對(duì)飲用水安全關(guān)注的日益提升，以及水環(huán)境污染情況的多樣化，導(dǎo)致常規(guī)給水處理工藝技術(shù)在面對(duì)特定污染特征的原水情況下可能“力不從心”，將污水處理技術(shù)應(yīng)用于給水處理工藝，已經(jīng)成為了在特定情況下的工藝探索方向。
在面對(duì)氨氮和有機(jī)物特征污染明顯的原水條件下，應(yīng)用曝氣生物濾池工藝，驗(yàn)證了該工藝應(yīng)用的實(shí)效，并在工藝運(yùn)行和管理取得了實(shí)戰(zhàn)經(jīng)營，可以為同行的工藝探索提供研究基礎(chǔ)。
1、曝氣生物濾池預(yù)處理技術(shù)
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。
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。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)》要求。
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 2010年西洲水廠原水水質(zhì)
表2 2010年改造前出廠水水質(zhì)
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。
圖1 凈水工藝流程
圖2 曝氣生物濾池平面布置
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。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
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)。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。
表3 氣水比參考值
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
（1）氨氮
原水氨氮為0.15～2.5 mg/L，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)》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
（2）亞硝酸鹽氮
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
（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%。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
（4）耗氧量
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
（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。
（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)》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)。
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