黃曉東1，李德生1，吳為中1，王占生1，段洪雷2，雷曉玲2
(1.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084；2.深圳市水務(wù)局，廣東深圳518023)

　　摘　要：研究開發(fā)了三種生物活性濾池，實(shí)現(xiàn)了對普通濾池過濾作用的強(qiáng)化。經(jīng)長期運(yùn)行測定，在10m/h左右的濾速下，生物活性濾池對氨氮、亞硝酸鹽氮、有機(jī)物、濁度等均有較高的去除效果，其中氨氮的去除率為76%～87%，亞硝酸鹽氮的去除率為76.9%～90.6%，CODMn的去除率為17.3%～31.4%，出水濁度均能保證在1 NTU以下，經(jīng)消毒后能滿足衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)的要求。所載生物膜受濾池頻繁反沖洗的影響較小，在反洗2～3次/d的情況下依然保持良好的處理效果。該技術(shù)為解決現(xiàn)有水廠微污染水源水的處理問題、提高供水水質(zhì)提供了一條新的有效途徑。
　　關(guān)鍵詞：生物活性濾池；強(qiáng)化過濾；微污染水源水
　　中圖分類號：TU991.24
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2001)08-0010-04

Study on the Enhanced Filtration in Bioactive Rapid Filter

HUANG Xiao-dong1,LI De-sheng1,WU Wei-zhong1,WANG Zhan-sheng1,DUAN Hong-lei2,LEI Xiao-ling2
(1.Dept.of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Shenzhen Water Affairs Bureau,Shenzhen 518023,China)

　　Abstract：Three kinds of bioactive rapid filter (BARF) were developed to enhance filtration in conventional filter.It was measured after a long operation period that at filtering velocity of 10 m/h,BARF has higher efficiency in removing ammonia nitrogen and nitrite nitrogen with removal rate of 76%～87% for the former and 76.9%～90.6% for the latter,and 17.3%～31.4% of CODMn removal is also achieved.The effluent turbidity is maintained below 1 NTU and the water quality can reach the hygienic index after disinfection.Frequent backwash has less impact on the biofilm with good efficiency kept even after backwash for 2～3 times per day.BARF provides a new effective way to treat micropolluted source water and improve water quality in existing water plants.
　　Keywords:bioactive rapid filter；enhanced filtration；micropolluted source water

　　目前，自來水廠普遍采用的“混凝沉淀→過濾→消毒”的傳統(tǒng)凈水工藝主要是除濁、除菌，而對微污染水源水中各種超標(biāo)污染物的去除能力有限。各自來水廠普遍存在的問題主要表現(xiàn)在：氨氮和亞硝酸鹽氮時(shí)有超標(biāo)，由于普通濾池硝化作用不完全，有時(shí)出廠水中的亞硝酸鹽氮會高出原水?dāng)?shù)倍；出廠水生物穩(wěn)定性差，管網(wǎng)腐蝕和自來水二次污染(包括紅蟲滋生)的問題比較突出；由于投氯量大和不能有效去除藻類，自來水經(jīng)常有較強(qiáng)的氯味和泥腥味，口感不好。
　　國內(nèi)、外處理微污染水源水的方法主要有：預(yù)處理、深度處理及常規(guī)工藝的強(qiáng)化。預(yù)處理主要有生物預(yù)處理和化學(xué)預(yù)氧化，深度處理主要有活性炭吸附和膜處理技術(shù)。預(yù)處理和深度處理的各種方法各有其優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯的局限性，即均須在現(xiàn)有常規(guī)工藝的基礎(chǔ)上另外增設(shè)構(gòu)筑物及設(shè)備，這就需要大量占地與設(shè)備投資。而強(qiáng)化常規(guī)工藝主要指在不增加水廠構(gòu)筑物的前提下，通過對混凝及過濾工藝的改進(jìn)，最大程度地發(fā)揮現(xiàn)有構(gòu)筑物及設(shè)備的處理效果，或使其具有某種新的處理功效，達(dá)到提高自來水水質(zhì)的目的，具有投資少、不需另設(shè)構(gòu)筑物的優(yōu)點(diǎn)。
　　常規(guī)工藝的強(qiáng)化包括強(qiáng)化混凝及強(qiáng)化過濾兩種。根據(jù)國外文獻(xiàn)對給水強(qiáng)化混凝(enhanced coagulation)的定義，所謂強(qiáng)化混凝就是通過優(yōu)化混凝的工藝條件，提高混凝沉淀對有機(jī)物的去除率，降低消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物的濃度，從而降低濾后消毒副產(chǎn)物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。
　　強(qiáng)化混凝雖能在一定程度上提高有機(jī)物的去除率，但對原水中氨氮、亞硝酸鹽氮和影響出廠水生物穩(wěn)定性的小分子有機(jī)物卻無能為力。據(jù)報(bào)道，生物預(yù)處理是去除水中氨氮、亞硝酸鹽氮，降低有機(jī)物濃度，增加出廠水的生物穩(wěn)定性，綜合改善飲用水水質(zhì)的有效技術(shù)措施。但由于各種類型生物預(yù)處理工藝均要在常規(guī)工藝前增加占地面積大、基建投資高的處理構(gòu)筑物，這使其應(yīng)用受到了場地、資金等方面的很大制約。
　　如果在不增設(shè)構(gòu)筑物的情況下，也能將生物處理獨(dú)有的凈水功能用于飲用水處理工藝中，那無疑具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。在對國、內(nèi)外20世紀(jì)90年代中后期的相關(guān)研究進(jìn)行跟蹤和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)某市水源水中氨氮和亞硝酸鹽氮較高的特點(diǎn)及水廠普通濾池所存在的問題，提出了一個(gè)新的水處理概念——強(qiáng)化過濾(enhanced filtration)，即在保證濾池對濁度去除效果的同時(shí)，使濾池具有去除水中氨氮、亞硝酸鹽氮和有機(jī)物的能力。其核心技術(shù)是將普通濾池改造成生物活性快濾池(biological active rapid filter)，簡稱生物活性濾池或BARF，以區(qū)別于生物預(yù)處理中廣泛使用的生物濾池。

1　試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

　　動態(tài)模擬試驗(yàn)裝置見圖1，試驗(yàn)期間的原水及出水水質(zhì)見表1。

表1試驗(yàn)期間原水和出廠水水質(zhì)　　mg/L 項(xiàng)目 原水 出廠水 平均值 范圍 平均值 范圍 氨氮 2.47 1.52～3.36 1.33 0.64～2.77 亞硝酸鹽氮 0.16 0.10～0.25 0.36 0.01～0.94 CODMn 3.36 2.21～4.70 2.61 1.80～4.27

　　通過掛膜性能測定，選擇了三種生物活性濾料(簡稱A、B、C濾料)，這三種濾料分別與石英砂組成雙濾料濾池：石英砂在下，對濁度和細(xì)菌起到把關(guān)作用；生物活性濾料在上，發(fā)揮普通濾池所不具備的生物處理功能。生物活性濾料的濾層高度均為600 mm，石英砂層高為300mm，雙濾料濾層的總高為900 mm。
　　如果原水中氨氮濃度較低，溶解氧又足夠高，則BARF無需曝氣；如果原水氨氮濃度較高，可考慮選擇濾池表面曝氣或?yàn)V料淺層曝氣的方式。BARF所載生物膜受濾池頻繁反沖洗的影響較小，在反洗2～3次/d的情況下依然保持良好的處理效果。
1.1　對氨氮的去除效果
　　不同生物活性濾料構(gòu)成的BARF對氨氮的去除效果見圖2、3、4。

　　　

1.2　對亞硝酸鹽氮的去除效果
　　不同生物活性濾料構(gòu)成的BARF對亞硝酸鹽氮的去除效果見圖5、6、7。

　　　　

　　　　　

1.3 對CODMn的去除效果
　　不同生物活性濾料構(gòu)成的BARF對CODMn的去除效果見圖8、9、10。

　　　

　　經(jīng)長期運(yùn)行測定，在10 m/h左右的濾速下， 三種BARF對氨氮、亞硝酸鹽氮均有較高的去除效果，其中對氨氮的去除率為76%～87%，對亞硝酸鹽氮的去除率為76.9%～90.6%，對CODMn的去除率為17.3%～31.4%。三種BARF的出水濁度均能保證在1 NTU以下，經(jīng)消毒后能滿足衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)的要求。
　　表2是BARF與生物陶粒和活性炭吸附處理效果的對比。

表2　BARF、生物陶粒預(yù)處理、活性炭吸附處理效果的對比 去除率(%) BARF—A BARF—B BARF—C 生物陶粒預(yù)處理 活性炭吸附* 氨氮 82.4 76.0 87.0 84.0 11.6 亞硝酸鹽氮 906 79.9 76.9 90.8 14.8 CODMn 31.4 17.0 17.1 21.4 69.3 注：*為裝入新炭時(shí)測定的數(shù)據(jù)。

　　生物陶粒預(yù)處理對氨氮、亞硝酸鹽氮和有機(jī)物的去除率分別為84.0%、90.8%和21.4%，從總體上來看，BARF—A與生物陶粒預(yù)處理效果相當(dāng)；而BARF—B和BARF—C的去除率相對要低一些，其中對亞硝酸鹽氮的去除率低10%左右，對有機(jī)物的去除率低5%左右。在去除有機(jī)物方面，活性炭吸附是最有效的單元處理技術(shù)，新炭對有機(jī)物的去除率高達(dá)69.3%，這是BARF及生物陶粒預(yù)處理所無法比擬的。而活性炭對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率僅分別為11.6%和14.8%，比BARF和生物陶粒預(yù)處理都低得多。
　　通過對三種BARF運(yùn)行效果的長期對比分析，以及對生物量及生物活性的實(shí)際測定，BARF—A的總體處理效果最好且運(yùn)行最穩(wěn)定，缺點(diǎn)是濾料的價(jià)格比較高，而B和C濾池雖然效果及運(yùn)行的穩(wěn)定性相對要差一些，但這兩種濾料的價(jià)格比較便宜，有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。

2　機(jī)理探討

　　BARF強(qiáng)化過濾的基本原理是其上層生物活性濾料的生物處理作用，三種BARF的濾層高度均為0.9 m，濾速達(dá)10 m/h；而生物陶粒預(yù)處理池的濾層高度為2 m，濾速僅為4～6 m/h。因此，BARF的空床停留時(shí)間(EBCT)僅為5.4 min，而生物陶粒濾池的則高達(dá)20～30 min。除了BARF—B和BARF—C對亞硝酸鹽氮和有機(jī)物的去除率相對要低一些外，BARF—B、BARF—C在氨氮的去除率方面與生物陶粒相差不大，而BARF—A在各項(xiàng)指標(biāo)上與生物陶粒預(yù)處理效果相當(dāng)。產(chǎn)生這種差異的主要原因除了濾料本身不同外，可能還存在以下兩方面的原因：①生物預(yù)處理中，陶粒濾料的粒徑為3～5 mm，而BARF中三種生物活性濾料的粒徑在1.5～3.0 mm之間。由于粒徑小使濾料的比表面積增大，單位體積濾料所掛載的生物膜量就多，所以BARF生化反應(yīng)速率相應(yīng)就快；②根據(jù)工藝上的要求，生物陶粒濾池是放在混凝沉淀之前的單元處理構(gòu)筑物，進(jìn)水濁度較高；而BARF置于混凝沉淀之后，進(jìn)水濁度則要低得多。較高的進(jìn)水濁度會影響生物膜的活性，降低生物膜對基質(zhì)(氨氮、亞硝酸鹽氮和有機(jī)物等)的去除效率。

3　經(jīng)濟(jì)比較

　　以三種濾料中價(jià)格最高的A為例，一座10×10⁴m³/d的自來水廠若將普通濾池改造成生物活性濾池，則總的改造費(fèi)用需要100萬元左右。若采用生物陶粒預(yù)處理，由于其設(shè)計(jì)濾速為4～6 m/h，濾層高為2 m，基建和設(shè)備投資將達(dá)1 000～1 500萬元，而采用活性炭吸附深度處理也需900～1 000萬元。如果采用價(jià)格便宜的B、C濾料，則生物活性濾池的改造投資將下降至60萬元左右。所以，生物活性濾池比生物陶粒預(yù)處理及活性炭吸附深度處理投資要節(jié)省很多。從運(yùn)行費(fèi)用看，如果原水中氨氮濃度較低而溶解氧較高，則無需對生物活性濾池進(jìn)行曝氣，此時(shí)的生物活性濾池與普通濾池的運(yùn)行費(fèi)用基本相同；如果原水中氨氮濃度較高而溶解氧濃度較低時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用約為0.02～0.03 元/m³。而生物陶粒預(yù)處理為0.08～0.10 元/m³，活性炭吸附深度處理的運(yùn)行費(fèi)用則為0.12～0.15 元/m³。所以無論是從投資還是從運(yùn)行費(fèi)用來講，生物活性濾池在經(jīng)濟(jì)上都有優(yōu)勢。

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　　作者簡介：黃曉東(1965-)，男，湖北荊門人，博士，工程師，研究方向?yàn)榻o水處理。
　　電　　話：(0755)5701154(O)13823168957
　　收稿日期：2000-12-29