劉 璐，周秀華，鄒康兵

(廣州自來水有限公司，廣東廣州 510600)

1 曝氣生物濾池預(yù)處理技術(shù)

曝氣生物濾池工藝是近年來國際上較為流行的一種新型生物膜法污水處理工藝。與普通活性污泥法相比，曝氣生物濾池占地面積更小、投資較少，同時(shí),具有有機(jī)負(fù)荷高、氧傳輸效率高、不會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)[1]。曝氣生物濾池在世界各地已得到廣泛的應(yīng)用，主要是對(duì)城市污水、工業(yè)廢水以及中水等的處理。

近年來，我國城市飲用水水源存在一些氨氮及有機(jī)物污染情況，常規(guī)的給水處理工藝“絮凝-沉淀-過濾-消毒”已很難保證出水水質(zhì)氨氮等指標(biāo)完全符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求。針對(duì)此類微污染水源研究表明，曝氣生物濾池能有效去除微污染水源水中有機(jī)物、氨氮等污染物，其對(duì)氨氮的去除率達(dá)80%以上，對(duì)耗氧量、渾濁度、色度、鐵、錳等污染物均有較好的去除效果。曝氣生物濾池預(yù)處理技術(shù)不僅可減少消毒過程中的氯氣消耗量和水中鹵代有機(jī)物的生成量，降低給水管網(wǎng)中細(xì)菌滋生的可能性，提高飲用水的安全性，還可降低混凝劑的投加量及運(yùn)行成本[2]，利用曝氣生物濾池工藝對(duì)微污染水源水進(jìn)行預(yù)處理,可以取得良好的處理效果。

目前，曝氣生物濾池已被引入給水處理領(lǐng)域，并成為對(duì)微污染水源水進(jìn)行生物預(yù)處理的有效手段。在廣州某處理規(guī)模為73.5萬m3/d的自來水廠應(yīng)用了高速曝氣生物濾池生物預(yù)處理工程,并取得了良好的效果[3]。采用高速給水曝氣生物濾池進(jìn)行生物預(yù)處理，在濾速為16 m/h，氣水比為0～0.5的情況下處理氨氮為0.04～3.48 mg/L的原水時(shí)，出水氨氮保持在0.5 mg/L以下，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求[4]。

對(duì)比給水中的曝氣生物濾池工藝與污水中曝氣生物濾池工藝，發(fā)現(xiàn)微污染原水中的有機(jī)污染物和氨氮含量比城市污水中的低，進(jìn)行微污染原水的生物預(yù)處理對(duì)濾料的比表面積要求相對(duì)較低，其生物膜一般以亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌等自養(yǎng)微生物為主。給水中的曝氣生物濾池主要以去除原水中的氨氮以及有機(jī)污染物為目標(biāo)，對(duì)懸浮物的去除要求不高，濾料要保證與原水充分接觸，提高微生物對(duì)氨氮及有機(jī)污染物的降解效率，同時(shí)又要減弱濾料的過濾功能。與污水處理中曝氣生物濾池的進(jìn)水相比，微污染原水中的無機(jī)砂粒以及其他懸浮物雜質(zhì)含量較高，其中，貝殼類水生生物和滋生的大量藻類容易造成濾頭、濾孔、曝氣口等出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。原水中氨氮及有機(jī)物含量呈季節(jié)性大幅變化，需要選擇對(duì)污染物濃度變化適應(yīng)性強(qiáng)的工藝[5]。

2 曝氣生物濾池的應(yīng)用

2.1 工程概況

西洲水廠興建于1995年，供水量設(shè)計(jì)規(guī)模為50萬m3/d，為改善原水水質(zhì)，于2000年在東江北干流的劉屋洲島上新建劉屋洲泵站，作為西洲水廠的取水泵站，距離西洲水廠約17 km。原水較水廠的就地取水泵站——西洲取水泵站水質(zhì)有所改善，但原水中大部分指標(biāo)常年處于Ⅱ～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，氨氮、CODMn超標(biāo)現(xiàn)象仍然時(shí)有發(fā)生，出廠水偶有CODMn超標(biāo)，最突出的仍為水中氨氮含量超標(biāo)。表1為2010年西洲水廠原水水質(zhì)情況，表2為西洲水廠2010年生物濾池投產(chǎn)前1月—9月出廠水水質(zhì)情況。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality

表2 改造前出廠水水質(zhì)Tab.2 Finished Water Quality before Reconstruction

為提高供水水質(zhì)，改善出廠水中氨氮等超標(biāo)的現(xiàn)象，水廠進(jìn)行了技術(shù)改造，在原常規(guī)凈水系統(tǒng)前增設(shè)生物預(yù)處理工藝，并于2010年11月投入運(yùn)行?，F(xiàn)生物預(yù)處理工藝采用輕質(zhì)濾料曝氣生物濾池，曝氣生物濾池采用升流式BIOSMEDI工藝，采用下進(jìn)上出的水流方式，濾板在上部，全自動(dòng)化管理運(yùn)行。原水經(jīng)曝氣生物濾池處理后進(jìn)入常規(guī)給水處理流程(圖1)，曝氣生物濾池平面布置如圖2所示。

圖1 凈水工藝流程Fig.1 Water Treatment Process

圖2 曝氣生物濾池平面布置Fig.2 Layout of Biological Aerated Filter (BAF)

2.2 工藝結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)

曝氣生物濾池平面尺寸為39.60 m×89.06 m，單格濾面面積為103.5 m2(9 m×11.5 m)，共18格濾池，分為2排布置，每排9格(圖3)。在2排濾池中間形成管廊通道，管廊上方為敞開式，便于通風(fēng)和采光。正常濾速為12 m/h，二格沖洗時(shí)強(qiáng)制濾速為13.5 m/h，輕質(zhì)濾料粒徑為3.5～5 mm，厚度為3 m，過濾水頭為0.50 m，氣水比為0.1～1.0。

圖3 曝氣生物濾池主體構(gòu)造Fig.3 Main Structure of Biological Aerated Filter (BAF)

曝氣生物濾池為上向流方式，主體部分由上至下分為4個(gè)區(qū)域，分別為出水集水區(qū)、濾料區(qū)、進(jìn)水和曝氣分布區(qū)、氣囊及排泥區(qū)。

(1)濾池進(jìn)水。水流從DN2000進(jìn)水總管流入，經(jīng)管廊頂部進(jìn)水渠、進(jìn)水閘板閥、DN700進(jìn)水鋼管、DN700進(jìn)水氣動(dòng)蝶閥，進(jìn)入管廊底部的配水槽，再通過配水方孔進(jìn)水單孔膜曝氣管架底部。

(2)過濾。水流從濾池底部自下而上，通過單孔膜曝氣管架、Φ=3.5～5 mm輕質(zhì)濾料層、濾板，到達(dá)濾池上部。濾池進(jìn)水向上經(jīng)濾料層生物氧化，有效降低水中的氨氮和有機(jī)物濃度，使常規(guī)處理后出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。濾池濾料區(qū)采用的輕質(zhì)填料懸浮于水中，依靠上部的濾板將其壓制使其不致外逸，同時(shí)，通過濾料和濾板濾頭使曝氣和出水更加均勻，水流在整個(gè)池面的停留時(shí)間均衡，杜絕短流現(xiàn)象，保證生物接觸時(shí)間。

(3)出水。濾后水翻進(jìn)濾池液面處的集水槽，進(jìn)入出水渠，匯集流向水廠常規(guī)處理系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)采用離心鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行單孔膜曝氣，經(jīng)過管廊內(nèi)的DN700氣管、DN200氣管、DN200手動(dòng)蝶閥，進(jìn)入濾池水面上的DN200氣管，穿過濾板進(jìn)入濾料以下的單孔膜管道系統(tǒng)。鼓風(fēng)機(jī)房安裝4臺(tái)曝氣鼓風(fēng)機(jī)，單臺(tái)Q=121.7 m3/min，P=73.5 kPa，3用1備。生物濾池穩(wěn)定運(yùn)行期間，氣水比視出水水質(zhì)而定，根據(jù)原水氨氮濃度，其參考值如表3所示。

表3 氣水比參考值Tab.3 Reference Value of Air Water Ratio

由于設(shè)計(jì)氣水比是基于設(shè)計(jì)濾速下的水量而定義，生物濾池處理水量未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，氣水比的數(shù)值失去原有的意義。因此，運(yùn)行過程中對(duì)曝氣量采用了新的定義，即以單位濾面面積氣體流量作為曝氣強(qiáng)度，單位為L/(s·m2)，曝氣強(qiáng)度數(shù)值不受濾池處理水量變化的影響。

2.3 凈水效果

2.3.1 氨氮

如圖4所示，當(dāng)原水氨氮為0.15～2.5 mg/L時(shí)，經(jīng)過生物濾池處理后，出水氨氮為0.05～0.48 mg/L，去除率為63.6%～94.5%。經(jīng)過生物濾池處理后，出水氨氮均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中小于0.5 mg/L的要求。

圖4 生物濾池原水與出水氨氮含量Fig.4 Ammonia Nitrogen Content in Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.2 亞硝酸鹽氮

如圖5所示，原水亞硝酸鹽氮為0.040～0.604 mg/L，經(jīng)過生物濾池處理后，出水亞硝酸鹽氮為0～0.126 mg/L，去除率為40.4%～100%。生物濾池實(shí)現(xiàn)了去除亞硝酸鹽氮的功能，當(dāng)原水亞硝酸鹽氮明顯上升，達(dá)到0.604 mg/L時(shí)，經(jīng)過生物濾池處理后，出水亞硝酸鹽氮為0，去除率達(dá)100%，表明生物濾池在原水較高亞硝酸鹽氮水平下也能實(shí)現(xiàn)去除功能。

圖5 生物濾池原水與出水亞硝酸鹽氮含量Fig.5 Nitrite Nitrogen Content in Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.3 渾濁度

原水渾濁度平均為16.74 NTU，經(jīng)過生物濾池處理后，出水渾濁度平均為13.34 NTU，平均去除率為20.30%(圖6)。生物濾池去除了一定量的渾濁度，濾層攔截了大量的無機(jī)物質(zhì)，生物濾池出水渾濁度變化將對(duì)后續(xù)混凝沉淀工藝造成影響，特別是在原水低溫低濁期。

圖6 生物濾池原水與出水渾濁度Fig.6 Turbidity of Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.4 耗氧量

如圖7所示，原水耗氧量為1.62～4.68 mg/L，平均為3.19 mg/L，經(jīng)過生物濾池處理后，出水耗氧量為0.92～4.66 mg/L，平均為2.65 mg/L，平均去除率為16.9%。生物濾池一般通過去除原水渾濁度及亞硝酸鹽氮實(shí)現(xiàn)耗氧量的去除。隨著渾濁度、亞硝酸鹽氮去除率的下降，耗氧量去除率也會(huì)下降。由于水廠常規(guī)處理系統(tǒng)對(duì)渾濁度去除效果比較明顯，氯的氧化作用對(duì)亞硝酸鹽氮有去除效果，耗氧量在后續(xù)常規(guī)處理系統(tǒng)中也能夠較好地去除。

圖7 生物濾池原水與出水耗氧量Fig.7 Oxygen Consumption of Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.5 溶解氧

生產(chǎn)運(yùn)行期間原水溶解氧為3.05～3.51 mg/L，基本屬于有氧原水，經(jīng)過生物濾池處理后，出水溶解氧為5.11～5.89 mg/L，上升60.3%～67.8%。生物濾池需利用有氧條件下的生物降解作用，要求水中溶解氧>2.0 mg/L，濾池底部均勻曝氣，使水中溶解氧上升，且氣泡在濾料層的切割變化，加強(qiáng)了水中營養(yǎng)物向?yàn)V料表面生物膜的傳質(zhì)效率，提高生物降解能力。

2.3.6 錳、鐵

生產(chǎn)運(yùn)行期間原水中錳為0～0.21 mg/L，鐵為0～1.04 mg/L，經(jīng)過生物濾池處理后，出水中錳為0～0.13 mg/L，鐵為0.25～0.84 mg/L。由于曝氣氧化及可能存在生物吸附的作用，生物濾池可有效降低錳、鐵含量，出水已經(jīng)達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求。

2.4 經(jīng)濟(jì)分析

生物預(yù)處理工程單位投資為113.22元/(m3·d)，單位制水成本為0.04元/t，與采用臭氧生物活性炭工藝進(jìn)行升級(jí)改造相比，工程投資降低約一半，處理成本下降約80%。

3 結(jié)論

(1)BIOSMEDI曝氣生物濾池用于給水廠中對(duì)氨氮含量≤4 mg/L的微污染原水進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，出水氨氮可以穩(wěn)定在0.5 mg/L以下，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求，氨氮處理效率高。當(dāng)微污染原水中亞硝酸鹽氮含量到達(dá)0.6 mg/L時(shí)，經(jīng)BIOSMEDI曝氣生物濾池處理，對(duì)亞硝酸鹽氮去除率達(dá)100%，因此，BIOSMEDI曝氣生物濾池用于給水廠中對(duì)微污染原水進(jìn)行預(yù)處理時(shí)對(duì)亞硝酸鹽氮的處理效果好。

(2)曝氣生物濾池用于給水廠預(yù)處理工程，處理成本約為0.04元/t，投資及運(yùn)行費(fèi)用低。

(3)對(duì)于存在氨氮含量超標(biāo)的Ⅱ～Ⅲ類微污染原水，在常規(guī)給水處理工藝很難實(shí)現(xiàn)去除效果的情況下，運(yùn)用曝氣生物濾池進(jìn)行預(yù)處理，能有效去除原水中的氨氮等污染物，使出水水質(zhì)得到提升，彌補(bǔ)了常規(guī)給水處理工藝的短板，保證出廠水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。