曝氣生物濾池處理混合水源微污染水的試驗研究

王朋,趙興忠,趙星明,周忠波,徐志,劉經強*

曝氣生物濾池處理混合水源微污染水的試驗研究

王朋1,2,趙興忠1,趙星明1,周忠波3,徐志4,劉經強1*

1. 山東農業大學水利土木工程學院, 山東 泰安 271018 2. 高密市孚日水務有限公司, 山東 高密 261500 3. 濟南沃特佳環境技術股份有限公司, 山東 濟南 250102 4. 高密市城北水庫運營維護中心, 山東 高密 261500

本文以水庫微污染水為研究對象，采用曝氣生物濾池工藝進行水源水預處理試驗，測試各種污染物的去除效果，研究了溫度、停留時間、水力負荷與溶解氧等因素對曝氣生物濾池處理效果的影響，同時研究曝氣生物濾池對后續工藝的影響。結果表明，曝氣生物濾池預處理對該水源水具有較好的適用性。在水力負荷4～8 m3/(m2?h)的條件下，對濁度、色度、CODMn、UV254、藻類和氨氮的去除率分別達到63.31%、49.49%、20.21%、6.23%、55.07%和27.05%；與常規混凝沉淀相比，“曝氣生物濾池-混凝沉淀”組合工藝對濁度的去除率提高了17.37%～28.40%，CODMn去除率提高了10.65%～28.34%。

微污染水; 曝氣生物濾池; 有機物

曝氣生物濾池（biological aerated filter，以下簡稱BAF）于20世紀80年代誕生于歐洲，是一種新型生物膜法處理工藝，被廣泛應用于污水處理，主要依靠填料及附著生物膜的攔截吸附作用和生物氧化作用，高效去除懸浮物、有機物和氨氮，并發展為脫氮除磷[1]。隨著飲用水水源污染的加劇，曝氣生物濾池在給水處理中也得到應用[2]。目前曝氣生物濾池的主要工藝型式有BIOSTYR工藝[3]、Biofor[4]工藝及BIOSMEDI[5]工藝等，對于曝氣生物濾池的研究主要集中在濾料型式[6,7]及尺寸[8,9]、溫度[10-12]、水力負荷[13]與氣水比[14,15]等幾個方面，并建立了相關的數學模型[16]，致力于提高濾速[17]和處理水的可生化性[18]。

山東省高密市某水廠建成于2003年，以峽山水庫水為處理對象，采用絮凝-沉淀-砂濾常規工藝。2015年因缺水嚴重，調入了引黃濟青工程的黃河水，兩者的水質和污染類型不同，水質的交替波動和不穩定對處理工藝產生較大的沖擊，增加了水處理的難度。為保證出廠水水質滿足《生活飲用水

衛生標準》（GB5749-2006）的要求，開展了曝氣生物濾池預處理試驗研究，通過實驗室試驗和生產現場模型試驗相結合的方式，考察濁度、色度、CODMn、UV254、藻類和氨氮污染物的去除效果。試驗結果顯示，將曝氣生物濾池作為前置預處理工藝，水質提升效果明顯，對有機污染物的去除較為顯著，為水廠升級改造[19]的工藝選擇提供了參考依據。

1 水廠工藝現狀

1.1 工藝流程

水廠一期工程設計供水能力4.0×104m3/d，凈水采用常規工藝。如圖1，原水經一級泵站提升并加藥后，依次經過氣浮池（夏秋高藻季節開啟）、網格絮凝平流沉淀池、普通快濾池，濾池出水加注Cl02消毒后進入清水池，最終由二級泵站提升至輸配水管網供給用戶使用。為應對突發水質污染，水廠建設了粉炭投加間。

圖1 水廠工藝流程圖

網格絮凝沉淀池分為兩組，每組反應池共25格，絮凝過程分為3段，設計絮凝時間共計12 min；平流式沉淀池單組尺寸70 m×8 m，池深3.5 m，有效水深3.2 m，沉淀時間2 h，池內平均流速10 mm/s；普通砂濾池共6座，設計濾速V=8.0 m/h，運行周期T=24 h。

2 材料與方法

2.1 原水水質

峽山水庫水存在富營養化和耗氧有機物含量高的現象，主要污染指標為總氮、BOD5和CODcr；引黃濟青段黃河水水質較好，但也存在季節性藻類和有機物高的問題，主要污染指標為高錳酸鹽指數。兩種水源水交替或混合進入高密市城北水庫，供給水廠使用。

本實驗以高密市城北水庫水源水為研究對象，試驗期間水質情況如表1所示。

表1 試驗用原水水質指標及檢測方法

2.2 試驗裝置

2.2.1 組成如圖2所示，整個實驗裝置由濾柱本體、進水設備、曝氣/反洗設備和水反洗設備組成。濾柱尺寸：φ300 mm×3000 mm，材質為有機玻璃。從下至上依次為配水室、配水孔板、承托層、濾料層和出水區；進水設備主要有原水箱、原水泵，曝氣/反洗設備為無油空壓機、蛇皮配氣管；水反洗設備主要有沖洗水箱、沖洗水泵。進水、反洗水及曝氣管路均安裝流量計。

2.2.2 濾料參數見表2。

表2 火山巖濾料參數

2.2.3 承托層采用2 mm～4 mm、4 mm～8 mm和8 mm～16 mm級配礫石各100 mm厚，承托層內置蛇皮曝氣管布氣，承托層下方為配水孔板。

2.2.4 實驗設計水流方向采用上向流，濾速4 m/h～8 m/h，流量0.28 m3/h～0.56 m3/h；氣水比1:1，保證出水溶解氧在4 mg/L以上；反沖洗周期根據水頭損失進行調整，要求水頭損失小于＜0.2 m，反洗周期為7～10 d，；反沖洗采用先氣洗后水洗的方式，氣洗、水洗強度均為15 L/(s·m2)。

圖2 曝氣生物濾池實驗裝置

2.3 運行工況

試驗時間自2018年9月起，共經歷兩個階段。其中2018年9月至2019年6月為第一階段，濾料層厚度800 mm；2019年7月至2020年6月為第二階段，濾料層厚度1500 mm。試驗期間，每日對進出水水質指標進行檢測，包括濁度、色度、CODMn、UV254、氨氮、藻類、pH及溶解氧等指標。

3 結果與分析

3.1 曝氣生物濾池的掛膜啟動

試驗采用自然掛膜，在水溫22.5～29.4 ℃、進水CODMn含量7.0～9.2 mg/L條件下，控制氣水比＜1，自8月20日開始掛膜至9月14日第25 d時，CODMn的去除率達到15%左右，可以視為掛膜成功。通過生物相觀測可以發現，在生物膜內存在多種微生物。

圖3 曝氣生物濾池掛膜期間進出水CODMn檢測結果

3.2 污染物去除效果

3.2.1 濁度的去除曝氣生物濾池對濁度的去除依靠機械截留、生物絮凝等作用。如圖4所示，試驗期間的原水濁度為1.87～27.9NTU，曝氣生物濾池對濁度的月均去除率為35.09%～70.51%，日均去除率為57.82%，其中第二階段1500 mm厚濾料的日均去除率為63.31%，可以看出，隨著運行時間的延長，濁度的去除率有所增長且趨于穩定。

圖4 曝氣生物濾池對濁度的去除

圖5 曝氣生物濾池對色度的去除

3.2.2 色度的去除試驗期間原水的色度在9.1～51.9之間，曝氣生物濾池對色度日均去除率為44.75%，1500 mm濾料的日均去除率達到了49.49%。曝氣生物濾池對色度的去除率遠高于對有機物的去除率，但低于濁度的去除率。水源水的色度構成分為溶解性色度和非溶解性色度[20]，非溶解性色度成分中包含浮游生物、藻類等物質，溶解性色度主要由腐殖質、鐵、錳及合成染料等產生。結合3.2.5說明構成原水色度的物質中有相當一部分屬于非溶解性色度；曝氣生物濾池能對色度進行有效的去除，很大程度上得益于對藻類等物質的去除，且對于水中色度的去除較為穩定，波動不明顯。

3.2.3 CODMn的去除試驗期間，原水的CODMn含量為2.90 mg/L～10.26 mg/L，曝氣生物濾池工藝對CODMn的月去除率為8.78%～26.64%，其中第二階段1500 mm濾料對CODMn的日均去除率達到20.21%。從圖6可以看出，CODMn的去除率受季節和水溫的影響較大。試驗后期，CODMn去除率與原水CODMn濃度呈現出較強的相關性。生物濾池對有機物的去除主要包括：異養微生物的繁殖需要不斷地從周圍環境中吸收可以利用的能量和物質，可以氧化分解水中的有機物，另外微生物胞外酶還可以分解大分子有機物；此外還依靠生物膜的的吸附作用和濾料之間的機械截留作用去除部分有機物。

圖6 曝氣生物濾池對CODMn的去除

圖7 曝氣生物濾池對UV254的去除

3.2.4 UV254的去除原水UV254值在0.063 cm-1～0.154 cm-1之間波動，由圖7可以看出，曝氣生物濾池對UV254的月均去除率0.87%～12.1%，去除率最高的月份在2018年12月，1500 mm濾料的日均去除率也僅有6.23%，曝氣生物濾池對UV254去除效果不好。分析其原因在于：對在波長254 nm下存在吸光度的物質，其主要成分為大分子芳香族化合物，其分子結構復雜，生物降解性能也存在較大差異。曝氣生物濾池對UV254的降解性差，說明該原水中的這類物質大部分屬溶解性有機物，而且分子量較大，難以生物降解，填料及生物膜的截留吸附對其作用也不大，因而去除率不高。

3.2.5 藻類的去除試驗期間，原水的藻類濃度在825 cell/mL～45872 cell/mL。從圖8中可以看出，曝氣生物濾池對藻類的月均去除率在13.31%～77.62%，1500 mm濾料的日均去除率為55.07%。進水藻類濃度與去除率之間不存在正相關性；同時可以看出，濾層厚度不是影響藻類去除率的主要因素。

原水中藻類以綠藻和藍藻為主，綠藻、藍藻的占比分別為25.28%、68.35%，曝氣生物濾池對綠藻、藍藻的去除率分別為85.84%、36.37%，綠藻的去除率遠超過藍藻。

圖8 曝氣生物濾池對藻類的去除

圖9 曝氣生物濾池對氨氮的去除

3.2.6 氨氮的去除設備運行期間，進出水氨氮及去除率月均值如圖9所示。試驗期間，氨氮的進水濃度為0.15 mg/L～0.89 mg/L，氨氮的月平均去除率保持在10.42%～47.98%之間，1500 mm濾料的日均去除率為27.05%。通過曲線可以看出，氨氮去除率的變化與進水氨氮濃度的變化趨勢相一致。進水氨氮濃度越低，氨氮去除率越低。原水氨氮的月均值為0.26 mg/L～0.64 mg/L，曝氣生物濾池出水氨氮均保持在0.5 mg/L以下，滿足《生活飲用水衛生標準》的限值要求。

3.3 曝氣生物濾池運行影響因素

3.3.1 水溫的影響 800 mm厚度濾料對CODMn的去除率隨水溫降低呈下降趨勢，水溫低于15 ℃時下降較為明顯。在水溫低于5 ℃時，平均去除率僅為9.89%；1500 mm厚度濾料在10～30 ℃范圍內的CODMn去除率變化幅度不大，當水溫介于5～10 ℃之間時，平均去除率為14.60%，相比15～30 ℃高溫時下降至少7.18%。低溫對CODMn的去除有較大影響。

低溫對氨氮的去除有一定影響但不大，曝氣生物濾池在個別低溫條件下的氨氮去除率甚至高于高溫條件。

3.3.2 停留時間的影響試驗期間采用了800 mm與1500 mm兩種濾料高度，相應的空床停留時間（EBCT）分別6 min～12 min、11 min～22 min，進水COD負荷分別為5.27～14.04 kg/(m3?d)、2.37?4.73 kg/(m3?d)。

圖10 濾料厚度對CODMn去除的影響

圖11 濾料厚度對氨氮去除的影響

試驗結果顯示，1500 mm厚濾料對CODMn與氨氮的去除率均高于800 mm濾料，其中10～30 ℃范圍內尤為明顯，CODMn平均去除率高出10%左右。可以看出，濾料厚度的增加，延長了EBCT，降低了進水COD負荷，有助于CODMn與氨氮的去除率提高。濾層厚度的增加，更有利于微生物群落的合理分布。

3.3.3 水力負荷的影響在相同的水質條件下，以1500 mm濾料為測試對象，分別按水力負荷3 m3/(m2·h)、6 m3/(m2·h)、8 m3/(m2·h)進行測試試驗，考察水力負荷對濁度、色度、CODMn與UV254去除率的影響及對曝氣生物濾池沿程去除污染物的影響。

在3 m3/(m2·h)～6 m3/(m2·h)的水力負荷下，曝氣生物濾池對濁度、色度、CODMn與UV254去除率分別為60.06%～61.10%、41.09%～41.65%、23.88%～24.69%、9.47%～13.27%，無明顯變化；當水力負荷達到8 m3/(m2·h)時，CODMn的去除率為21.64%，略有下降；濁度、色度的去除率分別下降為45.24%和30.92%，較為明顯。從后續沿程CODMn去除率的測定來看，在水力負荷為3 m3/(m2·h)時，生物降解作用主要發生在濾料前部，前部500 mm濾料的去除率占總去除率的71.44%。當水力負荷達到8 m3/(m2·h)時，前部500 mm濾料對CODMn的去除率占比下降為45.93%；濾層前后部對CODMn的去除分布更為均勻。

圖12 曝氣生物濾池沿濾層對CODMn的去除

圖13 曝氣生物濾池沿濾層對濁度的去除

3.3.4 溶解氧的影響在25～30 ℃的相同溫度范圍內，對停止曝氣前后CODMn與氨氮的去除率進行了統計比較，如圖14所示，發現二者的去除率沒有隨曝氣的停止受到影響。曝氣停止后，出水溶解氧的濃度均保持在6 mg/L以上。

圖14 曝氣對污染物去除率的影響

3.4 曝氣生物濾池對后續處理工段的影響

3.4.1 曝氣生物濾池對原水pH的影響在試驗前期，曝氣生物濾池出水pH值高于原水，經浸泡試驗證明系火山巖濾料釋放堿度所致，堿度的釋放可以緩沖有機物降解與硝化反應產生的pH下降[21]。隨著運行時間的延長，曝氣生物濾池出水pH明顯低于原水。這是因為原水經過曝氣生物濾池預處理后，微生物在分解有機物過程中產生的有機酸以及氨氮的硝化過程產酸使得pH有所下降。原水的pH降低，有利于降低膠體顆粒的電位，提高后續混凝對有機物的去處效果。

圖15 曝氣生物濾池對pH的影響

3.4.2 曝氣生物濾池對混凝的影響在同一時間分別取曝氣生物濾池進水（即原水）和出水進行混凝攪拌試驗，分析不同藥劑投加量對污染物的去除效果。

在原水濁度為8.52 NTU，CODMn為5.54 mg/L，水溫26 ℃的條件下，原水經過曝氣生物濾池預處理之后再進行混凝與直接混凝相比，濁度去除率提高了17.37%～28.40%（見圖16），CODMn去除率提高了10.65%～28.34%（見圖17）。

圖16 曝氣生物濾池預處理對濁度去除的影響

圖17 曝氣生物濾池預處理對CODMn去除的影響

4 結論

（1）火山巖濾料曝氣生物濾池采用上向流運行，在水溫22.5～29.4 ℃、進水CODMn7.0～9.2 mg/L條件下的條件下，經過25 d的連續運行，自然掛膜成功；

（2）曝氣生物濾池預處理微污染水效果顯著，在4～8 m3/(m2?h)的水力負荷下，1500 mm濾料對濁度、色度、CODMn、UV254、藻類和氨氮的日均去除率分別達到63.31%、49.49%、20.21%、6.23%、55.07%和27.05%；1500 mm濾層對有機物的去除效率明顯高于800 mm濾層。

（3）該曝氣生物濾池較為合理的水力負荷為3～6 m3/(m2?h)；當水溫低于10 ℃時，CODMn去除率下降明顯；原水的溶解氧濃度高于6 mg/L，停止曝氣未對CODMn去除效果產生影響；

（4）曝氣生物濾池出水pH低于原水；經過曝氣生物濾池預處理后的原水經過混凝沉淀試驗，與原水直接混凝相比，濁度去除率提高了17.37%～28.40%，CODMn去除率提高了10.65%～28.34%，提高了出廠水CODMn達標率。

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Experimental Study on Treatment of Micro-polluted Water from Mixed Water Source with Biological Aerated Filter

WANG Peng1,2, ZHAO Xing-zhong1, ZHAO Xing-ming1, ZHOU Zhong-bo3, XU Zhi4, LIU Jing-qiang1*

1.271018,2.261500,3.250102,4.261500,

In this paper, the reservoir micro-polluted water is taken as the research object, and the biological aerated filter (BAF) process is used for the water source pretreatment test to test the removal effect of various pollutants, with The effect of temperature, contact time, hydraulic load and dissolved oxygen on the BAF treatment and the effect of BAF on the subsequent process studied. The result showed that BAF pretreatment is well suitable for the source water. The removal rates of turbidity, chroma, CODMn, UV254, algae and ammonia reached 63.31%, 49.49%, 20.21%, 6.23%, 55.07%, and 27.05%, respectively, at a hydraulic load of 4～8 m3/ (m2?h); Compared with the conventional coagulation and sedimentation, the removal rate of turbidity by the combined process of "BAF-coagulation and sedimentation" increased by 17.37%～28.40%, and the removal rate of CODMnincreased by 10.65%～28.34%.

Micro-polluted water; biological aerated filter; organic matter

TU991.2

A

1000-2324(2021)03-0475-08

2020-05-21

2020-08-31

王 朋(1978-),男,碩士研究生,研究方向為市政工程. E-mail:24020131@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jqliu@sdau.edu.cn