仲麗娟 姚雨霖
（成都市自來水總公司） （重慶建筑大學(xué)）

　　摘要：對石英砂、瓷-砂兩種均質(zhì)濾料濾池進(jìn)行處理微污染水的實驗研究，結(jié)果表明在3-7m/h濾速范圍內(nèi)兩濾池除濁除色效果良好，對COD_Mn和NH₃-N的去除率，石英砂濾池為8.66%和10-27.4%，瓷-砂濾池為13.31%和16.2-18.5%；瓷-砂濾池充氧生物過濾工藝在保證良好的除濁除色的前提下，在2-8m/h濾速范圍內(nèi)，COD_Mn去除率為14-32.7%，NH₃-N去除率為58.3-82.3%，UV值降低37%。
　　關(guān)鍵詞：均質(zhì)濾料濾池 生物過濾 充氧 瓷-砂 石英砂

1. 引言

　　近些年來以V型濾池為代表的均質(zhì)濾料濾池在我國水廠應(yīng)用日益廣泛，這種濾池采用氣水反沖洗，避免了濾料水力分級，濾床孔隙率沿濾床深度方向均勻分布，提高了深層濾床截污能力的利用率，生產(chǎn)經(jīng)驗表明，相對于普通快濾池它具有出水濁度低、運(yùn)行周期長、反沖洗耗水量低等優(yōu)點，但是，面對我國城市水域污染特別是有機(jī)污染普遍的現(xiàn)狀其適應(yīng)能力如何？基于此，我們進(jìn)行了石英砂、瓷-砂兩種均質(zhì)濾料濾池過濾處理微污染水的實驗，并在此基礎(chǔ)上對瓷-砂濾池充氧，培養(yǎng)微生物，進(jìn)行了生物過濾處理微污染水的對比實驗。

2. 實驗裝置和實驗方法

2.1 實驗裝置
　　共設(shè)兩根有機(jī)玻璃濾柱，內(nèi)徑100mm，高3m。兩濾柱均設(shè)有氣水反沖洗系統(tǒng)，包括承托層下的穿孔配水板、埋于承托層中的穿孔配氣管和供氣設(shè)備；2#濾柱濾床設(shè)有供氣充氧系統(tǒng)，包括空壓機(jī)、空氣輸送管和充氧曝氣頭。
　　1#濾柱裝填厚度為107cm的均質(zhì)石英砂，2#濾柱自上而下是瓷砂、石英砂兩層均質(zhì)濾料，兩者體積比為1：1，濾床厚113cm。石英砂產(chǎn)自福建晉江，瓷砂是一種高溫?zé)Y(jié)的稀土氧化物瓷，高硅質(zhì)，被加工成表面多微孔的輕質(zhì)白色球狀顆粒。稀土氧化物在化學(xué)工業(yè)上廣泛應(yīng)用作催化劑，如催化有機(jī)化合物的脫氫、加氫、氧化等。兩種濾料的性能指數(shù)如表1。
2.2 實驗原水
　　是某水廠經(jīng)兩級混凝沉淀后的水，取自沉淀池的兩根輸水管之間的連通管，由長約150m的Φ40管路輸送到實驗室。該廠水源在八十年代已發(fā)現(xiàn)其中含有上百種有機(jī)物，屬微污染水質(zhì)。第一階段實驗原水水溫6.0-27.5℃，濁度一般為2-10NTU，色度15-38度，耗氧量（COD_Mn）2.64-9.52mg/l，氨氮（NH₃-N）1.52-14.13mg/l。第二階段實驗水源已逐漸過渡到豐水期，實驗原水水溫18-38℃，PH值7.2-7.8，濁度一般為1.5-7NTU，色度15-20度，COD_Mn3.46-4.74mg/l，NH₃-N 0.12-4.63 mg/l。

表1. 濾料性能指數(shù)表

參數(shù)

濾料

粒徑（mm） 比重 孔隙率 形狀系數(shù) d10（mm） K60 石英砂 0.6-2.0 2.65 0.42 1.17 0.95 1.23 瓷-砂 0.6-2.0 2.30 0.62 1.0 0.91 1.30

2.3 實驗方法
　　實驗分兩階段進(jìn)行。
　　第一階段于1998年2月至4月對兩濾柱進(jìn)行不同濾速下去除懸浮物和有機(jī)物的過濾實驗，考慮到原水有機(jī)指標(biāo)偏高，選用較低的濾速，分別為3m/h、5 m/h、7 m/h，濾柱間斷運(yùn)行。
　　第二階段于1998年5月至7月進(jìn)行瓷-砂濾柱供氣充氧條件下的生物過濾實驗，濾速為2 m/h、4 m/h、6 m/h、8 m/h，氣水比約1：1，濾柱連續(xù)運(yùn)行。微生物的培養(yǎng)采用自然掛膜法，期間濾速為2 m/h，因水溫較高，三天之后濾柱的COD_Mn去除率超過15%，NH₃-N去除率達(dá)78%，已滿足生物膜成熟的要求[1]，并觀察到濾料表面以下30cm范圍內(nèi)的濾料已呈黃褐色，取表面濾料鏡檢發(fā)現(xiàn)大量球菌、桿菌、梭狀桿菌、菌膠團(tuán)等，可以認(rèn)為此時已完成掛膜。
　　實驗中過濾周期定為48h，采用三段式氣水反沖洗，反沖洗時間10-12min。
2.4 分析方法
　　分析中所用藥品均為分析純，方法及儀器如表2。

表2 分析方法表

序號

項目 分析方法及儀器 1 濁度 HACH2100P型便攜式濁度儀 2 色度 鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法 3 COD_Mn 酸性高錳酸鉀法 4 NH₃-N 納氏試劑光度法 5 溶解氧（DO） WTWOXI-196型溶解氧儀 6 紫外吸光度UV值 756MC型紫外可見光光度計

3. 實驗結(jié)果與分析討論

3.1 對濁度的去除效果
　　第一階段實驗中兩濾柱穩(wěn)定運(yùn)行時出水濁度均在0.3-1.2NTU，由圖2可知瓷-砂柱生物過濾時出水濁度小于0.7NTU的頻率遠(yuǎn)高于未通氣時，未通氣的瓷-砂柱略優(yōu)于石英砂柱。兩濾柱三種運(yùn)行的出水濁度都有90%以上小于1NTU，可以滿足《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》提出的一類水司2000年供水水質(zhì)目標(biāo)的濁度要求。

　　

　　快濾池去除懸浮物、降低濁度的機(jī)理是濾料顆粒表面的吸附作用，從理論上講，單位面積的濾層提供的表面積越大則濾床的除濁能力越強(qiáng)，該表面積可用指標(biāo)L/d（L是濾床厚度，d是濾床當(dāng)量粒徑）衡量。普通單層石英砂快濾池L/d值約為830，本實驗中石英砂濾柱L/d值為1130，瓷-砂柱為1180，瓷-砂柱生物過濾時濾料表面生物膜的粘附作用可有效促進(jìn)微細(xì)顆粒物的去除，所以實驗均質(zhì)濾料濾床提供的吸附表面積、吸附能力遠(yuǎn)勝于普快濾池，這是實驗中出水濁度較低的根本原因。
3.2 對色度的去除
　　對由腐殖質(zhì)、鐵離子、錳離子、有色污染等造成的色度，常規(guī)工藝的去除率僅為20-30%，第一階段實驗中濾柱進(jìn)水色度一般為15-30度，瓷-砂柱出水色度平均為8.2-10.5度，石英砂柱為10.1-12.3度（如圖3），瓷-砂柱生物過濾為7-10.6度。
3.3 對NH₃-N的去除
　　第一階段實驗中石英砂柱NH₃-N去除率為10-27.4%，瓷-砂柱為16.2-38.5%。NH₃-N的去除率是依靠硝化菌的硝化作用，生產(chǎn)性數(shù)據(jù)表明普快濾池可去除NH₃-N 0.3-1mg/l[2]，實驗中兩濾柱的除NH₃-N量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此值。第二階段瓷-砂柱生物過濾除NH₃-N率提高到58.3-82.3%，此時濾床中的微生物發(fā)揮了強(qiáng)大的作用。
3.4 以COD_Mn表示的有機(jī)物的去除情況
　　濾柱出水COD_Mn含量的頻率分布如圖4。第一階段實驗中石英砂濾柱CONMn去除率為2.46-15.12%，平均8.65%，瓷-砂柱去除COD_Mn6.78-22.95%，平均13.31%。包括過濾在內(nèi)的常規(guī)工藝以懸浮、膠態(tài)物質(zhì)為處理對象，對溶解性有機(jī)物（DOM）去除率很低，而大部分懸浮物、膠態(tài)物經(jīng)混凝沉淀已被除去，所以常規(guī)過濾的有機(jī)物去除率較低。本實驗中石英砂濾床雖然比較深厚，但其去除有機(jī)物的機(jī)理相對于普通快濾池并沒有改善，仍屬于常規(guī)處理范疇，所以其有機(jī)物去除率并不高。瓷-砂柱的COD_Mn去除率略高于石英砂柱其原因在于瓷砂是一種多孔濾料，比表面積高于石英砂，吸附能力較強(qiáng)，另外，其中的稀土氧化物可能也起了一定促進(jìn)作用。
　　瓷-砂柱生物過濾除COD_Mn為14-32.7%，比未通氣時提高了約10%。

　　

圖4. 濾柱出水COD_Mn含量頻率分布圖 圖5. 濾柱出水濁度隨濾速變化圖

3.5 對UV值的降低
　　在紫外波長254nm下測得的UV值可間接反映芳香族化合物的含量。在原水UV值為0.158，濾速為6m/h時，瓷-砂柱生物過濾降低UV值37%。
3.6 DO對生物過濾的影響
　　DO和營養(yǎng)基質(zhì)是制約微生物的生命活動的兩個重要因素，而眾多的研究表明含微量有機(jī)物的水中的營養(yǎng)物質(zhì)足夠供應(yīng)生物膜的新陳代謝，所以DO就成為制約微生物新陳代謝，亦即影響微生物對有機(jī)物的去除率的重要因素之一。給水生物過濾中同時存在自氧菌的硝化作用和異養(yǎng)微生物的新陳代謝作用，有實驗表明硝化過程所需時間大大少于有機(jī)物氧化，所以水中DO會優(yōu)先用于氨氮的硝化，部分異養(yǎng)微生物的新陳代謝可能會受到抑制。

　　

　　本試驗中采用曝氣頭把空氣分散于水中，曝氣頭位于濾床上，充氧量最大只能使水接觸濾床時達(dá)到飽和，因空氣從曝氣頭中溢出的氣泡較大，直徑約2-3mm，所以原接觸濾床時其DO飽和率僅為60-90%，相對于原水中3.46-4.74mg/l的COD_Mn和0.12-4.63mg/l的NH₃-N（1mg/l NH₃-N相當(dāng)于4.33mg/lCOD_Mn [4]），該DO含量并不充足，有可能發(fā)生上述異養(yǎng)微生物受到抑制的情況，所以瓷-砂柱生物過濾的COD_Mn去除率沒有NH₃-N去除率那理想。如果所采取的充氧方式能夠使溶解氧在被消耗的同時得到補(bǔ)充，則有可能獲得更高的有機(jī)物去除率。
3.7 濾速對過濾的影響
　　濾速對過濾效果的影響反映的實際上是水流與濾床的接觸時間對過濾的影響。設(shè)濾速為v，床厚為L，則空床接觸時間為：t=L/v。
　　如圖5-8，濾速對濁度、色度的去除影響較小，而對COD_Mn、NH₃-N的去除影響較明顯，隨著濾速的降低，空床接觸時間的增長，出水水質(zhì)呈變優(yōu)的趨勢。有機(jī)物氧化約需20min，生產(chǎn)中快濾池水與濾床的接觸時間一般不可能達(dá)到，且生物濾池中生物的分布主要集中在濾床的上部，所以采用多孔大比表面積的瓷砂濾料將水中有機(jī)質(zhì)富集字其表面和微孔中微生物才能獲得充分將之氧化的時間。

4. 結(jié)論

4.1 深層均質(zhì)石英砂濾料濾池除濁、色效果良好，但去除有機(jī)物效率有限，以COD_Mn計僅8.66%，屬于常規(guī)水處理范疇。
4.2 均質(zhì)瓷-砂濾料濾池除濁、色效果良好，COD_Mn去除率平均為13.31%，NH₃-N去除率為16.2-38.5%，優(yōu)于石英砂濾池，所以多孔大比表面積的瓷砂濾料比石英砂更適應(yīng)有機(jī)污染水的處理。
4.3 均質(zhì)瓷-砂濾料濾池生物過濾能保證良好的除濁除色效果，COD_Mn去除率比未充氧運(yùn)行時提高了約10%，NH₃-N去除率為58.3-82.3%。

參考文獻(xiàn)
[1] 岳舜琳，生物氧化在給水處理中的應(yīng)用，中國給水排水，1996，12：4.
[2] 許保玖、安鼎年，給水處理理論與設(shè)計，中國建筑工業(yè)出版社，1992.
[3] Edward J. Bouwer and Patricia B. Crowe，Biological Processes in Drinking Water Treatment，JAWWA，1988，80：9.
[4] Eckenfelder WW.著，馬志毅譯，工業(yè)水污染控制，中國建筑工業(yè)出版社，1992.