某水厂Fe/Mn/氨氮协同去除及处理效果分析

赵 荣，黄泽金

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，兰州730000）

1 工程概况

西北某水厂建设于20世纪70年代，设计规模10万m3/d，原水经消毒处理加压后送至城市管网。水源水质受地质环境变化和地面环境污染等因素的影响，原水井部分出现铁、锰普遍超标，浊度、色度、CODMn、氨氮季节性超标。造成供水量逐年降低，现有工艺已无法满足满负荷运行的需求，作为重要的城市水源，对既有工艺进行改造极为迫切，根据规划要求对该水厂进行迁改建。

2 处理工艺分析

原水中铁、锰普遍超标，浊度、色度、CODMn、氨氮季节性超标，水质口感较差，且有逐年升高的趋势。采用单一工艺难以有效去除水中污染物，必须遴选合理的处理工艺。

2.1 铁锰的去除

地下水除铁、除锰以“氧化+过滤”为主导工艺，该工艺通过不同氧化方法将Fe2+氧化为Fe3+，并以Fe（OH）3形式析出，将Mn2+氧化成MnO2，再经过滤将其截留分离。

2.1.1 自然氧化法

地下水经曝气后pH值一般在6.0～7.5之间，Fe2+自然氧化速度较快；但Mn2+需pH值提高到9.5以上时自然氧化速度才明显加快。在实际应用中常通过曝气吹脱去除CO2和投碱方式提高pH值，但之后又需调低pH值，铁锰最佳去除效果要求条件的不一致限制了该法的实际应用。

2.1.2 接触氧化法

利用滤料表面的铁质和锰质活性滤膜的自催化氧化反应，克服了自然氧化法的不足，但锰质滤膜的成熟难于铁质滤膜，导致除锰效果不稳定。在曝气接触法中，如铁锰浓度都较高时需采用一级曝气除铁二级曝气除锰，工艺较为复杂；当地下水中有机物含量过高时，有机物与锰结合形成稳定的络合物吸附在滤料表面，阻碍氧化过程实现。臭氧、二氧化氯、高锰酸钾和氯气等强氧化剂常常被用于提高接触法的去除效果。氧化剂的最佳投加量取决于原水水质，例如，采用氯时，对于含较高NH3-N的原水，加氯量超过折点氯量时，游离氯才能有效地氧化Mn2+，但此方法的缺点是产生较多的氯仿等有害物质。

2.1.3 生物法

利用滤池内铁锰细菌的生物氧化作用去除铁锰。

2.2 氨氮的去除

对于地下水中氨氮的去除，国外用得最多的是臭氧氧化和生物活性炭技术，前者利用臭氧的强氧化性，而后者主要利用生物活性炭的生物降解功能。国内去除地下水中氨氮以吸附为主，一是利用沸石的强吸附和离子交换能力［1-2］，沸石成本低廉有较大应用价值；二是利用火山岩活化分子筛的强吸附性，同时以生物接触氧化为代表的生物处理法在实际应用中较为广泛，如深圳东深供水工程、宁波梅林水厂、上海市惠南水厂、蚌埠第二水厂等，氨氮去除率为66.6%～90%，但该工艺受诸多因素影响，特别是水温对氨氮的去除影响较大，此法适合于氨氮含量较高原水处理［3-4］。

对于设置除铁除锰滤池的地下水厂和氨氮轻度污染的地下水原水而言，铁、锰的存在会影响对氨氮的去除［5］，因此处理工艺需根据地下水水质特点及主要的水质问题进行全面系统的研究，从而得到合理有效的方案。

3 工艺设计

3.1 工艺方案选择

接触氧化法去除地下水体中的铁、锰具有投资省、运行费用低等优点，但是启动速度慢，锰质滤膜的成熟难于铁质滤膜，除锰效果不稳定，采用氧化+过滤可以解决启动速度较慢的问题。因此可在接触氧化前设置前置氧化工艺，提升除锰工艺启动速度，同时保障稳定的除锰效果。前置高锰酸钾氧化虽然成本稍高，但可降低消毒副产物生成风险。

针对地下水源中的有机物、氨氮问题，采用生物法具有良好效果。臭氧生物活性炭集臭氧氧化、物理吸附与生物作用为一体，可以取得良好的污染物综合处理效果，从而达到水质净化的目的。臭氧生物活性炭对水体中的有机物、氨氮、嗅味、三氯甲烷前体物等具有良好的去除效果。经比对分析，确定的工艺处理流程如图1。

图1 工艺流程

3.2 主要构筑物及设计参数

3.2.1 曝气反应池

将曝气池与反应池合建，曝气池位于反应池上层，曝气池的主要作用是脱气、曝气充氧，使水中铁氧化得以部分去除，同时避免在滤层中形成气垫层，影响过滤效果。设计采用射流曝气池，射流曝气池平面尺寸28.8m×8.5m；喷淋均匀度95%，喷淋角度60°，喷淋高度1.5～2.0m；采用往复式隔板反应池。单池结构尺寸10.8m×8.2m×4.75m，反应时间8.0min。

3.2.2 气水反冲洗砂滤池

滤池的主要功能是去除浊度的同时，采用接触氧化法去除水中铁、锰和氨氮。滤池采用的气水反冲洗滤池，滤料为天然石英砂，共分8格。总尺寸29.5m×45.7m，实际滤速8.05m/h，强制滤速9.20m/h，联合反冲洗时水反冲洗强度4.0L/s·m2，单独反冲洗时水反冲洗强度8.0L/s·m2，气反冲洗强度14.0L/s·m2，过滤周期2d，同时设置初滤水的排放系统。

3.2.3 生物活性炭滤池

当原水色度、嗅味、有机物等多指标严重超标时，单独砂滤工艺或单独生物活性炭工艺都不能保证出水水质指标全部达标。采用砂滤单元和生物活性炭单元串联工艺，对污染物分阶段控制。前置高锰酸钾氧化替代臭氧氧化，曝气充氧提高了水中的含氧量，满足生物成长的需要。滤池总尺寸29.5m×59.6m；炭滤料厚度1.1m，滤料选用柱状活性炭，直径1.5±0.2mm，长度2～3mm，实际滤速6.25m/h；强制滤速6.94m/h；水反冲洗强度q水=4.0L/s·m2，气反冲洗强度q气=12.0L/s·m2，过滤周期5d。

3.2.4 清水池及泵房

根据城市用水情况，清水池设计2座，单池有效容积1.25万m3，池内溢流及放空，清水池顶部设置绿化覆盖。供水时变化系数为Kh=1.25，设置5台Q=1620m3/h，H=68m，N=450kW自吸式离心泵向城市管网供水。

3.2.5 泥处理系统

回用水调节池容积400m3，尺寸10.0m×10.0m×5.85m，回用水调节池配备3台Q=92m3/h，H=16m，N=11kW潜污泵，两用一备。回用水调节池容积430m3，排泥水调节池设计尺寸10.0m×10.0m×4.8m，池内配备1台独立的潜水搅拌机。排泥水调节池配备3台Q=62m3/h，H=13m，N=5.5kW潜污泵，两用一备。

浓缩脱水采用造粒流化床设备设计上升流速35m/h，排泥含水率按95%～96%考虑，设备尺寸3.0m×5.1m（H），一用一备，设备内筒配机械搅拌器，底部配备机械刮泥机。

4 设计难点

本项目最大难点在于工艺方案的确定。原水水质复杂，铁、锰、色度、嗅味、氨氮、CODMn等多指标超标，可直接借鉴的工艺方案较少。经对多种工艺进行组合遴选，通过一年中试验研究，对工艺方案进行验证，最终确定前置高锰酸钾氧化与铁、锰的催化氧化、生物活性炭过滤相结合的工艺方案，用高锰酸钾氧化代替臭氧氧化，使用射流曝气的方式提高水质的含氧量，该工艺方案有效弥补了传统工艺运行初期处理效果差，应对水质波动的能力不足等缺点。

5 运行效果

采用曝气、反应、接触氧化及生物活性炭过滤工艺，对原水中铁、氨氮、嗅味和CODMn进行分级协同去除。

5.1 生产调试阶段

该工艺初期对铁锰的去除主要决定于高锰酸钾投加量，只要氧化剂的投加量满足，系统启动初期便能稳定控制铁锰。在系统运行前期（1个月），需按理论值投加高锰酸钾才能有效控制铁锰；系统运行一段时间后，砂滤层自身逐渐具备一定的除铁锰能力，可适当降低高锰酸钾投量，投加量维持在理论值的90%以上时便可有效控制出水铁锰。系统的启动需3～4个月的时间，投加高锰酸钾主要是根据水中有机物的污染程度确定，仅考虑对铁、锰的去除可不再继续投加高锰酸钾。

5.2 运行效果

运行稳定后，砂滤单元和生物活性炭单元都具备去除铁、锰、氨氮、色度的能力，故对出水水质有双重保障作用，出水稳定性很高；同时，由于该工艺的分级控制作用，当进水水质波动较大时，砂滤出水随原水波动，但其出水已大大降低了污染物浓度（如表1），减轻了生物活性炭的处理负荷，生物活性炭能有效控制砂滤出水中超标的污染物，从而消除出水的波动。另外，当砂滤单元运行异常导致浊度、色度泄露时，活性炭单元能够有效截留去除，进一步保障出水水质的稳定。通过对实测水质的分析，砂滤单元对锰、氨氮和CODMn的处理能力占工艺总去除能力的50%，45%，30%。

表1 实测进、出水质 单位：mg/L

6 结语

（1）项目原水水质复杂，采用砂滤单元和生物活性炭单元串联工艺，对污染物分阶段控制。在砂滤单元主要去除铁、锰、浊度、色度，并去除部分氨氮、CODMn；在生物活性炭单元主要控制CODMn和氨氮。

（2）当砂滤出水Mn超标时，生物活性炭单元能通过生物固锰作用将其去除，进一步提高系统除锰的稳定性。砂滤单元铁锰的去除可通过投加高锰酸钾氧化截留，也可利用“熟料”接触氧化去除；生物活性炭单元的污染物控制主要为微生物作用。

（3）该工艺处理效果良好，工程投资低，对类似水源水厂的建设有较好的指导意义。