微污染高藻湖泊水的深度處理工程設計
摘 要: 由于太湖水質呈現高藻、高有機物、高氨氮的“三高”特征,常規處理對原水中藻類、氨氮、有機物等的去除效果較差,因此充山水廠實施了深度處理工程。經試驗比較,在水廠原有氣浮、過濾的常規處理工藝基礎上,增設了BIOSMEDIm生物濾池及臭氧—生物活性炭濾池等深度處理單元。介紹了充山水廠生物預處理—氣浮—臭氧/生物活性炭—砂濾—消毒組合工藝的流程、設計參數及設計特點。
關鍵詞: 微污染原水; 高藻水; 湖泊水; 生物預處理; 深度處理
太湖是附近城市的主要水源地,自20世紀80年代中期以來,太湖的水環境呈現惡化的趨勢,富營養化日益嚴重, 1990年開始的水華暴發極大影響了城市供水及湖泊生態環境。根據《2005年中國環境狀況公報》可知, 2005年太湖水的高錳酸鹽指數和總磷年均值分別達到Ⅲ類、Ⅳ類水質標準,且由于總氮污染嚴重,湖體水質為劣Ⅴ類。水體富營養化造成湖水色度、嗅味等感官指標下降,分泌出的藻毒素與居高不下的氨氮、有機物等指標交叉影響,致使水質惡化,嚴重威脅到了飲用水的安全性。為探索行之有效的高藻微污染湖泊水處理方式,無錫市自來水總公司承擔了江蘇省科技招標項目———城鎮居民安全飲用水保障技術工程示范研究項目,并以充山水廠為依托進行了示范工程建設。
1 水廠概況
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無錫市充山水廠于1982年建成投產,供水能力為1. 6 ×104 m3 /d,水源取自太湖梅梁灣。該廠采用除藻效果較好的混凝—氣浮—過濾—消毒的常規工藝。工藝流程見圖1。
2 原水水質
梅梁灣位于太湖北部,由于周邊城鎮工業與生活污水的大量排入,使該湖區成為太湖水域富營養化最嚴重的區域之一。2003年—2004年充山水廠的原水及出廠水水質情況如表1所示。
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由表1可知,太湖梅梁灣原水富營養化嚴重,全年以藻類、氮、有機物含量高為特征,藻類過度繁殖的情況尤為突出。太湖水華高發期在每年的5月—10月, 7、8月份的發生頻率最高,藻類數量最多時可達到2 ×106個/mL ( 1993年) 。在5月—10月以外的時間,藻類數量相對較低,但絕對數量一般仍在5×103個/mL以上。水中藻類優勢種類為漂浮性藍藻(微囊藻) ,魚腥藻和湖泊色球藻是亞優勢種類。
3 原有工藝存在的問題
充山水廠現有氣浮加過濾工藝對濁度和色度的去除效果較好,但由于原水水質差,常規處理后的出廠水中有機物、氨氮等指標不理想,與最新頒布實施的《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)相應指標存在顯著差距。雖然氣浮池對藻類的去除率>95% ,但原水中藻類數量過高,氣浮池出水仍含有大量藻類,致使過濾周期縮短,并對出廠水嗅味有較大影響。此外,水廠采用前加氯作為氣浮前原水的預氧化措施,以防止藻類繁殖、促進氣浮池的除藻效果等。但氯與原水中高濃度有機物作用易生成三鹵甲烷(THMs) 、鹵乙酸(HAAs)等致癌副產物,同時也導致藻細胞內的毒素釋放于水中,大大增加了水中溶解性藻毒素的含量,由于常規工藝對胞外微囊藻毒素的去除效果較差,因而預氯化處理逐漸受到各國的限制,在藻類暴發期間原水預加氯措施是不恰當的。
由于常規處理工藝對藻類、氨等污染物的去除效果不太理想,因此要提高水質必須在水廠內增加深度處理措施。
4 深度處理工藝的選擇
對于微污染原水的深度處理工藝,生物預處理和臭氧—活性炭深度處理工藝(O3 —BAC)具有廣泛的應用,其中生物預處理能夠有效去除水中的氨
氮,大幅削減藻類的數量,同時能去除一部分有機物; O3 —BAC工藝對藻毒素的降解很好,并能保證飲水水質的安全。
為探尋適宜的深度處理工藝,充山水廠進行了試驗研究。結果表明,對于高藻微污染湖泊水,生物預處理、強化常規處理和臭氧—活性炭工藝聯用能夠取得較為理想的除污效果。其中生物預處理對原水中氨氮和藻類的去除率分別達到65%和60%以上,對有機物的去除率為17% (相對于原水,以下同) ;氣浮對濁度和藻類有較好的去除效果,對大分子有機物也有一定的去除作用,對CODMn的去除率約34%;活性炭單元對氨氮的去除率約為25% ,去除的CODMn 主要為小分子有機物, 去除率約為27% ,出水CODMn ≤3 mg/L。因此,水廠決定在現有工藝基礎上增加生物預處理和臭氧—活性炭深度處理設施。
方案Ⅰ:生物預處理—氣浮—砂濾—臭氧活性炭
該組合工藝目前應用較多,在常規處理之前增加生物預處理可去除氨氮和部分藻類,提高混凝效果;氣浮可有效去除水中的濁度和藻類,砂濾在進一步除濁的同時還可去除部分大分子有機物;深度處理可去除水中的小分子有機物。但活性炭濾池出水直接進入清水池,部分長有細菌的細小活性炭顆粒在水力沖刷下進入消毒處理單元。由于附著于活性炭顆粒上的細菌聚體比細菌單體對消毒劑有更大的抗性,而一般氯化消毒難以殺滅這些細菌[ 1 ] ,故出水水質較差,出水濁度和細菌指標較高。
方案Ⅱ:生物預處理—氣浮—砂濾Ⅰ—臭氧活性炭—砂濾Ⅱ
鑒于方案Ⅰ存在的缺點,在臭氧活性炭單元后增設一組砂濾池,攔截脫落的細菌聚體,保證出水水質。此流程處理出水的水質好,安全性高,但存在工程費用高、占地大、水頭損失大、運行耗能高等缺點。
方案Ⅲ:生物預處理—氣浮—臭氧活性炭—砂濾
在方案Ⅱ的基礎上,超越第一道砂濾,氣浮出水進入活性炭濾層后再經砂濾處理,以防脫落的細菌聚體進入清水池,保證出水水質。但氣浮池出水濁度一般為1～3 NTU,直接進入生物活性炭濾層后其負荷較大。為解決上述問題,并綜合考慮工程規模小、改造工程的流程及用地緊張等因素,采用了上向流移動床濾罐(見圖2) ,過濾的同時連續沖洗,保證性炭濾層的清潔,提高生物降解及活性炭吸附的效果,并控制濾床水頭損失< 10 kPa,在水處理的過程中不需要中途提升,降低運行費用。
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5 工程設計
示范工程規模為1 ×104 m3 /d,除保留水廠原有一級泵房、氣浮池、清水池、二級泵房外,增加了生物濾池和臭氧—活性炭處理設施,而原有虹吸濾池設備老化且濾層水頭損失較高,也改用移動濾罐。為減少氯消毒副產物,選擇相對安全的二氧化氯進行消毒。主要新增設施如下:
① 生物濾池
生物預處理采用輕質填料生物濾池(BIOSM2EDIm ) 。BIOSMEDIm生物濾池共4格,單格面積為25 m2 ,每格可獨立運行。設計濾速為6 m /h,濾料層厚為3 m,輕質濾料密度< 0. 03 g/ cm3 ,比表面積> 1 000 m2 /g。氣水比為0. 4～1. 3,可根據原水水質變化進行調整。生物濾池結構見圖4。
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原水自池頂配水井均勻進入各池底部,以上升流方式通過濾料層。濾池上方設遮陽篷,以降低陽光直射對藻類生長的影響。曝氣設備采用羅茨鼓風機,并設變頻調速。濾料清洗采用脈沖反沖方式,反沖時充氣氣囊迅速排氣制造脈沖,使填料層迅速膨脹,以進行有效反沖洗。
② 臭氧接觸池
氣浮池出水進入臭氧接觸池,設計水力停留時間為15 min,分為獨立的2格。每格分3段,采用密閉對流接觸方式,每段接觸時間為5 min,在接觸池
下部采用微孔曝氣,布氣盤上方有效水深約6 m。臭氧最大投加量按4 mg/L計,最大臭氧需要量為1. 75 kg/h,具體投加量可根據原水水質、水量進行調整。在接觸池出水渠前設尾氣管與臭氧尾氣處理裝置連接,以防臭氧尾氣散逸。
③ 活性炭移動濾罐及石英砂移動濾罐
石英砂移動濾罐與生物活性炭移動濾罐集中布置,同時將臭氧接觸池、臭氧發生器間、消毒劑投加間、配電間以及控制室等處理單元和配套設施與濾池間合建,高度集成,以節約用地、減少投資。水處理間的平面結構如圖5所示。
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生物活性炭移動濾罐設計濾速為11 m /h,共8座,罐高約6. 6 m,炭層厚為2. 5 m。石英砂移動濾罐設計濾速為9 m /h,共10座,罐高約6. 1 m,砂濾層厚為2 m。生物活性炭移動濾罐組和石英砂移動濾罐組共設1套鼓風設備用于反沖洗。
④ 自控系統
根據工藝流程設置水質在線監測儀表和常規儀表,主要包括生物濾池進出水水質監測儀表(濁度儀、pH計、溶氧儀和氨氮測定儀) 、配水井液位儀、氣囊內液位開關、曝氣管壓力和氣體流量儀表等,配合設備的運行控制,以實現生物濾池的有效監測和高效運行。同時在臭氧發生器間安裝漏臭氧報警儀,砂濾罐出水設置出水流量儀和余氯測定儀。
6 結語
針對太湖源水的水質特征,在前期試驗的基礎上,充山水廠采用了生物預處理+氣浮+臭氧—生物活性炭+砂濾+消毒的深度處理工藝。目前,充
山水廠的深度處理改造工程已完成施工,正處于調試階段,將在日后的生產運行中積累經驗,并繼續優化高藻微污染湖泊水的凈水流程,為類似水廠的深度處理改造提供經驗和示范。
參考文獻:
[ 1 ] 王占生,劉文君. 微污染水源飲用水處理[M ]. 北京:中國建筑工業出版社, 1999.
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