陶粒濾池預處理微污染原水的凈化效果及運行參數

白王軍

(河海大學，江蘇南京 210098)

隨著工業和農業的迅猛發展，作為建湖縣上岡地區最主要的飲用水水源，通榆河的水質近年來日趨惡化，尤其在夏秋季節，通榆河水中的藻類和有機物濃度明顯增高，存在陣發性污染，影響了自來水廠常規工藝的運行，對供水安全造成威脅。雖然有報道采用陶粒濾池等方法來消除微污染原水中有機物、NH3-N氨氮等污染物[1-5]，但能真正應用于水廠取得滿意效果且具有運行指導經驗的還是很少。

建湖縣上岡水廠根據原水情況和出水水質的要求，對原有工藝進行了升級改造，增加了陶粒濾池作為整個水廠的預處理。建湖縣上岡水廠現狀設計規模為5.0×104m3/d，根據建設時序分為一期工程和二期工程，設計出水水質達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。凈水主體工藝采用“原水→管道混合→絮凝沉淀→V型砂濾池→臭氧接觸池→活性炭濾池→二氧化氯消毒→出水”。

本文針對通榆河的水質情況，采用陶粒濾池作為預處理工藝，開展了實際運行過程中相關工藝運行參數的試驗研究。重點考察在不同工況條件下，特別是針對運行過程中的不同工況下，陶粒濾池的凈化效果以及適宜的工藝運行參數，為陶粒濾池的運行應用提供一定的實踐指導。

1 試驗材料及設施

1.1 試驗材料

濾料采用陶粒(常州某公司用納米細末微晶原料燒制的產品，下同)，濾料粒徑為3～5 mm，不均勻系數K=1.31，視密度為1.65 g/cm3，濾料厚度為2.5 m；承托層采用卵石，粒徑為8～16 mm，厚度為100 mm，粒徑為16～32 mm，厚度為200 mm。陶粒具有一定的機械強度，其表面比較粗糙，化學物理穩定性好、易掛膜、生物附著性強、比重小、耐沖洗、不易堵塞。

1.2 運行工藝

陶粒濾池增加在現有凈水主體工藝的前段，則原工藝變為“原水→陶粒濾池→管道混合→絮凝沉淀→V型砂濾池→臭氧接觸池→活性炭濾池→二氧化氯消毒→出水”，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of the Process

1.3 陶粒濾池

(1)陶粒濾池

總池子分為6格，共2組，每組3格，總平面尺寸為35.5 m×26.0 m，池高為6.45 m，設計濾速為5 m/h；空床濾料有效容積為1 683 m3，濾池單格有效面積為70 m2。濾池的出水位置設置氣動調節蝶閥。進水采用下向流，反沖洗氣洗和反沖洗水洗采用上升流。

(2)曝氣系統

濾池的曝氣氣水比為1∶1.5～1∶1；設置曝氣鼓風機2臺，1用1備，風量Q=18.8 m3/min，風壓H=5 mH2O，功率N=30 kW。曝氣鼓風機設置于反沖洗泵房及鼓風機房內。

(3)反沖洗系統

濾池采用氣水聯合反沖洗方式。氣洗的反沖洗強度為13 L/(m2·s)，反沖洗時間為3 min；氣水聯合反沖洗：氣的反沖洗強度為13 L/(m2·s)，水的反沖洗強度為3 L/(m2·s)，沖洗歷時為5 min；水洗的反沖洗強度為6 L/(m2·s)，歷時5 min。

新建反沖洗泵房及鼓風機房1座，建筑面積為290 m2，平面尺寸為7.9 m×36.5 m，內設反沖洗水泵3臺，2用1備，流量Q=792 m3/h，揚程H=12 mH2O，功率N=45 kW，反沖洗水來自濾后的集水井。

同時，在反沖洗泵房及鼓風機房內設置反沖洗羅茨鼓風機2臺，1用1備，風量Q=58.7 m3/min，風壓H=5 mH2O，功率N=75 kW。

(4)反沖洗廢水池

反沖洗廢水池需滿足陶粒濾池最大一次反沖洗水量的要求，即70 m2×1格×[3 L/(m2·s)×5 min×60 s+6 L/(m2·s)×5 min×60 s]=189 m3，考慮水泵的死水位，廢水池的有效容積為220 m3。廢水池配置2臺排水泵，出水連續、均勻地回流至水廠的配水井，1用1備，流量Q=50 m3/h，揚程H=12 mH2O，功率N=2.2 kW。

2 原水水質

試驗期間原水水質如表1所示。

表1 試驗期間上岡水廠通榆河水質監測一覽Tab.1 List of Water Quality Monitoring of Tongyu River in Shanggang Waterworks during the Test Period

3 水質分析項目

COD：標準重鉻酸鹽法；NH3-N：標準納氏試劑比色法；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光法。

4 試驗運行

陶粒濾池在常溫下啟動，起始階段由于原水中游離有機物較豐富，采用自然掛膜的形式。啟動初期，盡量以較小流量進水，每天監測出水的NH3-N、TN、COD等，至指標穩定為消減35%時，說明生物膜已基本形成，這個過程約1個月，然后慢慢調節流量至設計要求。

曝氣量的氣水比為0.5∶1.0～1.5∶1.0，其大小不僅對出水水質有很大的影響，也是自來水廠運行費用很大的構成部分。因此，試驗通過合理調整陶粒濾池的曝氣量，觀察最佳的運行效果。過濾速度對于已建設成的陶粒濾池也是很重要的運行參數。根據相關規范，過濾速度一般在4～7 m/h，其大小不僅關系到整個水廠的運行負荷，更是節約運行成本的考慮因素。因此，為了更好地安全提升陶粒濾池的產能，試驗中對過濾速度進行了檢測測定，為實際運行提供可靠的數據。同時，反沖洗也是陶粒濾池安全和耗能的關鍵參數，濾池原設計的沖洗周期大約為24～48 h，周期過短，可能影響水廠的產能；周期過長，可能影響水廠的水質指標。因此，試驗對沖洗周期進行合理設定，觀察最佳的運行沖洗周期。

曝氣量的氣水比、過濾速度和反沖洗周期的合理選擇，不僅可以提高水廠的產能，同時也可以節省水廠的能耗，從而為實踐運行提供參考。

5 試驗結果

5.1 曝氣量的氣水比

曝氣量的氣水比對于生物陶粒濾池去除NH3-N、TN、COD有很大的影響。為了得到最佳的運行參數，于2018年6月15日—2018年7月5日，對曝氣量的氣水比進行試驗性的調整，確定為0.5∶1.0、0.7∶1.0、1.0∶1.0、1.2∶1.0、1.5∶1.0，具體運行數據如圖2～圖4所示。

圖4 曝氣量的氣水比對COD的去除效果Fig.4 Effect of Air-Water Ratio of Aeration Flow on COD Removal

圖2～圖4是曝氣量的氣水比分別為0.5∶1.0、0.7∶1.0、1.0∶1.0、1.2∶1.0和1.5∶1.0時的進出水水質指標，進水NH3-N、TN和CODCr濃度分別在3.4～3.7、4.3～4.6 mg/L和35.0～38.0 mg/L。每個氣水比工況穩定運行4 d左右，出水NH3-N、TN和CODCr濃度分別在0.2～1.0、0.6～1.0 mg/L和10.0～20.0 mg/L，其去除率在71.4%～94.3%、77.8%～87.0%和42.9%～72.2%。

由圖2可知，隨著曝氣量的氣水比逐漸增加，NH3-N的去除率逐步提高，基本能維持在85%以上，與吳為中等[6-7]和薛記中[8]通過中試試驗得出的數據基本一致。同時，由圖3可知，隨著曝氣量的氣水比逐漸增加，TN的去除率逐漸提高，是因為隨著曝氣量的增加，陶粒濾池中生物膜逐漸活躍，內部存在很強的反硝化環境。但是，當曝氣量的氣水比大于1.0∶1.0時，去除率反而逐漸下降。分析原因是，在氣水較小，即水中溶解氧的含量低時，生物膜中的反硝化異氧菌比硝化菌更活躍，反硝化的效果得到加強。但是，隨著曝氣量的氣水比逐漸增加，水中和生物膜中的溶解氧提高快，反而抑制了反硝化異氧菌的生長，從而造成出水的TN濃度慢慢升高。這也是吳為中等[6-7]在研究去除亞硝酸鹽氮時，建議氣水比為0.75～1∶1的原因。此氣水比條件下，對亞硝酸鹽氮的去除達到97.5%～99%，可以滿足原水的預處理要求。圖4中關于COD的去除率表明，隨著曝氣量的氣水比逐漸增加，生物膜變得越來越厚，而生物膜中的微生物有利于對原水中COD的降解，則COD的去除率越來越高，基本維持在50%以上。吳為中等[6-7]的研究表明，COD在氣水比為1.0∶1.0時，平均去除率達30%以上。但是，當曝氣量的氣水比大于1.0∶1.0時，COD的去除率反而越來越低，原因在于過量的曝氣使生物膜中的微生物瘋狂生長，但原水中COD的碳源越來越不滿足這些微生物的生存需要，很多微生物進入衰亡期，從而導致濾料上生物膜的脫落，降低了微生物的總量，最終致使出水COD升高。

圖3 曝氣量的氣水比對TN的去除效果Fig.3 Effect of Air-Water Ratio of Aeration Rate on TN Removal

5.2 過濾速度

對于已建成的陶粒濾池，過濾速度的改變不僅影響到預處理中NH3-N、TN、COD的去除效果，在保障NH3-N、TN、COD滿足出水指標的要求下，還能最大限度地提高水廠的產水能力。

為了得到最佳的運行參數，于2018年7月8日—2018年7月28日，對過濾速度進行試驗性的調整，確定為4、5、6、7、8 m/h，如圖5～圖7所示。

圖5～圖7是過濾速度為4、5、6、7、8 m/h時的進出水水質指標，進水NH3-N、TN和CODCr濃度分別在3.4～3.6、4.3～4.6 mg/L和35.0～37.0 mg/L。每個過濾速度基本穩定運行了4 d左右，出水NH3-N、TN和CODCr濃度分別在0.1～1.2、0.4～1.4 mg/L和10.0～20.0 mg/L，其去除率在67.7%～97.1%、69.6%～91.1%和40.5%～77.1%。

圖5 過濾速度對NH3-N的去除效果Fig.5 Effect of Filtration Rate on NH3-N Removal

圖6 過濾速度對TN的去除效果Fig.6 Effect of Filtration Rate on TN Removal

圖7 過濾速度對COD的去除效果Fig.7 Effect of Filtration Rate on COD Removal

由圖5～圖7可知，隨著過濾速度的提高，出水的NH3-N、TN、COD濃度增加，去除率降低?？赡苁且驗?，隨著過濾速度的逐漸增加，進水量越來越多，對已經形成的生物膜的沖擊會越來越強烈，有機物污染物NH3-N、TN、COD在陶粒濾池中的停留時間則會越來越短，有機負荷越來越大，最終導致對污染物去除的效率越來越低。當過濾速度超過臨界速度時，出水NH3-N、TN、COD超標。因此，吳為中等[6-7]建議濾速在4～6 m/h較為適宜；周浩暉[9]和桑軍強等[10]通過試驗研究，也基本論證了過濾速度不宜超過6 m/h。但由圖5～圖7可知，在實際運行能滿足出水水質指標的情況下，陶粒濾池的最大過濾速度可以達到7 m/h，即建湖縣上岡水廠最大的處理量為70 560 m3/d，而建湖縣上岡水廠的設計規模為50 000 m3/d，最大增量為41.12%。

5.3 反沖洗周期

反沖洗周期的選擇對于已建成的陶粒濾池而言非常重要，其改變不僅關系到預處理的NH3-N、TN、COD的出水效果，而且在保證NH3-N、TN、COD滿足出水要求的條件下，還可以極大地節省整個水廠的運行電費。

為了得到最佳的運行參數，于2018年8月1日—2018年8月16日，對反沖洗周期進行試驗性的調整，確定為24、36、48、48、60 h，如圖8～圖10所示。

圖8 反沖洗周期對NH3-N的去除效果Fig.8 Effect of Backwash Cycle on NH3-N Removal

圖9 反沖洗周期對TN的去除效果Fig.9 Effect of Backwash Cycle on TN Removal

圖10 反沖洗周期對COD的去除效果Fig.10 Effect of Backwash Cycle on COD Removal

圖8～圖10是反沖洗周期為24、36、48、48、60 h時的進出水水質指標，進水NH3-N、TN和CODCr濃度分別在3.4～3.6、4.3～4.6 mg/L和35.0～37.0 mg/L。每個反沖洗周期基本穩定運行4 d左右，出水NH3-N、TN和CODCr濃度分別在0.3～1.1、0.5～1.3 mg/L和8.0～22.0 mg/L，其去除率在67.7%～97.1%、69.6%～91.1%和40.5%～77.1%。

由圖8～圖10可知：隨著反沖洗周期的延長，NH3-N、TN和COD的去除率逐漸提高；但隨著進一步的延長，去除率反而降低，可能是因為，隨著反沖洗周期的延長，生物膜變得越來越厚，而生物膜中的微生物有利于對原水中NH3-N、TN、COD的降解，因此，NH3-N、TN、COD的去除率越來越高；隨著反沖洗周期越來越長，生物膜越來越厚，而原水中的碳源越來越不能滿足過多微生物營養的需求，從而導致部分微生物進入衰亡期，這時會有生物膜開始脫落，造成NH3-N、TN、COD的去除率越來越低，最終致使出水NH3-N、TN、COD超標。吳為中[6]通過研究富營養化水庫原水得出反沖洗周期適宜參數為3～6 d，基于幾乎不考慮水庫水的渾濁度，但一般河流等微污染原水的渾濁度在100～500 mg/L，因此，在優化選擇時，原水渾濁度對反沖洗周期的影響是必須考慮的。為了達到出水的指標需要，同時為了最大地節省運行電費，陶粒濾池的反沖洗周期確定為48 h較為適宜，則毎天節省電費達到50元左右。

6 結論

(1)對于微污染水源，采用生物陶粒濾池作為自來水廠的預處理是可行的，能穩定地改善和凈化水質，在適宜的相關參數條件下，對NH3-N、TN和COD的平均去除率分別為77.1%～83.3%、80.4%～87.0%和51.4%～72.2%。

(2)在進水NH3-N、TN和CODCr濃度分別在3.4～3.7、4.3～4.6 mg/L和35.0～38.0 mg/L的情況下，生物陶粒濾池預處理微污染原水的適宜工藝參數：曝氣量的氣水比為1∶1，過濾速度為7 m/h，反沖洗周期為48 h。