2011年3－9月生物預(yù)處理系統(tǒng)月平均用電258440 kW·h，單位處理水量電耗為0.0117kW·h/m3，電費(fèi)按0.8元/(kW·h)計(jì)算，生物預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行電耗成本約 0.009元/m3.

(2)人工成本.生物預(yù)處理系統(tǒng)共需配置系統(tǒng)運(yùn)行、儀表監(jiān)測、清潔共約10人，包括工資與福利支出每年合計(jì)約60萬元，人工單位成本為0.002元/m3.

(3)折舊費(fèi)估算.折舊費(fèi)計(jì)算基數(shù)為7775萬元(工程總投資扣除設(shè)計(jì)、監(jiān)理等費(fèi)用)，以22年計(jì)，約為0.013 元/m3.

(4)單位處理成本.不含折舊費(fèi)的單位處理成本主要包括運(yùn)行電耗和人工成本，為

0.009元/m3+0.002元/m3=0.011元/m3;含折舊費(fèi)的單位處理成本為

0.011元/m3+0.013元/m3=0.024元/m3.

3 結(jié)論

(1)針對氨氮含量＜4 mg/L、CODMn以及鐵和錳等項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)的水源，采用HUBAF處理后，出水氨氮含量 ＜0.5 mg/L，CODMn＜2.0mg/L，鐵和錳等指標(biāo)也完全達(dá)標(biāo).與彈性填料接觸氧化池和懸浮球流化池等已投入應(yīng)用的生物預(yù)處理技術(shù)相比，HUBAF抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，氨氮硝化率高，除鐵除錳能力強(qiáng).HUBAF與常規(guī)工藝生物強(qiáng)化集成技術(shù)對有機(jī)物的去除率與“臭氧－生物活性炭”給水深度凈水工藝處于同一水平.

(2)HUBAF 單位工程投資115.7元/(m3·d－1)，單位處理成本(含折舊費(fèi))為0.024元/m3，濾池單位占地6.17×10－3m2/m3，低于其它給水生物處理工藝.

(3)HUBAF渾濁度去除率低，與沖洗周期24 h對應(yīng)的沖洗前后過濾水頭損失變幅不超過20cm，故采用集中鼓風(fēng)系統(tǒng)能夠保持每個(gè)濾池均勻曝氣.

(4)HUBAF沖洗系統(tǒng)獨(dú)特，能夠有效地將濾料截濾的SS和藻類全部清出濾池，不需設(shè)置沉砂池，預(yù)處理工藝簡潔.

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