污染水源给水生物接触氧化池设计研究

朱彩云

摘要：本文分析了微污染水源水采用生物预处理的意义，对生物接触氧化池的设计方法和参数选择进行了探讨，并结合工程案例进行了说明。

关键词：生物接触氧化池；设计；微污染水源水；生物预处理

0 引言

随着经济发展、城镇扩张以及人口增加，人们对水的需求量也在不断增加，与此同时大量废水排入水体，造成水体污染。实际上，许多城市饮用水源水已经达不到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水质标准。一般将受到有机物污染、部分水质指标超过Ⅲ类水质标准的水体称之为微污染水源水。就目前情况而言，尚无法彻底改变水源水质低劣的现状，所以必须通过处理来保证饮用水的安全。传统水处理工艺“絮凝—沉淀—过滤—消毒”存在感官指标差、有机物去除率低、加大氯量易形成“三致”物质、管网水质稳定性差等弊端，故此改进常规水处理工艺并采取强化传统工艺、增加预处理工艺及深度处理工艺成为必然之选。要取得稳定、可靠、高效的处理效果，往往要综合这三种手段。由于微污染水源的重要特征是富营养化，而传统工艺难以处理小分子量有机物，而这部分有机物正好是微生物有机营养基质的主体，所以生物预处理工艺是非常有效的手段，同时还具有安全可靠、经济易行的特点，因而成为国内外饮用水处理的主要工艺之一。以微污染水源水有机物含量水平，最适宜的生物处理手段是生物膜法，其中生物接触氧化法以其处理能力大、抗冲击负荷能力强、污泥生成量少、出水水质稳定、维护管理方便而获得较多应用。生物接触氧化法的关键设备是生物接触氧化池，虽然生物接触氧化法广泛用于城市污水处理，但用于给水处理还是有较大差别，因此本文对微污染水源给水生物接触氧化池的设计进行了探讨。

1 生物接触氧化池设计方法与参数选择

1.1 设计方法

如前所述，生物接触氧化池用于给水处理与污水处理有较大差别，主要反映在水质差别上，不仅是污水中污染物浓度高得多这一点，更重要的差别是污水水质相对于微污染水源水质要稳定的多，由于污水基底浓度较高，浓度的少量变化对处理效果不致引起很大变化，但对于微污染水源水而言，浓度的微量变化也可能对处理效果产生较大影响。基于这个原因，生物接触氧化池用于生活污水处理的设计方法相对成熟一些，《生物接触氧化法污水处理工程技术规范》（HJ 2009-2011）6.4.1.1给出了填料容积负荷法的计算公式，即根据设计流量、进出水BOD5、填料容积负荷、填料填充率来确定池容，再通过水力停留时间进行核算。但也有研究[1]指出填料容积负荷法忽略了填料比表面积的差异，并不具有通用意义。污水处理尚且如此，那么微污染水源给水处理采用类似公式就更不靠谱了，所以最可靠的设计方法还是针对原水水质、水温、填料类型和处理要求等条件通过小试和中试来最终确定设计参数。

1.2 设计参数选择

1.2.1 填料類型

填料是生物接触氧化池中附着生物膜的载体，因而是设计的关键因素，选定填料后再进一步考虑池型和其他参数。目前，用于微污染水源给水处理的填料类型主要为颗粒填料、弹性填料和悬浮填料。颗粒填料（页岩陶粒）和弹性填料（YDT立体弹性填料）之间经过比较，颗粒填料挂膜快、净化效果好、生物膜活性高，但是要严格把握反冲洗周期，否则水头损失大、布气不均匀而影响水质；而弹性填料挂膜慢、净化效果逊色一些，维护方面要求低一些，但也要经常排泥和冲洗脱膜。陶粒填料项目投资略高一些，运行成本在抵消混凝药剂方面的优势后接近弹性填料。弹性填料应用上更具灵活性，更适合旧厂改造。文献[2]研究了弹性填料与悬浮球填料，净化效果悬浮球填料更优，而且弹性填料容易结泥，所以需要专门排泥设施，而悬浮球填料一般不需排泥，但因为积泥和生长水生动物造成重量增加而下沉，并容易堆积到格网处而影响曝气均匀性，价格上悬浮填料要高得多，但因为停留时间短而减小了占地和土建费用，综合比较还是相近的。由于悬浮填料属新型填料，安装简单、灵活，维护方便，新建池子多采用此种填料。

1.2.2 池型布置

随填料类型不同，生物接触氧化池型也有明显差别，颗粒填料池子构造和布置形式与带气水反冲洗砂滤池类似，所以也称为淹没式生物滤池，如图1所示。弹性填料的池子如图2所示，填料连成串挂在池子内，池下方设穿孔管或微孔曝气器，并且采用了三级曝气串联形式。悬浮填料池子如图3所示，池子分为两段，并以格栅或导流墙分隔，其他情况与弹性填料池子类似，但填料不固定。

1.2.3 曝气方式

目前，生物接触氧化池曝气方式主要有穿孔管、微孔曝气器、鸭嘴阀等。一般来说，穿孔管布置和管理都比较简单，成本也最低，但是充氧效率也较低，这意味着运行电费会比较高；微孔曝气器充氧效率高，但对水体搅拌作用较弱，容易出现曝气头堵塞和橡胶板老化破损现象，而且价格也较高。鸭嘴阀充氧效率较高，对水体搅拌作用也较强，但是价格也较高。通常颗粒填料池子选择穿孔管，由于填料阻力较大，在充氧的同时必须有较强的搅拌能力。弹性填料三种曝气方式都可选择，从维护方便角度建议选穿孔管，而从效率和运行费用方面考虑建议选另两种曝气方式，选用微孔曝气器时应选质量可靠的产品。悬浮填料为保证流化状态应选用穿孔管和鸭嘴阀。

1.2.4 水温

温度是影响生化反应的重要因素，据文献[3]研究在15～28℃范围内，温度下降1℃，氨氮去除率下降0.5%左右。在南亚热带季风气候区，冬季水温几乎不会低于10℃，可以认为该地区水温适合生物接触氧化池的运行。

1.2.5 停留时间

通常水力停留时间（HRT）长，有利于获得更好的去除效果，但也会使工程造价和运行成本增加，所以应选择适中的HRT。HRT的选择与进水污染物浓度、填料型式、曝气方式、气水比、水温和处理目标等因素都有关系，一般推荐颗粒填料池适宜滤速为4～6m/h，弹性填料HRT≮1h，悬浮填料HRT≮1h。

1.2.6 气水比

气水比除了要满足溶解氧的需求，还有传质和搅拌的要求。一般溶解氧应维持在2mg/L以上，但过大的气水比会增加能耗和运行成本，所以应根据填料型式、曝气方式、池型等因素选择合适的气水比：颗粒填料池气水比为（0.7～1.2）：1，彈性填料气水比1：1（穿孔管）和0.7：1（微孔曝气器），悬浮填料（0.8～1.5）：1。

2 微污染水源给水生物接触氧化池设计案例

某水厂二期扩建规模为7×104m3/d，由于供水水源受到污染，2009年检测氨氮为0.25～3.20 mg/L，平均1.48 mg/L；CODMn为3.79～9.60 mg/L，平均7.11 mg/L，所以考虑增加生物预处理工艺。生物接触氧化池设计流量取7×104m3/d，填料选LT100悬浮球，密度为0.98～0.99g/cm3，比表面积为106m2/m3。池体尺寸（长×宽×高）为69.8m×21.15m×6.8m，有效水深为4.5m，有效池容约6600m3。由于一期工程选用微孔曝气器出现了积泥堵塞、橡胶盘老化和曝气头连接管断裂等现象，所以二期建设采用穿孔管曝气，气水比取（1.0～1.5）：1，悬浮球填料填充率取33%，MRT为1.5h。运行效果（去除率）如下：氨氮90%，亚硝酸盐81%，CODMn20%，铁36%，锰50%，色度10%，浊度30%。成本情况：造价65元/m3，运行费用0.018元/m3。

3 结语

目前，微污染水源给水生物接触氧化法的设计并无很成熟的方法，而且随着新型填料的不断涌现，设计上大多通过参照类似工程，再结合小试和中试进行验证，但是设计参数的变化趋势还是较为明确的。设计选型不仅要考虑造价，还要顾及运行维护的便利性和运行成本。众多工程已经证明生物预处理的有效性，只要设计上留有一定余地，这种装置就能够充分发挥作用。

参考文献：

[1] 张静. 生物接触氧化池设计方法的探讨[J]. 工业用水与废水，2014，45（6）：47-50.

[2] 翁利丰，赵明雷，夏玮，等. 弹性填料和悬浮球填料在生物预处理工程中的应用[J]. 给水排水，2011，37（7）：22-24.

[3] 唐延，张玉先，黄正杰，等. 福州市东南区水厂原水生物预处理试验研究[J]. 中国给水排水，2010，26（5）：84-87，92.