村镇水库微污染原水生物预处理新工艺设计

陈师楚，夏宏生，周建华

（1.佛山市弘峻水处理设备有限公司，广东 佛山 528031；2.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635）

村镇水库微污染原水生物预处理新工艺设计

陈师楚1，夏宏生2，周建华1

（1.佛山市弘峻水处理设备有限公司，广东 佛山 528031；2.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635）

村镇水库微污染原水的预处理技术主要有生物预处理、吸附预处理和化学氧化预处理等，作为不加药剂的预处理工艺，生物预处理和吸附预处理将是主流工艺。设计出一种新型水中浸入式生物预处理工艺，该工艺采用水中浸入式方案，可以有效解决占地和投资的矛盾，能较好解决村镇水库微污染原水的预处理问题。

村镇供水；微污染；预处理；工艺设计

1 村镇供水微污染原水的特征与预处理技术的特点

1.1 村镇供水微污染原水的特征

由于水源地保护不当或水源地选址不当，村镇供水的水库水源出现不同程度的微污染。农村水库微污染水源水的污染指标以高锰酸盐指数和氨氮为主，具有有机物综合指标值(高锰酸盐指数)较高、氨氮浓度较高、嗅和味明显等特点。经过常规工艺处理后，出厂水水质难以达到饮用水水质标准，主要表现在：①未能有效的去除有机物（高锰酸盐指数)。若采用氯化消毒,则可能导致对人体健康危害很大的三卤甲烷等“三致”副产物的形成。②不能有效去除水中氨氮。出水氨氮浓度过高,容易导致供水管网中亚硝化细菌增生,促使浓度增高,残留的有机物还可能引起管道中异养菌孽生,对人体健康构成潜在危害。③色、嗅味异常问题。春夏交替季节,由于气温急变和水源变化等原因,原水中微生物和藻类繁殖速度较快,水体溶解氧变化较大。常规净水工艺去除藻类和溶解性有机物能力有限,致使供水水质偶有异味,口感变差。由于常规处理技术无法有效净化这种水质，使得水厂出水水质不达标。有效解决微污染原水的处理问题是村镇供水工程面临的课题。

1.2 村镇供水微污染原水处理技术的特点

常规饮用水处理工艺所使用的处理技术有混凝、沉淀、澄清、过滤、消毒等，其主要去除指标是色度、浊度和细菌学指标，只能有效去除水中的悬浮物、胶体、细菌和大肠杆菌等，而对于氨氮、有机污染物和病原微生物等，去除作用十分有限。国内外的研究结果和实际生产结果表明[1]，常规处理工艺的氨氮去除率为10%左右，有机物去除率为30%左右，特别是对于水中呈溶解状的有机物，除了极少量的会被吸附在滤料和矾花表面，常规处理工艺基本上没有去除效果，从而会使一些有害物质包括三致物质等微量有机物残留在饮用水中，经氯化消毒，其危险性有增强趋势，使出水感官指标难尽人意。且液氯易与原水中的腐殖质结合生成消毒副产物三卤甲烷。同时，有机污染物进入输水管网后会被管壁上附着的微生物所利用，引起了管网二次污染。

目前处理微污染原水的技术方案有：强化常规处理、预处理、深度处理等，城镇大中型水厂处理微污染原水的技术已较成熟，这些技术方案往往投资高、技术复杂、维护管理不易。而村镇供水的水处理工程的特点是：产水规模小、分布散、投资少、工艺简单、管理人员少、管理水平不高。因此不能照搬城镇供水的处理技术，而需要研究适合村镇供水实际的微污染原水处理技术，保障饮水安全。

根据农村供水的特点，用于微污染水源水处理的技术应具备以下特点：①处理有效化，对高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等指标有较好的去除作用；②设备一体化，微型化；投资省，运行费用低；③操作自动化，便于操作管理。

2 水库微污染原水预处理技术现状

预处理技术是通过采用物理、化学和生物方法对水中的污染物进行初级去除,在常规处理工艺之前设置预处理工艺，可以使常规处理更好地发挥作用,改善和提高饮用水水质。预处理主要有生物预处理、吸附预处理和化学氧化预处理。

生物预处理技术是借助微生物群体的新陈代谢活动初步去除水中的污染物质，包括多种有机污染物、氨氮、亚硝酸盐氮、铁、锰等，可以减少混凝剂和消毒剂的用量，并有效地改善混凝沉淀的性能，利于后续工艺的发挥，提高出水水质。生物预处理工艺在欧洲应用较普遍，多采用生物膜型反应器，多采用颗粒状填料作为载体，倾向于淹没式曝气生物滤池和生物流化床技术[2]。自20世纪80年代以来，国内也对微污染水源水进行了大量的生物预处理研究。目前应用的生物预处理工艺主要包括生物接触氧化法、生物流化床、曝气生物滤池、膜生物反应器等，其中研究与应用较为广泛和深入的技术是生物接触氧化法。

吸附预处理是在常规处理工艺之前投加吸附剂，使其与微污染水源水混合后吸附污染物，通过沉淀去除，从而达到脱除污染物质的目的[3]。常用吸附剂主要有粉末活性炭、粘土等，有研究表明在水处理工艺中投加粉末活性炭进行预处理,水源水的色度、臭味及有机物的去除效果显著，且对农药、酚类、消毒副产物及其前体物也有很好的去除效果[4,5]。

化学氧化预处理是利用强氧化剂的氧化能力，提高水中有机污染物的可生化性，进而转化和分解水中污染物质，提高混凝沉淀效果。目前用于原水预处理的氧化剂主要有高锰酸钾、臭氧、过氧化氢、氯等。氯气是最常用的强氧化剂，但会与水中污染物反应生成三卤甲烷；高锰酸钾也是一种较强的氧化剂，其复合剂预氧化助凝可显著节省混凝剂药耗（约35%～38%）；过氧化氢因其本身只含有H、O两种元素，使用时不会引入杂质，不会产生卤代烃，且分解速度很慢，同有机物作用温和，可保证较长时间的残留消毒作用，又可作为脱氯剂[6]；在中性和酸性条件下，臭氧比较稳定，其强氧化能力可以明显提高原水的可生化性，使部分难降解的有机物转变为易被生物降解和利用的物质。Kim等人研究结果表明,经臭氧处理后,水中可生物降解的溶解性有机碳(DOC)增加了30%[7]。臭氧氧化预处理能使水质的可生化性提高20%～30%,可同化有机碳的含量增加10～20倍[8]。

多数净水厂大量使用絮凝剂、氧化剂等化学药剂，铝残留、消毒副产物等二次污染成为水质健康风险的主要成因。因此，不用或少用化学药剂的清洁技术必将成为未来水处理厂工艺改革的主流方向[9]。作为不加药剂的预处理工艺，生物预处理和吸附预处理将是主流工艺。

3 新型水中浸入式生物预处理工艺设计应用

以广东省兴宁市兴新供水公司新陂水厂为例。新陂水厂水源为新陂水库，取水点原水测得的主要水质指标：氨氮为2.2mg/L、浑浊度为1NTU、耗氧量为1.34mg/L，《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》规定III类水氨氮的标准为≤1.0 mg/L，表明该取水点氨氮已严重超标。原水和水厂水的水质有以下特征：水源水及出厂水有时会有臭味；水源水、出厂水较常出现绿色；沉淀池水会聚集蚊虫，清水池也出现蚊虫及兹生红色沙虫；絮凝物未能完全沉淀，导致海沙过滤池过滤失效。经分析，上述现象也证明是原水中氨氮和有机物超标造成的，因此必须通过预处理来去除微污染指标，使水厂正常运行，保证出水水质安全。受用地和投资的限制，若再建一座预处理构筑物非常困难，经实地勘察和研究分析，决定采取新型预处理工艺，该工艺中的新型预处理设备不是建在地面，是采用水中浸入式方案，可以有效解决占地和投资的矛盾。

3.1 新型水中浸入式生物预处理工艺原理

新型预处理工艺原理图如图1。

图1 新型预处理工艺原理图

整个系统的组成：6-自吸进水管，1-曝气生物接触氧化池，51-空气曝气系统，2-曝气生物接触氧化池，52-纯氧曝气系统，7-出水管。

工艺流程及工作原理：系统外围的原水因水位差，从6-自吸进水管自流进入1-曝气生物接触氧化池，含有机物、氨氮等的原水进入生物接触氧化池，在高溶解氧的条件下流经长有生物膜的填料，膜上的微生物通过生物絮凝、生物吸附、生物氧化等作用降解原水中的污染物；经生物初步降解后，自动进入2-纯氧生物接触氧化池，在高纯氧溶解条件下将水中的有机物、氨氮充分氧化生物降解，使原水中的有机物和氨氮得到有效去除，使高锰酸盐指数和氨氮指标在进入下个工序前处理合格，从纯氧生物接触氧化池中的7-出水管出水连接到水泵入水口，直接提升到后续的处理工艺。

3.2 新型水中浸入式生物预处理工艺的特点

新型水中浸入式生物预处理工艺具有以下特点：

1）生物处理装置利用浮筒悬浮在水体中，并用锚固定。自由拼装，适用于不同处理规模的水厂项目，使用非常灵活；非常适合添加预处理工艺和改造工艺的水厂。

2）建设成本比地面式低30%-50%。首先，处理设备在水中不占地面；第二，由于处理设备内外水压平衡，可用不锈钢或塑料制作，比地面式混凝土构造物节省材料和制作人工；第三，预处理全过程在水体中完成，无需将水抽到地上构筑里处理，进一步减少中间环节。

3）节能环保、运行费用低。利用处理设备内外水位差，水自然流入处理装置，无需其他动力，因此节能环保，运行费用很低。

4）运行维护管理简单方便。本技术的处理装置是一体化形式，配套设备是曝气装置，整体装置紧凑简单，便于维护管理。

这些特点正好切合村镇供水水厂的特点，因此，水中浸入式生物预处理技术具备解决村镇供水工程中微污染原水有效净化的能力，是解决村镇供水微污染难题的有力选项。

3.3 新型水中浸入式生物预处理工艺设计

1)接触氧化池体积计算

根据接触生物接触氧化法污水处理工程技术规范（HJ 2009-2011）：

V——接触氧化池的容积，m3;

NIKN——接触氧化池进水凯氏氮，mg/L;

NEKN——接触氧化池出水凯氏氮，mg/L;

MN——接触氧化池的硝化容积负荷，kgTKN/（m3填料·d）;

η——填料的填充比，%;

Q——设计流量，m3/d;

式中参数取值参考如下：

其中凯氏氮未能测出，已知原水氨氮高峰为2.2mg/L。一般污水中，氨氮站总氮约为50-60%比例，有机氮占有40-50%比例，有机氮在有氧情况下，先转为氨氮，再转为（亚）硝酸盐。因此本次保守设计进出水凯氏氮去除为4mg/L；MN取值范围为0.5-1.0kgTKN/m3填料·d，本次取0.5 kgTKN/m3填料·d；设计填料填充率为70%。

2）设备直径

取有效水深为H1=4.5m，

则设备直径为：

D=

V-接触氧化池的容积（m3）

H1-有效水深（m）

3）设备高度

去安全水位H2=0.3m

设备总高度H=H1+H2=4.5m+0.3m=4.8m

4）曝气需氧量计算

式中：

R-单位时间内曝气池氨氮硝化的需氧量KgO2/d；

4.57-每硝化还原1g氨氮需要消耗4.57g氧；

Q-设计污水量，m3/d；

△S（TKN）-氨氮去除率，g/m3。

5）供氧量计算

Gs=R/（0.28Ea）

式中：

Gs-鼓风曝气时，标准状态下的供气量，m3/d；

R-单位时间内曝气池氨氮硝化的需氧量KgO2/d；

Ea-氧气利用率；

0.28-标准状态下（0.1Mpa,20摄氏度）的每立方米空气的含氧量，KgO2/m3。

3.4 新型水中浸入式生物预处理工艺中试运行分析

水中浸入式生物预处理设备在曝纯氧+空气处理的条件下，其运行情况如下

图2 水中浸入式生物预处理设备在曝纯氧+空气处理的条件下的运行情况

从图2可以看出，温度和出水口的溶解氧大致呈线性相关。氨氮的去除率并没有明显规律，呈在0附近平缓地上下波动变化；而进出水口的氨氮值曲线几乎重合。此类情况的氨氮并没有明显的去除效果。然而进入12月进出水口的氨氮值缓慢走高，而温度逐渐走低，则温度和水库水的氨氮变化呈负相关变化。可以看出温度既抑制了水库水体自身的净化功能，也抑制了菌落的活性。因此本工艺还需进一步改进，来适应较低水温环境。

4 结论

村镇供水水源出现不同程度的微污染，有效解决微污染原水的处理问题是村镇供水工程面临的课题；作为不加药剂的预处理工艺，生物预处理和吸附预处理将是主流工艺；水中浸入式生物预处理技术具备解决村镇供水工程中微污染原水有效净化的能力，是解决村镇供水微污染难题的有力选项。

[1]魏宏斌.氧化法去除水中有机物的研究与应用现状[J].中国给水排水，1996，12(5):19-21.

[2]E.J.Bouw,P.b.Crowe.Biological processes in drinking water t reatment[J].J.Am.Water Assoc,1988,80(9):82-93.

[3]何斐，李磊，徐炎华.微污染水源水处理技术研究进展[J].安徽农业科学，2008，36(11):4672-4673.

[4]郝玉梅，崔真，徐波.低温原水及微污染黄河水的水处理研究[J].山东水利，2006，28(8)：86-87.

[5]姜成春，马军，王志军.高锰酸钾与粉末活性炭连用处理微污染原水[J].中国给排水，2001，17(3):12-15.

[6]杜敬，陆少鸣.臭氧在生物活性炭工艺中的作用[J].工业水处理，2005，25(6):64-66.

[7]徐新华，赵伟荣.水与废水的臭氧处理[M].北京:化学工业出版，2003：15-23.

[8]鄂学礼.饮用水深度净化与水质处理器[M].北京:化学工业出版社，2004：120-121.

[9]曲久辉.饮用水处理工艺改革的方向与愿景[J].给水排水，2016，42（1）：1.

Design for Biological Pretreatment of Micro Polluted Water in Villages and Towns

CHEN Shi-chu1, XIA Hong-sheng2, ZHOU Jian-hua1
(1 Foshan Hongjun Water Treatment Equipment Co., Ltd., Foshan 528031, China; 2 Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510635, China)

The pretreatment technology of micro polluted raw water in villages and towns mainly includes biological pretreatment, adsorption pretreatment and chemical oxidation pretreatment, among which biological pretreatment and adsorption pretreatment, representing non additive agent pretreatment technology, will be the mainstream. In this paper, a new type of submerged biological pretreatment process is designed, which, by using the water immersion program, can effectively solve the contradiction between land occupation and investment, and can better solve the pretreatment problem of micro polluted raw water in villages and towns.

villages and towns water supply; micro pollution; pretreatment; design

TU991.2

A

1672-2841（2016）02-0001-04

2016-05-12

2016年度广东省水利科技创新项目（2016-05）。

陈师楚，男，工程师，硕士，主要从事水处理设备研发和设计。