陶粒滤池预处理微污染原水的净化效果及运行参数

白王军

(河海大学，江苏南京 210098)

随着工业和农业的迅猛发展，作为建湖县上冈地区最主要的饮用水水源，通榆河的水质近年来日趋恶化，尤其在夏秋季节，通榆河水中的藻类和有机物浓度明显增高，存在阵发性污染，影响了自来水厂常规工艺的运行，对供水安全造成威胁。虽然有报道采用陶粒滤池等方法来消除微污染原水中有机物、NH3-N氨氮等污染物[1-5]，但能真正应用于水厂取得满意效果且具有运行指导经验的还是很少。

建湖县上冈水厂根据原水情况和出水水质的要求，对原有工艺进行了升级改造，增加了陶粒滤池作为整个水厂的预处理。建湖县上冈水厂现状设计规模为5.0×104m3/d，根据建设时序分为一期工程和二期工程，设计出水水质达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。净水主体工艺采用“原水→管道混合→絮凝沉淀→V型砂滤池→臭氧接触池→活性炭滤池→二氧化氯消毒→出水”。

本文针对通榆河的水质情况，采用陶粒滤池作为预处理工艺，开展了实际运行过程中相关工艺运行参数的试验研究。重点考察在不同工况条件下，特别是针对运行过程中的不同工况下，陶粒滤池的净化效果以及适宜的工艺运行参数，为陶粒滤池的运行应用提供一定的实践指导。

1 试验材料及设施

1.1 试验材料

滤料采用陶粒(常州某公司用纳米细末微晶原料烧制的产品，下同)，滤料粒径为3～5 mm，不均匀系数K=1.31，视密度为1.65 g/cm3，滤料厚度为2.5 m；承托层采用卵石，粒径为8～16 mm，厚度为100 mm，粒径为16～32 mm，厚度为200 mm。陶粒具有一定的机械强度，其表面比较粗糙，化学物理稳定性好、易挂膜、生物附着性强、比重小、耐冲洗、不易堵塞。

1.2 运行工艺

陶粒滤池增加在现有净水主体工艺的前段，则原工艺变为“原水→陶粒滤池→管道混合→絮凝沉淀→V型砂滤池→臭氧接触池→活性炭滤池→二氧化氯消毒→出水”，如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Chart of the Process

1.3 陶粒滤池

(1)陶粒滤池

总池子分为6格，共2组，每组3格，总平面尺寸为35.5 m×26.0 m，池高为6.45 m，设计滤速为5 m/h；空床滤料有效容积为1 683 m3，滤池单格有效面积为70 m2。滤池的出水位置设置气动调节蝶阀。进水采用下向流，反冲洗气洗和反冲洗水洗采用上升流。

(2)曝气系统

滤池的曝气气水比为1∶1.5～1∶1；设置曝气鼓风机2台，1用1备，风量Q=18.8 m3/min，风压H=5 mH2O，功率N=30 kW。曝气鼓风机设置于反冲洗泵房及鼓风机房内。

(3)反冲洗系统

滤池采用气水联合反冲洗方式。气洗的反冲洗强度为13 L/(m2·s)，反冲洗时间为3 min；气水联合反冲洗：气的反冲洗强度为13 L/(m2·s)，水的反冲洗强度为3 L/(m2·s)，冲洗历时为5 min；水洗的反冲洗强度为6 L/(m2·s)，历时5 min。

新建反冲洗泵房及鼓风机房1座，建筑面积为290 m2，平面尺寸为7.9 m×36.5 m，内设反冲洗水泵3台，2用1备，流量Q=792 m3/h，扬程H=12 mH2O，功率N=45 kW，反冲洗水来自滤后的集水井。

同时，在反冲洗泵房及鼓风机房内设置反冲洗罗茨鼓风机2台，1用1备，风量Q=58.7 m3/min，风压H=5 mH2O，功率N=75 kW。

(4)反冲洗废水池

反冲洗废水池需满足陶粒滤池最大一次反冲洗水量的要求，即70 m2×1格×[3 L/(m2·s)×5 min×60 s+6 L/(m2·s)×5 min×60 s]=189 m3，考虑水泵的死水位，废水池的有效容积为220 m3。废水池配置2台排水泵，出水连续、均匀地回流至水厂的配水井，1用1备，流量Q=50 m3/h，扬程H=12 mH2O，功率N=2.2 kW。

2 原水水质

试验期间原水水质如表1所示。

表1 试验期间上冈水厂通榆河水质监测一览Tab.1 List of Water Quality Monitoring of Tongyu River in Shanggang Waterworks during the Test Period

3 水质分析项目

COD：标准重铬酸盐法；NH3-N：标准纳氏试剂比色法；TN：碱性过硫酸钾消解紫外分光法。

4 试验运行

陶粒滤池在常温下启动，起始阶段由于原水中游离有机物较丰富，采用自然挂膜的形式。启动初期，尽量以较小流量进水，每天监测出水的NH3-N、TN、COD等，至指标稳定为消减35%时，说明生物膜已基本形成，这个过程约1个月，然后慢慢调节流量至设计要求。

曝气量的气水比为0.5∶1.0～1.5∶1.0，其大小不仅对出水水质有很大的影响，也是自来水厂运行费用很大的构成部分。因此，试验通过合理调整陶粒滤池的曝气量，观察最佳的运行效果。过滤速度对于已建设成的陶粒滤池也是很重要的运行参数。根据相关规范，过滤速度一般在4～7 m/h，其大小不仅关系到整个水厂的运行负荷，更是节约运行成本的考虑因素。因此，为了更好地安全提升陶粒滤池的产能，试验中对过滤速度进行了检测测定，为实际运行提供可靠的数据。同时，反冲洗也是陶粒滤池安全和耗能的关键参数，滤池原设计的冲洗周期大约为24～48 h，周期过短，可能影响水厂的产能；周期过长，可能影响水厂的水质指标。因此，试验对冲洗周期进行合理设定，观察最佳的运行冲洗周期。

曝气量的气水比、过滤速度和反冲洗周期的合理选择，不仅可以提高水厂的产能，同时也可以节省水厂的能耗，从而为实践运行提供参考。

5 试验结果

5.1 曝气量的气水比

曝气量的气水比对于生物陶粒滤池去除NH3-N、TN、COD有很大的影响。为了得到最佳的运行参数，于2018年6月15日—2018年7月5日，对曝气量的气水比进行试验性的调整，确定为0.5∶1.0、0.7∶1.0、1.0∶1.0、1.2∶1.0、1.5∶1.0，具体运行数据如图2～图4所示。

图4 曝气量的气水比对COD的去除效果Fig.4 Effect of Air-Water Ratio of Aeration Flow on COD Removal

图2～图4是曝气量的气水比分别为0.5∶1.0、0.7∶1.0、1.0∶1.0、1.2∶1.0和1.5∶1.0时的进出水水质指标，进水NH3-N、TN和CODCr浓度分别在3.4～3.7、4.3～4.6 mg/L和35.0～38.0 mg/L。每个气水比工况稳定运行4 d左右，出水NH3-N、TN和CODCr浓度分别在0.2～1.0、0.6～1.0 mg/L和10.0～20.0 mg/L，其去除率在71.4%～94.3%、77.8%～87.0%和42.9%～72.2%。

由图2可知，随着曝气量的气水比逐渐增加，NH3-N的去除率逐步提高，基本能维持在85%以上，与吴为中等[6-7]和薛记中[8]通过中试试验得出的数据基本一致。同时，由图3可知，随着曝气量的气水比逐渐增加，TN的去除率逐渐提高，是因为随着曝气量的增加，陶粒滤池中生物膜逐渐活跃，内部存在很强的反硝化环境。但是，当曝气量的气水比大于1.0∶1.0时，去除率反而逐渐下降。分析原因是，在气水较小，即水中溶解氧的含量低时，生物膜中的反硝化异氧菌比硝化菌更活跃，反硝化的效果得到加强。但是，随着曝气量的气水比逐渐增加，水中和生物膜中的溶解氧提高快，反而抑制了反硝化异氧菌的生长，从而造成出水的TN浓度慢慢升高。这也是吴为中等[6-7]在研究去除亚硝酸盐氮时，建议气水比为0.75～1∶1的原因。此气水比条件下，对亚硝酸盐氮的去除达到97.5%～99%，可以满足原水的预处理要求。图4中关于COD的去除率表明，随着曝气量的气水比逐渐增加，生物膜变得越来越厚，而生物膜中的微生物有利于对原水中COD的降解，则COD的去除率越来越高，基本维持在50%以上。吴为中等[6-7]的研究表明，COD在气水比为1.0∶1.0时，平均去除率达30%以上。但是，当曝气量的气水比大于1.0∶1.0时，COD的去除率反而越来越低，原因在于过量的曝气使生物膜中的微生物疯狂生长，但原水中COD的碳源越来越不满足这些微生物的生存需要，很多微生物进入衰亡期，从而导致滤料上生物膜的脱落，降低了微生物的总量，最终致使出水COD升高。

图3 曝气量的气水比对TN的去除效果Fig.3 Effect of Air-Water Ratio of Aeration Rate on TN Removal

5.2 过滤速度

对于已建成的陶粒滤池，过滤速度的改变不仅影响到预处理中NH3-N、TN、COD的去除效果，在保障NH3-N、TN、COD满足出水指标的要求下，还能最大限度地提高水厂的产水能力。

为了得到最佳的运行参数，于2018年7月8日—2018年7月28日，对过滤速度进行试验性的调整，确定为4、5、6、7、8 m/h，如图5～图7所示。

图5～图7是过滤速度为4、5、6、7、8 m/h时的进出水水质指标，进水NH3-N、TN和CODCr浓度分别在3.4～3.6、4.3～4.6 mg/L和35.0～37.0 mg/L。每个过滤速度基本稳定运行了4 d左右，出水NH3-N、TN和CODCr浓度分别在0.1～1.2、0.4～1.4 mg/L和10.0～20.0 mg/L，其去除率在67.7%～97.1%、69.6%～91.1%和40.5%～77.1%。

图5 过滤速度对NH3-N的去除效果Fig.5 Effect of Filtration Rate on NH3-N Removal

图6 过滤速度对TN的去除效果Fig.6 Effect of Filtration Rate on TN Removal

图7 过滤速度对COD的去除效果Fig.7 Effect of Filtration Rate on COD Removal

由图5～图7可知，随着过滤速度的提高，出水的NH3-N、TN、COD浓度增加，去除率降低。可能是因为，随着过滤速度的逐渐增加，进水量越来越多，对已经形成的生物膜的冲击会越来越强烈，有机物污染物NH3-N、TN、COD在陶粒滤池中的停留时间则会越来越短，有机负荷越来越大，最终导致对污染物去除的效率越来越低。当过滤速度超过临界速度时，出水NH3-N、TN、COD超标。因此，吴为中等[6-7]建议滤速在4～6 m/h较为适宜；周浩晖[9]和桑军强等[10]通过试验研究，也基本论证了过滤速度不宜超过6 m/h。但由图5～图7可知，在实际运行能满足出水水质指标的情况下，陶粒滤池的最大过滤速度可以达到7 m/h，即建湖县上冈水厂最大的处理量为70 560 m3/d，而建湖县上冈水厂的设计规模为50 000 m3/d，最大增量为41.12%。

5.3 反冲洗周期

反冲洗周期的选择对于已建成的陶粒滤池而言非常重要，其改变不仅关系到预处理的NH3-N、TN、COD的出水效果，而且在保证NH3-N、TN、COD满足出水要求的条件下，还可以极大地节省整个水厂的运行电费。

为了得到最佳的运行参数，于2018年8月1日—2018年8月16日，对反冲洗周期进行试验性的调整，确定为24、36、48、48、60 h，如图8～图10所示。

图8 反冲洗周期对NH3-N的去除效果Fig.8 Effect of Backwash Cycle on NH3-N Removal

图9 反冲洗周期对TN的去除效果Fig.9 Effect of Backwash Cycle on TN Removal

图10 反冲洗周期对COD的去除效果Fig.10 Effect of Backwash Cycle on COD Removal

图8～图10是反冲洗周期为24、36、48、48、60 h时的进出水水质指标，进水NH3-N、TN和CODCr浓度分别在3.4～3.6、4.3～4.6 mg/L和35.0～37.0 mg/L。每个反冲洗周期基本稳定运行4 d左右，出水NH3-N、TN和CODCr浓度分别在0.3～1.1、0.5～1.3 mg/L和8.0～22.0 mg/L，其去除率在67.7%～97.1%、69.6%～91.1%和40.5%～77.1%。

由图8～图10可知：随着反冲洗周期的延长，NH3-N、TN和COD的去除率逐渐提高；但随着进一步的延长，去除率反而降低，可能是因为，随着反冲洗周期的延长，生物膜变得越来越厚，而生物膜中的微生物有利于对原水中NH3-N、TN、COD的降解，因此，NH3-N、TN、COD的去除率越来越高；随着反冲洗周期越来越长，生物膜越来越厚，而原水中的碳源越来越不能满足过多微生物营养的需求，从而导致部分微生物进入衰亡期，这时会有生物膜开始脱落，造成NH3-N、TN、COD的去除率越来越低，最终致使出水NH3-N、TN、COD超标。吴为中[6]通过研究富营养化水库原水得出反冲洗周期适宜参数为3～6 d，基于几乎不考虑水库水的浑浊度，但一般河流等微污染原水的浑浊度在100～500 mg/L，因此，在优化选择时，原水浑浊度对反冲洗周期的影响是必须考虑的。为了达到出水的指标需要，同时为了最大地节省运行电费，陶粒滤池的反冲洗周期确定为48 h较为适宜，则毎天节省电费达到50元左右。

6 结论

(1)对于微污染水源，采用生物陶粒滤池作为自来水厂的预处理是可行的，能稳定地改善和净化水质，在适宜的相关参数条件下，对NH3-N、TN和COD的平均去除率分别为77.1%～83.3%、80.4%～87.0%和51.4%～72.2%。

(2)在进水NH3-N、TN和CODCr浓度分别在3.4～3.7、4.3～4.6 mg/L和35.0～38.0 mg/L的情况下，生物陶粒滤池预处理微污染原水的适宜工艺参数：曝气量的气水比为1∶1，过滤速度为7 m/h，反冲洗周期为48 h。