論文作者：鄒偉國(guó) 沈裘昌 李正明　徐立順 王錦華 李春森

摘要：新型BIOSMEDI工藝采用輕質(zhì)顆粒濾料及與其相適應(yīng)的脈沖反沖洗方式。工藝具有濾料比表面積大，濾層阻力小，反沖洗周期長(zhǎng)，反沖洗耗水和耗氣量小，工程投資低，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。在上海徐涇自來(lái)水廠預(yù)處理中，濾料粒徑為5～6 mm，采用穿孔管布?xì)?，濾池出水反沖洗。結(jié)果表明，運(yùn)行時(shí)氣水比為(0.5～0.7)∶1，反沖洗耗水率低于1%，濾層阻力不大于0.5 m，出水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)得到明顯改善。

關(guān)鍵詞：BIOSMEDI工藝 輕質(zhì)顆粒濾料 脈沖反沖洗

隨著人們對(duì)水質(zhì)的要求提高，生物預(yù)處理作為一種 經(jīng)濟(jì) 且有效的手段，在水廠逐漸得到推廣和 應(yīng)用 ，為提高水質(zhì)起到重要作用。上海徐涇自來(lái)水廠(7萬(wàn)m3/d)生物預(yù)處理工程采用上海市政工程設(shè)計(jì) 研究 院新開(kāi)發(fā)的BIOSMEDI生物濾池(專(zhuān)利號(hào)ZL 00 2 16746.8)，取得了明顯的處理效果，下面就該技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況作簡(jiǎn)要介紹。

1　BIOSMEDI工藝基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行過(guò)程

1.1　基本結(jié)構(gòu)

BIOSMEDI工藝是一種淹沒(méi)式上向流生物濾池，其濾料為輕質(zhì)懸浮球形顆粒濾料。濾池根據(jù)需要可采用混凝土或鋼制，濾料上部采用多孔濾板抵擋濾料的浮力及運(yùn)行時(shí)的阻力。濾池主要由以下幾部分組成：①根據(jù)原水水質(zhì)情況設(shè)計(jì)輕質(zhì)濾料濾床及與濾料相適應(yīng)的濾板;②為反沖洗設(shè)置的獨(dú)特的脈沖反沖洗系統(tǒng);③配水及均勻出水收集系統(tǒng);④曝氣管道系統(tǒng)。根據(jù)工程的需要還可增設(shè)回流系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)。濾池構(gòu)造示意見(jiàn)圖1。

1.2　工藝過(guò)程

生物濾池為周期運(yùn)行，從開(kāi)始過(guò)濾到反沖洗結(jié)束為一個(gè)周期。正常運(yùn)行時(shí)，原水通過(guò)進(jìn)水分配槽進(jìn)入濾池下部，在布水系統(tǒng)及濾料阻力的作用下使濾池進(jìn)水均勻。空氣布?xì)夤馨惭b在濾層下部，采用穿孔布?xì)夤苓M(jìn)行布?xì)?。由于濾料表面附著大量的微生物，利用進(jìn)水中的溶解氧降解一部分有機(jī)物及氨氮，出水由上部集水槽收集。

圖1　BIOSMEDI濾池構(gòu)造

隨著過(guò)濾的進(jìn)行，填料上的生物膜增厚，并截留一部分懸浮物質(zhì)，此時(shí)需要對(duì)濾層進(jìn)行反沖洗。濾池沖洗采用脈沖反沖洗，沖洗過(guò)程如下：當(dāng)某格濾池需要反沖洗時(shí)，首先關(guān)閉進(jìn)水閥及曝氣管，再打開(kāi)反沖洗氣囊進(jìn)氣管，當(dāng)氣囊中空氣達(dá)到一定容積后，打開(kāi)快速放氣閥;這時(shí)濾池中的水迅速補(bǔ)充至氣囊中，導(dǎo)致濾料突然向下膨脹，在水流剪切力作用下，附著在濾料上的懸浮物質(zhì)脫落;同時(shí)通過(guò)水的輸送作用，把濾池下部沉淀污泥送到氣囊中;最后打開(kāi)排泥閥，利用其他正在運(yùn)行的生物濾池出水對(duì)濾層進(jìn)行水漂洗，同時(shí)排出下部污泥，達(dá)到有效清潔濾料的目的。

2　工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行

2.1　原水水量及水質(zhì)

上海徐涇自來(lái)水廠生物預(yù)處理工程規(guī)模為7萬(wàn)m3/d。

上海徐涇自來(lái)水廠原水采用淀浦河水，水中色度較高，氨氮、亞硝酸鹽、耗氧量及鐵、錳的含量偏高，進(jìn)水中氨氮平均值一般約4～5 mg/L，最高達(dá)7 mg/L左右，原水中的錳含量約0.1～ 0.3 mg/L，最高在0.4 mg/L以上，因此決定增加生物預(yù)處理工藝以改善原水水質(zhì)。

2.2　工藝的選擇

上海徐涇自來(lái)水廠常規(guī)處理工藝已經(jīng)建成，根據(jù)水廠預(yù)處理場(chǎng)地小，一級(jí)泵房富裕揚(yáng)程小，進(jìn)水氨氮含量高等特點(diǎn)，要求預(yù)處理阻力小，占地面積小，同時(shí)處理效率高。生物預(yù)處理工藝中填料是 影響 生物濾池運(yùn)行的關(guān)鍵，填料的種類(lèi)決定了處理構(gòu)筑物的形式、工程投資及運(yùn)行管理方式。 目前 常用的填料有彈性填料、陶粒及輕質(zhì)濾料等。為了指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行，曾對(duì)三種不同填料利用某水廠原水對(duì)氨氮的預(yù)處理效果進(jìn)行中試，不同生物預(yù)處理形式對(duì)氨氮去除的部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　不同生物預(yù)處理形式對(duì)氨氮去除的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

注：*水溫為12～20 ℃，**水溫為20～25 ℃。

試驗(yàn)結(jié)果表明：BIOSMEDI工藝采用顆粒濾料，處理效果相對(duì)較好，而且采用氣水同向流，具有運(yùn)行時(shí)阻力小，反沖洗設(shè)備簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，因此工程中推薦采用 BIOSMEDI生物濾池預(yù)處理工藝(見(jiàn)圖2)。

圖2　徐涇自來(lái)水廠工藝流程

2.3　生物濾池設(shè)計(jì)參數(shù)

輕質(zhì)濾料生物濾池共12座，成雙排布置，中間設(shè)走道及控制室，總平面尺寸為47.65 m×23 .3 m。濾池進(jìn)水設(shè)有XGC-1300機(jī)械細(xì)格柵2臺(tái)，以去除較大垃圾。整個(gè)濾池設(shè)有進(jìn)水總槽，進(jìn)水分配溢流堰和出水總槽。濾池通過(guò)堰跌落均勻配水，每格濾池有效面積為6.5 m×6 m ，濾池總深度為5.5 m，考慮進(jìn)水氨氮較高，采用濾速為6.5 m/h，有效水力停留時(shí)間為45 min。每座濾池分為2格，兩格中間上部設(shè)有出水槽，下部設(shè)有濾池反沖洗氣囊。每格濾池設(shè)有DN300進(jìn)水管、DN350排泥管、DN300放氣管、DN100曝氣管及放空管等。濾料放氣采用DN300氣動(dòng)快開(kāi)閥門(mén)，便于快速開(kāi)啟。每格濾池上部采用閥門(mén)連通，便于反沖洗時(shí)濾池上部出水相互補(bǔ)充。濾料采用輕質(zhì)顆料濾料，粒徑為5～6 mm, 濾層厚度為2 m。

濾池曝氣采用羅茨風(fēng)機(jī)4臺(tái)(3用1備)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)流量20 m3/min ，功率30 kW，氣水比可根據(jù)需要控制為(0.4～1.2)∶1?？紤]到濾料對(duì)氣體的剪切及阻擋作用，使氧的利用率大大提高，生物濾池曝氣采用穿孔管進(jìn)行曝氣，穿孔管孔徑為3 mm。反沖洗風(fēng)機(jī)2臺(tái)(1用1備)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)流量3 m3/min，功率7.5 kW。

濾池下部沉淀的懸浮物質(zhì)及濾池反沖洗的生物膜通過(guò)穿孔排泥管排至廠區(qū)污泥池。

2.4　運(yùn)行情況

工程于2003年2月竣工(見(jiàn)圖3)，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。3月13日開(kāi)始微生物培養(yǎng)，此時(shí)水廠原水水溫為8～14 ℃，平均運(yùn)行水量為5萬(wàn)～6萬(wàn)m3/d。到4月初，生物預(yù)處理對(duì)氨氮的去除效果明顯上升。4月10日，生物濾池對(duì)氨氮的去除已達(dá)到設(shè)計(jì)的去除效果，進(jìn)水氨氮在3～4 mg /L的情況下，出水氨氮在1 mg/L以下，微生物培養(yǎng)結(jié)束。

圖3　生物預(yù)處理濾池實(shí)景

工程運(yùn)行結(jié)果表明：經(jīng)生物預(yù)處理后，在進(jìn)水氨氮4～5 mg/L的情況下，水中的氨氮去除率達(dá)80%左右。在開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)機(jī)的情況下，出水溶解氧能基本在5 mg/L以上，水廠沉淀池加藥量降低約20%。同時(shí)生物預(yù)處理前，水廠出水色度約10～12度，經(jīng)生物預(yù)處理后，出水色度約5 ～9度，水廠出水的色度明顯降低，水中的嗅味得到明顯改善，總體感官性狀指標(biāo)大為改善，工程達(dá)到預(yù)期效果。

濾池反沖洗頻率為4～8 d/次，濾層阻力保持在0.5 m以下。經(jīng)反沖洗耗水量測(cè)定，每次每池反沖洗水量在150～180 m3左右，反沖洗耗水量控制在1%以下。

2.5　工程效益 分析

2.5.1　工程投資

生物預(yù)處理工程直接投資約為690萬(wàn)元(包括地基處理費(fèi)用50萬(wàn)元)，整個(gè)生物預(yù)處理工程若不考慮樁基部分則單位直接工程造價(jià)約92元/m3 。

2.5.2　處理成本

生物預(yù)處理工程的動(dòng)力費(fèi)用由兩部分組成。一部分是因在常規(guī)處理工藝前增加生物預(yù)處理工藝，需要一級(jí)泵房增加提升1.5 m，另一部分是鼓風(fēng)曝氣的動(dòng)力費(fèi)用，生化池常規(guī)運(yùn)行的氣水比只需(0.5～0.7)∶1 即可。以上兩部分動(dòng)力費(fèi)用的單位成本約 0.87分/m3(電費(fèi)以 0.61元/(kW·h)計(jì) )。

3　討論

BIOSMEDI生物預(yù)處理與常規(guī)生物預(yù)處理不同，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)及工程實(shí)踐，下面對(duì)該工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要方面進(jìn)行討論。

3.1　濾池濾料

濾料采用特定的輕質(zhì)顆粒人工合成濾料。濾料比表面積大，價(jià)格便宜，化學(xué)穩(wěn)定性好，并可根據(jù)不同的水質(zhì)要求選擇合適的粒徑。濾料粒徑是設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的重要因素，直接 影響 到濾池的運(yùn)行和處理效果。粒徑偏小，濾料容易從上部穿孔濾板跑失，運(yùn)行過(guò)程中濾層阻力損失增加較快，反沖洗頻率增加。反之，則濾料比表面積減少，可能對(duì)去除效果存在一定的影響。因此需要根據(jù)原水水質(zhì)，穿孔濾板縫隙大小及工程運(yùn)行綜合考慮，在本工程中，濾料粒徑采用5～6 mm,在工程運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)濾料流失現(xiàn)象。

該工藝采用顆粒濾料濾池，單位體積內(nèi)附著的生物量大，增大了生物濾池的容積負(fù)荷，使生物濾池去除效率大大提高;另外，在運(yùn)行過(guò)程中，強(qiáng)烈的水、氣流作用及周期性的反沖洗，使生物膜內(nèi)的生物大多停留在細(xì)菌、菌膠團(tuán)、原生生物階段。一些附著型生物及水生生物難以在濾料內(nèi)生長(zhǎng)，而且由于生物膜厚度較薄，具有較高的活性，有利于對(duì)水中污染物的去除。

3.2　穿孔濾板

濾池上部出水濾板是影響B(tài)IOSMEDI濾池能否正常運(yùn)行的重要因素。根據(jù)工藝的特點(diǎn)，濾板必須滿(mǎn)足以下基本要求：①濾板需要承受濾料的浮力及反沖洗時(shí)產(chǎn)生的阻力;②由于濾料粒徑較小，濾板需要密封，確保正常運(yùn)行時(shí)濾料不逸出;③濾板必須有較大的開(kāi)孔率，以滿(mǎn)足出水要求;④濾板長(zhǎng)期浸泡在水中，要具有較好的防腐能力。另外，濾板還需考慮便于濾料安裝、拆卸，價(jià)格便宜等因素。本工程根據(jù)要求設(shè)計(jì)高強(qiáng)度玻璃鋼多孔濾板，濾板總開(kāi)孔率控制在10%以上，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)濾料跑出，工程達(dá)到預(yù)定要求。

3.3　布?xì)夥绞?/p>

傳統(tǒng)的微孔曝氣器易堵塞，易損壞。考慮到濾料對(duì)氣泡的剪切和阻擋作用，有利于氧氣的傳質(zhì)，因此設(shè)計(jì)采用較簡(jiǎn)單的穿孔布?xì)夤堋Ｆ貧怙L(fēng)機(jī)為3臺(tái)，氣水比為(0.4～1.2)∶1，設(shè)計(jì)氧利用率取15%。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在進(jìn)水氨氮較高的情況下，僅開(kāi)1臺(tái)風(fēng)機(jī)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)氣水比為(0.5～0.7)∶1，出水溶解氧基本在5 mg/L以上，說(shuō)明實(shí)際氧利用率遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)氧利用率。因此該工藝布?xì)饪刹捎么┛坠?，不僅可節(jié)省工程投資，而且曝氣設(shè)備維修和管理方便。

3.4　濾層阻力

該生物濾池采用氣水同向流，在保證去除效果的條件下，可以允許較高的濾速。一方面可提高濾池內(nèi)傳質(zhì)效果，提高處理效率，降低工程投資及占地面積。另一方面避免了氣水逆向流時(shí)水流速度和氣流速度的相對(duì)抵消而造成的能量浪費(fèi)。另外，本工藝濾料粒徑較均勻，濾層的孔隙率較大，濾池運(yùn)行時(shí)的水頭損失較小，因此本工程濾池進(jìn)水槽水位與濾池出水水位總體設(shè)計(jì)高差為0.8 m(包括進(jìn)水堰跌落和進(jìn)水管道損失)。由于濾層阻力小，從而能較好地與后續(xù)反應(yīng)沉淀池銜接。

3.5　濾池脈沖反沖洗方式

采用脈沖反沖洗 方法 是本工藝的主要特點(diǎn)之一。由于濾料介質(zhì)輕，傳統(tǒng)的水反沖、氣水反沖均難以奏效。該濾池采用獨(dú)特的反沖洗形式，在濾池下部及側(cè)邊設(shè)置反沖洗氣囊，利用濾池下部的氣囊池壁組成泥斗，結(jié)合反沖洗氣囊及排泥的雙重功能。反沖洗時(shí)在濾池氣囊中充氣，達(dá)到設(shè)定液面后，快速打開(kāi)放氣閥，利用氣釋放速度較快的特點(diǎn)，形成水流向下反沖洗，經(jīng)測(cè)定水反沖洗強(qiáng)度可達(dá)80～100 L/(s·m2)，在水流的剪切作用下，達(dá)到對(duì)濾料沖洗的目的。因此，這種反沖洗不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的反沖洗水泵及反沖洗貯水池，減少了反沖洗設(shè)備，節(jié)約工程造價(jià)。

4　結(jié)語(yǔ)

新型BIOSMEDI生物預(yù)處理工藝以輕質(zhì)顆粒濾料為介質(zhì)及與濾料相適應(yīng)的脈沖反沖洗方式，采用氣水同向流，穿孔管布?xì)猓瑢?duì)水中有機(jī)物、氨氮、錳及色度等有較好的去除效果，能有效降低水中嗅味，同時(shí)減少后續(xù)處理的混凝劑投加量及氯消耗量，有效改善出水水質(zhì)，具有工程投資較低，占地面積小，運(yùn)行管理方便，反沖洗耗水和耗氣量小，濾層阻力損失小及與后續(xù)處理銜接方便等優(yōu)點(diǎn)。

參考 文獻(xiàn)

1　鄒偉國(guó),等.BIOSMEDI生物濾池處理微污染原水.給水排水,2002,28(2):5～8

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