除鐵除錳兩級(jí)流程向一級(jí)同步去除升級(jí)改造

張 磊

（錫林浩特市給排水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

引言

錫市三水廠、二水廠為2012年之后建成。兩座水廠水處理不論是低鐵高錳、還是高鐵高錳，均采用生物法除鐵除錳工藝實(shí)現(xiàn)了一級(jí)濾池內(nèi)同時(shí)對(duì)鐵錳的去除，該工藝具有工程造價(jià)低、工藝流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單靈活、反沖洗水量少、濾池運(yùn)行周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。為降低能耗、提高處理能力、優(yōu)化運(yùn)行管理，嘗試創(chuàng)新性的對(duì)一水廠傳統(tǒng)工藝兩級(jí)虹吸式無(wú)閥濾池進(jìn)行升級(jí)調(diào)試即是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇。在保證供水水質(zhì)安全的原則下，制定了調(diào)試可行性方案，分層次分步驟由原工藝向生物法除鐵除錳進(jìn)行調(diào)試，并驗(yàn)證一級(jí)濾池對(duì)鐵錳的去除效果。因調(diào)試過(guò)程中，未對(duì)原有構(gòu)筑物進(jìn)行大的改動(dòng)，故僅取得了階段性的成功，證實(shí)了虹吸式無(wú)閥濾池在一級(jí)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵錳的同時(shí)去除。

1.一水廠概況及實(shí)際運(yùn)行存在的問(wèn)題

錫林浩特市現(xiàn)有水廠三座，合計(jì)供水能力為6.2萬(wàn)m3/d，最早建成的一水廠（始建于1989年），處于城市的中心位置，最大供水能力1.7萬(wàn)m3/d，主要負(fù)責(zé)老城區(qū)的供水任務(wù)，供水能力滯后于城市發(fā)展。提高一水廠的供水能力，可以有效緩解城市管網(wǎng)壓力布局，降低城市供水整體能耗。水源為地下水，原水水質(zhì)基本情況如表1：

表1 錫市一棵樹水源地水質(zhì)情況

1.1 工藝流程

原水→跌水曝氣池→一級(jí)除鐵無(wú)閥濾池→二級(jí)除錳無(wú)閥濾池→清水池

1.2 基本概況

跌水曝氣池由兩座組成，尺寸為4.5m*6.3m的長(zhǎng)方體，跌水高度2.2m；濾池為虹吸式無(wú)閥濾池，共計(jì)12格，分別為一級(jí)6格，二級(jí)6格，每格尺寸為4*4m，有效過(guò)濾截面積為15.5m2，過(guò)濾水頭為2.1m，配水槽跌水高度1.5m，單格濾池水量Q=120m3/h，對(duì)應(yīng)濾速7.7m/h，強(qiáng)制濾速9.3m/h，單格反沖水箱有效水量為36m3，濾池濾料層為0.6～2mm的錳砂濾料，厚度950mm，承托層采用錳礫石，厚度為400mm，分別為2～4、4～ 8、8～ 16、16～ 32mm各 100mm；反沖洗回收水池一座，有效容積160m3。

兩級(jí)濾池見圖1：

圖1 兩級(jí)虹吸式無(wú)閥濾池簡(jiǎn)圖

2.3 實(shí)際運(yùn)行工況

原水通過(guò)兩路DN400的輸水管分別進(jìn)入兩座跌水曝氣池，充分散除水體中的CO2，提高pH值，充分溶氧，將水體內(nèi)的 Fe2+氧化為Fe3+。進(jìn)水量控制在500～720m3/h之間，濾池相對(duì)濾速5.4～7.7m/h。虹吸式無(wú)閥濾池可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗，但在后期自動(dòng)運(yùn)行工況下，存在運(yùn)行周期逐步縮短，反沖洗強(qiáng)度變小、反沖時(shí)間延長(zhǎng)、進(jìn)水水頭過(guò)高、不便于管控等問(wèn)題，故拆除了虹吸破壞斗，在虹吸破壞管上加裝了手動(dòng)球閥，濾池由自動(dòng)反沖洗改為運(yùn)行人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)制手動(dòng)沖洗，從而穩(wěn)定了濾池的運(yùn)行周期，濾池工況更清晰。反沖洗一格濾池由三格反沖水箱供水，一級(jí)濾池運(yùn)行周期＜48h，反沖洗強(qiáng)度15～19L/s.m2之間，歷時(shí)7～11min。二級(jí)濾池運(yùn)行周期＞15天，反沖洗強(qiáng)度15～23L/s.m2之間，歷時(shí)6～9min。該工藝出水水質(zhì)鐵、錳的去除率在96%以上。

2.4 存在的問(wèn)題

跌水曝氣池存在大量鐵泥掛壁現(xiàn)象。對(duì)跌水曝氣池進(jìn)行單寬流量計(jì)算，進(jìn)水量500～720m3/h，對(duì)應(yīng)的單寬流量為：11.57m3/（m·h）～ 16.67m3/（m·h），根據(jù) GB50013-2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采用跌水裝置時(shí)，每級(jí)跌水高度宜為0.5m～1.0m，單寬流量宜為 20m3/（m ·h）～ 50m3/（m ·h）。顯然，曝氣池沒有運(yùn)行在合理區(qū)間。過(guò)小的單寬流量、過(guò)高的跌水高度，帶來(lái)的是過(guò)度曝氣。

過(guò)度曝氣造成原水中大量的Fe2+在進(jìn)入濾層前氧化成Fe3+，形成膠體。這種Fe3+膠體易于阻塞和穿透濾層，減少濾池運(yùn)行周期。對(duì)一級(jí)濾池出水進(jìn)行化驗(yàn)，各濾池出水Fe含量均＜0.05mg/L，去除率95%。說(shuō)明一級(jí)濾池對(duì)Fe的去除效果比較理想。

無(wú)閥濾池過(guò)濾系統(tǒng)為全密封，不能直接對(duì)濾層進(jìn)行觀察，運(yùn)行人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反沖洗，反沖洗強(qiáng)度隨反洗水箱水位的下降而逐步降低，以上因素會(huì)造成濾料層產(chǎn)生問(wèn)題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。造成在運(yùn)行管理上很難保證濾池的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，每三到五年就要對(duì)濾池進(jìn)行一次徹底清掏，更換濾料，費(fèi)用高，不利于供水安全。

兩級(jí)濾池運(yùn)行周期存在巨大差異。一級(jí)濾池存在運(yùn)行周期短，反沖洗效果差，經(jīng)定期打開人孔對(duì)濾層進(jìn)行檢查，濾層表面存在多處200mm左右的凹凸不平的小坑；濾層中有大量由錳砂和鐵泥混合而成的膠泥團(tuán)、鐵銹色的細(xì)泥附著在池壁上、白色的石英砂細(xì)面附著在濾料表層。二級(jí)濾池運(yùn)行周期超過(guò)15天，對(duì)濾料進(jìn)行檢查，多數(shù)濾池濾料層比較平整，無(wú)雜質(zhì)存在，錳砂濾料為黑色，但因?yàn)檫\(yùn)行周期較長(zhǎng)，個(gè)別濾池在檢查中存在濾料層局部板結(jié)情況。

運(yùn)行中，因一級(jí)濾池反沖洗較頻繁，排水量大，反沖洗回收池容積偏小，造成反沖洗回收池失去沉淀澄清時(shí)間，無(wú)法正常使用，故將反沖洗廢水通過(guò)排污泵直接排放至市政污水管網(wǎng)，造成了水量、電量的浪費(fèi)。

2.水處理工藝升級(jí)調(diào)試

水處理工藝管路系統(tǒng)見圖2：

圖2 水處理車間管路工藝系統(tǒng)圖

對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行的水處理設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，首先要保證水質(zhì)、水量安全的情況下進(jìn)行。故調(diào)試過(guò)程比較緩慢，每調(diào)整一項(xiàng)參數(shù)，都要進(jìn)行幾天或幾十天的觀察和水質(zhì)檢測(cè)，確定無(wú)誤后，才能進(jìn)行下一項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整。調(diào)試從易從簡(jiǎn)，先調(diào)整跌水曝氣量，后調(diào)整濾池運(yùn)行參數(shù)。

2.1 調(diào)整跌水曝氣量

解決跌水曝氣過(guò)量的措施。利用維修曝氣池所設(shè)置的超越管實(shí)現(xiàn)降低曝氣量。調(diào)整后的工藝流程為：

通過(guò)對(duì)超越管閥門進(jìn)行流量控制，使經(jīng)過(guò)跌水曝氣的原水與未經(jīng)過(guò)跌水曝氣的原水在管道中進(jìn)行勾兌。調(diào)節(jié)前，進(jìn)水量700m3/h，檢測(cè)一級(jí)濾池的配水槽出水溶氧量為10.29mg/L。調(diào)節(jié)后，將一級(jí)配水槽出水溶氧量控制在3～6mg/L之間。經(jīng)過(guò)15天運(yùn)行，對(duì)原水、一級(jí)濾池及二級(jí)濾池出水進(jìn)行Fe、Mn監(jiān)測(cè)，如表2：

表2 Fe、Mn檢測(cè)結(jié)果

以上結(jié)果與調(diào)整曝氣量前Fe、Mn的含量基本一致，曝氣量的調(diào)整沒有影響到一級(jí)二級(jí)濾池的出水水質(zhì)。

2.2 調(diào)整水處理工藝

在保證出水水質(zhì)安全的情況下，對(duì)一級(jí)、二級(jí)濾池并列運(yùn)行的閥門開啟度前后進(jìn)行了兩次調(diào)整，使一部分原水與一級(jí)濾池出水混合后進(jìn)入到二級(jí)濾池。調(diào)整后的工藝流程為：

第一次超越原水降低曝氣量，第二次超越原水降低一級(jí)濾池進(jìn)水量。其作用：降低一級(jí)濾池濾速，延長(zhǎng)運(yùn)行周期；二級(jí)濾池進(jìn)水Fe、Mn含量升高，F(xiàn)e、Mn去除負(fù)荷增加，運(yùn)行周期縮短，避免由長(zhǎng)期不反沖洗存在濾料板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

第一次調(diào)整并行閥門開啟度為20%，根據(jù)進(jìn)水量、Fe、Mn等參數(shù)對(duì)一級(jí)濾池水量進(jìn)行計(jì)算。在總進(jìn)水量為800m3/h時(shí)，一級(jí)進(jìn)水量約600m3/h，對(duì)應(yīng)濾速為6.45m/h，進(jìn)入二級(jí)濾池的原水水量約200m3/h，對(duì)應(yīng)濾速為8.6m/h。經(jīng)過(guò)34天的運(yùn)行，二級(jí)濾池出水達(dá)標(biāo)穩(wěn)定，鐵、錳的去除率均在98%以上。對(duì)原水、一級(jí)、二級(jí)出水進(jìn)行鐵、錳監(jiān)測(cè)。如表3（單位：mg/L）：

表3 原水及各濾池鐵、錳檢測(cè)結(jié)果

第二次調(diào)整繼續(xù)減少一級(jí)濾池進(jìn)水量，水量減少為286m3/h，對(duì)應(yīng)濾速3.08m/h，二級(jí)濾池的原水水量增加到514m3/h，二級(jí)進(jìn)水Fe、Mn含量再次升高。經(jīng)過(guò)18天運(yùn)行，一級(jí)濾池運(yùn)行周期由＜48h延長(zhǎng)到6d，二級(jí)濾池運(yùn)行周期由15d減短到5～8d，一級(jí)濾池除錳效果明顯增強(qiáng)，去除率提高到50～83%之間。二級(jí)濾池沒有因?yàn)镕e、Mn含量升高而影響出水水質(zhì)，F(xiàn)e、Mn去除率始終保持在98%以上。對(duì)原水、一級(jí)、二級(jí)出水進(jìn)行鐵、錳監(jiān)測(cè)。如表4（單位：mg/L）：

表4 原水及各濾池鐵、錳檢測(cè)結(jié)果

調(diào)試運(yùn)行濾池Mn含量趨勢(shì)見圖3（單位：mg/L）。

圖3 調(diào)試運(yùn)行錳含量趨勢(shì)圖

3.調(diào)試取得的成果及存在的問(wèn)題

整個(gè)調(diào)試在未對(duì)曝氣池構(gòu)筑物進(jìn)行改動(dòng)的前提下，巧妙利用了超越管進(jìn)行溶氧量調(diào)節(jié)，運(yùn)行沒有影響原有一級(jí)二級(jí)濾池的除鐵除錳效果，同時(shí)降低了水源井水頭，提高了水源井整體效能。此調(diào)試僅通過(guò)管路進(jìn)行曝氣量調(diào)整，存在水質(zhì)勾兌不均勻的狀況，只適合臨時(shí)性調(diào)試應(yīng)用，從根本上降低跌水曝氣池的高度才是更佳方案。

此次工藝調(diào)試，原一級(jí)濾池雖然沒能實(shí)現(xiàn)Mn完全去除，但原二級(jí)濾池在高鐵、高錳、高濾速的情況下，始終保持98%去除率，實(shí)現(xiàn)了在一級(jí)濾池內(nèi)對(duì)Fe、Mn的去除。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明原二級(jí)濾池在長(zhǎng)期運(yùn)行中生物濾膜已經(jīng)形成，可以適應(yīng)高鐵、高錳。

調(diào)試后期，對(duì)原一級(jí)、二級(jí)濾池進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)一級(jí)濾池濾料層嚴(yán)重污染，顯然長(zhǎng)期存在濾池沖洗不凈的狀況，造成濾池工作在亞健康狀態(tài)，從而抑制了生物濾層的形成。二級(jí)濾池比較理想，但也存在部分區(qū)域因反沖洗周期過(guò)長(zhǎng)造成有板結(jié)硬塊的情況。

工藝調(diào)整后，水處理能力明顯提高，進(jìn)水量由720m3/h提高到800m3/h，日處理能力提升至19200m3/d。

4.總結(jié)

通過(guò)對(duì)除鐵除錳需氧量進(jìn)行計(jì)算，該水廠只需對(duì)其中一座跌水曝氣池進(jìn)行改造，進(jìn)水量為800m3/h時(shí)，一座跌水曝氣池的單寬流量為37 m3/（m·h），就可滿足生物法除鐵除錳工藝要求。降低曝氣池高度，可提高水源井效能，延長(zhǎng)水泵壽命。

調(diào)試過(guò)程中，凸顯出虹吸式無(wú)閥濾池反沖洗效果差、封閉式濾池不便于管理等問(wèn)題。如何改善濾池的運(yùn)行工況，是實(shí)現(xiàn)一級(jí)內(nèi)同時(shí)除鐵除錳的關(guān)鍵，是保證水質(zhì)的根本。以當(dāng)前的工業(yè)自動(dòng)化水平，通過(guò)加裝液位計(jì)、電磁閥、電動(dòng)閥門，編制PLC程序的方式，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)濾池的反沖洗強(qiáng)度、濾速、運(yùn)行周期等重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免濾池故障的發(fā)生。同時(shí)，將濾池檢查人孔盲板改為有機(jī)玻璃板并給玻璃板加裝清洗裝置，也可方便日常運(yùn)行中觀察到濾料層的狀態(tài)，減少濾層故障的發(fā)生。

此次水處理工藝升級(jí)調(diào)試，證實(shí)了老工藝、老濾池經(jīng)過(guò)工藝升級(jí)能夠?qū)崿F(xiàn)在一級(jí)濾池內(nèi)同時(shí)對(duì)Fe、Mn的去除，兩級(jí)改一級(jí)運(yùn)行后，濾池過(guò)濾截面積將增加一倍，原水停留時(shí)間延長(zhǎng)，運(yùn)行濾速降低50%，從而提高出水水質(zhì)穩(wěn)定性，按5m/h濾速計(jì)算，水廠的日處理能力可以達(dá)到22320m3,供水效能提高25%以上，將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。