村鎮水庫微污染原水生物預處理新工藝設計

陳師楚，夏宏生，周建華

（1.佛山市弘峻水處理設備有限公司，廣東 佛山 528031；2.廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510635）

村鎮水庫微污染原水生物預處理新工藝設計

陳師楚1，夏宏生2，周建華1

（1.佛山市弘峻水處理設備有限公司，廣東 佛山 528031；2.廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510635）

村鎮水庫微污染原水的預處理技術主要有生物預處理、吸附預處理和化學氧化預處理等，作為不加藥劑的預處理工藝，生物預處理和吸附預處理將是主流工藝。設計出一種新型水中浸入式生物預處理工藝，該工藝采用水中浸入式方案，可以有效解決占地和投資的矛盾，能較好解決村鎮水庫微污染原水的預處理問題。

村鎮供水；微污染；預處理；工藝設計

1 村鎮供水微污染原水的特征與預處理技術的特點

1.1 村鎮供水微污染原水的特征

由于水源地保護不當或水源地選址不當，村鎮供水的水庫水源出現不同程度的微污染。農村水庫微污染水源水的污染指標以高錳酸鹽指數和氨氮為主，具有有機物綜合指標值(高錳酸鹽指數)較高、氨氮濃度較高、嗅和味明顯等特點。經過常規工藝處理后，出廠水水質難以達到飲用水水質標準，主要表現在：①未能有效的去除有機物（高錳酸鹽指數)。若采用氯化消毒,則可能導致對人體健康危害很大的三鹵甲烷等“三致”副產物的形成。②不能有效去除水中氨氮。出水氨氮濃度過高,容易導致供水管網中亞硝化細菌增生,促使濃度增高,殘留的有機物還可能引起管道中異養菌孽生,對人體健康構成潛在危害。③色、嗅味異常問題。春夏交替季節,由于氣溫急變和水源變化等原因,原水中微生物和藻類繁殖速度較快,水體溶解氧變化較大。常規凈水工藝去除藻類和溶解性有機物能力有限,致使供水水質偶有異味,口感變差。由于常規處理技術無法有效凈化這種水質，使得水廠出水水質不達標。有效解決微污染原水的處理問題是村鎮供水工程面臨的課題。

1.2 村鎮供水微污染原水處理技術的特點

常規飲用水處理工藝所使用的處理技術有混凝、沉淀、澄清、過濾、消毒等，其主要去除指標是色度、濁度和細菌學指標，只能有效去除水中的懸浮物、膠體、細菌和大腸桿菌等，而對于氨氮、有機污染物和病原微生物等，去除作用十分有限。國內外的研究結果和實際生產結果表明[1]，常規處理工藝的氨氮去除率為10%左右，有機物去除率為30%左右，特別是對于水中呈溶解狀的有機物，除了極少量的會被吸附在濾料和礬花表面，常規處理工藝基本上沒有去除效果，從而會使一些有害物質包括三致物質等微量有機物殘留在飲用水中，經氯化消毒，其危險性有增強趨勢，使出水感官指標難盡人意。且液氯易與原水中的腐殖質結合生成消毒副產物三鹵甲烷。同時，有機污染物進入輸水管網后會被管壁上附著的微生物所利用，引起了管網二次污染。

目前處理微污染原水的技術方案有：強化常規處理、預處理、深度處理等，城鎮大中型水廠處理微污染原水的技術已較成熟，這些技術方案往往投資高、技術復雜、維護管理不易。而村鎮供水的水處理工程的特點是：產水規模小、分布散、投資少、工藝簡單、管理人員少、管理水平不高。因此不能照搬城鎮供水的處理技術，而需要研究適合村鎮供水實際的微污染原水處理技術，保障飲水安全。

根據農村供水的特點，用于微污染水源水處理的技術應具備以下特點：①處理有效化，對高錳酸鹽指數、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮等指標有較好的去除作用；②設備一體化，微型化；投資省，運行費用低；③操作自動化，便于操作管理。

2 水庫微污染原水預處理技術現狀

預處理技術是通過采用物理、化學和生物方法對水中的污染物進行初級去除,在常規處理工藝之前設置預處理工藝，可以使常規處理更好地發揮作用,改善和提高飲用水水質。預處理主要有生物預處理、吸附預處理和化學氧化預處理。

生物預處理技術是借助微生物群體的新陳代謝活動初步去除水中的污染物質，包括多種有機污染物、氨氮、亞硝酸鹽氮、鐵、錳等，可以減少混凝劑和消毒劑的用量，并有效地改善混凝沉淀的性能，利于后續工藝的發揮，提高出水水質。生物預處理工藝在歐洲應用較普遍，多采用生物膜型反應器，多采用顆粒狀填料作為載體，傾向于淹沒式曝氣生物濾池和生物流化床技術[2]。自20世紀80年代以來，國內也對微污染水源水進行了大量的生物預處理研究。目前應用的生物預處理工藝主要包括生物接觸氧化法、生物流化床、曝氣生物濾池、膜生物反應器等，其中研究與應用較為廣泛和深入的技術是生物接觸氧化法。

吸附預處理是在常規處理工藝之前投加吸附劑，使其與微污染水源水混合后吸附污染物，通過沉淀去除，從而達到脫除污染物質的目的[3]。常用吸附劑主要有粉末活性炭、粘土等，有研究表明在水處理工藝中投加粉末活性炭進行預處理,水源水的色度、臭味及有機物的去除效果顯著，且對農藥、酚類、消毒副產物及其前體物也有很好的去除效果[4,5]。

化學氧化預處理是利用強氧化劑的氧化能力，提高水中有機污染物的可生化性，進而轉化和分解水中污染物質，提高混凝沉淀效果。目前用于原水預處理的氧化劑主要有高錳酸鉀、臭氧、過氧化氫、氯等。氯氣是最常用的強氧化劑，但會與水中污染物反應生成三鹵甲烷；高錳酸鉀也是一種較強的氧化劑，其復合劑預氧化助凝可顯著節省混凝劑藥耗（約35%～38%）；過氧化氫因其本身只含有H、O兩種元素，使用時不會引入雜質，不會產生鹵代烴，且分解速度很慢，同有機物作用溫和，可保證較長時間的殘留消毒作用，又可作為脫氯劑[6]；在中性和酸性條件下，臭氧比較穩定，其強氧化能力可以明顯提高原水的可生化性，使部分難降解的有機物轉變為易被生物降解和利用的物質。Kim等人研究結果表明,經臭氧處理后,水中可生物降解的溶解性有機碳(DOC)增加了30%[7]。臭氧氧化預處理能使水質的可生化性提高20%～30%,可同化有機碳的含量增加10～20倍[8]。

多數凈水廠大量使用絮凝劑、氧化劑等化學藥劑，鋁殘留、消毒副產物等二次污染成為水質健康風險的主要成因。因此，不用或少用化學藥劑的清潔技術必將成為未來水處理廠工藝改革的主流方向[9]。作為不加藥劑的預處理工藝，生物預處理和吸附預處理將是主流工藝。

3 新型水中浸入式生物預處理工藝設計應用

以廣東省興寧市興新供水公司新陂水廠為例。新陂水廠水源為新陂水庫，取水點原水測得的主要水質指標：氨氮為2.2mg/L、渾濁度為1NTU、耗氧量為1.34mg/L，《地表水環境質量標準（GB3838-2002）》規定III類水氨氮的標準為≤1.0 mg/L，表明該取水點氨氮已嚴重超標。原水和水廠水的水質有以下特征：水源水及出廠水有時會有臭味；水源水、出廠水較常出現綠色；沉淀池水會聚集蚊蟲，清水池也出現蚊蟲及茲生紅色沙蟲；絮凝物未能完全沉淀，導致海沙過濾池過濾失效。經分析，上述現象也證明是原水中氨氮和有機物超標造成的，因此必須通過預處理來去除微污染指標，使水廠正常運行，保證出水水質安全。受用地和投資的限制，若再建一座預處理構筑物非常困難，經實地勘察和研究分析，決定采取新型預處理工藝，該工藝中的新型預處理設備不是建在地面，是采用水中浸入式方案，可以有效解決占地和投資的矛盾。

3.1 新型水中浸入式生物預處理工藝原理

新型預處理工藝原理圖如圖1。

圖1 新型預處理工藝原理圖

整個系統的組成：6-自吸進水管，1-曝氣生物接觸氧化池，51-空氣曝氣系統，2-曝氣生物接觸氧化池，52-純氧曝氣系統，7-出水管。

工藝流程及工作原理：系統外圍的原水因水位差，從6-自吸進水管自流進入1-曝氣生物接觸氧化池，含有機物、氨氮等的原水進入生物接觸氧化池，在高溶解氧的條件下流經長有生物膜的填料，膜上的微生物通過生物絮凝、生物吸附、生物氧化等作用降解原水中的污染物；經生物初步降解后，自動進入2-純氧生物接觸氧化池，在高純氧溶解條件下將水中的有機物、氨氮充分氧化生物降解，使原水中的有機物和氨氮得到有效去除，使高錳酸鹽指數和氨氮指標在進入下個工序前處理合格，從純氧生物接觸氧化池中的7-出水管出水連接到水泵入水口，直接提升到后續的處理工藝。

3.2 新型水中浸入式生物預處理工藝的特點

新型水中浸入式生物預處理工藝具有以下特點：

1）生物處理裝置利用浮筒懸浮在水體中，并用錨固定。自由拼裝，適用于不同處理規模的水廠項目，使用非常靈活；非常適合添加預處理工藝和改造工藝的水廠。

2）建設成本比地面式低30%-50%。首先，處理設備在水中不占地面；第二，由于處理設備內外水壓平衡，可用不銹鋼或塑料制作，比地面式混凝土構造物節省材料和制作人工；第三，預處理全過程在水體中完成，無需將水抽到地上構筑里處理，進一步減少中間環節。

3）節能環保、運行費用低。利用處理設備內外水位差，水自然流入處理裝置，無需其他動力，因此節能環保，運行費用很低。

4）運行維護管理簡單方便。本技術的處理裝置是一體化形式，配套設備是曝氣裝置，整體裝置緊湊簡單，便于維護管理。

這些特點正好切合村鎮供水水廠的特點，因此，水中浸入式生物預處理技術具備解決村鎮供水工程中微污染原水有效凈化的能力，是解決村鎮供水微污染難題的有力選項。

3.3 新型水中浸入式生物預處理工藝設計

1)接觸氧化池體積計算

根據接觸生物接觸氧化法污水處理工程技術規范（HJ 2009-2011）：

V——接觸氧化池的容積，m3;

NIKN——接觸氧化池進水凱氏氮，mg/L;

NEKN——接觸氧化池出水凱氏氮，mg/L;

MN——接觸氧化池的硝化容積負荷，kgTKN/（m3填料·d）;

η——填料的填充比，%;

Q——設計流量，m3/d;

式中參數取值參考如下：

其中凱氏氮未能測出，已知原水氨氮高峰為2.2mg/L。一般污水中，氨氮站總氮約為50-60%比例，有機氮占有40-50%比例，有機氮在有氧情況下，先轉為氨氮，再轉為（亞）硝酸鹽。因此本次保守設計進出水凱氏氮去除為4mg/L；MN取值范圍為0.5-1.0kgTKN/m3填料·d，本次取0.5 kgTKN/m3填料·d；設計填料填充率為70%。

2）設備直徑

取有效水深為H1=4.5m，

則設備直徑為：

D=

V-接觸氧化池的容積（m3）

H1-有效水深（m）

3）設備高度

去安全水位H2=0.3m

設備總高度H=H1+H2=4.5m+0.3m=4.8m

4）曝氣需氧量計算

式中：

R-單位時間內曝氣池氨氮硝化的需氧量KgO2/d；

4.57-每硝化還原1g氨氮需要消耗4.57g氧；

Q-設計污水量，m3/d；

△S（TKN）-氨氮去除率，g/m3。

5）供氧量計算

Gs=R/（0.28Ea）

式中：

Gs-鼓風曝氣時，標準狀態下的供氣量，m3/d；

R-單位時間內曝氣池氨氮硝化的需氧量KgO2/d；

Ea-氧氣利用率；

0.28-標準狀態下（0.1Mpa,20攝氏度）的每立方米空氣的含氧量，KgO2/m3。

3.4 新型水中浸入式生物預處理工藝中試運行分析

水中浸入式生物預處理設備在曝純氧+空氣處理的條件下，其運行情況如下

圖2 水中浸入式生物預處理設備在曝純氧+空氣處理的條件下的運行情況

從圖2可以看出，溫度和出水口的溶解氧大致呈線性相關。氨氮的去除率并沒有明顯規律，呈在0附近平緩地上下波動變化；而進出水口的氨氮值曲線幾乎重合。此類情況的氨氮并沒有明顯的去除效果。然而進入12月進出水口的氨氮值緩慢走高，而溫度逐漸走低，則溫度和水庫水的氨氮變化呈負相關變化。可以看出溫度既抑制了水庫水體自身的凈化功能，也抑制了菌落的活性。因此本工藝還需進一步改進，來適應較低水溫環境。

4 結論

村鎮供水水源出現不同程度的微污染，有效解決微污染原水的處理問題是村鎮供水工程面臨的課題；作為不加藥劑的預處理工藝，生物預處理和吸附預處理將是主流工藝；水中浸入式生物預處理技術具備解決村鎮供水工程中微污染原水有效凈化的能力，是解決村鎮供水微污染難題的有力選項。

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Design for Biological Pretreatment of Micro Polluted Water in Villages and Towns

CHEN Shi-chu1, XIA Hong-sheng2, ZHOU Jian-hua1
(1 Foshan Hongjun Water Treatment Equipment Co., Ltd., Foshan 528031, China; 2 Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510635, China)

The pretreatment technology of micro polluted raw water in villages and towns mainly includes biological pretreatment, adsorption pretreatment and chemical oxidation pretreatment, among which biological pretreatment and adsorption pretreatment, representing non additive agent pretreatment technology, will be the mainstream. In this paper, a new type of submerged biological pretreatment process is designed, which, by using the water immersion program, can effectively solve the contradiction between land occupation and investment, and can better solve the pretreatment problem of micro polluted raw water in villages and towns.

villages and towns water supply; micro pollution; pretreatment; design

TU991.2

A

1672-2841（2016）02-0001-04

2016-05-12

2016年度廣東省水利科技創新項目（2016-05）。

陳師楚，男，工程師，碩士，主要從事水處理設備研發和設計。