微污染高藻湖泊水的深度处理工程设计
摘 要: 由于太湖水质呈现高藻、高有机物、高氨氮的“三高”特征,常规处理对原水中藻类、氨氮、有机物等的去除效果较差,因此充山水厂实施了深度处理工程。经试验比较,在水厂原有气浮、过滤的常规处理工艺基础上,增设了BIOSMEDIm生物滤池及臭氧—生物活性炭滤池等深度处理单元。介绍了充山水厂生物预处理—气浮—臭氧/生物活性炭—砂滤—消毒组合工艺的流程、设计参数及设计特点。
关键词: 微污染原水; 高藻水; 湖泊水; 生物预处理; 深度处理
太湖是附近城市的主要水源地,自20世纪80年代中期以来,太湖的水环境呈现恶化的趋势,富营养化日益严重, 1990年开始的水华暴发极大影响了城市供水及湖泊生态环境。根据《2005年中国环境状况公报》可知, 2005年太湖水的高锰酸盐指数和总磷年均值分别达到Ⅲ类、Ⅳ类水质标准,且由于总氮污染严重,湖体水质为劣Ⅴ类。水体富营养化造成湖水色度、嗅味等感官指标下降,分泌出的藻毒素与居高不下的氨氮、有机物等指标交叉影响,致使水质恶化,严重威胁到了饮用水的安全性。为探索行之有效的高藻微污染湖泊水处理方式,无锡市自来水总公司承担了江苏省科技招标项目———城镇居民安全饮用水保障技术工程示范研究项目,并以充山水厂为依托进行了示范工程建设。
1 水厂概况
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无锡市充山水厂于1982年建成投产,供水能力为1. 6 ×104 m3 /d,水源取自太湖梅梁湾。该厂采用除藻效果较好的混凝—气浮—过滤—消毒的常规工艺。工艺流程见图1。
2 原水水质
梅梁湾位于太湖北部,由于周边城镇工业与生活污水的大量排入,使该湖区成为太湖水域富营养化最严重的区域之一。2003年—2004年充山水厂的原水及出厂水水质情况如表1所示。
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由表1可知,太湖梅梁湾原水富营养化严重,全年以藻类、氮、有机物含量高为特征,藻类过度繁殖的情况尤为突出。太湖水华高发期在每年的5月—10月, 7、8月份的发生频率最高,藻类数量最多时可达到2 ×106个/mL ( 1993年) 。在5月—10月以外的时间,藻类数量相对较低,但绝对数量一般仍在5×103个/mL以上。水中藻类优势种类为漂浮性蓝藻(微囊藻) ,鱼腥藻和湖泊色球藻是亚优势种类。
3 原有工艺存在的问题
充山水厂现有气浮加过滤工艺对浊度和色度的去除效果较好,但由于原水水质差,常规处理后的出厂水中有机物、氨氮等指标不理想,与最新颁布实施的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)相应指标存在显著差距。虽然气浮池对藻类的去除率>95% ,但原水中藻类数量过高,气浮池出水仍含有大量藻类,致使过滤周期缩短,并对出厂水嗅味有较大影响。此外,水厂采用前加氯作为气浮前原水的预氧化措施,以防止藻类繁殖、促进气浮池的除藻效果等。但氯与原水中高浓度有机物作用易生成三卤甲烷(THMs) 、卤乙酸(HAAs)等致癌副产物,同时也导致藻细胞内的毒素释放于水中,大大增加了水中溶解性藻毒素的含量,由于常规工艺对胞外微囊藻毒素的去除效果较差,因而预氯化处理逐渐受到各国的限制,在藻类暴发期间原水预加氯措施是不恰当的。
由于常规处理工艺对藻类、氨等污染物的去除效果不太理想,因此要提高水质必须在水厂内增加深度处理措施。
4 深度处理工艺的选择
对于微污染原水的深度处理工艺,生物预处理和臭氧—活性炭深度处理工艺(O3 —BAC)具有广泛的应用,其中生物预处理能够有效去除水中的氨
氮,大幅削减藻类的数量,同时能去除一部分有机物; O3 —BAC工艺对藻毒素的降解很好,并能保证饮水水质的安全。
为探寻适宜的深度处理工艺,充山水厂进行了试验研究。结果表明,对于高藻微污染湖泊水,生物预处理、强化常规处理和臭氧—活性炭工艺联用能够取得较为理想的除污效果。其中生物预处理对原水中氨氮和藻类的去除率分别达到65%和60%以上,对有机物的去除率为17% (相对于原水,以下同) ;气浮对浊度和藻类有较好的去除效果,对大分子有机物也有一定的去除作用,对CODMn的去除率约34%;活性炭单元对氨氮的去除率约为25% ,去除的CODMn 主要为小分子有机物, 去除率约为27% ,出水CODMn ≤3 mg/L。因此,水厂决定在现有工艺基础上增加生物预处理和臭氧—活性炭深度处理设施。
方案Ⅰ:生物预处理—气浮—砂滤—臭氧活性炭
该组合工艺目前应用较多,在常规处理之前增加生物预处理可去除氨氮和部分藻类,提高混凝效果;气浮可有效去除水中的浊度和藻类,砂滤在进一步除浊的同时还可去除部分大分子有机物;深度处理可去除水中的小分子有机物。但活性炭滤池出水直接进入清水池,部分长有细菌的细小活性炭颗粒在水力冲刷下进入消毒处理单元。由于附着于活性炭颗粒上的细菌聚体比细菌单体对消毒剂有更大的抗性,而一般氯化消毒难以杀灭这些细菌[ 1 ] ,故出水水质较差,出水浊度和细菌指标较高。
方案Ⅱ:生物预处理—气浮—砂滤Ⅰ—臭氧活性炭—砂滤Ⅱ
鉴于方案Ⅰ存在的缺点,在臭氧活性炭单元后增设一组砂滤池,拦截脱落的细菌聚体,保证出水水质。此流程处理出水的水质好,安全性高,但存在工程费用高、占地大、水头损失大、运行耗能高等缺点。
方案Ⅲ:生物预处理—气浮—臭氧活性炭—砂滤
在方案Ⅱ的基础上,超越第一道砂滤,气浮出水进入活性炭滤层后再经砂滤处理,以防脱落的细菌聚体进入清水池,保证出水水质。但气浮池出水浊度一般为1～3 NTU,直接进入生物活性炭滤层后其负荷较大。为解决上述问题,并综合考虑工程规模小、改造工程的流程及用地紧张等因素,采用了上向流移动床滤罐(见图2) ,过滤的同时连续冲洗,保证性炭滤层的清洁,提高生物降解及活性炭吸附的效果,并控制滤床水头损失< 10 kPa,在水处理的过程中不需要中途提升,降低运行费用。
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5 工程设计
示范工程规模为1 ×104 m3 /d,除保留水厂原有一级泵房、气浮池、清水池、二级泵房外,增加了生物滤池和臭氧—活性炭处理设施,而原有虹吸滤池设备老化且滤层水头损失较高,也改用移动滤罐。为减少氯消毒副产物,选择相对安全的二氧化氯进行消毒。主要新增设施如下:
① 生物滤池
生物预处理采用轻质填料生物滤池(BIOSM2EDIm ) 。BIOSMEDIm生物滤池共4格,单格面积为25 m2 ,每格可独立运行。设计滤速为6 m /h,滤料层厚为3 m,轻质滤料密度< 0. 03 g/ cm3 ,比表面积> 1 000 m2 /g。气水比为0. 4～1. 3,可根据原水水质变化进行调整。生物滤池结构见图4。
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原水自池顶配水井均匀进入各池底部,以上升流方式通过滤料层。滤池上方设遮阳篷,以降低阳光直射对藻类生长的影响。曝气设备采用罗茨鼓风机,并设变频调速。滤料清洗采用脉冲反冲方式,反冲时充气气囊迅速排气制造脉冲,使填料层迅速膨胀,以进行有效反冲洗。
② 臭氧接触池
气浮池出水进入臭氧接触池,设计水力停留时间为15 min,分为独立的2格。每格分3段,采用密闭对流接触方式,每段接触时间为5 min,在接触池
下部采用微孔曝气,布气盘上方有效水深约6 m。臭氧最大投加量按4 mg/L计,最大臭氧需要量为1. 75 kg/h,具体投加量可根据原水水质、水量进行调整。在接触池出水渠前设尾气管与臭氧尾气处理装置连接,以防臭氧尾气散逸。
③ 活性炭移动滤罐及石英砂移动滤罐
石英砂移动滤罐与生物活性炭移动滤罐集中布置,同时将臭氧接触池、臭氧发生器间、消毒剂投加间、配电间以及控制室等处理单元和配套设施与滤池间合建,高度集成,以节约用地、减少投资。水处理间的平面结构如图5所示。
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生物活性炭移动滤罐设计滤速为11 m /h,共8座,罐高约6. 6 m,炭层厚为2. 5 m。石英砂移动滤罐设计滤速为9 m /h,共10座,罐高约6. 1 m,砂滤层厚为2 m。生物活性炭移动滤罐组和石英砂移动滤罐组共设1套鼓风设备用于反冲洗。
④ 自控系统
根据工艺流程设置水质在线监测仪表和常规仪表,主要包括生物滤池进出水水质监测仪表(浊度仪、pH计、溶氧仪和氨氮测定仪) 、配水井液位仪、气囊内液位开关、曝气管压力和气体流量仪表等,配合设备的运行控制,以实现生物滤池的有效监测和高效运行。同时在臭氧发生器间安装漏臭氧报警仪,砂滤罐出水设置出水流量仪和余氯测定仪。
6 结语
针对太湖源水的水质特征,在前期试验的基础上,充山水厂采用了生物预处理+气浮+臭氧—生物活性炭+砂滤+消毒的深度处理工艺。目前,充
山水厂的深度处理改造工程已完成施工,正处于调试阶段,将在日后的生产运行中积累经验,并继续优化高藻微污染湖泊水的净水流程,为类似水厂的深度处理改造提供经验和示范。
参考文献:
[ 1 ] 王占生,刘文君. 微污染水源饮用水处理[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1999.
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