某水廠Fe/Mn/氨氮協(xié)同去除及處理效果分析

趙 榮，黃澤金

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州730000）

1 工程概況

西北某水廠建設(shè)于20世紀(jì)70年代，設(shè)計(jì)規(guī)模10萬m3/d，原水經(jīng)消毒處理加壓后送至城市管網(wǎng)。水源水質(zhì)受地質(zhì)環(huán)境變化和地面環(huán)境污染等因素的影響，原水井部分出現(xiàn)鐵、錳普遍超標(biāo)，濁度、色度、CODMn、氨氮季節(jié)性超標(biāo)。造成供水量逐年降低，現(xiàn)有工藝已無法滿足滿負(fù)荷運(yùn)行的需求，作為重要的城市水源，對(duì)既有工藝進(jìn)行改造極為迫切，根據(jù)規(guī)劃要求對(duì)該水廠進(jìn)行遷改建。

2 處理工藝分析

原水中鐵、錳普遍超標(biāo)，濁度、色度、CODMn、氨氮季節(jié)性超標(biāo)，水質(zhì)口感較差，且有逐年升高的趨勢。采用單一工藝難以有效去除水中污染物，必須遴選合理的處理工藝。

2.1 鐵錳的去除

地下水除鐵、除錳以“氧化+過濾”為主導(dǎo)工藝，該工藝通過不同氧化方法將Fe2+氧化為Fe3+，并以Fe（OH）3形式析出，將Mn2+氧化成MnO2，再經(jīng)過濾將其截留分離。

2.1.1 自然氧化法

地下水經(jīng)曝氣后pH值一般在6.0～7.5之間，F(xiàn)e2+自然氧化速度較快；但Mn2+需pH值提高到9.5以上時(shí)自然氧化速度才明顯加快。在實(shí)際應(yīng)用中常通過曝氣吹脫去除CO2和投堿方式提高pH值，但之后又需調(diào)低pH值，鐵錳最佳去除效果要求條件的不一致限制了該法的實(shí)際應(yīng)用。

2.1.2 接觸氧化法

利用濾料表面的鐵質(zhì)和錳質(zhì)活性濾膜的自催化氧化反應(yīng)，克服了自然氧化法的不足，但錳質(zhì)濾膜的成熟難于鐵質(zhì)濾膜，導(dǎo)致除錳效果不穩(wěn)定。在曝氣接觸法中，如鐵錳濃度都較高時(shí)需采用一級(jí)曝氣除鐵二級(jí)曝氣除錳，工藝較為復(fù)雜；當(dāng)?shù)叵滤杏袡C(jī)物含量過高時(shí)，有機(jī)物與錳結(jié)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物吸附在濾料表面，阻礙氧化過程實(shí)現(xiàn)。臭氧、二氧化氯、高錳酸鉀和氯氣等強(qiáng)氧化劑常常被用于提高接觸法的去除效果。氧化劑的最佳投加量取決于原水水質(zhì)，例如，采用氯時(shí)，對(duì)于含較高NH3-N的原水，加氯量超過折點(diǎn)氯量時(shí)，游離氯才能有效地氧化Mn2+，但此方法的缺點(diǎn)是產(chǎn)生較多的氯仿等有害物質(zhì)。

2.1.3 生物法

利用濾池內(nèi)鐵錳細(xì)菌的生物氧化作用去除鐵錳。

2.2 氨氮的去除

對(duì)于地下水中氨氮的去除，國外用得最多的是臭氧氧化和生物活性炭技術(shù)，前者利用臭氧的強(qiáng)氧化性，而后者主要利用生物活性炭的生物降解功能。國內(nèi)去除地下水中氨氮以吸附為主，一是利用沸石的強(qiáng)吸附和離子交換能力［1-2］，沸石成本低廉有較大應(yīng)用價(jià)值；二是利用火山巖活化分子篩的強(qiáng)吸附性，同時(shí)以生物接觸氧化為代表的生物處理法在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛，如深圳東深供水工程、寧波梅林水廠、上海市惠南水廠、蚌埠第二水廠等，氨氮去除率為66.6%～90%，但該工藝受諸多因素影響，特別是水溫對(duì)氨氮的去除影響較大，此法適合于氨氮含量較高原水處理［3-4］。

對(duì)于設(shè)置除鐵除錳濾池的地下水廠和氨氮輕度污染的地下水原水而言，鐵、錳的存在會(huì)影響對(duì)氨氮的去除［5］，因此處理工藝需根據(jù)地下水水質(zhì)特點(diǎn)及主要的水質(zhì)問題進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，從而得到合理有效的方案。

3 工藝設(shè)計(jì)

3.1 工藝方案選擇

接觸氧化法去除地下水體中的鐵、錳具有投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是啟動(dòng)速度慢，錳質(zhì)濾膜的成熟難于鐵質(zhì)濾膜，除錳效果不穩(wěn)定，采用氧化+過濾可以解決啟動(dòng)速度較慢的問題。因此可在接觸氧化前設(shè)置前置氧化工藝，提升除錳工藝啟動(dòng)速度，同時(shí)保障穩(wěn)定的除錳效果。前置高錳酸鉀氧化雖然成本稍高，但可降低消毒副產(chǎn)物生成風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)地下水源中的有機(jī)物、氨氮問題，采用生物法具有良好效果。臭氧生物活性炭集臭氧氧化、物理吸附與生物作用為一體，可以取得良好的污染物綜合處理效果，從而達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。臭氧生物活性炭對(duì)水體中的有機(jī)物、氨氮、嗅味、三氯甲烷前體物等具有良好的去除效果。經(jīng)比對(duì)分析，確定的工藝處理流程如圖1。

圖1 工藝流程

3.2 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 曝氣反應(yīng)池

將曝氣池與反應(yīng)池合建，曝氣池位于反應(yīng)池上層，曝氣池的主要作用是脫氣、曝氣充氧，使水中鐵氧化得以部分去除，同時(shí)避免在濾層中形成氣墊層，影響過濾效果。設(shè)計(jì)采用射流曝氣池，射流曝氣池平面尺寸28.8m×8.5m；噴淋均勻度95%，噴淋角度60°，噴淋高度1.5～2.0m；采用往復(fù)式隔板反應(yīng)池。單池結(jié)構(gòu)尺寸10.8m×8.2m×4.75m，反應(yīng)時(shí)間8.0min。

3.2.2 氣水反沖洗砂濾池

濾池的主要功能是去除濁度的同時(shí)，采用接觸氧化法去除水中鐵、錳和氨氮。濾池采用的氣水反沖洗濾池，濾料為天然石英砂，共分8格?？偝叽?9.5m×45.7m，實(shí)際濾速8.05m/h，強(qiáng)制濾速9.20m/h，聯(lián)合反沖洗時(shí)水反沖洗強(qiáng)度4.0L/s·m2，單獨(dú)反沖洗時(shí)水反沖洗強(qiáng)度8.0L/s·m2，氣反沖洗強(qiáng)度14.0L/s·m2，過濾周期2d，同時(shí)設(shè)置初濾水的排放系統(tǒng)。

3.2.3 生物活性炭濾池

當(dāng)原水色度、嗅味、有機(jī)物等多指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，單獨(dú)砂濾工藝或單獨(dú)生物活性炭工藝都不能保證出水水質(zhì)指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)。采用砂濾單元和生物活性炭單元串聯(lián)工藝，對(duì)污染物分階段控制。前置高錳酸鉀氧化替代臭氧氧化，曝氣充氧提高了水中的含氧量，滿足生物成長的需要。濾池總尺寸29.5m×59.6m；炭濾料厚度1.1m，濾料選用柱狀活性炭，直徑1.5±0.2mm，長度2～3mm，實(shí)際濾速6.25m/h；強(qiáng)制濾速6.94m/h；水反沖洗強(qiáng)度q水=4.0L/s·m2，氣反沖洗強(qiáng)度q氣=12.0L/s·m2，過濾周期5d。

3.2.4 清水池及泵房

根據(jù)城市用水情況，清水池設(shè)計(jì)2座，單池有效容積1.25萬m3，池內(nèi)溢流及放空，清水池頂部設(shè)置綠化覆蓋。供水時(shí)變化系數(shù)為Kh=1.25，設(shè)置5臺(tái)Q=1620m3/h，H=68m，N=450kW自吸式離心泵向城市管網(wǎng)供水。

3.2.5 泥處理系統(tǒng)

回用水調(diào)節(jié)池容積400m3，尺寸10.0m×10.0m×5.85m，回用水調(diào)節(jié)池配備3臺(tái)Q=92m3/h，H=16m，N=11kW潛污泵，兩用一備?；赜盟{(diào)節(jié)池容積430m3，排泥水調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)尺寸10.0m×10.0m×4.8m，池內(nèi)配備1臺(tái)獨(dú)立的潛水?dāng)嚢铏C(jī)。排泥水調(diào)節(jié)池配備3臺(tái)Q=62m3/h，H=13m，N=5.5kW潛污泵，兩用一備。

濃縮脫水采用造粒流化床設(shè)備設(shè)計(jì)上升流速35m/h，排泥含水率按95%～96%考慮，設(shè)備尺寸3.0m×5.1m（H），一用一備，設(shè)備內(nèi)筒配機(jī)械攪拌器，底部配備機(jī)械刮泥機(jī)。

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本項(xiàng)目最大難點(diǎn)在于工藝方案的確定。原水水質(zhì)復(fù)雜，鐵、錳、色度、嗅味、氨氮、CODMn等多指標(biāo)超標(biāo)，可直接借鑒的工藝方案較少。經(jīng)對(duì)多種工藝進(jìn)行組合遴選，通過一年中試驗(yàn)研究，對(duì)工藝方案進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定前置高錳酸鉀氧化與鐵、錳的催化氧化、生物活性炭過濾相結(jié)合的工藝方案，用高錳酸鉀氧化代替臭氧氧化，使用射流曝氣的方式提高水質(zhì)的含氧量，該工藝方案有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝運(yùn)行初期處理效果差，應(yīng)對(duì)水質(zhì)波動(dòng)的能力不足等缺點(diǎn)。

5 運(yùn)行效果

采用曝氣、反應(yīng)、接觸氧化及生物活性炭過濾工藝，對(duì)原水中鐵、氨氮、嗅味和CODMn進(jìn)行分級(jí)協(xié)同去除。

5.1 生產(chǎn)調(diào)試階段

該工藝初期對(duì)鐵錳的去除主要決定于高錳酸鉀投加量，只要氧化劑的投加量滿足，系統(tǒng)啟動(dòng)初期便能穩(wěn)定控制鐵錳。在系統(tǒng)運(yùn)行前期（1個(gè)月），需按理論值投加高錳酸鉀才能有效控制鐵錳；系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，砂濾層自身逐漸具備一定的除鐵錳能力，可適當(dāng)降低高錳酸鉀投量，投加量維持在理論值的90%以上時(shí)便可有效控制出水鐵錳。系統(tǒng)的啟動(dòng)需3～4個(gè)月的時(shí)間，投加高錳酸鉀主要是根據(jù)水中有機(jī)物的污染程度確定，僅考慮對(duì)鐵、錳的去除可不再繼續(xù)投加高錳酸鉀。

5.2 運(yùn)行效果

運(yùn)行穩(wěn)定后，砂濾單元和生物活性炭單元都具備去除鐵、錳、氨氮、色度的能力，故對(duì)出水水質(zhì)有雙重保障作用，出水穩(wěn)定性很高；同時(shí)，由于該工藝的分級(jí)控制作用，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)，砂濾出水隨原水波動(dòng)，但其出水已大大降低了污染物濃度（如表1），減輕了生物活性炭的處理負(fù)荷，生物活性炭能有效控制砂濾出水中超標(biāo)的污染物，從而消除出水的波動(dòng)。另外，當(dāng)砂濾單元運(yùn)行異常導(dǎo)致濁度、色度泄露時(shí)，活性炭單元能夠有效截留去除，進(jìn)一步保障出水水質(zhì)的穩(wěn)定。通過對(duì)實(shí)測水質(zhì)的分析，砂濾單元對(duì)錳、氨氮和CODMn的處理能力占工藝總?cè)コ芰Φ?0%，45%，30%。

表1 實(shí)測進(jìn)、出水質(zhì) 單位：mg/L

6 結(jié)語

（1）項(xiàng)目原水水質(zhì)復(fù)雜，采用砂濾單元和生物活性炭單元串聯(lián)工藝，對(duì)污染物分階段控制。在砂濾單元主要去除鐵、錳、濁度、色度，并去除部分氨氮、CODMn；在生物活性炭單元主要控制CODMn和氨氮。

（2）當(dāng)砂濾出水Mn超標(biāo)時(shí)，生物活性炭單元能通過生物固錳作用將其去除，進(jìn)一步提高系統(tǒng)除錳的穩(wěn)定性。砂濾單元鐵錳的去除可通過投加高錳酸鉀氧化截留，也可利用“熟料”接觸氧化去除；生物活性炭單元的污染物控制主要為微生物作用。

（3）該工藝處理效果良好，工程投資低，對(duì)類似水源水廠的建設(shè)有較好的指導(dǎo)意義。