生物活性滤池的强化过滤研究

黄晓东1，李德生1，吴为中1，王占生1，段洪雷2，雷晓玲2
(1.清华大学环境科学与工程系，北京100084；2.深圳市水务局，广东深圳518023)

　　摘　要：研究开发了三种生物活性滤池，实现了对普通滤池过滤作用的强化。经长期运行测定，在10m/h左右的滤速下，生物活性滤池对氨氮、亚硝酸盐氮、有机物、浊度等均有较高的去除效果，其中氨氮的去除率为76%～87%，亚硝酸盐氮的去除率为76.9%～90.6%，CODMn的去除率为17.3%～31.4%，出水浊度均能保证在1 NTU以下，经消毒后能满足卫生学指标的要求。所载生物膜受滤池频繁反冲洗的影响较小，在反洗2～3次/d的情况下依然保持良好的处理效果。该技术为解决现有水厂微污染水源水的处理问题、提高供水水质提供了一条新的有效途径。
　　关键词：生物活性滤池；强化过滤；微污染水源水
　　中图分类号：TU991.24
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2001)08-0010-04

Study on the Enhanced Filtration in Bioactive Rapid Filter

HUANG Xiao-dong1,LI De-sheng1,WU Wei-zhong1,WANG Zhan-sheng1,DUAN Hong-lei2,LEI Xiao-ling2
(1.Dept.of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Shenzhen Water Affairs Bureau,Shenzhen 518023,China)

　　Abstract：Three kinds of bioactive rapid filter (BARF) were developed to enhance filtration in conventional filter.It was measured after a long operation period that at filtering velocity of 10 m/h,BARF has higher efficiency in removing ammonia nitrogen and nitrite nitrogen with removal rate of 76%～87% for the former and 76.9%～90.6% for the latter,and 17.3%～31.4% of CODMn removal is also achieved.The effluent turbidity is maintained below 1 NTU and the water quality can reach the hygienic index after disinfection.Frequent backwash has less impact on the biofilm with good efficiency kept even after backwash for 2～3 times per day.BARF provides a new effective way to treat micropolluted source water and improve water quality in existing water plants.
　　Keywords:bioactive rapid filter；enhanced filtration；micropolluted source water

　　目前，自来水厂普遍采用的“混凝沉淀→过滤→消毒”的传统净水工艺主要是除浊、除菌，而对微污染水源水中各种超标污染物的去除能力有限。各自来水厂普遍存在的问题主要表现在：氨氮和亚硝酸盐氮时有超标，由于普通滤池硝化作用不完全，有时出厂水中的亚硝酸盐氮会高出原水数倍；出厂水生物稳定性差，管网腐蚀和自来水二次污染(包括红虫滋生)的问题比较突出；由于投氯量大和不能有效去除藻类，自来水经常有较强的氯味和泥腥味，口感不好。
　　国内、外处理微污染水源水的方法主要有：预处理、深度处理及常规工艺的强化。预处理主要有生物预处理和化学预氧化，深度处理主要有活性炭吸附和膜处理技术。预处理和深度处理的各种方法各有其优点，但也存在明显的局限性，即均须在现有常规工艺的基础上另外增设构筑物及设备，这就需要大量占地与设备投资。而强化常规工艺主要指在不增加水厂构筑物的前提下，通过对混凝及过滤工艺的改进，最大程度地发挥现有构筑物及设备的处理效果，或使其具有某种新的处理功效，达到提高自来水水质的目的，具有投资少、不需另设构筑物的优点。
　　常规工艺的强化包括强化混凝及强化过滤两种。根据国外文献对给水强化混凝(enhanced coagulation)的定义，所谓强化混凝就是通过优化混凝的工艺条件，提高混凝沉淀对有机物的去除率，降低消毒副产物前驱物的浓度，从而降低滤后消毒副产物超标的风险。
　　强化混凝虽能在一定程度上提高有机物的去除率，但对原水中氨氮、亚硝酸盐氮和影响出厂水生物稳定性的小分子有机物却无能为力。据报道，生物预处理是去除水中氨氮、亚硝酸盐氮，降低有机物浓度，增加出厂水的生物稳定性，综合改善饮用水水质的有效技术措施。但由于各种类型生物预处理工艺均要在常规工艺前增加占地面积大、基建投资高的处理构筑物，这使其应用受到了场地、资金等方面的很大制约。
　　如果在不增设构筑物的情况下，也能将生物处理独有的净水功能用于饮用水处理工艺中，那无疑具有非常重要的现实意义。在对国、内外20世纪90年代中后期的相关研究进行跟踪和分析的基础上，根据某市水源水中氨氮和亚硝酸盐氮较高的特点及水厂普通滤池所存在的问题，提出了一个新的水处理概念——强化过滤(enhanced filtration)，即在保证滤池对浊度去除效果的同时，使滤池具有去除水中氨氮、亚硝酸盐氮和有机物的能力。其核心技术是将普通滤池改造成生物活性快滤池(biological active rapid filter)，简称生物活性滤池或BARF，以区别于生物预处理中广泛使用的生物滤池。

1　试验内容及结果分析

　　动态模拟试验装置见图1，试验期间的原水及出水水质见表1。

表1试验期间原水和出厂水水质　　mg/L 项目 原水 出厂水 平均值 范围 平均值 范围 氨氮 2.47 1.52～3.36 1.33 0.64～2.77 亚硝酸盐氮 0.16 0.10～0.25 0.36 0.01～0.94 CODMn 3.36 2.21～4.70 2.61 1.80～4.27

　　通过挂膜性能测定，选择了三种生物活性滤料(简称A、B、C滤料)，这三种滤料分别与石英砂组成双滤料滤池：石英砂在下，对浊度和细菌起到把关作用；生物活性滤料在上，发挥普通滤池所不具备的生物处理功能。生物活性滤料的滤层高度均为600 mm，石英砂层高为300mm，双滤料滤层的总高为900 mm。
　　如果原水中氨氮浓度较低，溶解氧又足够高，则BARF无需曝气；如果原水氨氮浓度较高，可考虑选择滤池表面曝气或滤料浅层曝气的方式。BARF所载生物膜受滤池频繁反冲洗的影响较小，在反洗2～3次/d的情况下依然保持良好的处理效果。
1.1　对氨氮的去除效果
　　不同生物活性滤料构成的BARF对氨氮的去除效果见图2、3、4。

　　　

1.2　对亚硝酸盐氮的去除效果
　　不同生物活性滤料构成的BARF对亚硝酸盐氮的去除效果见图5、6、7。

　　　　

　　　　　

1.3 对CODMn的去除效果
　　不同生物活性滤料构成的BARF对CODMn的去除效果见图8、9、10。

　　　

　　经长期运行测定，在10 m/h左右的滤速下， 三种BARF对氨氮、亚硝酸盐氮均有较高的去除效果，其中对氨氮的去除率为76%～87%，对亚硝酸盐氮的去除率为76.9%～90.6%，对CODMn的去除率为17.3%～31.4%。三种BARF的出水浊度均能保证在1 NTU以下，经消毒后能满足卫生学指标的要求。
　　表2是BARF与生物陶粒和活性炭吸附处理效果的对比。

表2　BARF、生物陶粒预处理、活性炭吸附处理效果的对比 去除率(%) BARF—A BARF—B BARF—C 生物陶粒预处理 活性炭吸附* 氨氮 82.4 76.0 87.0 84.0 11.6 亚硝酸盐氮 906 79.9 76.9 90.8 14.8 CODMn 31.4 17.0 17.1 21.4 69.3 注：*为装入新炭时测定的数据。

　　生物陶粒预处理对氨氮、亚硝酸盐氮和有机物的去除率分别为84.0%、90.8%和21.4%，从总体上来看，BARF—A与生物陶粒预处理效果相当；而BARF—B和BARF—C的去除率相对要低一些，其中对亚硝酸盐氮的去除率低10%左右，对有机物的去除率低5%左右。在去除有机物方面，活性炭吸附是最有效的单元处理技术，新炭对有机物的去除率高达69.3%，这是BARF及生物陶粒预处理所无法比拟的。而活性炭对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率仅分别为11.6%和14.8%，比BARF和生物陶粒预处理都低得多。
　　通过对三种BARF运行效果的长期对比分析，以及对生物量及生物活性的实际测定，BARF—A的总体处理效果最好且运行最稳定，缺点是滤料的价格比较高，而B和C滤池虽然效果及运行的稳定性相对要差一些，但这两种滤料的价格比较便宜，有经济上的优势。

2　机理探讨

　　BARF强化过滤的基本原理是其上层生物活性滤料的生物处理作用，三种BARF的滤层高度均为0.9 m，滤速达10 m/h；而生物陶粒预处理池的滤层高度为2 m，滤速仅为4～6 m/h。因此，BARF的空床停留时间(EBCT)仅为5.4 min，而生物陶粒滤池的则高达20～30 min。除了BARF—B和BARF—C对亚硝酸盐氮和有机物的去除率相对要低一些外，BARF—B、BARF—C在氨氮的去除率方面与生物陶粒相差不大，而BARF—A在各项指标上与生物陶粒预处理效果相当。产生这种差异的主要原因除了滤料本身不同外，可能还存在以下两方面的原因：①生物预处理中，陶粒滤料的粒径为3～5 mm，而BARF中三种生物活性滤料的粒径在1.5～3.0 mm之间。由于粒径小使滤料的比表面积增大，单位体积滤料所挂载的生物膜量就多，所以BARF生化反应速率相应就快；②根据工艺上的要求，生物陶粒滤池是放在混凝沉淀之前的单元处理构筑物，进水浊度较高；而BARF置于混凝沉淀之后，进水浊度则要低得多。较高的进水浊度会影响生物膜的活性，降低生物膜对基质(氨氮、亚硝酸盐氮和有机物等)的去除效率。

3　经济比较

　　以三种滤料中价格最高的A为例，一座10×10⁴m³/d的自来水厂若将普通滤池改造成生物活性滤池，则总的改造费用需要100万元左右。若采用生物陶粒预处理，由于其设计滤速为4～6 m/h，滤层高为2 m，基建和设备投资将达1 000～1 500万元，而采用活性炭吸附深度处理也需900～1 000万元。如果采用价格便宜的B、C滤料，则生物活性滤池的改造投资将下降至60万元左右。所以，生物活性滤池比生物陶粒预处理及活性炭吸附深度处理投资要节省很多。从运行费用看，如果原水中氨氮浓度较低而溶解氧较高，则无需对生物活性滤池进行曝气，此时的生物活性滤池与普通滤池的运行费用基本相同；如果原水中氨氮浓度较高而溶解氧浓度较低时，运转费用约为0.02～0.03 元/m³。而生物陶粒预处理为0.08～0.10 元/m³，活性炭吸附深度处理的运行费用则为0.12～0.15 元/m³。所以无论是从投资还是从运行费用来讲，生物活性滤池在经济上都有优势。

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　　作者简介：黄晓东(1965-)，男，湖北荆门人，博士，工程师，研究方向为给水处理。
　　电　　话：(0755)5701154(O)13823168957
　　收稿日期：2000-12-29