均质滤料滤池及生物过滤工艺处理微污染水的实验研究

仲丽娟 姚雨霖
（成都市自来水总公司） （重庆建筑大学）

　　摘要：对石英砂、瓷-砂两种均质滤料滤池进行处理微污染水的实验研究，结果表明在3-7m/h滤速范围内两滤池除浊除色效果良好，对COD_Mn和NH₃-N的去除率，石英砂滤池为8.66%和10-27.4%，瓷-砂滤池为13.31%和16.2-18.5%；瓷-砂滤池充氧生物过滤工艺在保证良好的除浊除色的前提下，在2-8m/h滤速范围内，COD_Mn去除率为14-32.7%，NH₃-N去除率为58.3-82.3%，UV值降低37%。
　　关键词：均质滤料滤池 生物过滤 充氧 瓷-砂 石英砂

1. 引言

　　近些年来以V型滤池为代表的均质滤料滤池在我国水厂应用日益广泛，这种滤池采用气水反冲洗，避免了滤料水力分级，滤床孔隙率沿滤床深度方向均匀分布，提高了深层滤床截污能力的利用率，生产经验表明，相对于普通快滤池它具有出水浊度低、运行周期长、反冲洗耗水量低等优点，但是，面对我国城市水域污染特别是有机污染普遍的现状其适应能力如何？基于此，我们进行了石英砂、瓷-砂两种均质滤料滤池过滤处理微污染水的实验，并在此基础上对瓷-砂滤池充氧，培养微生物，进行了生物过滤处理微污染水的对比实验。

2. 实验装置和实验方法

2.1 实验装置
　　共设两根有机玻璃滤柱，内径100mm，高3m。两滤柱均设有气水反冲洗系统，包括承托层下的穿孔配水板、埋于承托层中的穿孔配气管和供气设备；2#滤柱滤床设有供气充氧系统，包括空压机、空气输送管和充氧曝气头。
　　1#滤柱装填厚度为107cm的均质石英砂，2#滤柱自上而下是瓷砂、石英砂两层均质滤料，两者体积比为1：1，滤床厚113cm。石英砂产自福建晋江，瓷砂是一种高温烧结的稀土氧化物瓷，高硅质，被加工成表面多微孔的轻质白色球状颗粒。稀土氧化物在化学工业上广泛应用作催化剂，如催化有机化合物的脱氢、加氢、氧化等。两种滤料的性能指数如表1。
2.2 实验原水
　　是某水厂经两级混凝沉淀后的水，取自沉淀池的两根输水管之间的连通管，由长约150m的Φ40管路输送到实验室。该厂水源在八十年代已发现其中含有上百种有机物，属微污染水质。第一阶段实验原水水温6.0-27.5℃，浊度一般为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。第二阶段实验水源已逐渐过渡到丰水期，实验原水水温18-38℃，PH值7.2-7.8，浊度一般为1.5-7NTU，色度15-20度，COD_Mn3.46-4.74mg/l，NH₃-N 0.12-4.63 mg/l。

表1. 滤料性能指数表

参数

滤料

粒径（mm） 比重 孔隙率 形状系数 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 实验方法
　　实验分两阶段进行。
　　第一阶段于1998年2月至4月对两滤柱进行不同滤速下去除悬浮物和有机物的过滤实验，考虑到原水有机指标偏高，选用较低的滤速，分别为3m/h、5 m/h、7 m/h，滤柱间断运行。
　　第二阶段于1998年5月至7月进行瓷-砂滤柱供气充氧条件下的生物过滤实验，滤速为2 m/h、4 m/h、6 m/h、8 m/h，气水比约1：1，滤柱连续运行。微生物的培养采用自然挂膜法，期间滤速为2 m/h，因水温较高，三天之后滤柱的COD_Mn去除率超过15%，NH₃-N去除率达78%，已满足生物膜成熟的要求[1]，并观察到滤料表面以下30cm范围内的滤料已呈黄褐色，取表面滤料镜检发现大量球菌、杆菌、梭状杆菌、菌胶团等，可以认为此时已完成挂膜。
　　实验中过滤周期定为48h，采用三段式气水反冲洗，反冲洗时间10-12min。
2.4 分析方法
　　分析中所用药品均为分析纯，方法及仪器如表2。

表2 分析方法表

序号

项目 分析方法及仪器 1 浊度 HACH2100P型便携式浊度仪 2 色度 铂钴标准比色法 3 COD_Mn 酸性高锰酸钾法 4 NH₃-N 纳氏试剂光度法 5 溶解氧（DO） WTWOXI-196型溶解氧仪 6 紫外吸光度UV值 756MC型紫外可见光光度计

3. 实验结果与分析讨论

3.1 对浊度的去除效果
　　第一阶段实验中两滤柱稳定运行时出水浊度均在0.3-1.2NTU，由图2可知瓷-砂柱生物过滤时出水浊度小于0.7NTU的频率远高于未通气时，未通气的瓷-砂柱略优于石英砂柱。两滤柱三种运行的出水浊度都有90%以上小于1NTU，可以满足《城市供水行业2000年技术发展规划》提出的一类水司2000年供水水质目标的浊度要求。

　　

　　快滤池去除悬浮物、降低浊度的机理是滤料颗粒表面的吸附作用，从理论上讲，单位面积的滤层提供的表面积越大则滤床的除浊能力越强，该表面积可用指标L/d（L是滤床厚度，d是滤床当量粒径）衡量。普通单层石英砂快滤池L/d值约为830，本实验中石英砂滤柱L/d值为1130，瓷-砂柱为1180，瓷-砂柱生物过滤时滤料表面生物膜的粘附作用可有效促进微细颗粒物的去除，所以实验均质滤料滤床提供的吸附表面积、吸附能力远胜于普快滤池，这是实验中出水浊度较低的根本原因。
3.2 对色度的去除
　　对由腐殖质、铁离子、锰离子、有色污染等造成的色度，常规工艺的去除率仅为20-30%，第一阶段实验中滤柱进水色度一般为15-30度，瓷-砂柱出水色度平均为8.2-10.5度，石英砂柱为10.1-12.3度（如图3），瓷-砂柱生物过滤为7-10.6度。
3.3 对NH₃-N的去除
　　第一阶段实验中石英砂柱NH₃-N去除率为10-27.4%，瓷-砂柱为16.2-38.5%。NH₃-N的去除率是依靠硝化菌的硝化作用，生产性数据表明普快滤池可去除NH₃-N 0.3-1mg/l[2]，实验中两滤柱的除NH₃-N量远远超过了此值。第二阶段瓷-砂柱生物过滤除NH₃-N率提高到58.3-82.3%，此时滤床中的微生物发挥了强大的作用。
3.4 以COD_Mn表示的有机物的去除情况
　　滤柱出水COD_Mn含量的频率分布如图4。第一阶段实验中石英砂滤柱CONMn去除率为2.46-15.12%，平均8.65%，瓷-砂柱去除COD_Mn6.78-22.95%，平均13.31%。包括过滤在内的常规工艺以悬浮、胶态物质为处理对象，对溶解性有机物（DOM）去除率很低，而大部分悬浮物、胶态物经混凝沉淀已被除去，所以常规过滤的有机物去除率较低。本实验中石英砂滤床虽然比较深厚，但其去除有机物的机理相对于普通快滤池并没有改善，仍属于常规处理范畴，所以其有机物去除率并不高。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种多孔滤料，比表面积高于石英砂，吸附能力较强，另外，其中的稀土氧化物可能也起了一定促进作用。
　　瓷-砂柱生物过滤除COD_Mn为14-32.7%，比未通气时提高了约10%。

　　

图4. 滤柱出水COD_Mn含量频率分布图 图5. 滤柱出水浊度随滤速变化图

3.5 对UV值的降低
　　在紫外波长254nm下测得的UV值可间接反映芳香族化合物的含量。在原水UV值为0.158，滤速为6m/h时，瓷-砂柱生物过滤降低UV值37%。
3.6 DO对生物过滤的影响
　　DO和营养基质是制约微生物的生命活动的两个重要因素，而众多的研究表明含微量有机物的水中的营养物质足够供应生物膜的新陈代谢，所以DO就成为制约微生物新陈代谢，亦即影响微生物对有机物的去除率的重要因素之一。给水生物过滤中同时存在自氧菌的硝化作用和异养微生物的新陈代谢作用，有实验表明硝化过程所需时间大大少于有机物氧化，所以水中DO会优先用于氨氮的硝化，部分异养微生物的新陈代谢可能会受到抑制。

　　

　　本试验中采用曝气头把空气分散于水中，曝气头位于滤床上，充氧量最大只能使水接触滤床时达到饱和，因空气从曝气头中溢出的气泡较大，直径约2-3mm，所以原接触滤床时其DO饱和率仅为60-90%，相对于原水中3.46-4.74mg/l的COD_Mn和0.12-4.63mg/l的NH₃-N（1mg/l NH₃-N相当于4.33mg/lCOD_Mn [4]），该DO含量并不充足，有可能发生上述异养微生物受到抑制的情况，所以瓷-砂柱生物过滤的COD_Mn去除率没有NH₃-N去除率那理想。如果所采取的充氧方式能够使溶解氧在被消耗的同时得到补充，则有可能获得更高的有机物去除率。
3.7 滤速对过滤的影响
　　滤速对过滤效果的影响反映的实际上是水流与滤床的接触时间对过滤的影响。设滤速为v，床厚为L，则空床接触时间为：t=L/v。
　　如图5-8，滤速对浊度、色度的去除影响较小，而对COD_Mn、NH₃-N的去除影响较明显，随着滤速的降低，空床接触时间的增长，出水水质呈变优的趋势。有机物氧化约需20min，生产中快滤池水与滤床的接触时间一般不可能达到，且生物滤池中生物的分布主要集中在滤床的上部，所以采用多孔大比表面积的瓷砂滤料将水中有机质富集字其表面和微孔中微生物才能获得充分将之氧化的时间。

4. 结论

4.1 深层均质石英砂滤料滤池除浊、色效果良好，但去除有机物效率有限，以COD_Mn计仅8.66%，属于常规水处理范畴。
4.2 均质瓷-砂滤料滤池除浊、色效果良好，COD_Mn去除率平均为13.31%，NH₃-N去除率为16.2-38.5%，优于石英砂滤池，所以多孔大比表面积的瓷砂滤料比石英砂更适应有机污染水的处理。
4.3 均质瓷-砂滤料滤池生物过滤能保证良好的除浊除色效果，COD_Mn去除率比未充氧运行时提高了约10%，NH₃-N去除率为58.3-82.3%。

参考文献
[1] 岳舜琳，生物氧化在给水处理中的应用，中国给水排水，1996，12：4.
[2] 许保玖、安鼎年，给水处理理论与设计，中国建筑工业出版社，1992.
[3] Edward J. Bouwer and Patricia B. Crowe，Biological Processes in Drinking Water Treatment，JAWWA，1988，80：9.
[4] Eckenfelder WW.著，马志毅译，工业水污染控制，中国建筑工业出版社，1992.