珠三角下游部分城市的生活飲用水源水近年來受到季節(jié)性高氨氮和有機物污染，尤其在枯水期氨氮和有機物含量較高，大大超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838--2002)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。自來水廠常規(guī)凈水工藝(混凝/沉淀/過濾/消毒)對有機物的去除率通常只能達(dá)到40%～50%，對嗅味去除率較低，對痕量有毒有害有機物處理能力有限，而對氨氮基本沒有去除效果，出廠水質(zhì)主要存在以下問題：①出廠水氨氮嚴(yán)重超標(biāo)，生物穩(wěn)定性差，在管網(wǎng)中出現(xiàn)亞硝化，導(dǎo)致余氯下降過快，管網(wǎng)水細(xì)菌總數(shù)難以控制;②即使采用強化措施，也往往難以達(dá)到COD≤3mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，需要執(zhí)行水源受限制時COD≤5mg/L的放寬標(biāo)準(zhǔn);③氯化消毒副產(chǎn)物存在超標(biāo)風(fēng)險，靠近自來水廠的管網(wǎng)水余氯含量很高，而管網(wǎng)末梢以及一部分環(huán)狀支管的余氯含量有時得不到保證，細(xì)菌總數(shù)可能超標(biāo);④口感較差，甚至出現(xiàn)異味，嗅閾值存在超標(biāo)現(xiàn)象。
珠江原水試驗表明：對于高氨氮原水，采用常規(guī)處理/臭氧活性炭工藝并不能實現(xiàn)氨氮達(dá)標(biāo)，原因在于通過臭氧接觸池向生物活性炭濾池供氧無法保證硝化菌轉(zhuǎn)化氨氮的需氧量以及攪拌傳質(zhì)的條件�；谥槿堑貐^(qū)地表水水溫在冬季>5℃的有利條件，采用生物預(yù)處理工藝能夠常年有效去除氨氮、COD和嗅味，且不產(chǎn)生二次污染。針對珠三角城市自來水廠凈水工藝升級改造用地緊張以及地價昂貴的情況，給水曝氣生物濾池工藝具有氨氮去除率高、占地面積較小、保證出廠水氨氮<0.5mg/L的優(yōu)勢，還可以一并除鐵除錳，解決珠三角水源水中鐵、錳時常超標(biāo)的問題，故推薦采用。
1給水曝氣生物濾池工藝技術(shù)
對于氨氮<4mg/L的微污染水源水，已研究開發(fā)出高速給水曝氣生物濾池，利用大顆粒輕質(zhì)陶粒濾料在升流條件下對原水中ss截濾率低、過濾水頭損失一般不超過5kPa、沖洗前后的過濾水頭變化小的特點，適當(dāng)降低對濾料比表面積指標(biāo)的要求，大幅提高濾速至16～20m/h，氣水比為0～0.5。在大顆粒輕質(zhì)陶粒濾料表面生物膜的生化與截濾雙重作用下，預(yù)處理出水氨氮<0.5mg/L，為微污染源水的處理提供了一種高效、節(jié)能、省地的處理工藝。高速曝氣生物濾池專利技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于廣州市某自來水廠處理規(guī)模為73.5×10m3/d的生物預(yù)處理工程。
但是對于枯水期氨氮高達(dá)4～8mg/L的水源水，采用高速給水曝氣生物濾池已經(jīng)不能實現(xiàn)出水氨氮達(dá)到0.5～1.0mg/L的Ⅱ～Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)，主要原因在于硝化較高濃度的氨氮需要較大的濾料比表面積以及較長的濾料接觸時間。故試驗初期選用～5mm球形陶粒濾料，采用升流式曝氣生物濾池(UBAF)處理高氨氮原水，濾速為4～6m/h。
由于采用的濾料粒徑較小，其過濾能力很強，濾料表面生物膜不斷受到截濾Ss的包裹，因此對氨氮的去除率變化幅度較大，濾池沖洗后能夠達(dá)到85%左右，然后逐步下降，最低只有65%左右。究其原因在于硝化細(xì)菌為自養(yǎng)菌，世代周期長，無法在濾料表面截濾的不穩(wěn)定泥膜上生長，只能在濾料表面形成生物膜。雖然厚度極薄的硝化菌生物膜在陶粒表面附著牢固，可以經(jīng)受高強度氣水沖洗而不脫落，但是當(dāng)UBAF截濾的SS在濾料表面形成粘泥覆蓋時，原水中氨氮與生物膜之間的傳質(zhì)作用被削弱，對氨氮的去除率隨之明顯下降。由此可見，盡管采用較小的粒徑可以顯著增加濾料比表面積，降低濾速可以延長濾料接觸時間，但將導(dǎo)致濾料對ss的截留率大幅升高，在較短時間內(nèi)就會覆蓋濾料表面的硝化菌生物膜，從而影響水中氨氮和溶解氧與硝化菌生物膜之間的傳質(zhì)，只有對濾池進行沖洗方可恢復(fù)其硝化能力。一旦濾池的硝化能力不能滿足對氨氮的去除要求，即使濾池的水頭損失仍在過濾水頭允許范圍內(nèi)，也需要及時沖洗，致使沖洗周期往往只有短短幾個小時，帶來運行管理方面的困難。
考慮到微污染原水中無機泥砂、SS以及水草、塑料袋等雜質(zhì)的含量往往大大高于污水曝氣生物濾池的進水，尤其是原水挾帶或在濾池內(nèi)滋長貝類、藻類等水生生物，容易造成濾頭、曝氣頭等出現(xiàn)堵塞，采用降流式曝氣生物濾池池型(DBAF)能夠保護濾頭免受阻塞，截濾的泥砂、雜質(zhì)和ss易于反沖洗清除。但是凈化高氨氮原水所需氣水比達(dá)到0.3～1.5，當(dāng)濾速稍大時，由于濾料層中氣水逆向，下部微氣泡上升受阻，難以正常充氧。故DBAF凈化高氨氮原水只能采用較小的濾速，效率較低，在實際處理中并不適用。
疊式曝氣生物濾池(D—UBAF)是在UBAF之前串接一級大顆粒濾料初濾池(DBAF)，不進行曝氣，主要截濾原水中的水草、塑料袋等雜質(zhì)以及無機泥砂和部分可濾SS，保障后續(xù)UBAF穩(wěn)定運行，而UBAF是疊式曝氣生物濾池進行生物預(yù)處理的主體。該項專利技術(shù)(專利號：ZL200610035882.0)已經(jīng)應(yīng)用于廣州市某自來水廠的處理規(guī)模為105×101TI/d的生物預(yù)處理工程中，其構(gòu)造如圖1所示。
主體包括I座DBAF和2座UBAF，DBAF位于管廊的上方。原水經(jīng)進水渠配入DBAF，經(jīng)過大顆粒濾料截濾原水中的水草、塑料袋等雜質(zhì)以及無機泥砂和部分可濾ss，從DBAF兩根出水管分別進人兩座UBAF。UBAF采用單孔膜曝氣管或單孔膜曝氣濾頭曝氣，在小顆粒濾料的生物膜生化與截濾雙重作用下，去除水中的氨氮和有機物。D—UBAF采用氣水聯(lián)合沖洗，DBAF的沖洗水單獨從排水管排出，UBAF的沖洗水直接進入出水槽。由于微污染原水的硝化菌生物膜增殖緩慢，UBAF水頭損失的增加主要由截濾ss造成，而DBAF截濾大部分可濾ss使UBAF在反沖洗前后水頭損失變化很小，這是采用集中的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)而又不會造成各個濾池之間曝氣不均的前提條件。D—UBAF有效利用了空間，采用集中的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，造價低、節(jié)能、對有機物和氨氮去除率高，適用于高氨氮原水的預(yù)處理。
2預(yù)處理高氨氮原水的試驗
2.1工藝流程
試驗系統(tǒng)工藝流程見圖2。
D—UBAF預(yù)處理試驗規(guī)模為64—96In/h。DBAF的濾料粒徑為8—12mm，厚為1.5m；UBAF的濾料粒徑為3～5mm，厚為4m，濾速為8～12m/h，濾料接觸時間為20～30rain；氣水比為0.3～1.5；氣水沖洗強度：水沖為6—8L/(m•s)，氣沖為l5～20L/(ITI•s)。
2.2運行參數(shù)
D—UBAF的運行參數(shù)見表1，D—UBAF的進、出水水質(zhì)分別見表2、3。
3試驗結(jié)果與分析
3.1枯水期凈水效果
取2007年12月一2008年4月共20周的試驗數(shù)據(jù)進行分析。
①對氨氮的去除
枯水期氨氮指標(biāo)的變化如圖3所示。
原水氨氮的周均值為5.02～9.45mg/L，平均為7.09mg/L；DBAF對原水氨氮有一定的去除，平均去除率為15.7%；UBAF對氨氮有很高的去除率，總?cè)コ势骄鶠?0.3%。D—UBAF對氨氮的去除率(87.4%～94.0%)波動較小。UBAF內(nèi)微生物固定生長的特點使硝化細(xì)菌有足夠的時間進行增殖，池內(nèi)填料表面生長有豐富的氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，其豐富的微生物和完善的菌群結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)乃νＡ魰r間，使UBAF對氨氮具有很好的去除效果。
②對COD的去除枯水期COD指標(biāo)的變化如圖4所示。原水CODM周均值為5.79～10.1mg/L，平均為7.92mg/L；D—UBAF出水CODM平均為4.52mg/L，總的平均去除率為42.7%。
DBAF對CODM的去除率為16.7%，主要以sS的形式被陶粒機械截留而去除；UBAF內(nèi)由于濾料接觸時間為0.5h，異養(yǎng)菌降解有機物的作用已經(jīng)比較顯著，對COD的去除率達(dá)到31.5%，大大高于高速給水曝氣生物濾池。為了研究D—UBAF工藝對出廠自來水水質(zhì)的改善程度，在D—UBAF之后串接了混凝/沉淀/砂濾/消毒常規(guī)工藝試驗系統(tǒng)，全流程試驗最終出水COD為1.82～2.8mg/L，平均為2.3mg/L，對COD去除率平均為7l%。與常規(guī)工藝自來水廠的出廠水相比，COD總?cè)コ侍岣呒s20%。
③對濁度的去除
枯水期濁度指標(biāo)的變化如圖5所示。原水濁度周均值為36.5NTU；DBAF出水濁度的周平均值為23.2NTU，DBAF的濁度去除率平均為34.8%；UBAF出水濁度的周平均值為11.5NTU，UBAF出水相對于DBAF出水的濁度去除率為47.8%；D—UBAF總的濁度去除率平均為66.3%。
由于DBAF去除了大部分可濾SS，UBAF的自養(yǎng)菌生物膜受原水中ss影響較小，而且水頭損失增長較緩慢，避免了壓力變化對曝氣均勻性的不利影響，同時也延長了反沖洗周期。因此，UBAF內(nèi)生物量和生物活性較單級BAF具有明顯的優(yōu)勢，對原水中的高氨氮具有穩(wěn)定高效的去除效果。
3.2豐水期凈水效果
取2008年6月_2008年1O月共20周的試驗數(shù)據(jù)進行分析。
3.2.1對氨氮的去除
豐水期氨氮指標(biāo)的變化如圖6所示。原水氨氮的周均值為2.19～3.41mg/L，平均為2.65mg/L，DBAF出水氨氮平均為2.01mg/L，平均去除率為23.7%；D—UBAF出水氨氮平均為0.28mg/L，氨氮去除率平均為89.3%。
雖然豐水期濾速增大，水力停留時間縮短，氣水比降低，但是由于豐水期原水氨氮大幅下降，濾池的氨氮容積負(fù)荷較低，使UBAF對氨氮的去除率仍能保持穩(wěn)定，出水氨氮比枯水期時更低，平均去除率為84.8%～93.4%。因此，在豐水期原水氨氮負(fù)荷較低的情況下，可以相應(yīng)提高D—UBAF的水力負(fù)荷。
3.22對COD的去除
原水CODM周均值為5.30～7.56mg/L，平均為6.08mg/L。DBAF出水CODM平均為4.87mg/L，對COD去除率平均為19.2%；UBAF出水COD平均為3.61mg/L，D—UBAF對COD總?cè)コ势骄鶠?0.2%。豐水期水量充沛，COD波動幅度小，水質(zhì)較穩(wěn)定。DBAF與UBAF對COD去除量基本對等。
3.2.3對濁度的去除
原水濁度平均值為33.9NTU，DBAF出水濁度平均為24.0NTU，平均去除濁度為9.9NTU，去除率為27.1%；UBAF出水濁度平均為11.4NTU，平均去除濁度為15.7NTU，D—UBAF的濁度總?cè)コ势骄鶠?5.0%。
3.3濾池的過濾水頭損失及其沖洗
D—UBAF的初濾池(DBAF)雖然采用了較大粒徑的濾料，但對原水中ss的過濾能力仍然較強，而且濾速是UBAF的2—3倍，因此水頭損失增加較快。DBAF沖洗的目的是洗脫截濾的雜質(zhì)、粘泥和ss，恢復(fù)過濾水頭。試驗表明：每隔1～1.5d反沖洗一次，每次反沖洗10min(氣洗3rain，氣水共洗7min)，氣沖洗強度為2O～25L/(m•s)，水沖洗強度為l0～12L/(m•s)，可以實現(xiàn)反沖洗目標(biāo)。DBAF沖洗前的水頭損失約為9kPa，沖洗后的水頭損失約為5kPa。
UBAF對濁度的去除率雖然較高，對SS的去除率卻并不高，相當(dāng)一部分ss在流經(jīng)UBAF過程中只是改變了粒徑分布，因此UBAF的水頭損失增長比較緩慢，若從恢復(fù)過濾水頭方面考慮，沖洗周期可以長達(dá)5～7d。但是，隨著沖洗周期延長，UBAF的生化作用也逐步下降，原因在于Ss覆蓋在陶粒表面就會影響自養(yǎng)菌生物膜的傳質(zhì)，降低對氨氮的去除效果。因此，UBAF沖洗周期的確定需視氨氮的去除和水頭損失的增長情況而定。試驗表明：反沖洗周期為1～3d，采用氣水聯(lián)合反沖洗可以實現(xiàn)反沖洗目標(biāo)，其中氣洗為5rain，氣沖強度為20L/(m•s)；氣水聯(lián)合沖洗10min，氣洗強度為15L/(m•s)，水沖強度為6L/(m•s)；水沖15rain，水沖強度為8L/(m•s)。UBAF沖洗前的水頭損失約為6.5—8kPa，沖洗后約為6～7kPa。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
考慮到多座濾池共用鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，如果UBAF在沖洗前后的過濾水頭變化較大，勢必造成單池沖洗前后曝氣量發(fā)生明顯變化，影響各座濾池之間曝氣量的分配。對池體高度為7m的UBAF進行曝氣試驗表明：若要控制各座濾池之間曝氣量的變化不超過3%，則需將UBAF沖洗前后水頭損失變化量控制在2kPa以內(nèi)。對于D—UBAF，由于有DBAF的過濾保護，其UBAF過濾水頭損失的24h變化量不會超過2kPa，因此能夠滿足多座濾池共用鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)實現(xiàn)均勻曝氣對過濾水頭損失的控制要求。
4主要經(jīng)濟指標(biāo)
疊式曝氣生物濾池用于預(yù)處理氨氮濃度高達(dá)4—8mg/L的原水時，可以采用8m/h的濾速，氣水比約為0.3～1.5，過濾水頭損失約為17—20kPa，工程投資約為140～180ITI，運行費用為0.05～0.07m(含折舊費)。
5結(jié)論
①D—UBAF對季節(jié)性高氨氮和有機物污染原水的凈化效率高，可以實現(xiàn)采用生物預(yù)處理改善原水水質(zhì)的目標(biāo)。在枯水期，原水水溫≥5℃，氨氮、COD和濁度平均值分別為7.09mg/L、7.92mg/L和36.5NTU，D—UBAF出水指標(biāo)對應(yīng)為0.69mg/L、4.52mg/L和11.5NTU(去除率分別為90.3%、42.7%和66.3%)，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838--2002)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；在豐水期，原水氨氮、COD和濁度平均值分別為2.65mg/L、6.08mg/L和33.9NTU，D—UBAF出水指標(biāo)對應(yīng)分別為0.28mg/L、3.61mg/L和11.4NTU(去除率分別為89.3%、40.2%和65.0%)，符合GB3838—2002的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。
②D—UBAF應(yīng)用于季節(jié)性高氨氮和有機物污染原水的生物預(yù)處理，發(fā)揮了DBAF與UBAF各自的特點，使生化處理得以高效穩(wěn)定進行。DBAF用于截留原水中的水草、塑料袋等雜質(zhì)以及無機泥砂和部分可濾SS，對UBAF起保護作用，使UBAF的反沖洗周期達(dá)到1～3d以上，微生物的數(shù)量和活性均處于較佳狀態(tài)；位于DBAF之后的UBAF擁有巨大的濾料表面積，氨氮容積負(fù)荷率高，去除效果穩(wěn)定。
③UBAF的濾料接觸時間為0.5h，異養(yǎng)菌降解有機物的作用已經(jīng)比較顯著。與高速給水曝氣生物濾池相比，對COD的去除率大大提高；與自來水廠的常規(guī)處理工藝相比，采用D—UBAF之后的CODMnJ去除率可以提高約20%。
④D—UBAF采用集中的鼓風(fēng)機供氣系統(tǒng)時，各個濾池之間的曝氣不均勻性可以忽略不計，因此鼓風(fēng)機臺數(shù)少，運行簡單可靠，投資和運行費用較低。
⑤D—UBAF由1座DBAF與2座UBAF構(gòu)成“品”字形結(jié)構(gòu)，三個濾池之間的空間作為管廊，用于布置各種管道和閥門以及設(shè)備，不僅便于維護管理，也能節(jié)省占地和降低造價。
⑥D(zhuǎn)—UBAF工程投資約為140～180元/m，運行費用約為0.05—0.07元/m。
