广东地区多数地表径流受到污染影响, 水质较差, 其中最为突出的污染物指标是氨氮。根据广东地区部分水厂统计数据, 进水氨氮长期处于3~4mg/L, 大大高于国家标准规定的0.5mg/L限值, 水质污染直接影响了城市供水安全。因此探索适合广东地区水质特征、气候特点的水厂生物预处理工艺, 经济有效地降低水厂出水氨氮, 具有重要的意义。

　　 本次研究选择广州市某自来水厂作为中试及生产性试验基地, 该厂供水规模9.5万m³/d。采用常规净水处理工艺, 具体工艺参数为:高效网格絮凝池, 絮凝时间15min;斜管沉淀池, 沉淀时间30min;气水反冲V型滤池, 滤速8m/h;消毒采用前加氨后加氯的方法, 氯氨比例为 (5~6) ∶1。处理工艺流程见图1。

　　 改造前, 水厂的原水氨氮常年超标 (见图2) , 经过常规工艺处理后, 出厂水氨氮仍阶段性超标, 不能达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) , 图2是2011年原水氨氮情况。

　　 2011~2012年, 在自来水厂内针对来自流溪河的原水建立中试模型, 采用流化填料生物预处理技术, 目标是处理后的出水能安全、稳定地达到国家《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 及《城市供水水质标准》 (CJ/T206-2005) 要求。该中试经过一年多的现场运行, 取得了良好效果, 处理后出水的水质稳定达标。

　　 (1) 掌握流化填料生物预处理工艺及其与常规工艺组合后对NH₃-N、NO₂^--N、浊度等污染物的去除效果;以及在原水水质出现波动的条件下, 流化填料生物预处理工艺参数的调整方法。

　　 (2) 调整适宜的水力停留时间、气水比等工艺参数以及运行费用, 优化得到最佳的工艺运行参数。

　　 (3) 针对原水水质特点, 设计预处理试验装置, 并选择适宜型号的流化填料。

　　 (1) 试验规模10m³/h。

　　 (2) 流化填料生物预处理池为2m×1m×4.8m钢结构设施, 储水高为4.5m, 储水量为9m³。流化球的填充率为37.5% (单箍八角填料) 。

　　 (3) 生化段的停留时间1~2.5h, 即控制进水量6~9m³/h。

　　 (4) 孔板絮凝池停留时间为12 min;沉淀池为斜管沉淀池, 有效过滤面积1 m²;滤池为气水反冲洗砂滤池, 有效过滤面积1m²;清水箱为3m×1m×3.5m, 有效容积达10m³。

　　 (5) 气水比依据原水水质、水温及处理后的效果而定, 可控制在 (1~2) ∶1, 具体现场灵活操控。

　　 2011年4月~2012年4月, 自来水厂生物预处理试验数据整理如下。

　　 (1) 氨氮变化趋势。NH₃-N的进水浓度为1.00~2.77mg/L;出水浓度保持在0.50 mg/L以下, 一般为0.1mg/L左右 (见图3) ;去除率为80%~96%, 与相关研究成果一致^[1,2]。

　　 (2) 亚硝酸盐变化趋势。NO₂^--N的进水浓度一般维持在0.2 mg/L左右;出水浓度保持在0.01mg/L以下 (见图4) ;去除率60%~98%。

　　 采用接种挂膜的方法, 对中试装置填料进行挂膜, 经连续监测, 30天后, 其COD_Mn去除率达15%~20%, 氨氮去除率达60%以上, 挂膜完成。

　　 通过对填料上生物膜进行电镜扫描, 发现生物膜表面生长着丝状菌, 由于与氧气能够良好地接触, 生长茂盛, 主要发挥了硝化作用;生物膜内部生长了杆菌、球菌等, 由于相对缺氧, 生物量较少, 主要发挥了反硝化作用。氨氮及氧气在生物膜从外及内的传质过程中, 其浓度由高到低, 形成了由好氧环境向缺氧环境的转变, 为硝化和反硝化提供了条件^[3]。

　　 在水厂的中试成功后, 根据试验数据和自来水厂的实际情况, 设计了生物预处理装置, 以下为该池的各项参数:

　　 (1) 设计水量。针对水厂供水水量9.5万m³/d, 校核流量10.8万m³/d。

　　 (2) 设计进、出水水质。根据水厂历年进水统计数据, 预处理单元主要考虑去除水中的氨氮, 出水氨氮值≤0.5mg/L。

　　 (3) 悬浮填料接触氧化池单体设计。按照冬季最低温工况, 水温≥5℃, 最大NH₃-N负荷=95 000m³/d× (4.0-0.5) mgNH₃-N/L=332.5kgNH₃-N/d。设计1座接触氧化池分2格完成硝化过程, 参数指标如下:设计单池体积V=3 960m³;有效停留时间t=65min;容积负荷取值0.75kgNH₃-N/ (m³·d) (水温≥5℃) ;接触氧化池有效体积4 320m³;有效水深6m;水平流速平均0.01m/s。

　　 (4) 供气量计算。最大供氧量根据实际运行经验, 由于本工艺的生物膜较薄, 传质效率较高, 实际的氧利用率能达到30%, 甚至更高。本工程实际运行气水比为0.7∶1, 在最不利情况下, 采用2∶1。

　　 (5) 曝气头的选择。给水生物预处理所需的曝气量远小于污水处理, 必须选择曝气量很小的曝气头, 才能通过合理的布置, 在滤池的整个滤面实现均匀曝气。

　　 单孔膜是目前曝气量最小且不易堵塞的曝气头。目前市场上供应有单孔膜曝气器和膜孔曝气管两种形式。单孔膜曝气器的安装方式为串在曝气管中, 一旦单孔膜曝气器出现问题更换时, 需要将整条曝气管拆卸, 在池装满填料后, 维修的难度很大。膜孔曝气管是由特制的异形曝气管打孔后, 用膜孔盖将橡胶孔膜扣在曝气孔上, 维修时只需将膜孔盖撬起即可予以更换。因此, 本次采用膜孔曝气管, 其性能见表1。

　　 (6) 悬浮填料要求。悬浮填料的选择是该工艺流程中最核心的部分, 悬浮填料的好坏直接影响该工艺的处理效果。悬浮填料需要同时满足外形尺寸、比表面积、空隙率、排列个数、排列重量、材质、温度适应性等多方面需求。具体要求如表2所示。

　　 该工程自2013年2月投产以来, 经连续监测, 出水水质符合国家标准, 达到用户使用目标, 该生物接触氧化池运行良好, 有效解决了该厂出水氨氮超标的问题 (见表3) 。

　　 可以看出, 在3~4月的枯水季节, 原水的氨氮超标严重, 但经生物预处理后, 氨氮去除率稳定在70%左右, 再经后续常规处理后, 最终出水水质能稳定达标。在水质最不利的3月份, 水厂的出水每天均能稳定达标, 其中14天出水氨氮为0, 3月份水质情况如图5。

　　 从2013年至今, 该水厂一直稳定运行, 再未出现氨氮超标现象。2015年4月, 曾出现由于流域内养殖废水偷排, 而造成氨氮短时间内大幅升高至5mg/L的情况, 但经处理后, 出水氨氮仍然能达标。

　　 通过对广东地区某自来水厂实际处理水质进行中试研究及工程实例分析, 证明悬浮填料接触氧化工艺作为水厂的生物预处理工艺, 在广东地区是可行的。在最不利的枯水季节, 原水经生物预处理后, 能稳定去除约70%的氨氮, 再经后续常规处理后, 出水能稳定达标。该工艺也具有一定的抗冲击能力, 能抵抗短时间的冲击负荷。

　　 考虑到大量海瓜子及淤泥的卷入, 工程设计时特别设置了刮泥系统;实践证明该设计大大缓解了后期构筑物运行压力, 起到了良好的处理效果。