污染水源給水生物接觸氧化池設計研究

朱彩云

摘要：本文分析了微污染水源水采用生物預處理的意義，對生物接觸氧化池的設計方法和參數選擇進行了探討，并結合工程案例進行了說明。

關鍵詞：生物接觸氧化池；設計；微污染水源水；生物預處理

0 引言

隨著經濟發展、城鎮擴張以及人口增加，人們對水的需求量也在不斷增加，與此同時大量廢水排入水體，造成水體污染。實際上，許多城市飲用水源水已經達不到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質標準。一般將受到有機物污染、部分水質指標超過Ⅲ類水質標準的水體稱之為微污染水源水。就目前情況而言，尚無法徹底改變水源水質低劣的現狀，所以必須通過處理來保證飲用水的安全。傳統水處理工藝“絮凝—沉淀—過濾—消毒”存在感官指標差、有機物去除率低、加大氯量易形成“三致”物質、管網水質穩定性差等弊端，故此改進常規水處理工藝并采取強化傳統工藝、增加預處理工藝及深度處理工藝成為必然之選。要取得穩定、可靠、高效的處理效果，往往要綜合這三種手段。由于微污染水源的重要特征是富營養化，而傳統工藝難以處理小分子量有機物，而這部分有機物正好是微生物有機營養基質的主體，所以生物預處理工藝是非常有效的手段，同時還具有安全可靠、經濟易行的特點，因而成為國內外飲用水處理的主要工藝之一。以微污染水源水有機物含量水平，最適宜的生物處理手段是生物膜法，其中生物接觸氧化法以其處理能力大、抗沖擊負荷能力強、污泥生成量少、出水水質穩定、維護管理方便而獲得較多應用。生物接觸氧化法的關鍵設備是生物接觸氧化池，雖然生物接觸氧化法廣泛用于城市污水處理，但用于給水處理還是有較大差別，因此本文對微污染水源給水生物接觸氧化池的設計進行了探討。

1 生物接觸氧化池設計方法與參數選擇

1.1 設計方法

如前所述，生物接觸氧化池用于給水處理與污水處理有較大差別，主要反映在水質差別上，不僅是污水中污染物濃度高得多這一點，更重要的差別是污水水質相對于微污染水源水質要穩定的多，由于污水基底濃度較高，濃度的少量變化對處理效果不致引起很大變化，但對于微污染水源水而言，濃度的微量變化也可能對處理效果產生較大影響。基于這個原因，生物接觸氧化池用于生活污水處理的設計方法相對成熟一些，《生物接觸氧化法污水處理工程技術規范》（HJ 2009-2011）6.4.1.1給出了填料容積負荷法的計算公式，即根據設計流量、進出水BOD5、填料容積負荷、填料填充率來確定池容，再通過水力停留時間進行核算。但也有研究[1]指出填料容積負荷法忽略了填料比表面積的差異，并不具有通用意義。污水處理尚且如此，那么微污染水源給水處理采用類似公式就更不靠譜了，所以最可靠的設計方法還是針對原水水質、水溫、填料類型和處理要求等條件通過小試和中試來最終確定設計參數。

1.2 設計參數選擇

1.2.1 填料類型

填料是生物接觸氧化池中附著生物膜的載體，因而是設計的關鍵因素，選定填料后再進一步考慮池型和其他參數。目前，用于微污染水源給水處理的填料類型主要為顆粒填料、彈性填料和懸浮填料。顆粒填料（頁巖陶粒）和彈性填料（YDT立體彈性填料）之間經過比較，顆粒填料掛膜快、凈化效果好、生物膜活性高，但是要嚴格把握反沖洗周期，否則水頭損失大、布氣不均勻而影響水質；而彈性填料掛膜慢、凈化效果遜色一些，維護方面要求低一些，但也要經常排泥和沖洗脫膜。陶粒填料項目投資略高一些，運行成本在抵消混凝藥劑方面的優勢后接近彈性填料。彈性填料應用上更具靈活性，更適合舊廠改造。文獻[2]研究了彈性填料與懸浮球填料，凈化效果懸浮球填料更優，而且彈性填料容易結泥，所以需要專門排泥設施，而懸浮球填料一般不需排泥，但因為積泥和生長水生動物造成重量增加而下沉，并容易堆積到格網處而影響曝氣均勻性，價格上懸浮填料要高得多，但因為停留時間短而減小了占地和土建費用，綜合比較還是相近的。由于懸浮填料屬新型填料，安裝簡單、靈活，維護方便，新建池子多采用此種填料。

1.2.2 池型布置

隨填料類型不同，生物接觸氧化池型也有明顯差別，顆粒填料池子構造和布置形式與帶氣水反沖洗砂濾池類似，所以也稱為淹沒式生物濾池，如圖1所示。彈性填料的池子如圖2所示，填料連成串掛在池子內，池下方設穿孔管或微孔曝氣器，并且采用了三級曝氣串聯形式。懸浮填料池子如圖3所示，池子分為兩段，并以格柵或導流墻分隔，其他情況與彈性填料池子類似，但填料不固定。

1.2.3 曝氣方式

目前，生物接觸氧化池曝氣方式主要有穿孔管、微孔曝氣器、鴨嘴閥等。一般來說，穿孔管布置和管理都比較簡單，成本也最低，但是充氧效率也較低，這意味著運行電費會比較高；微孔曝氣器充氧效率高，但對水體攪拌作用較弱，容易出現曝氣頭堵塞和橡膠板老化破損現象，而且價格也較高。鴨嘴閥充氧效率較高，對水體攪拌作用也較強，但是價格也較高。通常顆粒填料池子選擇穿孔管，由于填料阻力較大，在充氧的同時必須有較強的攪拌能力。彈性填料三種曝氣方式都可選擇，從維護方便角度建議選穿孔管，而從效率和運行費用方面考慮建議選另兩種曝氣方式，選用微孔曝氣器時應選質量可靠的產品。懸浮填料為保證流化狀態應選用穿孔管和鴨嘴閥。

1.2.4 水溫

溫度是影響生化反應的重要因素，據文獻[3]研究在15～28℃范圍內，溫度下降1℃，氨氮去除率下降0.5%左右。在南亞熱帶季風氣候區，冬季水溫幾乎不會低于10℃，可以認為該地區水溫適合生物接觸氧化池的運行。

1.2.5 停留時間

通常水力停留時間（HRT）長，有利于獲得更好的去除效果，但也會使工程造價和運行成本增加，所以應選擇適中的HRT。HRT的選擇與進水污染物濃度、填料型式、曝氣方式、氣水比、水溫和處理目標等因素都有關系，一般推薦顆粒填料池適宜濾速為4～6m/h，彈性填料HRT≮1h，懸浮填料HRT≮1h。

1.2.6 氣水比

氣水比除了要滿足溶解氧的需求，還有傳質和攪拌的要求。一般溶解氧應維持在2mg/L以上，但過大的氣水比會增加能耗和運行成本，所以應根據填料型式、曝氣方式、池型等因素選擇合適的氣水比：顆粒填料池氣水比為（0.7～1.2）：1，彈性填料氣水比1：1（穿孔管）和0.7：1（微孔曝氣器），懸浮填料（0.8～1.5）：1。

2 微污染水源給水生物接觸氧化池設計案例

某水廠二期擴建規模為7×104m3/d，由于供水水源受到污染，2009年檢測氨氮為0.25～3.20 mg/L，平均1.48 mg/L；CODMn為3.79～9.60 mg/L，平均7.11 mg/L，所以考慮增加生物預處理工藝。生物接觸氧化池設計流量取7×104m3/d，填料選LT100懸浮球，密度為0.98～0.99g/cm3，比表面積為106m2/m3。池體尺寸（長×寬×高）為69.8m×21.15m×6.8m，有效水深為4.5m，有效池容約6600m3。由于一期工程選用微孔曝氣器出現了積泥堵塞、橡膠盤老化和曝氣頭連接管斷裂等現象，所以二期建設采用穿孔管曝氣，氣水比取（1.0～1.5）：1，懸浮球填料填充率取33%，MRT為1.5h。運行效果（去除率）如下：氨氮90%，亞硝酸鹽81%，CODMn20%，鐵36%，錳50%，色度10%，濁度30%。成本情況：造價65元/m3，運行費用0.018元/m3。

3 結語

目前，微污染水源給水生物接觸氧化法的設計并無很成熟的方法，而且隨著新型填料的不斷涌現，設計上大多通過參照類似工程，再結合小試和中試進行驗證，但是設計參數的變化趨勢還是較為明確的。設計選型不僅要考慮造價，還要顧及運行維護的便利性和運行成本。眾多工程已經證明生物預處理的有效性，只要設計上留有一定余地，這種裝置就能夠充分發揮作用。

參考文獻：

[1] 張靜. 生物接觸氧化池設計方法的探討[J]. 工業用水與廢水，2014，45（6）：47-50.

[2] 翁利豐，趙明雷，夏瑋，等. 彈性填料和懸浮球填料在生物預處理工程中的應用[J]. 給水排水，2011，37（7）：22-24.

[3] 唐延，張玉先，黃正杰，等. 福州市東南區水廠原水生物預處理試驗研究[J]. 中國給水排水，2010，26（5）：84-87，92.