广州北部某水厂采用常规处理工艺,原水取自流溪河。对于氨氮浓度较高的流溪河水,很难通过常规处理工艺完成对其稳定、有效的去除,需要对水厂实施技术改造。由于地表水温常年较高,有利于生物的稳定运行,因而采用生物预处理是解决原水氨氮问题较为经济有效的方法^[1] 。鉴于水厂内用地紧张,本技术改造工程采用上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司开发的BIOSMEDI曝气生物滤池(以下简称曝气生物滤池)^[2] 。

原水取自流溪河,基本属于国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ~Ⅴ类水,部分时间段则属于劣Ⅴ类水,其中氨氮浓度最高4.10mg/L,最低0.08mg/L,平均1.00mg/L。

水厂分三期建成,一期规模2万m³/d,采用孔室旋流絮凝斜管沉淀池-无阀滤池工艺;二期规模5万m³/d,采用孔室旋流絮凝平流沉淀池-虹吸滤池工艺;三期规模7万m³/d,采用网格絮凝斜管沉淀池-V型滤池工艺。由于原水中氨氮浓度较高,仅依靠常规处理工艺难以保证出水水质达标,需对其进行技术改造。

图1为技术改造工艺流程,通过在取水泵房与一、二、三期絮凝池之间新建14万m³/d的曝气生物滤池与鼓风机房(图中框线内部分),实现对氨氮的部分去除。

曝气生物滤池设计规模为14万m³/d,双排对称布置,每排4格,共8格。滤池主要由进水总渠、进水分配渠、布气和进水区、轻质滤料区、滤板滤梁区、出水集水区、出水总渠、气囊区(用于反冲洗)、排泥斗及排水排气渠等几部分组成(见图2)。

曝气生物滤池按周期运行,从开始过滤到反冲洗结束为一个周期,运行周期长短视水质情况而定,本工程一般7天冲洗一次。

正常运行时,原水通过进水分配渠配水后,均匀进入每格滤池下部布气和进水区,在轻质滤料的切割与阻力作用下使滤池布水均匀。原水经过滤料层,与滤料表面附着的大量微生物充分接触,利用生物作用完成对原水中氨氮的去除,处理后出水通过顶部集水槽收集后跌水进入后续出水总渠。空气布气管安装在滤层下部,通过穿孔布气管进行布气,为生物活动提供氧源。由于滤料较轻,为避免跑失,在其上部设置滤板滤梁,用于截留滤料。滤池运行一段时间后,阻力逐步增加,需要对滤池进行反冲洗。此时,停止进水,排空气囊区内气体,轻质滤料与水在重力的作用下快速降落,在下降过程中通过轻质滤料之间的相互摩擦完成对滤料表层老化生物膜的去除,使滤料保持良好的生物活性。脱落的底泥最终被带入排泥斗,通过排水排气渠排出。

曝气生物滤池于2014年8月初顺利实现通水,设计滤速为12.15 m/h,滤床内过滤水头损失≤0.5m,滤料空床接触时间为14.8min,设计气水比为(0.3~1)∶1。

2014年8月1日~2015年11月29日曝气生物滤池进、出水氨氮情况如图3所示。

从图3可以看出,原水氨氮最高4.10mg/L,最低0.08mg/L,平均1.00 mg/L,并呈季节性特点。2014年11月份至2015年4月份氨氮浓度高,平均达1.71 mg/L、其余月份浓度相对较低,平均为0.58mg/L。尽管原水氨氮浓度的季节性特点不利于微生物对氨氮的去除,但本工程曝气生物滤池仍体现出了对氨氮很强的去除能力,原水经曝气生物滤池后出水氨氮最高1.07mg/L,最低0.01mg/L,平均0.20 mg/L,年平均去除率达80%(含滤池运行初期数据)。同时,通过对原水数据的分析可以看出,当原水氨氮浓度小于2.00 mg/L时,全年范围内经曝气生物滤池处理后出水基本小于0.50 mg/L,达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。此外,水温因素及建设方的运行经验对曝气生物滤池除氨氮的效果也有一定影响,如2015年2月份氨氮的去除效果明显要低于其他时间段,而2015年同期对氨氮的去除效果也要明显好于2014年同期的水平。尽管冬、春季节曝气生物滤池出水氨氮浓度部分时间段仍超过0.50mg/L,但经常规处理后出厂水氨氮浓度能够满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)0.50 mg/L的要求。随着建设方对曝气生物滤池运行工况的逐步掌握,该滤池对氨氮的去除及应对负荷冲击的能力还将进一步提高,如同样采用该滤池的广州市西洲水厂,在原水氨氮浓度突然升高至4 mg/L时,仍能保证滤池出水氨氮浓度≤0.5mg/L^[3] 。

2015年3月1日~2015年11月29日原水浊度、进出水浊度差值(因原水、滤池出水浊度值过于接近,为示区别,以进出水浊度差值来表示浊度变化情况)及氨氮去除情况(如图4所示)。

从图4可以看出,原水浊度受雨季影响较大,5~8月浊度较高,平均69.7NTU,最高达692.2NTU(未在图中显示),其他时间段浊度较低,平均14.5NTU,最大73.8NTU。原水经曝气生物滤池预处理后,出水浊度较原水浊度有降有升,呈一定的周期性波动,这可能与滤池冲洗后初期滤料较干净,对浊度有一定的吸附作用,此时出水浊度降低,而随着运行时间的增长,滤料表面老化的微生物开始脱落,因而导致出水浊度增加,需要进行反冲洗。结合图3可以看出,滤池进出水浊度差值的正负周期性变化对氨氮去除率影响不大,但若长时间出水浊度大于进水浊度,则会影响氨氮的去除。如2015年4月,滤池出水浊度较长时间大于进水浊度,此时氨氮的去除率有一定的下降。同时,当浊度过高时,如2015年5~8月部分时间段内氨氮的去除效率有所下降,而随着后续原水浊度的降低,氨氮的去除率也有一定的提升。

曝气生物滤池于2014年8月1日建成通水,为便于比较曝气生物滤池运行前后矾耗并尽量减少水质差异带来的影响,取2014年1月1日~7月31日滤池运行前矾耗与2015年1月1日~7月31日期间曝气生物滤池运行后的矾耗数据进行对比,具体如图5所示。

从图5中可以看出,滤池运行前的矾耗基本都高于运行后的矾耗,在低温时节表现更为明显。从平均数来看,滤池运行前平均矾耗为12.4mg/L,运行后的矾耗为10.1mg/L,可节约矾耗2.3 mg/L,占总矾耗的18.5%,经济效益明显。

取2014年1月1日~7月31日滤池运行前氯消耗量(水厂当天用氯量除以当天取水量)与2015年1月1日~7月31日期间曝气生物滤池运行后的氯消耗量数据进行对比,具体见图6。

从图6中可以看出,滤池运行前后氯耗互有交错,但滤池运行后的氯耗要明显小于运行前。从平均数来看,滤池运行前平均耗氯量为4.03mg/L,滤池运行后平均耗氯量为3.54 mg/L,可节省加氯量12.2%。

(1)氨氮经曝气生物滤池处理后年均去除率可达80%,在原水氨氮达到4.1mg/L时水厂出水氨氮仍能够满足出水水质要求。

(2)曝气生物滤池出水浊度相对于原水呈现一定的周期性正负波动,其对氨氮去除率影响不大,但若进水浊度过高或长时间出水浊度大于进水浊度,则会影响氨氮的去除。

(3)经曝气生物滤池预处理后,可节省矾耗2.3mg/L(约占总矾耗的18.5%),可节省氯耗0.49mg/L(约占总投氯量的12.2%)。