曝氣生物濾池處理混合水源微污染水的試驗(yàn)研究

王朋,趙興忠,趙星明,周忠波,徐志,劉經(jīng)強(qiáng)*

曝氣生物濾池處理混合水源微污染水的試驗(yàn)研究

王朋1,2,趙興忠1,趙星明1,周忠波3,徐志4,劉經(jīng)強(qiáng)1*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 高密市孚日水務(wù)有限公司, 山東 高密 261500 3. 濟(jì)南沃特佳環(huán)境技術(shù)股份有限公司, 山東 濟(jì)南 250102 4. 高密市城北水庫(kù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心, 山東 高密 261500

本文以水庫(kù)微污染水為研究對(duì)象，采用曝氣生物濾池工藝進(jìn)行水源水預(yù)處理試驗(yàn)，測(cè)試各種污染物的去除效果，研究了溫度、停留時(shí)間、水力負(fù)荷與溶解氧等因素對(duì)曝氣生物濾池處理效果的影響，同時(shí)研究曝氣生物濾池對(duì)后續(xù)工藝的影響。結(jié)果表明，曝氣生物濾池預(yù)處理對(duì)該水源水具有較好的適用性。在水力負(fù)荷4～8 m3/(m2?h)的條件下，對(duì)濁度、色度、CODMn、UV254、藻類和氨氮的去除率分別達(dá)到63.31%、49.49%、20.21%、6.23%、55.07%和27.05%；與常規(guī)混凝沉淀相比，“曝氣生物濾池-混凝沉淀”組合工藝對(duì)濁度的去除率提高了17.37%～28.40%，CODMn去除率提高了10.65%～28.34%。

微污染水; 曝氣生物濾池; 有機(jī)物

曝氣生物濾池（biological aerated filter，以下簡(jiǎn)稱BAF）于20世紀(jì)80年代誕生于歐洲，是一種新型生物膜法處理工藝，被廣泛應(yīng)用于污水處理，主要依靠填料及附著生物膜的攔截吸附作用和生物氧化作用，高效去除懸浮物、有機(jī)物和氨氮，并發(fā)展為脫氮除磷[1]。隨著飲用水水源污染的加劇，曝氣生物濾池在給水處理中也得到應(yīng)用[2]。目前曝氣生物濾池的主要工藝型式有BIOSTYR工藝[3]、Biofor[4]工藝及BIOSMEDI[5]工藝等，對(duì)于曝氣生物濾池的研究主要集中在濾料型式[6,7]及尺寸[8,9]、溫度[10-12]、水力負(fù)荷[13]與氣水比[14,15]等幾個(gè)方面，并建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型[16]，致力于提高濾速[17]和處理水的可生化性[18]。

山東省高密市某水廠建成于2003年，以峽山水庫(kù)水為處理對(duì)象，采用絮凝-沉淀-砂濾常規(guī)工藝。2015年因缺水嚴(yán)重，調(diào)入了引黃濟(jì)青工程的黃河水，兩者的水質(zhì)和污染類型不同，水質(zhì)的交替波動(dòng)和不穩(wěn)定對(duì)處理工藝產(chǎn)生較大的沖擊，增加了水處理的難度。為保證出廠水水質(zhì)滿足《生活飲用水

衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）的要求，開展了曝氣生物濾池預(yù)處理試驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，考察濁度、色度、CODMn、UV254、藻類和氨氮污染物的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，將曝氣生物濾池作為前置預(yù)處理工藝，水質(zhì)提升效果明顯，對(duì)有機(jī)污染物的去除較為顯著，為水廠升級(jí)改造[19]的工藝選擇提供了參考依據(jù)。

1 水廠工藝現(xiàn)狀

1.1 工藝流程

水廠一期工程設(shè)計(jì)供水能力4.0×104m3/d，凈水采用常規(guī)工藝。如圖1，原水經(jīng)一級(jí)泵站提升并加藥后，依次經(jīng)過(guò)氣浮池（夏秋高藻季節(jié)開啟）、網(wǎng)格絮凝平流沉淀池、普通快濾池，濾池出水加注Cl02消毒后進(jìn)入清水池，最終由二級(jí)泵站提升至輸配水管網(wǎng)供給用戶使用。為應(yīng)對(duì)突發(fā)水質(zhì)污染，水廠建設(shè)了粉炭投加間。

圖1 水廠工藝流程圖

網(wǎng)格絮凝沉淀池分為兩組，每組反應(yīng)池共25格，絮凝過(guò)程分為3段，設(shè)計(jì)絮凝時(shí)間共計(jì)12 min；平流式沉淀池單組尺寸70 m×8 m，池深3.5 m，有效水深3.2 m，沉淀時(shí)間2 h，池內(nèi)平均流速10 mm/s；普通砂濾池共6座，設(shè)計(jì)濾速V=8.0 m/h，運(yùn)行周期T=24 h。

2 材料與方法

2.1 原水水質(zhì)

峽山水庫(kù)水存在富營(yíng)養(yǎng)化和耗氧有機(jī)物含量高的現(xiàn)象，主要污染指標(biāo)為總氮、BOD5和CODcr；引黃濟(jì)青段黃河水水質(zhì)較好，但也存在季節(jié)性藻類和有機(jī)物高的問(wèn)題，主要污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)。兩種水源水交替或混合進(jìn)入高密市城北水庫(kù)，供給水廠使用。

本實(shí)驗(yàn)以高密市城北水庫(kù)水源水為研究對(duì)象，試驗(yàn)期間水質(zhì)情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)用原水水質(zhì)指標(biāo)及檢測(cè)方法

2.2 試驗(yàn)裝置

2.2.1 組成如圖2所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由濾柱本體、進(jìn)水設(shè)備、曝氣/反洗設(shè)備和水反洗設(shè)備組成。濾柱尺寸：φ300 mm×3000 mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。從下至上依次為配水室、配水孔板、承托層、濾料層和出水區(qū)；進(jìn)水設(shè)備主要有原水箱、原水泵，曝氣/反洗設(shè)備為無(wú)油空壓機(jī)、蛇皮配氣管；水反洗設(shè)備主要有沖洗水箱、沖洗水泵。進(jìn)水、反洗水及曝氣管路均安裝流量計(jì)。

2.2.2 濾料參數(shù)見表2。

表2 火山巖濾料參數(shù)

2.2.3 承托層采用2 mm～4 mm、4 mm～8 mm和8 mm～16 mm級(jí)配礫石各100 mm厚，承托層內(nèi)置蛇皮曝氣管布?xì)?，承托層下方為配水孔板?/p>

2.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水流方向采用上向流，濾速4 m/h～8 m/h，流量0.28 m3/h～0.56 m3/h；氣水比1:1，保證出水溶解氧在4 mg/L以上；反沖洗周期根據(jù)水頭損失進(jìn)行調(diào)整，要求水頭損失小于＜0.2 m，反洗周期為7～10 d，；反沖洗采用先氣洗后水洗的方式，氣洗、水洗強(qiáng)度均為15 L/(s·m2)。

圖2 曝氣生物濾池實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 運(yùn)行工況

試驗(yàn)時(shí)間自2018年9月起，共經(jīng)歷兩個(gè)階段。其中2018年9月至2019年6月為第一階段，濾料層厚度800 mm；2019年7月至2020年6月為第二階段，濾料層厚度1500 mm。試驗(yàn)期間，每日對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，包括濁度、色度、CODMn、UV254、氨氮、藻類、pH及溶解氧等指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 曝氣生物濾池的掛膜啟動(dòng)

試驗(yàn)采用自然掛膜，在水溫22.5～29.4 ℃、進(jìn)水CODMn含量7.0～9.2 mg/L條件下，控制氣水比＜1，自8月20日開始掛膜至9月14日第25 d時(shí)，CODMn的去除率達(dá)到15%左右，可以視為掛膜成功。通過(guò)生物相觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，在生物膜內(nèi)存在多種微生物。

圖3 曝氣生物濾池掛膜期間進(jìn)出水CODMn檢測(cè)結(jié)果

3.2 污染物去除效果

3.2.1 濁度的去除曝氣生物濾池對(duì)濁度的去除依靠機(jī)械截留、生物絮凝等作用。如圖4所示，試驗(yàn)期間的原水濁度為1.87～27.9NTU，曝氣生物濾池對(duì)濁度的月均去除率為35.09%～70.51%，日均去除率為57.82%，其中第二階段1500 mm厚濾料的日均去除率為63.31%，可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，濁度的去除率有所增長(zhǎng)且趨于穩(wěn)定。

圖4 曝氣生物濾池對(duì)濁度的去除

圖5 曝氣生物濾池對(duì)色度的去除

3.2.2 色度的去除試驗(yàn)期間原水的色度在9.1～51.9之間，曝氣生物濾池對(duì)色度日均去除率為44.75%，1500 mm濾料的日均去除率達(dá)到了49.49%。曝氣生物濾池對(duì)色度的去除率遠(yuǎn)高于對(duì)有機(jī)物的去除率，但低于濁度的去除率。水源水的色度構(gòu)成分為溶解性色度和非溶解性色度[20]，非溶解性色度成分中包含浮游生物、藻類等物質(zhì)，溶解性色度主要由腐殖質(zhì)、鐵、錳及合成染料等產(chǎn)生。結(jié)合3.2.5說(shuō)明構(gòu)成原水色度的物質(zhì)中有相當(dāng)一部分屬于非溶解性色度；曝氣生物濾池能對(duì)色度進(jìn)行有效的去除，很大程度上得益于對(duì)藻類等物質(zhì)的去除，且對(duì)于水中色度的去除較為穩(wěn)定，波動(dòng)不明顯。

3.2.3 CODMn的去除試驗(yàn)期間，原水的CODMn含量為2.90 mg/L～10.26 mg/L，曝氣生物濾池工藝對(duì)CODMn的月去除率為8.78%～26.64%，其中第二階段1500 mm濾料對(duì)CODMn的日均去除率達(dá)到20.21%。從圖6可以看出，CODMn的去除率受季節(jié)和水溫的影響較大。試驗(yàn)后期，CODMn去除率與原水CODMn濃度呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。生物濾池對(duì)有機(jī)物的去除主要包括：異養(yǎng)微生物的繁殖需要不斷地從周圍環(huán)境中吸收可以利用的能量和物質(zhì)，可以氧化分解水中的有機(jī)物，另外微生物胞外酶還可以分解大分子有機(jī)物；此外還依靠生物膜的的吸附作用和濾料之間的機(jī)械截留作用去除部分有機(jī)物。

圖6 曝氣生物濾池對(duì)CODMn的去除

圖7 曝氣生物濾池對(duì)UV254的去除

3.2.4 UV254的去除原水UV254值在0.063 cm-1～0.154 cm-1之間波動(dòng)，由圖7可以看出，曝氣生物濾池對(duì)UV254的月均去除率0.87%～12.1%，去除率最高的月份在2018年12月，1500 mm濾料的日均去除率也僅有6.23%，曝氣生物濾池對(duì)UV254去除效果不好。分析其原因在于：對(duì)在波長(zhǎng)254 nm下存在吸光度的物質(zhì)，其主要成分為大分子芳香族化合物，其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物降解性能也存在較大差異。曝氣生物濾池對(duì)UV254的降解性差，說(shuō)明該原水中的這類物質(zhì)大部分屬溶解性有機(jī)物，而且分子量較大，難以生物降解，填料及生物膜的截留吸附對(duì)其作用也不大，因而去除率不高。

3.2.5 藻類的去除試驗(yàn)期間，原水的藻類濃度在825 cell/mL～45872 cell/mL。從圖8中可以看出，曝氣生物濾池對(duì)藻類的月均去除率在13.31%～77.62%，1500 mm濾料的日均去除率為55.07%。進(jìn)水藻類濃度與去除率之間不存在正相關(guān)性；同時(shí)可以看出，濾層厚度不是影響藻類去除率的主要因素。

原水中藻類以綠藻和藍(lán)藻為主，綠藻、藍(lán)藻的占比分別為25.28%、68.35%，曝氣生物濾池對(duì)綠藻、藍(lán)藻的去除率分別為85.84%、36.37%，綠藻的去除率遠(yuǎn)超過(guò)藍(lán)藻。

圖8 曝氣生物濾池對(duì)藻類的去除

圖9 曝氣生物濾池對(duì)氨氮的去除

3.2.6 氨氮的去除設(shè)備運(yùn)行期間，進(jìn)出水氨氮及去除率月均值如圖9所示。試驗(yàn)期間，氨氮的進(jìn)水濃度為0.15 mg/L～0.89 mg/L，氨氮的月平均去除率保持在10.42%～47.98%之間，1500 mm濾料的日均去除率為27.05%。通過(guò)曲線可以看出，氨氮去除率的變化與進(jìn)水氨氮濃度的變化趨勢(shì)相一致。進(jìn)水氨氮濃度越低，氨氮去除率越低。原水氨氮的月均值為0.26 mg/L～0.64 mg/L，曝氣生物濾池出水氨氮均保持在0.5 mg/L以下，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的限值要求。

3.3 曝氣生物濾池運(yùn)行影響因素

3.3.1 水溫的影響 800 mm厚度濾料對(duì)CODMn的去除率隨水溫降低呈下降趨勢(shì)，水溫低于15 ℃時(shí)下降較為明顯。在水溫低于5 ℃時(shí)，平均去除率僅為9.89%；1500 mm厚度濾料在10～30 ℃范圍內(nèi)的CODMn去除率變化幅度不大，當(dāng)水溫介于5～10 ℃之間時(shí)，平均去除率為14.60%，相比15～30 ℃高溫時(shí)下降至少7.18%。低溫對(duì)CODMn的去除有較大影響。

低溫對(duì)氨氮的去除有一定影響但不大，曝氣生物濾池在個(gè)別低溫條件下的氨氮去除率甚至高于高溫條件。

3.3.2 停留時(shí)間的影響試驗(yàn)期間采用了800 mm與1500 mm兩種濾料高度，相應(yīng)的空床停留時(shí)間（EBCT）分別6 min～12 min、11 min～22 min，進(jìn)水COD負(fù)荷分別為5.27～14.04 kg/(m3?d)、2.37?4.73 kg/(m3?d)。

圖10 濾料厚度對(duì)CODMn去除的影響

圖11 濾料厚度對(duì)氨氮去除的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，1500 mm厚濾料對(duì)CODMn與氨氮的去除率均高于800 mm濾料，其中10～30 ℃范圍內(nèi)尤為明顯，CODMn平均去除率高出10%左右?？梢钥闯?，濾料厚度的增加，延長(zhǎng)了EBCT，降低了進(jìn)水COD負(fù)荷，有助于CODMn與氨氮的去除率提高。濾層厚度的增加，更有利于微生物群落的合理分布。

3.3.3 水力負(fù)荷的影響在相同的水質(zhì)條件下，以1500 mm濾料為測(cè)試對(duì)象，分別按水力負(fù)荷3 m3/(m2·h)、6 m3/(m2·h)、8 m3/(m2·h)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，考察水力負(fù)荷對(duì)濁度、色度、CODMn與UV254去除率的影響及對(duì)曝氣生物濾池沿程去除污染物的影響。

在3 m3/(m2·h)～6 m3/(m2·h)的水力負(fù)荷下，曝氣生物濾池對(duì)濁度、色度、CODMn與UV254去除率分別為60.06%～61.10%、41.09%～41.65%、23.88%～24.69%、9.47%～13.27%，無(wú)明顯變化；當(dāng)水力負(fù)荷達(dá)到8 m3/(m2·h)時(shí)，CODMn的去除率為21.64%，略有下降；濁度、色度的去除率分別下降為45.24%和30.92%，較為明顯。從后續(xù)沿程CODMn去除率的測(cè)定來(lái)看，在水力負(fù)荷為3 m3/(m2·h)時(shí)，生物降解作用主要發(fā)生在濾料前部，前部500 mm濾料的去除率占總?cè)コ实?1.44%。當(dāng)水力負(fù)荷達(dá)到8 m3/(m2·h)時(shí)，前部500 mm濾料對(duì)CODMn的去除率占比下降為45.93%；濾層前后部對(duì)CODMn的去除分布更為均勻。

圖12 曝氣生物濾池沿濾層對(duì)CODMn的去除

圖13 曝氣生物濾池沿濾層對(duì)濁度的去除

3.3.4 溶解氧的影響在25～30 ℃的相同溫度范圍內(nèi)，對(duì)停止曝氣前后CODMn與氨氮的去除率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較，如圖14所示，發(fā)現(xiàn)二者的去除率沒(méi)有隨曝氣的停止受到影響。曝氣停止后，出水溶解氧的濃度均保持在6 mg/L以上。

圖14 曝氣對(duì)污染物去除率的影響

3.4 曝氣生物濾池對(duì)后續(xù)處理工段的影響

3.4.1 曝氣生物濾池對(duì)原水pH的影響在試驗(yàn)前期，曝氣生物濾池出水pH值高于原水，經(jīng)浸泡試驗(yàn)證明系火山巖濾料釋放堿度所致，堿度的釋放可以緩沖有機(jī)物降解與硝化反應(yīng)產(chǎn)生的pH下降[21]。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，曝氣生物濾池出水pH明顯低于原水。這是因?yàn)樵?jīng)過(guò)曝氣生物濾池預(yù)處理后，微生物在分解有機(jī)物過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸以及氨氮的硝化過(guò)程產(chǎn)酸使得pH有所下降。原水的pH降低，有利于降低膠體顆粒的電位，提高后續(xù)混凝對(duì)有機(jī)物的去處效果。

圖15 曝氣生物濾池對(duì)pH的影響

3.4.2 曝氣生物濾池對(duì)混凝的影響在同一時(shí)間分別取曝氣生物濾池進(jìn)水（即原水）和出水進(jìn)行混凝攪拌試驗(yàn)，分析不同藥劑投加量對(duì)污染物的去除效果。

在原水濁度為8.52 NTU，CODMn為5.54 mg/L，水溫26 ℃的條件下，原水經(jīng)過(guò)曝氣生物濾池預(yù)處理之后再進(jìn)行混凝與直接混凝相比，濁度去除率提高了17.37%～28.40%（見圖16），CODMn去除率提高了10.65%～28.34%（見圖17）。

圖16 曝氣生物濾池預(yù)處理對(duì)濁度去除的影響

圖17 曝氣生物濾池預(yù)處理對(duì)CODMn去除的影響

4 結(jié)論

（1）火山巖濾料曝氣生物濾池采用上向流運(yùn)行，在水溫22.5～29.4 ℃、進(jìn)水CODMn7.0～9.2 mg/L條件下的條件下，經(jīng)過(guò)25 d的連續(xù)運(yùn)行，自然掛膜成功；

（2）曝氣生物濾池預(yù)處理微污染水效果顯著，在4～8 m3/(m2?h)的水力負(fù)荷下，1500 mm濾料對(duì)濁度、色度、CODMn、UV254、藻類和氨氮的日均去除率分別達(dá)到63.31%、49.49%、20.21%、6.23%、55.07%和27.05%；1500 mm濾層對(duì)有機(jī)物的去除效率明顯高于800 mm濾層。

（3）該曝氣生物濾池較為合理的水力負(fù)荷為3～6 m3/(m2?h)；當(dāng)水溫低于10 ℃時(shí)，CODMn去除率下降明顯；原水的溶解氧濃度高于6 mg/L，停止曝氣未對(duì)CODMn去除效果產(chǎn)生影響；

（4）曝氣生物濾池出水pH低于原水；經(jīng)過(guò)曝氣生物濾池預(yù)處理后的原水經(jīng)過(guò)混凝沉淀試驗(yàn)，與原水直接混凝相比，濁度去除率提高了17.37%～28.40%，CODMn去除率提高了10.65%～28.34%，提高了出廠水CODMn達(dá)標(biāo)率。

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Experimental Study on Treatment of Micro-polluted Water from Mixed Water Source with Biological Aerated Filter

WANG Peng1,2, ZHAO Xing-zhong1, ZHAO Xing-ming1, ZHOU Zhong-bo3, XU Zhi4, LIU Jing-qiang1*

1.271018,2.261500,3.250102,4.261500,

In this paper, the reservoir micro-polluted water is taken as the research object, and the biological aerated filter (BAF) process is used for the water source pretreatment test to test the removal effect of various pollutants, with The effect of temperature, contact time, hydraulic load and dissolved oxygen on the BAF treatment and the effect of BAF on the subsequent process studied. The result showed that BAF pretreatment is well suitable for the source water. The removal rates of turbidity, chroma, CODMn, UV254, algae and ammonia reached 63.31%, 49.49%, 20.21%, 6.23%, 55.07%, and 27.05%, respectively, at a hydraulic load of 4～8 m3/ (m2?h); Compared with the conventional coagulation and sedimentation, the removal rate of turbidity by the combined process of "BAF-coagulation and sedimentation" increased by 17.37%～28.40%, and the removal rate of CODMnincreased by 10.65%～28.34%.

Micro-polluted water; biological aerated filter; organic matter

TU991.2

A

1000-2324(2021)03-0475-08

2020-05-21

2020-08-31

王 朋(1978-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槭姓こ? E-mail:24020131@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jqliu@sdau.edu.cn