陳師楚，夏宏生，周建華

（1.佛山市弘峻水處理設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528031；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635）

村鎮(zhèn)水庫微污染原水生物預(yù)處理新工藝設(shè)計(jì)

陳師楚1，夏宏生2，周建華1

（1.佛山市弘峻水處理設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528031；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635）

村鎮(zhèn)水庫微污染原水的預(yù)處理技術(shù)主要有生物預(yù)處理、吸附預(yù)處理和化學(xué)氧化預(yù)處理等，作為不加藥劑的預(yù)處理工藝，生物預(yù)處理和吸附預(yù)處理將是主流工藝。設(shè)計(jì)出一種新型水中浸入式生物預(yù)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(zhèn)水庫微污染原水的預(yù)處理問題。

村鎮(zhèn)供水；微污染；預(yù)處理；工藝設(shè)計(jì)

1 村鎮(zhèn)供水微污染原水的特征與預(yù)處理技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 村鎮(zhèn)供水微污染原水的特征

由于水源地保護(hù)不當(dāng)或水源地選址不當(dāng)，村鎮(zhèn)供水的水庫水源出現(xiàn)不同程度的微污染。農(nóng)村水庫微污染水源水的污染指標(biāo)以高錳酸鹽指數(shù)和氨氮為主，具有有機(jī)物綜合指標(biāo)值(高錳酸鹽指數(shù))較高、氨氮濃度較高、嗅和味明顯等特點(diǎn)。經(jīng)過常規(guī)工藝處理后，出廠水水質(zhì)難以達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)在：①未能有效的去除有機(jī)物（高錳酸鹽指數(shù))。若采用氯化消毒,則可能導(dǎo)致對(duì)人體健康危害很大的三鹵甲烷等“三致”副產(chǎn)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(dǎo)致供水管網(wǎng)中亞硝化細(xì)菌增生,促使?jié)舛仍龈?殘留的有機(jī)物還可能引起管道中異養(yǎng)菌孽生,對(duì)人體健康構(gòu)成潛在危害。③色、嗅味異常問題。春夏交替季節(jié),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(guī)凈水工藝去除藻類和溶解性有機(jī)物能力有限,致使供水水質(zhì)偶有異味,口感變差。由于常規(guī)處理技術(shù)無法有效凈化這種水質(zhì)，使得水廠出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。有效解決微污染原水的處理問題是村鎮(zhèn)供水工程面臨的課題。

1.2 村鎮(zhèn)供水微污染原水處理技術(shù)的特點(diǎn)

常規(guī)飲用水處理工藝所使用的處理技術(shù)有混凝、沉淀、澄清、過濾、消毒等，其主要去除指標(biāo)是色度、濁度和細(xì)菌學(xué)指標(biāo)，只能有效去除水中的懸浮物、膠體、細(xì)菌和大腸桿菌等，而對(duì)于氨氮、有機(jī)污染物和病原微生物等，去除作用十分有限。國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明[1]，常規(guī)處理工藝的氨氮去除率為10%左右，有機(jī)物去除率為30%左右，特別是對(duì)于水中呈溶解狀的有機(jī)物，除了極少量的會(huì)被吸附在濾料和礬花表面，常規(guī)處理工藝基本上沒有去除效果，從而會(huì)使一些有害物質(zhì)包括三致物質(zhì)等微量有機(jī)物殘留在飲用水中，經(jīng)氯化消毒，其危險(xiǎn)性有增強(qiáng)趨勢(shì)，使出水感官指標(biāo)難盡人意。且液氯易與原水中的腐殖質(zhì)結(jié)合生成消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷。同時(shí)，有機(jī)污染物進(jìn)入輸水管網(wǎng)后會(huì)被管壁上附著的微生物所利用，引起了管網(wǎng)二次污染。

目前處理微污染原水的技術(shù)方案有：強(qiáng)化常規(guī)處理、預(yù)處理、深度處理等，城鎮(zhèn)大中型水廠處理微污染原水的技術(shù)已較成熟，這些技術(shù)方案往往投資高、技術(shù)復(fù)雜、維護(hù)管理不易。而村鎮(zhèn)供水的水處理工程的特點(diǎn)是：產(chǎn)水規(guī)模小、分布散、投資少、工藝簡(jiǎn)單、管理人員少、管理水平不高。因此不能照搬城鎮(zhèn)供水的處理技術(shù)，而需要研究適合村鎮(zhèn)供水實(shí)際的微污染原水處理技術(shù)，保障飲水安全。

根據(jù)農(nóng)村供水的特點(diǎn)，用于微污染水源水處理的技術(shù)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①處理有效化，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮等指標(biāo)有較好的去除作用；②設(shè)備一體化，微型化；投資省，運(yùn)行費(fèi)用低；③操作自動(dòng)化，便于操作管理。

2 水庫微污染原水預(yù)處理技術(shù)現(xiàn)狀

預(yù)處理技術(shù)是通過采用物理、化學(xué)和生物方法對(duì)水中的污染物進(jìn)行初級(jí)去除,在常規(guī)處理工藝之前設(shè)置預(yù)處理工藝，可以使常規(guī)處理更好地發(fā)揮作用,改善和提高飲用水水質(zhì)。預(yù)處理主要有生物預(yù)處理、吸附預(yù)處理和化學(xué)氧化預(yù)處理。

生物預(yù)處理技術(shù)是借助微生物群體的新陳代謝活動(dòng)初步去除水中的污染物質(zhì)，包括多種有機(jī)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(xù)工藝的發(fā)揮，提高出水水質(zhì)。生物預(yù)處理工藝在歐洲應(yīng)用較普遍，多采用生物膜型反應(yīng)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(shù)[2]。自20世紀(jì)80年代以來，國(guó)內(nèi)也對(duì)微污染水源水進(jìn)行了大量的生物預(yù)處理研究。目前應(yīng)用的生物預(yù)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(yīng)器等，其中研究與應(yīng)用較為廣泛和深入的技術(shù)是生物接觸氧化法。

吸附預(yù)處理是在常規(guī)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(dá)到脫除污染物質(zhì)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(jìn)行預(yù)處理,水源水的色度、臭味及有機(jī)物的去除效果顯著，且對(duì)農(nóng)藥、酚類、消毒副產(chǎn)物及其前體物也有很好的去除效果[4,5]。

化學(xué)氧化預(yù)處理是利用強(qiáng)氧化劑的氧化能力，提高水中有機(jī)污染物的可生化性，進(jìn)而轉(zhuǎn)化和分解水中污染物質(zhì)，提高混凝沉淀效果。目前用于原水預(yù)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(qiáng)氧化劑，但會(huì)與水中污染物反應(yīng)生成三鹵甲烷；高錳酸鉀也是一種較強(qiáng)的氧化劑，其復(fù)合劑預(yù)氧化助凝可顯著節(jié)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(shí)不會(huì)引入雜質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生鹵代烴，且分解速度很慢，同有機(jī)物作用溫和，可保證較長(zhǎng)時(shí)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(wěn)定，其強(qiáng)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(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐妆簧锝到夂屠玫奈镔|(zhì)。Kim等人研究結(jié)果表明,經(jīng)臭氧處理后,水中可生物降解的溶解性有機(jī)碳(DOC)增加了30%[7]。臭氧氧化預(yù)處理能使水質(zhì)的可生化性提高20%～30%,可同化有機(jī)碳的含量增加10～20倍[8]。

多數(shù)凈水廠大量使用絮凝劑、氧化劑等化學(xué)藥劑，鋁殘留、消毒副產(chǎn)物等二次污染成為水質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)的主要成因。因此，不用或少用化學(xué)藥劑的清潔技術(shù)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(yù)處理工藝，生物預(yù)處理和吸附預(yù)處理將是主流工藝。

3 新型水中浸入式生物預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)應(yīng)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(diǎn)原水測(cè)得的主要水質(zhì)指標(biāo)：氨氮為2.2mg/L、渾濁度為1NTU、耗氧量為1.34mg/L，《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》規(guī)定III類水氨氮的標(biāo)準(zhǔn)為≤1.0 mg/L，表明該取水點(diǎn)氨氮已嚴(yán)重超標(biāo)。原水和水廠水的水質(zhì)有以下特征：水源水及出廠水有時(shí)會(huì)有臭味；水源水、出廠水較常出現(xiàn)綠色；沉淀池水會(huì)聚集蚊蟲，清水池也出現(xiàn)蚊蟲及茲生紅色沙蟲；絮凝物未能完全沉淀，導(dǎo)致海沙過濾池過濾失效。經(jīng)分析，上述現(xiàn)象也證明是原水中氨氮和有機(jī)物超標(biāo)造成的，因此必須通過預(yù)處理來去除微污染指標(biāo)，使水廠正常運(yùn)行，保證出水水質(zhì)安全。受用地和投資的限制，若再建一座預(yù)處理構(gòu)筑物非常困難，經(jīng)實(shí)地勘察和研究分析，決定采取新型預(yù)處理工藝，該工藝中的新型預(yù)處理設(shè)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(yù)處理工藝原理

新型預(yù)處理工藝原理圖如圖1。

圖1 新型預(yù)處理工藝原理圖

整個(gè)系統(tǒng)的組成：6-自吸進(jìn)水管，1-曝氣生物接觸氧化池，51-空氣曝氣系統(tǒng)，2-曝氣生物接觸氧化池，52-純氧曝氣系統(tǒng)，7-出水管。

工藝流程及工作原理：系統(tǒng)外圍的原水因水位差，從6-自吸進(jìn)水管自流進(jìn)入1-曝氣生物接觸氧化池，含有機(jī)物、氨氮等的原水進(jìn)入生物接觸氧化池，在高溶解氧的條件下流經(jīng)長(zhǎng)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(jīng)生物初步降解后，自動(dòng)進(jìn)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(jī)物、氨氮充分氧化生物降解，使原水中的有機(jī)物和氨氮得到有效去除，使高錳酸鹽指數(shù)和氨氮指標(biāo)在進(jìn)入下個(gè)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(xù)的處理工藝。

3.2 新型水中浸入式生物預(yù)處理工藝的特點(diǎn)

新型水中浸入式生物預(yù)處理工藝具有以下特點(diǎn)：

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(guī)模的水廠項(xiàng)目，使用非常靈活；非常適合添加預(yù)處理工藝和改造工藝的水廠。

2）建設(shè)成本比地面式低30%-50%。首先，處理設(shè)備在水中不占地面；第二，由于處理設(shè)備內(nèi)外水壓平衡，可用不銹鋼或塑料制作，比地面式混凝土構(gòu)造物節(jié)省材料和制作人工；第三，預(yù)處理全過程在水體中完成，無需將水抽到地上構(gòu)筑里處理，進(jìn)一步減少中間環(huán)節(jié)。

3）節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低。利用處理設(shè)備內(nèi)外水位差，水自然流入處理裝置，無需其他動(dòng)力，因此節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行費(fèi)用很低。

4）運(yùn)行維護(hù)管理簡(jiǎn)單方便。本技術(shù)的處理裝置是一體化形式，配套設(shè)備是曝氣裝置，整體裝置緊湊簡(jiǎn)單，便于維護(hù)管理。

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

3.3 新型水中浸入式生物預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)

1)接觸氧化池體積計(jì)算

根據(jù)接觸生物接觸氧化法污水處理工程技術(shù)規(guī)范（HJ 2009-2011）：

V——接觸氧化池的容積，m3;

NIKN——接觸氧化池進(jìn)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(fù)荷，kgTKN/（m3填料·d）;

η——填料的填充比，%;

Q——設(shè)計(jì)流量，m3/d;

式中參數(shù)取值參考如下：

其中凱氏氮未能測(cè)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(jī)氮占有40-50%比例，有機(jī)氮在有氧情況下，先轉(zhuǎn)為氨氮，再轉(zhuǎn)為（亞）硝酸鹽。因此本次保守設(shè)計(jì)進(jìn)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(shè)計(jì)填料填充率為70%。

2）設(shè)備直徑

取有效水深為H1=4.5m，

則設(shè)備直徑為：

D=

V-接觸氧化池的容積（m3）

H1-有效水深（m）

3）設(shè)備高度

去安全水位H2=0.3m

設(shè)備總高度H=H1+H2=4.5m+0.3m=4.8m

4）曝氣需氧量計(jì)算

式中：

R-單位時(shí)間內(nèi)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(shè)計(jì)污水量，m3/d；

△S（TKN）-氨氮去除率，g/m3。

5）供氧量計(jì)算

Gs=R/（0.28Ea）

式中：

Gs-鼓風(fēng)曝氣時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的供氣量，m3/d；

R-單位時(shí)間內(nèi)曝氣池氨氮硝化的需氧量KgO2/d；

Ea-氧氣利用率；

0.28-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(yù)處理工藝中試運(yùn)行分析

水中浸入式生物預(yù)處理設(shè)備在曝純氧+空氣處理的條件下，其運(yùn)行情況如下

圖2 水中浸入式生物預(yù)處理設(shè)備在曝純氧+空氣處理的條件下的運(yùn)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(guān)。氨氮的去除率并沒有明顯規(guī)律，呈在0附近平緩地上下波動(dòng)變化；而進(jìn)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(jìn)入12月進(jìn)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(fù)相關(guān)變化?？梢钥闯鰷囟燃纫种屏怂畮焖w自身的凈化功能，也抑制了菌落的活性。因此本工藝還需進(jìn)一步改進(jìn)，來適應(yīng)較低水溫環(huán)境。

4 結(jié)論

村鎮(zhèn)供水水源出現(xiàn)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(zhèn)供水工程面臨的課題；作為不加藥劑的預(yù)處理工藝，生物預(yù)處理和吸附預(yù)處理將是主流工藝；水中浸入式生物預(yù)處理技術(shù)具備解決村鎮(zhèn)供水工程中微污染原水有效凈化的能力，是解決村鎮(zhèn)供水微污染難題的有力選項(xiàng)。

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[9]曲久輝.飲用水處理工藝改革的方向與愿景[J].給水排水，2016，42（1）：1.

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(chuàng)新項(xiàng)目（2016-05）。

陳師楚，男，工程師，碩士，主要從事水處理設(shè)備研發(fā)和設(shè)計(jì)。