生物滤池加入常规工艺的位置对净水效果的影响*

陆少鸣 李东 胡常浩

(华南理工大学环境科学与工程学院，广东广州510006)

自来水厂“混凝－沉淀－砂滤－消毒”常规净水工艺的主要作用是去浊与灭菌，对原水中的氨氮和溶解性有机物的去除效果甚微.为了解决经济高速发展与水源污染严重之间的矛盾，保障饮用水安全，我国在“十五”期间首次确定了以臭氧－生物活性炭(O3-BAC)深度工艺作为微污染水源保障供水安全的主流工艺，在自来水厂“混凝－沉淀－砂滤”常规工艺中投加臭氧，并后置降流式生物活性炭滤池(DBACF)进行深度处理.通过臭氧氧化、颗粒活性炭吸附与生化协同作用，该工艺对常规工艺出水残留的微污染物质净化效率高，应对水源突发污染能力强［1］.据统计，自2004年广州市南洲水厂100万t/d规模的DBACF深度处理工程投产以来，我国珠三角地区目前已经有3座DBACF工艺水厂，总处理规模达到180万t/d，全国已有20多座DBACF工艺水厂，累计深度处理规模接近1000万t/d［2］.但是，由于珠三角地区常年高温潮湿，在已建成的DBACF工艺水厂不同程度地出现了炭滤池孳生微型生物问题，对饮用水安全产生了新的隐患［3］.

给水曝气生物滤池预处理工艺净化原水的氨氮硝化率高，除铁除锰效果显著，预氧化助凝作用优于其它工艺，借助对常规工艺的生物强化显著提高了有机物的总去除率.此外，前置生物处理单元易于现有水厂的升级改造，可以利用原水提升泵的富裕水头，工程建设中不影响正常供水［4］.但是前置生物处理单元承受原水高浊度以及水生生物的不利影响，增加了运行维护的难度;而且直接处理原水不适合选用颗粒炭作为滤料.以新塘水厂高速给水曝气生物滤池(HUBAF)为例，由于其采用了轻质陶粒滤料，就吸附作用而言，无法与颗粒活性炭相提并论，故在应对水源突发污染事故方面有所逊色［5］.

中置生物滤池设在常规工艺的沉淀池与砂滤池之间，通过混凝沉淀已经去除了进水中绝大部分的浊度物质，有条件采用颗粒炭滤料进行高效吸附与生化，又有砂滤池殿后，不需要对出水浊度和微生物指标加以控制，故可以采用升流式曝气生物活性炭滤池(UBACF)技术，通过鼓风曝气供氧和促进传质，提高氨氮硝化率和有机物的生物降解能力，滤池的冲洗标准也有所降低.当然，UBACF对待滤水浊度的要求有所提高，而且用于现有水厂改造时实施难度较大，通常仅适合新建水厂应用.

在亚热带地区，地表水最低水温在10℃以上，平均水温在20℃以上，针对氨氮和有机物微污染饮用水源，适合在给水常规工艺的基础上增加给水生物处理工艺.而且随着新国标的实施，将有更多的自来水厂在常规工艺基础上增加生物处理工艺.文中通过对比后置、前置和中置给水生物滤池3种工艺的特点，以期为自来水厂采用给水生物滤池技术进行升级改造提供参考.

1 工程案例及对比试验

1.1 后置给水生物滤池工程案例

1.1.1 某自来水厂DBACF工程概况

珠三角某自来水厂采用全流程O3-BAC工艺，净水规模为100万t/d，自2004年底建成投产至今已运行6年，水源水质属于地表水Ⅱ－Ⅲ类，出厂水符合(GB 5749—2006)《生活饮用水卫生标准》.

1.1.2 水厂DBACF工艺流程及技术原理

该水厂采用“预臭氧—混凝—沉淀—砂滤池—后臭氧—DBACF—消毒—清水池”工艺流程，如图1所示.原水首先进预臭氧接触池，通过水射器定量投加臭氧，预臭氧量0～1.5 mg/L，接触时间≥4 min;然后进行“混凝—沉淀—砂滤”常规处理，砂滤池采用均匀级配粗砂滤料，其有效粒径 d10=0.9～1.1mm，厚度1.2m，设计滤速 9 m/h;常规处理出水进后臭氧接触池，通过微孔扩散器投加臭氧，后臭氧量为0～2.5 mg/L，投加量由出水余臭氧质量浓度(ρ)自动控制，ρ的设定范围为0 ～0.4mg/L，接触时间≥10 min;再经DBACF吸附和生化.DBACF采用φ1.5mm煤质柱状炭，厚度2 m，下部为0.5 m 厚粗砂垫层(同砂滤池)，设计滤速为9m/h;DBACF出水进行消毒和加碱调节pH值，最后进入清水池.

图1 珠三角某自来水厂DBACF工艺流程图Fig.1 DBACF process flow of a waterworks in Pearl River Delta area

DBACF工艺原理如下:

(1)预臭氧—常规处理.在常规处理前投加臭氧，旨在利用臭氧的预氧化作用［6］提高常规处理的效果.预臭氧可以降低原水中颗粒物表面电荷的稳定性从而增强混凝作用［7-8］，去除溶解性铁和锰、藻类，减轻色度，改善臭味，并直接氧化去除部分简单的有机物及其它还原性物质.与反应池前加氯相比，预臭氧可以减少有机氯化物的生成.

(2)后臭氧—DBACF—消毒.后臭氧—DBACF将臭氧氧化与消毒、活性炭吸附和生物氧化降解功能合为一体.臭氧的作用首先是消毒，它可以将原水携带的贾第虫与隐孢子虫等耐氯性强的致病微生物灭杀;针对常规工艺出水残留的微污染物质，臭氧除了能直接去除部分简单的有机物及其它还原性物质外，还能将水中难降解的大分子有机物氧化成小分子有机物，提高处理水的可生化性，而且分解后的小分子有机物亲水性得到提高，更容易被活性炭吸附和被附着在活性炭上的细菌生物降解［9］;臭氧氧化后生成的氧气能在DBACF生化过程中起充氧作用［10］.DBACF出水加氯消毒，并保证出厂水余氯满足管网余氯消耗的要求.在DBACF后加氯消毒可以减少氯化消毒副产物的生成.

1.2 前置给水生物滤池工程案例

1.2.1 新塘水厂HUBAF工程概况

新塘水厂原水取自东江北干流，其主要的超标项目是氨氮和有机污染物，原水氨氮质量浓度常在1.0mg/L 以上，但不超过 3.0mg/L;CODMn有时超过4mg/L，个别时段甚至超过6mg/L，其它水质指标常年处于(GB 3838—2002)《地表水环境质量标准》的Ⅱ－Ⅲ类.水厂原有工艺为常规工艺，要求进行工艺升级改造，保证供水水质达到新国标(GB 5749—2006).限于实施条件，新塘水厂没有足够的场地兴建DBACF工程，而且由于广州市东部供水紧张，需要保证新塘水厂在施工期间正常生产.为此，确定采用高效生物预处理工艺.新塘水厂HUBAF工程于2009年动工，于2010年11月建成投产，生物预处理规模为73.5万t/d，供水水质完全符合(GB 5749—2006)《生活饮用水卫生标准》.

1.2.2 新塘水厂HUBAF工艺流程及技术原理

新塘水厂采用“HUBAF—常规处理”工艺流程，如图2所示.来自现有原水提升泵站的原水流入HUBAF系统的进水渠和配水渠，经10目滤网截滤后进入各座HUBAF的配水配气槽.集中的鼓风曝气系统通过池内膜孔曝气管或单膜孔曝气滤头进行曝气，与池内水流同向上升，穿过滤头、0.3 m卵石垫层和3.2m厚φ6～10 mm轻质陶粒滤层，净化出水流入出水槽，然后汇流进入水厂常规处理系统.HUBAF采用气水联合上、下冲洗系统，冲洗水源为HUBAF出水，冲洗排水与HUBAF出水汇合.

图2 新塘水厂HUBAF工艺流程图Fig.2 Process flow of HUBAF in Xintang waterworks

HUBAF工艺原理如下:HUBAF轻质陶粒表面的硝化菌生物膜能够在数分钟内实现氨氮的硝化，因此，HUBAF采用14～16 m/h的高滤速仍能够实现预处理出水氨氮质量浓度小于0.5 mg/L的目标，占地面积大幅度减小.HUBAF预氧化削弱了大分子有机物以及藻类对混凝沉淀的干扰，而胶体物质流经滤料后Zeta电位降低，被截滤的悬浮颗粒物(SS)又随冲洗排水全部流入反应池，因而具有助凝作用［11］.HUBAF不仅通过预氧化除铁除锰，也会在陶粒表面形成类似铁砂和锰砂的催化膜，起到加速除铁除锰的作用.HUBAF出水携带生物膜和大量溶解氧，对后续常规处理系统具有生物强化作用，由于常规工艺的水力停留时间(HRT)长达1～2 h以上，故可以显著提高有机物的去除效果.

1.3 前置与后置给水生物滤池对比中试

1.3.1 HUBAF与 DBACF对比中试概况

新塘水厂选择HUBAF工艺之前，于2009年初进行了HUBAF与DBACF对比中试.两中试系统按照设计参数稳定运行后，于同年3月份进行同期对比研究.新塘水厂原水水质在2009年3月份达到一年中最差，中试侧重考查两者硝化氨氮和去除CODMn的水平.

1.3.2 HUBAF与DBACF对比中试工艺流程

HUBAF中试装置设计流量为15 m3/h，工艺流程如图3所示.HUBAF装φ6～10 mm轻质陶粒，厚3.2m，下部卵石垫层厚0.3 m，滤速 16 m/h;反应器HRT=13min;沉淀器表面负荷7m3/(m2·h);砂滤器装均匀级配砂滤料，厚1.2 m，有效粒径 d10=0.9 ～1.1mm，滤速9m/h.

图3 HUBAF—常规处理中试系统工艺流程图Fig.3 Process flow of HUBAF-conventional treatment pilot test

DBACF工艺中试装置设计流量为15m3/h，工艺流程图与图1类似.预臭氧接触池HRT=4min，设计臭氧投加量0 ～1.0mg/L，现阶段投加量0.5mg/L;常规处理试验装置的设计参数同HUBAF—常规处理中试;后臭氧接触池HRT=13min，设计臭氧投加量0～2mg/L，现阶段投加量0.5mg/L;DBACF 装 φ1.5mm柱状炭，厚2m，下部砂垫层厚0.5m，滤速9m/h.

1.4 中置与后置给水生物滤池工艺对比试验

1.4.1 UBACF中试系统与自来水厂DBACF工艺对比试验概况

为了比较UBACF与DBACF工艺的效果，2011年在前述(第1.1节)某自来水厂开展了UBACF中试，以该厂的沉淀池出水(待滤水)作为UBACF中试系统的进水，同步比较 UBACF中试与水厂DBACF工艺最终出水的微型生物以及氨氮、CODMn和UV254的去除效果，同时也将UBACF中试与自来水厂O3-BAC工艺的砂滤池出水的微型生物进行比较，以反映UBACF工艺较常规工艺对微型生物泄漏的改善情况.

1.4.2 UBACF 中试工艺流程

UBACF中试装置设计流量为12 m3/h，工艺流程如图4所示.后臭氧接触池HRT=11 min，来自水厂沉淀池的出水已经过0.3mg/L臭氧预氧化，后臭氧投加量1.0mg/L;UBACF装1.5mm柱状炭(取自水厂炭滤池)，厚2m，下部敷设0.7 m厚φ3～5 mm陶粒，滤速10.5m/h.UBACF拥有砂滤池殿后，无需严控生物活性炭滤池(BACF)的出水浊度等过滤指标，故采用升流式双层滤料曝气生物活性炭滤池，并设有鼓风曝气系统;砂滤器装填的石英砂取自水厂砂滤池，厚1.2m，滤速9m/h.

图4 UBACF工艺中试系统流程图Fig.4 Process flow of UBACF pilot test system

2 工艺效果分析

2.1 某自来水厂DBACF工艺

2.1.1 DBACF 净水效果分析

(1)CODMn去除效果

该自来水厂自2004年底投产以来，原水CODMn为0.7 ～11.2 mg/L，常规工艺出水 CODMn为 0.2 ～1.4 mg/L，平均去除率在 60%左右，DBACF出水CODMn为0.1 ～1.0mg/L，DBACF 的单元CODMn去除率为32.4% ～24.8%.在第1水文年新炭吸附容量大;第2水文年，BAC吸附能力降低，表现为DBACF单元CODMn去除率从第1年的32.4%降至第2年的27.3%，降幅达到5.1%.第2至第6水文年的5年间CODMn去除率仅下降2.5个百分点，说明DBACF吸附与生化再生趋于动态平衡，其主要依靠生物降解去除有机物，CODMn去除效果趋于稳定.

(2)氨氮去除效果

该厂原水氨氮质量浓度为0.02～1.40mg/L，常规工艺出水的为0.02～0.55 mg/L，DBACF出水的为0.02～0.52mg/L.DBACF对氨氮不具有吸附作用，完全依靠颗粒炭表面的自养菌生物膜硝化氨氮［12］，去除氨氮效果有限，通常只能将原水氨氮从2 mg/L降至0.5mg/L以下，一旦原水氨氮高于2 mg/L，则出厂水氨氮超标率迅速上升.其原因有两点:其一，后臭氧接触池出水溶解氧仅够去除约1.5mg/L的氨氮;其二，DBACF内水流近层流，氨氮传质能力不足.

(3)微型生物去除效果

DBACF滋生多种浮游生物和底栖动物，微型生物种类和数量呈季节性变化，由于不能在炭滤池中加氯消毒，炭床下部敷设的0.5m厚滤砂对活体微型生物没有截滤作用.微型生物穿透生物活性炭滤池后，经过加氯消毒，虽然绝大部分可以在清水池内灭杀［13］，但是出厂水可能出现肉眼可见物，影响出水水质.

2.1.2 DBACF 的运行维护

水厂的砂滤池的出水浊度在0.1～0.25NTU之间，DBACF对浊度没有进一步的去除作用，冲洗周期为3～6d，维护管理工作量小;但是对冲洗要求较高，需保证DBACF的初滤水能够达标.

2.2 新塘水厂HUBAF工艺

2.2.1 HUBAF 净水效果分析

(1)CODMn去除效果

新塘水厂HUBAF工艺自2010年11月投产以来，原水水温为11 ～27℃，CODMn为1.8 ～6.9mg/L;HUBAF出水 CODMn为 1.5 ～3.6 mg/L，HUBAF 的CODMn去除率 为9.4% ～27.5%.HUBAF 单元的CODMn去除率不高，其原因在于HUBAF的陶粒滤料对有机物缺少吸附能力，而滤料空床接触时间仅为12～14 min，生化时间不足.但是HUBAF出水携带微生物及丰富的溶解氧，可以在反应池与沉淀池内继续发挥生化作用［14］.常规工艺经过生物强化，出厂水CODMn在0.8 ～2.0mg/L 之间，均小于2.0mg/L.

(2)氨氮去除效果

新塘水厂原水氨氮的质量浓度为0.44～2.85mg/L;HUBAF出水氨氮的质量浓度为0.02～0.48mg/L，小于0.5mg/L，说明 HUBAF 对氨氮的去除效果优良.其原因在于轻质陶粒表面粗糙且具有亲水性，硝化与亚硝化细菌等自养菌生物膜能够牢固附着，而高滤速和曝气不断清洗覆盖到滤料表面的SS，保证了生物膜与水中氨氮、溶解氧的高效传质［15］.

(3)HUBAF预氧化作用

HUBAF预氧化作用体现在除锰、除铁和助凝等个方面.在除锰、除铁方面，水厂原水锰和铁的质量浓度分别为0.07 ～0.22mg/L 和0.08 ～1.60mg/L，出厂水锰和铁的质量浓度分别为0～0.05 mg/L和0 ～0.13mg/L，平均去除率分别达到92.0%和96.8%.HUBAF除锰、除铁效果显著不仅是因为生化作用，还由于陶粒表面会形成铁质和锰质活性滤膜，在曝气氧化原水中铁和锰的过程中起催化作用.在助凝方面，HUBAF采用大颗粒球形轻质陶粒，可以适度流化，平均截滤浊度仅为4NTU左右，平均去除率仅为19.5%左右，既减缓了过滤水头增长，又减轻了对混凝的负面影响.HUBAF的陶粒降低了水中胶体的Zeta电位，通过预氧化大大削弱了大分子有机物对混凝的干扰，具有显著的助凝作用，混凝剂用量可以节约30%以上，而且水厂待滤水浊度从1.0～1.5 NTU降至0.8NTU以下.

2.2.2 HUBAF 的运行维护

生产运行期间，HUBAF采用上冲洗和下冲洗结合的方式进行反冲洗［16］:4d上冲洗，1d下冲洗.上冲洗能将截留在滤料层上部的泥和老化的生物膜有效地冲刷掉，冲洗出水直接排入出水渠;下冲洗通过气冲下排水方式清除积累在滤料下层的惰性SS，但下冲洗水需要提升回收.冲洗前后过滤水头损失相差3～8 cm，20座生物滤池集中鼓风曝气未出现配气不均匀现象.为保证长期稳定运行，HUBAF采取了保证其正常运行的措施:进水渠安装10目滤网拦截大于2mm的颗粒物;利用底部配水区沉砂积砂，通过下冲洗系统予以排除.目前存在的主要问题是每日清洗滤网以及冲洗滤池增加了维护管理的工作量.

2.3 HUBAF与DBACF对比中试

新塘水厂2009年3月份原水氨氮的质量浓度平均为1.24 mg/L，水厂常规工艺出水氨氮全部超标.HUBAF与DBACF两种工艺均达到出水氨氮质量浓度小于0.5 mg/L的标准，其中HUBAF的氨氮去除率更高.各工艺的氨氮去除效果对比见图5.

图5 氨氮去除效果对比Fig.5 Comparison of NH3-N removal efficiency

新塘水厂2009年3月份原水 CODMn平均为3.34mg/L，水厂常规工艺出水 CODMn为 1.16 ～2.07mg/L，相对原水的CODMn平均去除率约为50.0%.HUBAF与DBACF两种工艺的出水CODMn均小于2.0mg/L，HUBAF—常规处理生物强化工艺的CODMn去除率比水厂常规工艺约高11.5%，但比DBACF工艺约低2.5%.各工艺的CODMn去除率见图6.

图6 CODMn去除率对比Fig.6 Comparison of CODMnremoval efficiency

对比中试表明:HUBAF与DBACF两种工艺对微污染原水的氨氮、CODMn均有很好的处理效果，均能够达到GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》的要求;HUBAF—常规处理生物强化工艺与DBACF工艺对有机物的去除水平基本相当，能够实现深度净水工艺的水质目标.

2.4 UBACF中试系统与某自来水厂DBACF工艺的对比

2.4.1 净水效果分析

(1)微型生物去除效果

在UBACF中试系统砂滤器进水处直接投加次氯酸钠，控制砂滤器出水余氯质量浓度在1.5～1.7mg/L之间，与水厂水余氯量相同，出水微型生物对比情况见表1.UBACF中试系统中，除了摇蚊幼虫等耐氯性强［17］的微型生物之外，大部分微型生物已被灭杀，最终出水对微型生物的去除效果优于常规工艺出厂水，大部分微型生物的数量比DBACF工艺出厂水的减少95%以上.

表1 试验系统与水厂滤池出水微型生物密度对比Table 1 Comparison of tiny creature density between outlet of filter in test system and waterworks 个/m3

(2)有机物和氨氮去除效果分析

对CODMn和UV254的去除反映了去除有机物的能力.UBACF中试系统与DBACF工艺水厂的对比情况见表2.由表2可见试验系统与水厂最终出水的CODMn和UV254指标在同一水平.由于原水氨氮浓度很低，两者的氨氮处理效果区别不大.

表2 试验系统与水厂出水的表征有机物的水质指标对比Table 2 Comparison of indices quantifying organics between effluent of test system and that of waterworks

2.4.2 UBACF 的运行维护

UBACF下部陶床既具有生化作用，又能够初滤待滤水，陶床孔隙大，截滤SS后过滤水头损失增长缓慢.待滤水经过陶床初滤之后浊度易降至1.0NTU以下，有利于炭床发挥吸附与生化作用.曝气不仅起供氧作用，还会大大增加水中微污染物向滤料表面传质的速率［18］.其冲洗强度与DBACF相当，而冲洗要求放宽，不会加重活性炭的磨损程度.由于砂滤池殿后解决了微型生物泄漏问题，UBACF的冲洗周期可以适当延长至6～10d，维护管理工作量最小.

3 结论

文中对给水生物滤池加入常规处理流程不同位置的工艺效果进行对比，发现:后置DBACF工艺臭氧和活性炭吸附容量利用率高，对有机物的去除效果好，冲洗周期较长，但是负荷率低，氨氮硝化能力有限，处理氨氮高于2 mg/L的原水较难达标，且在亚热带地区，其出水微型生物泄漏问题有待解决;前置HUBAF工艺可以直接将氨氮去除至0.5mg/L以下，而且预氧化和生物强化效果显著，HUBAF—常规处理生物强化工艺对CODMn的去除率约为50%，与后置DBACF工艺基本持平，但运行管理受到原水高浊度以及水生生物的不利影响;中置UBACF对氨氮硝化效果与前置HUBAF相同，对有机物净化效果与后置DBACF类似，拥有活性炭吸附应对突发污染事故的优势，通过后续消毒过滤可大幅度降低泄漏微型生物的风险，但用于现有水厂升级改造时需要增加提升泵房，且往往缺少用地空间.

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