苏州某给水厂强化CODMn去除效能研究

2022-08-17黄懿华徐宏梅

供水技术 2022年3期

黄懿华，徐宏梅，张钰，许锦

(苏州吴中供水有限公司，江苏苏州 215100)

随着国家“十三五规划”的推行，江苏省也对应出台了《江苏省城乡供水十三五规划》，指导实现全省城市自来水深度处理改造全覆盖。2021年，苏州水务局印发《苏州市生活饮用水水质指标限值》与《苏州市自来水厂出厂水水质指标限值》，对给水厂的水质管控要求不断提高。

基于此，苏州某给水厂不断追求高品质供水，于2019年完成深度处理构筑物的增建并将其投入使用。目前，该给水厂采用常规处理工艺(混合、絮凝、沉淀、过滤)合并深度处理工艺(臭氧氧化、生物活性炭吸附、消毒)的水处理工序。有机物指标是衡量高品质供水的关键指标之一[1]，给水厂一般以高锰酸盐指数(CODMn)浓度表征有机物含量。笔者主要分析了该给水厂絮凝反应沉淀池、砂滤池、臭氧接触池和生物活性炭滤池各工艺段出水中CODMn的变化趋势，探究了降低CODMn的有效手段。

1 材料与方法

某给水厂设计规模为15×104m3/d，以太湖水为原水，其主要工艺流程见图1。2021年8月31日—11月5日期间，持续取各水处理单元出水，采用酸性高锰酸钾法检测CODMn。

图1 水厂工艺流程和取样点Fig.1 Process flow and sampling points of waterworks

2 结果与讨论

2.1 常规工艺去除效果

该给水厂常规工艺采用折板絮凝、平流沉淀、均质滤料滤池，研究期间原水CODMn平均浓度为3.11 mg/L。

2.1.1絮凝反应沉淀池

絮凝反应沉淀池左右两边分别为一期和二期，构造相同，规模均为7.5×104m3/d，主要包括折板絮凝和平流沉淀两个处理单元。折板絮凝区每期2组，每组4个廊道，絮凝时间为19.5 min。平流沉淀区水平流速为7.7 mm/s，沉淀时间为3.6 h，定时采用虹吸式吸泥机排泥。

絮凝反应沉淀池对CODMn的平均去除率为23.3%，平均出水浓度为2.38 mg/L。如图2所示。由于季节的改变，水温存在显著变化，不同水温下加矾量的基数不同。考虑CODMn去除率与出水浓度，当水温在18℃左右时，加矾量选择36 mg/L较为合适；水温在28 ℃左右时，46 mg/L加矾量下沉淀池对CODMn的去除率最高，近似达到沉淀池去除有机物的饱和态。

图2 絮凝反应沉淀池对CODMn的去除效果Fig.2 Removal effect of CODMn in flocculation reaction sedimentation tank

絮凝反应沉淀池主要通过投加混凝剂(硫酸铝)，在水中形成具有吸附性的絮凝体，从而去除悬浮物、部分细菌和溶解性物质。实际运行过程中，混凝效果除了受水温、水量等外部因素影响，还受水中铝含量的影响。

2.1.2砂滤池

絮凝反应沉淀池的出水分别流入一期、二期砂滤池，每期处理规模均为7.5×104m3/d，以均质石英砂为滤料进行恒水位等速过滤，砂层厚1.35 m，单格滤池过滤面积为68 m2。一期砂滤池选用普通快滤池，分成8格，设计滤速约5.7 m/h，反冲洗模式：3 min气冲(8 L/(m2·s) )+ 4 min气(8 L/(m2·s))、水(2.8 L/(m2·s))同时反冲+5 min水冲(5.6 L/(m2·s))。二期砂滤池选用V型滤池，分为6格，设计滤速约7.7 m/h，反冲洗模式：3 min气冲(16.2 L/(m2·s) )+ 3 min气(8 L/(m2·s))、水(2.8 L/(m2·s))同时反冲+5 min水冲(5.6 L/(m2·s))。

砂滤池出水CODMn平均浓度为2.15 mg/L，平均去除率为8.7%，见图3。一期、二期砂滤池对CODMn的平均去除率分别为6.8%和9.0%。二期砂滤池对有机物的去除效果优于一期砂滤池，原因在于两期砂滤池所选构筑物的构造不同，相比于普通快滤池，V型滤池的冲洗效果更佳[2]。从图3还可以看出，5#、6#滤池去除效果较差，需进行检修。

图3 砂滤池对CODMn的去除效果Fig.3 Removal effect of CODMn in sand filter

进一步，考察了二期V型砂滤池冲洗周期对CODMn去除效果的影响。观察了反冲洗(气冲、气水同时反冲、水冲)结束后60 h内CODMn去除率变化，结果见图4。可以看出，该V型砂滤池对CODMn的去除率随着时间呈现周期性规律，周期为24 h。对此，可根据V型砂滤池出水CODMn的低谷水平(即高锰酸盐指数去除率估值)判断是否需要进行冲洗，结合砂滤池表面积累的泥状物或青苔[3]的生长情况，建议于2个周期后，即48～54 h之间进行冲洗。

图4 砂滤池CODMn去除率的周期性变化Fig.4 Periodic change of CODMn removal rate in sand filter

2.2 深度处理工艺去除效果

该给水厂深度处理工艺采用臭氧活性炭联用技术[4]。在臭氧接触池中，利用臭氧的强氧化性降解有机物，生成小分子有机物，提高其可生化性和可吸附性。生物活性炭滤池运行前期以活性炭孔隙结构的物理吸附为主，运行两年多物理吸附已趋于饱和，以生物吸附为主，依靠生物膜上生长的微生物菌种发挥去除作用。

2.2.1臭氧接触池

给水厂内设置2组规模为7.5×104m3/d的臭氧接触池，臭氧接触时间分3段，每段4 min，共计12 min。臭氧曝气装置采用微气泡曝气头形式，设置于接触池底部，最大臭氧投加率为1.5 mg/L。整个臭氧接触池为全封闭设计，外设液氧站，池顶设臭氧尾气收集管，尾气管接至尾气破坏装置抽风机进口。

臭氧接触池对CODMn的平均去除率为9.4%，平均出水浓度为1.98 mg/L，见图5。CODMn去除率与水温的关系不明确，与臭氧投加量的增长趋势也不一致。出水CODMn浓度变化与进水相似。推测原因可能在于，臭氧接触池的主要功能是分解有机物分子结构，以便于后续活性炭的吸附，对有机物的直接去除作用有限。深度处理工艺主要还是考虑臭氧和活性炭综合作用。因此，控制进入臭氧接触池的CODMn浓度才是保证其出水CODMn低的有效手段。

图5 臭氧接触池对CODMn的去除效果Fig.5 Removal effect of CODMn in ozone contact tank

考虑到臭氧制备成本及其利用率，且在实际运行中可能产生溴酸盐等臭氧化副产物[5]，因此大幅提升臭氧投加量并不可取，甚至可能使出水安全性存在一定风险。如无特殊情况，建议将臭氧投加量控制在0.8～1.2 mg/L。

2.2.2生物活性炭滤池

该给水厂的生物活性炭滤池规模为15×104m3/d，分成6格，双排布置，单格滤池过滤面积为102 m2，滤速为10.7 m/h，炭床吸附停留时间为11 min。此滤池滤料采用颗粒活性炭，厚度为2 m，采用8×30粒度，堆积密度0.35～0.55 g/cm，不均匀系数k80为1.9～2.0；下层采用粗砂支承层，厚度为0.25 m，有效粒径为2～4 mm，采用短柄滤头方式配水，反冲洗方式为单独气冲加单独水冲洗方式。

生物活性炭滤池对CODMn的平均去除率为14.1%，平均出水浓度为1.69 mg/L，如图6所示。在生物活性炭滤池的运行过程中，水中有机物养分和适宜的环境条件促使活性炭表面不断附着微生物，且不断繁殖形成生物膜，在物理吸附作用结束后发挥生物降解作用。此外，CODMn去除率与臭氧投加量的关系不明确，可能是不同影响因素叠加导致。

图6 生物活性炭滤池对CODMn的去除效果Fig.6 Removal effect of CODMn in biological activated carbon filter

影响生物活性炭滤池中CODMn去除效果的一个重要因素是反冲洗周期时长，周期过长或过短都会影响CODMn去除效果。如图7所示，以24 h为单位区间，完成反冲洗后的264 h(11 d)内，CODMn去除率整体呈缓慢下降趋势，240 h(10 d)后低于8%。为保持一定的去除效果，建议在第8～10 d进行炭滤池反冲洗，这与陈明等[3]认为炭滤池反冲洗周期为7～10 d的结论相近。与此同时，为使生物膜上维持一定的菌种数量，必须控制反冲洗强度[6]。

图7 生物活性炭滤池出水CODMn去除率的周期性变化Fig.7 Periodic change of CODMn removal rate in biological activated carbon filter

2.3 整体去除效果

整体而言，原水在给水厂内经过沉淀池、砂滤池、臭氧接触池和生物活性炭滤池处理后，CODMn总去除率平均达到45.7%，出厂水达标率为100%。4个主要环节的去除效果高低排序为絮凝反应沉淀池(51.1%)>生物活性炭滤池(20%)>臭氧接触池(14.9%)>砂滤池(14%)。半数的有机物在絮凝反应沉淀池中被去除，常规处理工艺发挥了主要作用，这与夏星宇等[7]的研究结果相一致。通过絮凝、沉淀、过滤的常规处理工艺尽可能多地去除有机物，降低臭氧接触池进水CODMn浓度，有利于减轻深度处理运行负荷，延长活性炭使用寿命[8]。

图8所示一期/二期絮凝池为加矾量、臭氧投加量与CODMn总去除率之间的关系。综合考虑运行成本、去除效果、反应产物等，认为相较于改变臭氧投加量，调节加矾量为最佳降低CODMn的措施。

综上认为，在给水厂去除CODMn过程中，深度处理的关键作用不宜放大，常规处理工艺的主要作用不容忽视。原水CODMn平均浓度为3.11 mg/L，若将炭滤池出水CODMn浓度控制在1.7 mg/L左右，应将絮凝反应沉淀池出水CODMn浓度控制在2.35～2.5 mg/L，即常规工艺出水高锰酸盐指数控制在2.00～2.30 mg/L。