曝气生物滤池在给水处理中的运行效果

刘 璐，周秀华，邹康兵

(广州自来水有限公司，广东广州 510600)

1 曝气生物滤池预处理技术

曝气生物滤池工艺是近年来国际上较为流行的一种新型生物膜法污水处理工艺。与普通活性污泥法相比，曝气生物滤池占地面积更小、投资较少，同时,具有有机负荷高、氧传输效率高、不会产生污泥膨胀、出水水质好等优点[1]。曝气生物滤池在世界各地已得到广泛的应用，主要是对城市污水、工业废水以及中水等的处理。

近年来，我国城市饮用水水源存在一些氨氮及有机物污染情况，常规的给水处理工艺“絮凝-沉淀-过滤-消毒”已很难保证出水水质氨氮等指标完全符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。针对此类微污染水源研究表明，曝气生物滤池能有效去除微污染水源水中有机物、氨氮等污染物，其对氨氮的去除率达80%以上，对耗氧量、浑浊度、色度、铁、锰等污染物均有较好的去除效果。曝气生物滤池预处理技术不仅可减少消毒过程中的氯气消耗量和水中卤代有机物的生成量，降低给水管网中细菌滋生的可能性，提高饮用水的安全性，还可降低混凝剂的投加量及运行成本[2]，利用曝气生物滤池工艺对微污染水源水进行预处理,可以取得良好的处理效果。

目前，曝气生物滤池已被引入给水处理领域，并成为对微污染水源水进行生物预处理的有效手段。在广州某处理规模为73.5万m3/d的自来水厂应用了高速曝气生物滤池生物预处理工程,并取得了良好的效果[3]。采用高速给水曝气生物滤池进行生物预处理，在滤速为16 m/h，气水比为0～0.5的情况下处理氨氮为0.04～3.48 mg/L的原水时，出水氨氮保持在0.5 mg/L以下，符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求[4]。

对比给水中的曝气生物滤池工艺与污水中曝气生物滤池工艺，发现微污染原水中的有机污染物和氨氮含量比城市污水中的低，进行微污染原水的生物预处理对滤料的比表面积要求相对较低，其生物膜一般以亚硝化细菌和硝化细菌等自养微生物为主。给水中的曝气生物滤池主要以去除原水中的氨氮以及有机污染物为目标，对悬浮物的去除要求不高，滤料要保证与原水充分接触，提高微生物对氨氮及有机污染物的降解效率，同时又要减弱滤料的过滤功能。与污水处理中曝气生物滤池的进水相比，微污染原水中的无机砂粒以及其他悬浮物杂质含量较高，其中，贝壳类水生生物和滋生的大量藻类容易造成滤头、滤孔、曝气口等出现堵塞现象。原水中氨氮及有机物含量呈季节性大幅变化，需要选择对污染物浓度变化适应性强的工艺[5]。

2 曝气生物滤池的应用

2.1 工程概况

西洲水厂兴建于1995年，供水量设计规模为50万m3/d，为改善原水水质，于2000年在东江北干流的刘屋洲岛上新建刘屋洲泵站，作为西洲水厂的取水泵站，距离西洲水厂约17 km。原水较水厂的就地取水泵站——西洲取水泵站水质有所改善，但原水中大部分指标常年处于Ⅱ～Ⅲ类标准，氨氮、CODMn超标现象仍然时有发生，出厂水偶有CODMn超标，最突出的仍为水中氨氮含量超标。表1为2010年西洲水厂原水水质情况，表2为西洲水厂2010年生物滤池投产前1月—9月出厂水水质情况。

表1 原水水质Tab.1 Raw Water Quality

表2 改造前出厂水水质Tab.2 Finished Water Quality before Reconstruction

为提高供水水质，改善出厂水中氨氮等超标的现象，水厂进行了技术改造，在原常规净水系统前增设生物预处理工艺，并于2010年11月投入运行。现生物预处理工艺采用轻质滤料曝气生物滤池，曝气生物滤池采用升流式BIOSMEDI工艺，采用下进上出的水流方式，滤板在上部，全自动化管理运行。原水经曝气生物滤池处理后进入常规给水处理流程(图1)，曝气生物滤池平面布置如图2所示。

图1 净水工艺流程Fig.1 Water Treatment Process

图2 曝气生物滤池平面布置Fig.2 Layout of Biological Aerated Filter (BAF)

2.2 工艺结构与设计参数

曝气生物滤池平面尺寸为39.60 m×89.06 m，单格滤面面积为103.5 m2(9 m×11.5 m)，共18格滤池，分为2排布置，每排9格(图3)。在2排滤池中间形成管廊通道，管廊上方为敞开式，便于通风和采光。正常滤速为12 m/h，二格冲洗时强制滤速为13.5 m/h，轻质滤料粒径为3.5～5 mm，厚度为3 m，过滤水头为0.50 m，气水比为0.1～1.0。

图3 曝气生物滤池主体构造Fig.3 Main Structure of Biological Aerated Filter (BAF)

曝气生物滤池为上向流方式，主体部分由上至下分为4个区域，分别为出水集水区、滤料区、进水和曝气分布区、气囊及排泥区。

(1)滤池进水。水流从DN2000进水总管流入，经管廊顶部进水渠、进水闸板阀、DN700进水钢管、DN700进水气动蝶阀，进入管廊底部的配水槽，再通过配水方孔进水单孔膜曝气管架底部。

(2)过滤。水流从滤池底部自下而上，通过单孔膜曝气管架、Φ=3.5～5 mm轻质滤料层、滤板，到达滤池上部。滤池进水向上经滤料层生物氧化，有效降低水中的氨氮和有机物浓度，使常规处理后出水水质达标。滤池滤料区采用的轻质填料悬浮于水中，依靠上部的滤板将其压制使其不致外逸，同时，通过滤料和滤板滤头使曝气和出水更加均匀，水流在整个池面的停留时间均衡，杜绝短流现象，保证生物接触时间。

(3)出水。滤后水翻进滤池液面处的集水槽，进入出水渠，汇集流向水厂常规处理系统。

设计采用离心鼓风机进行单孔膜曝气，经过管廊内的DN700气管、DN200气管、DN200手动蝶阀，进入滤池水面上的DN200气管，穿过滤板进入滤料以下的单孔膜管道系统。鼓风机房安装4台曝气鼓风机，单台Q=121.7 m3/min，P=73.5 kPa，3用1备。生物滤池稳定运行期间，气水比视出水水质而定，根据原水氨氮浓度，其参考值如表3所示。

表3 气水比参考值Tab.3 Reference Value of Air Water Ratio

由于设计气水比是基于设计滤速下的水量而定义，生物滤池处理水量未达到设计值时，气水比的数值失去原有的意义。因此，运行过程中对曝气量采用了新的定义，即以单位滤面面积气体流量作为曝气强度，单位为L/(s·m2)，曝气强度数值不受滤池处理水量变化的影响。

2.3 净水效果

2.3.1 氨氮

如图4所示，当原水氨氮为0.15～2.5 mg/L时，经过生物滤池处理后，出水氨氮为0.05～0.48 mg/L，去除率为63.6%～94.5%。经过生物滤池处理后，出水氨氮均符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中小于0.5 mg/L的要求。

图4 生物滤池原水与出水氨氮含量Fig.4 Ammonia Nitrogen Content in Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.2 亚硝酸盐氮

如图5所示，原水亚硝酸盐氮为0.040～0.604 mg/L，经过生物滤池处理后，出水亚硝酸盐氮为0～0.126 mg/L，去除率为40.4%～100%。生物滤池实现了去除亚硝酸盐氮的功能，当原水亚硝酸盐氮明显上升，达到0.604 mg/L时，经过生物滤池处理后，出水亚硝酸盐氮为0，去除率达100%，表明生物滤池在原水较高亚硝酸盐氮水平下也能实现去除功能。

图5 生物滤池原水与出水亚硝酸盐氮含量Fig.5 Nitrite Nitrogen Content in Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.3 浑浊度

原水浑浊度平均为16.74 NTU，经过生物滤池处理后，出水浑浊度平均为13.34 NTU，平均去除率为20.30%(图6)。生物滤池去除了一定量的浑浊度，滤层拦截了大量的无机物质，生物滤池出水浑浊度变化将对后续混凝沉淀工艺造成影响，特别是在原水低温低浊期。

图6 生物滤池原水与出水浑浊度Fig.6 Turbidity of Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.4 耗氧量

如图7所示，原水耗氧量为1.62～4.68 mg/L，平均为3.19 mg/L，经过生物滤池处理后，出水耗氧量为0.92～4.66 mg/L，平均为2.65 mg/L，平均去除率为16.9%。生物滤池一般通过去除原水浑浊度及亚硝酸盐氮实现耗氧量的去除。随着浑浊度、亚硝酸盐氮去除率的下降，耗氧量去除率也会下降。由于水厂常规处理系统对浑浊度去除效果比较明显，氯的氧化作用对亚硝酸盐氮有去除效果，耗氧量在后续常规处理系统中也能够较好地去除。

图7 生物滤池原水与出水耗氧量Fig.7 Oxygen Consumption of Raw Water and Finished Water of Biological Filter

2.3.5 溶解氧

生产运行期间原水溶解氧为3.05～3.51 mg/L，基本属于有氧原水，经过生物滤池处理后，出水溶解氧为5.11～5.89 mg/L，上升60.3%～67.8%。生物滤池需利用有氧条件下的生物降解作用，要求水中溶解氧>2.0 mg/L，滤池底部均匀曝气，使水中溶解氧上升，且气泡在滤料层的切割变化，加强了水中营养物向滤料表面生物膜的传质效率，提高生物降解能力。

2.3.6 锰、铁

生产运行期间原水中锰为0～0.21 mg/L，铁为0～1.04 mg/L，经过生物滤池处理后，出水中锰为0～0.13 mg/L，铁为0.25～0.84 mg/L。由于曝气氧化及可能存在生物吸附的作用，生物滤池可有效降低锰、铁含量，出水已经达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求。

2.4 经济分析

生物预处理工程单位投资为113.22元/(m3·d)，单位制水成本为0.04元/t，与采用臭氧生物活性炭工艺进行升级改造相比，工程投资降低约一半，处理成本下降约80%。

3 结论

(1)BIOSMEDI曝气生物滤池用于给水厂中对氨氮含量≤4 mg/L的微污染原水进行预处理时，出水氨氮可以稳定在0.5 mg/L以下，符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求，氨氮处理效率高。当微污染原水中亚硝酸盐氮含量到达0.6 mg/L时，经BIOSMEDI曝气生物滤池处理，对亚硝酸盐氮去除率达100%，因此，BIOSMEDI曝气生物滤池用于给水厂中对微污染原水进行预处理时对亚硝酸盐氮的处理效果好。

(2)曝气生物滤池用于给水厂预处理工程，处理成本约为0.04元/t，投资及运行费用低。

(3)对于存在氨氮含量超标的Ⅱ～Ⅲ类微污染原水，在常规给水处理工艺很难实现去除效果的情况下，运用曝气生物滤池进行预处理，能有效去除原水中的氨氮等污染物，使出水水质得到提升，弥补了常规给水处理工艺的短板，保证出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。