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高速给水曝气生物滤池在微污染原水预处理中的工程应用

广州市自来水公司 漆文光

《广东供水》2014年第三期  点击数:


(本文为《广东供水》杂志文章选登,版权所有。未经广东供水编辑部书面授权,不得转载!)

  摘 要: 南方某水厂采用高速给水曝气生物滤池(HUBAF)工艺建成了生物预处理工程,提前实现了在微污染原水条件下,确保出厂水氨氮稳定达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的目标。简要介绍了滤池的工艺结构,着重阐述了HUBAF的净水效果、运行控制、维护管理及所达到的经济指标,为同类微污染水源水的生物预处理工程的设计与运行管理提供参考。

  关键字:高速给水曝气生物滤池,陶粒滤料,微污染水源水,预处理

  珠江下游地区某水源水质常年处于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类~Ⅲ类,存在季节性氨氮和CODMn超标问题较突出,原水氨氮多数在1.5mg/L 以上,耗氧量时常超过4mg/L。自来水厂的常规净水工艺(混凝-沉淀-过滤-消毒)对氨氮的去除效果甚微。因珠三角地表水温常年较高,适合采用生物预处理工艺对微污染原水进行预处理。

  为有效解决微污染原水氨氮超标问题,尽快确保出厂水氨氮稳定达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求,通过开展多种形式生物预处理试验研究表明:合适的生物预处理工艺能够有效去除原水中氨氮、亚硝酸盐氮和CODMn,对色度、铁、锰、重金属、有毒有害有机物等均有较好的去除作用,其中曝气生物滤池工艺具有氨氮处理效率高、能耗低,运行成本低廉,占地面积较小的优势。目前,研究成果应用于南方某水厂工艺升级改造,于2010年底建成高速曝气生物滤池工程。

  1. 工程概况

  南方某水厂于上世纪70年代建厂,设计供水能力70万m3/d,2010年新建高速给水曝气生物滤池(HUBAF)生物预处理工程,处理规模为73.5万m3/d。高速给水曝气生物滤池采用集中鼓风曝气系统和集中供水供气形式的气水联合上、下冲洗系统,对水质、水量、过滤水头、曝气量、阀门状态、冲洗状态、鼓风机和冲洗水泵的运行工况全部采用信息化管理,全自动化运行。原水经滤池预处理后自流接入后续常规处理系统。水厂工艺升级改造后的工艺流程见图1。

  因厂区用地紧张,且边生产边施工,生物预处理平面布置见缝插针,布局相对紧凑,见图2。

  2. 工艺结构与设计参数

  高速曝气生物滤池共有20格,每4格滤池为1个曝气组,共计5个曝气组,两两组合,形成2个8池配水区和1个4池配水区。单格滤池尺寸为11m×9m×7.3m(H),面积99m2,设计滤速16m/h,气水比为0~0.5,陶粒滤料厚3.2m,表观密度1.29g/cm3。HUBAF构造见图3。

  陶粒滤料厚3.2m。上层陶粒:粒径6~8mm,厚度2.5m;下层陶粒:粒径8~10mm,厚度0.7m。

  承托层厚0.3m。上层卵石:粒径10~16mm,厚度0.15m;下层卵石:粒径16~20mm,厚度0.15m。

  滤池利用现有原水提升泵站的富余水头直接进水。首先进入高速给水曝气生物滤池的进水总渠,再通过各个滤池带壁装闸门的进水孔进入各个滤池的溢流配水渠,然后通过超细格网去除水中的各种悬浮杂质和贝类后,经进水管进入滤池底部的配水区,原水从下往上分别经过滤头配水、曝气与陶粒净化后,通过出水廊道的收集汇入出水管,最后自流进入常规处理工艺的反应沉淀池。

  高速曝气生物滤池冲洗采用气水联合反冲洗,水流方向可分为上冲洗(冲洗水流向为由下往上)和下冲洗(冲洗水流方向为由上向下)相结合的方式循环进行。上冲洗周期为24h,下冲洗周期为3~7日,视原水浊度和水头损失变化调整反冲洗强度和冲洗时间。

  3. 净水效果

  高速曝气生物滤池自投产至今,已运行有三个水文年(2010.11~2013.10),期间大部分时间的原水氨氮均大于0.5mg/L,水厂通过曝气气水比、反冲洗工艺参数等的相应调节,有效确保了水厂出厂水氨氮稳定达标。生产运行期间,原水水温为10.0℃~33.4℃,pH为6.5~7.16,HUBAF出水pH为6.55~7.33,较之原水变化不大。

  3.1  氨氮去除效果

  生产运行期间,高速曝气生物滤池对氨氮的去除效果见图4。

  由图4可知,原水氨氮月平均为0.29~1.86mg/L,总平均为0.84mg/L。经生物预处理后,HUBAF出水氨氮月平均为0.09~0.27mg/L,总平均为0.17mg/L;氨氮的月平均去除率为58.33%~87.63%,总平均去除率为77.09%。HUBAF出水氨氮基本保持在0.20mg/L以下,均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)小于0.5mg/L的要求。

  HUBAF对氨氮表现出良好的去除效果,主要有两方面的原因:

  (1)原水中有机物浓度低,硝化与亚硝化细菌等自养菌成为优势菌种,沿水流方向在3.2m厚陶粒滤料表面形成了完善的菌群结构;

  (2)由于HUBAF陶粒表面的亲水性和粗糙度,厚度极薄的自养菌生物膜能够牢固附着,滤料在高滤速和曝气气流作用下形成微膨胀,覆盖到滤料表面的悬浮物不断受到清洗,保证了自养菌生物膜与原水中氨氮和溶解氧的高效传质,为氨氮的快速硝化创造了优越条件。

  3.2  耗氧量(CODMn)去除效果

  原水CODMn为1.76~6.86mg/L,HUBAF出水CODMn为0.97~3.56mg/L,出厂水CODMn均小于2.0mg/L。HUBAF单元对CODMn平均去除率不高,为9.38~27.5%。HUBAF的滤料空床接触时间12~14min,时间过短不利于生物降解有机物,但对后续常规处理工艺去除有机污染物有一定的强化作用。

  3.3 除锰除铁效果

  原水锰和铁分别为0.04~0.30mg/L和0.02~2.95mg/L,多数时段超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中“集中式生活饮用水地表水源地”锰﹤0.1mg/L和铁﹤0.3mg/L的标准限值。增加生物预处理后,出厂水锰和铁分别为0~0.09mg/L和0~0.13mg/L,均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中锰﹤0.1mg/L和铁﹤0.3mg/L的标准,锰和铁平均去除率分别高达90.7%和97.4%,比单纯常规处理系统的去除效果有显著提升。

  HUBAF进一步强化了常规处理工艺对铁和锰的去除效果,其原因不仅在于生物除铁除锰作用,还在于陶粒表面能够吸附铁和锰的氧化体,其对铁和锰的氧化具有类似于铁砂与锰砂的催化作用。但是HUBAF对SS的去除率很低,故铁和锰在HUBAF中形成的氧化体基本不在本单元直接去除,而很大部分是在常规处理工艺的沉淀与砂滤单元中得到去除。

  3.4  浊度去除效果

  原水浊度月平均为7.8~116 NTU,总平均为22.5NTU;HUBAF出水浊度为4.2~83.2NTU,总平均16.9NTU;HUBAF平均截滤浊度5.6NTU,浊度去除率平均24.9%。

  虽然陶粒颗粒较大,空隙率也大,阻力较小,但因陶粒表面的生物膜之间存在生物絮体,使得陶粒滤池内滤料的充填更密实,孔隙率更小,发挥了良好的吸附、凝聚作用,达到了良好的物理截留作用[1],故高速曝气生物滤池对原水浊度保持着一定的去除作用。

  但是,大幅度降低HUBAF浊度去除率是选用大颗粒球形轻质陶粒滤料的工艺目标。由于大颗粒球形轻质陶粒滤料床层在高滤速和微曝气的气水上冲作用下,滤料层会出现微膨胀,大部分SS会穿透滤料层,随水流出滤池,可以有效减缓过滤水头的增长,延长滤池反冲洗周期,缩小冲洗前后的过滤水头损失变幅,提高滤池的工作效率和节省冲洗能耗,便于运行管理。工程应用时,应结合原水浊度情况,选用合适粒径的滤料,以确保保持适度的浊度去除率,避免滤料的堵塞及反冲洗能耗的增大。

  4. 气水比运行控制

  通过对其中两格滤池一个月的生产对比试验发现,不曝气与曝气两种工况下,氨氮的去除情况相差较大。当原水氨氮平均为1.54 mg/L时,气水比为0.4的工况下HUBAF出水氨氮平均为0.18mg/L,平均去除率88.8%;不曝气工况下HUBAF出水氨氮平均为0.80mg/L,平均去除率51.5%。且不曝气工况下,只有当原水氨氮低于1.0mg/L时,HUBAF出水氨氮达标才有保障。

  可见,溶解氧(DO)是影响氨氮去除效果的主要因素之一,应根据原水氨氮变化情况及时调整气水比。

  5. 经济分析

  生物预处理工程单位投资113.38元/(m3/d)水,单位处理成本0.04元/(m3水)(含折旧费);滤池占地4538 m2,单位占地61.7 m2/(万m3/d水)。高速曝气生物滤池净化效率高,占地面积小,运行成本低,有效解决了旧厂改造用地紧张等问题。

  6. 结 语

  高速曝气生物滤池成功应用于珠江下游地区某大型水厂,可有效解决微污染水源水的季节性氨氮与耗氧量等超标问题,主要关键技术特点为:

  (1)滤速高,占地省,处理效率高,运行成本低。设计滤速16m/h,是传统曝气生物滤池2~3倍,占地面积成倍减小;氨氮处理效率高,平均去除率为77.09%,且随原水氨氮升高而增大,预处理出水氨氮均小于0.5mg/L;吨水处理成本仅约0.04元。

  (2)滤池独特的上、下冲洗系统,可灵活设置多种冲洗组合方式,有效地将滤料截滤的SS和藻类全部清出滤池。

  (3)以滤池出水作为冲洗水源,冲洗水直接进入后续常规工艺,在实现系统零排放的基础上,进一步提高了后续常规工艺的混凝效果,节能减排优势突出。

  (4)采用独特的上向流形式和膜孔曝气管技术,有效解决了滤面面积大、气水比低的曝气均匀性难题。

  因此,对于南方湿热气候条件下的微污染水源,高速曝气生物滤池对于解决原水氨氮超标问题具有良好的借鉴意义。但此工艺形式应用时间有限,长期的运行效果及在应对原水突发污染的应急处理方面仍有待进一步观察与研究;并且,生产运行期间发现,湿热环境下原水中的淡水壳菜及藻类易在生物预处理系统的局部位置积累及繁殖,对生物预处理系统的维护管理工作提出了挑战,需在今后的长期运行过程中不断摸索简单有效的应对措施。

  参考文献

  [1] 张文妍,朱亮,薛红琴.微污染水源生物预处理氨氮去除影响因素探讨[J]. 给水排水,2002,28  (11):1~3.

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责任编辑:刘珍珍

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