蚌埠市第三水厂原水生物预处理项目设计方案
摘要：随着卫生部《生活饮用水卫生规范》、建设部《城市供水水质标准》的颁布实施，氨氮等有机物指标已纳入水质考核标准，传统的净水工艺对水中氨氮等溶解性有机物的去除十分有限，原水生物预处理技术的应用为满足出水水质的达标提供了保证。
关键词：生物载体流化填料 流化池技术 生物接触氧化
一、概述
蚌埠市位于安徽省东北部、江淮丘陵与淮北平原交界处，淮河中游下段。蚌埠城市供水一直以淮河蚌埠闸上河道为水源地，受上游来水丰枯变化和污染排放的影响，水源水质污染严重，氨氮等有机物指标明显超标，远远达不到我国生活饮用水水源水质标准的要求。蚌埠市第三水厂供水能力为每日40万m3，采用“混凝—沉淀—过滤—消毒”的传统工艺，主要功能是去浊和杀菌，对水中氨氮等溶解性有机物的去除十分有限。随着卫生部《生活饮用水卫生规范》、建设部《城市供水水质标准》的颁布实施，氨氮等有机物指标已纳入水质考核标准，必须引入新的水处理工艺才能满足出水水质的达标。
在对水源水质进行分析研究的基础上，结合三水厂的实际情况，本设计方案利用与三水厂紧邻的四水厂现有的10万m3/d折板絮凝平流沉淀池，将其改造为15万m3/d生物预处理池，以达到降低原水中60%以上氨氮、20%耗氧量的目的，从而保证出厂水氨氮等指标能够符合卫生部、建设部的相关标准。
二、原水生物预处理的可行性分析
生物预处理方式有多种，给水处理中常用的是生物接触氧化法。生物接触氧化法是利用水体中原本存在的微生物，降解水中的氨氮及有机物。原水进入生物预处理池后，水中微生物在填料表面生长发育，逐渐形成生物膜挂满填料表面，在生物酶催化作用下，溶解氧将氨氮和有机物氧化或分解转化，从而使氨氮和有机物浓度降低。
生物流化填料和流化池技术，是生物接触氧化法中的一项实用、新型的原水生物预处理技术，对氨氮等有机物的处理效果已在各地多家水厂得到印证。该技术采用比表面积大的生物流化填料作为微生物的载体，利用传统穿孔曝气管曝气，曝气提供的动力使生物流化填料在水中保持流化状态，同时对生物流化填料上已老化的生物膜进行吹脱。曝气管安装在流化池的底部，流化池的底部的V型构造，使曝气能将池底的沉淀物有效地吹浮起来，避免了污泥沉淀结块，不需要反冲洗。拟建的三水厂原水生物预处理工程，就是采用此项技术。
三、生物预处理项目的设计原则及目标
1、设计原则
（1）根据淮河水源水质的实际情况，充分考虑生物预处理工艺的合理、成熟、先进，系统运行安全、可靠，管理方便，投资经济、运营费用省等因素。确保出厂水达到建设部（CJ/T206-2005）《城市供水水质标准》的目标。
（2）充分考虑四水厂现有的净水设施资源，利用两座5万m3/d折板絮凝平流沉淀池做生物预处理池、利用加矾间做鼓风机房、利用折板絮凝平流沉淀池之间的排泥渠做提升泵的集水井、利用一段原水管道做生物预处理池的进水管，使生物预处理工艺与三水厂常规工艺有机结合，浑成一体。
（3）选择运行费用省、操作简单，维修、维护简单方便，技术成熟的预处理工艺。
2、项目目标
（1）水量目标
根据四水厂现有的净水设施的处理能力和原水管道的输水能力，确定该生物预处理项目的供水量为15万m3/d。目前三水厂的实际供水量平均为19万m3/d，生物预处理水量占三水厂实际供水量78%以上，还有22%的未经生物预处理的原水与之混合处理后可以满足三水厂实际供水量和出水水质要求。
（2） 水质目标
原水经生物预处理后，氨氮去除60%以上、耗氧量去除20%，可以为三水厂出厂水达到建设部（CJ/T206-2005）《城市供水水质标准》提供可使用的水源水。
四、生物预处理工艺确定
1、生物预处理工艺选择
生物预处理已被证明是降低氨氮的有效工艺，目前用于市政给水处理中生物预处理工艺主要有：塔式生物过滤、生物滤池、生物接触氧化、生物转盘、生物流化床以及活性污泥法等，其中以生物接触氧化较为常用，本设计就是采用生物接触氧化工艺。
生物接触氧化处理微污染水源，主要是利用适当条件下生物载体—填料上大量好氧生物膜，在供氧量充足和原水与填料充分接触情况下，有效去除水中各类污染质。原水与填料生物膜不断接触，通过微生物自身生命代谢活动—氧化、还原、合成、分解等过程，在微生物的生物絮凝、吸附、硝化和生物降解等综合作用下，将原水中的氨氮、有机物、藻类和THMs前体物等去除，既净化了水质，又明显减少了其后续净化和加氯消毒过程中可能产生的THMs等潜在致癌物，经济有效、无毒副作用地提高生活饮用水水质的安全和卫生质量。
2、生物载体填料的选择
生物接触氧化采用的生物载体很多，特别是污水处理领域中更是品种繁多。但是在生物预处理项目中，针对微污染水源，其污染物特点、生物反应机理均有其独自的特点，因此能够真正运用到生物预处理项目中的填料不多。目前在生物预处理项目中有过工程实例的填料主要有弹性填料、高效生物载体流化填料。
采用弹性填料，生物膜容易附着，要求采用微孔曝气，以提高氧气利用率，初期投资省。但是其比表面积小，生物反应效率低，要求停留时间长，占地面积大，填料易挂泥结块，清泥困难，老膜不易脱落，池底容易积泥，要求停水反冲洗频繁。
采用高效生物载体流化填料，其比表面积大，流化状态下不会结团堵塞，采用传统穿孔曝气管曝气，即可达到全池流化翻动，提高氧的利用率和传质效率。填料挂膜容易，老化膜在水力剪切作用下自动脱落，配合生物流化池使用，池底很难积泥，运行管理简单，不需反冲洗，运行费用较低。
综合比较，针对第三水厂使用淮河水源的特点，本方案采用XD生物流化填料及流化池技术，即能有效去除原水中的氨氮和有机物，同时具有容积负荷高、耐冲击负荷、出水水质好且稳定、动力消耗相对较低，运行费用较省等优点。该工艺在工程实践运用中，对停留时间、曝气方式、排泥和操作技术等工艺要素已有了大量的试验研究和较多的工程验证，取得了比较成熟的工程经验。
3、XD生物流化填料及流化池技术
XD生物流化填料及流化池技术采用生物载体流化填料作为微生物的生物载体，采用传统的穿孔曝气管曝气，曝气管在曝气过程中，对生物载体流化填料提供动力，将生物载体流化填料在水体中形成流化状况，同时对生物载体流化填料上已经老死的生物膜进行吹脱，曝气管安装在生物流化池的底部，流化池底部的特殊结构，使曝气管在曝气中，将池底的沉淀污泥有效的吹浮起来，防止污泥沉积结块。从而解决一般填料污泥沉积的问题。
4、生物流化填料特点
在生物预处理池中投加XD生物流化填料作为生物载体，提高其对有机物的去除率。
（1）该填料的结构示意图见图1。
（2）该填料的基本参数见表1。
（3）LT型高效流化生物载体填料采用独特的生产工艺，经专业自动机械设备一次加工成型，确保了每一个产品形状、重量的一致性。
（4）填料表面经过特殊处理，增加了其表面粗糙和亲水性能，从而挂膜比较容易，克服了一般塑料填料表面光滑挂膜困难的弊端。产品抗磨、抗拉强度高，使用寿命长。（后附生物流化填料图片，见图2-3。）
（5）填料比表面积为100m2/m3，是弹性丝状填料的4倍；在生物膜成熟时可以形成厚度为0.2～1.0mm的生物膜，而且生物膜生长状况良好，膜上的微生物种类丰富，活性高，可以明显提高处理效果。
（6）由于该填料在曝气池中呈流化状态，碰撞频繁，因而极大地提高了生物处理三要素之间的传质效率。
（7）本工艺对水池底部结构经过简单处理，采用穿孔管，形成了曝气区和非曝气区，该填料比重选择为0.93～0.98，在培菌期间，填料表面会慢慢附着大量的生物膜，废水浓度越大，附着量越大，比重逐渐增加，当生物膜到一定厚度时，其比重大于1，填料从非曝气区下沉，在水池底部，改造后的底部结构将悬浮填料下滑到曝气区，曝气区底部的冲击力最强，能迅速冲洗掉悬浮填料上的残余生物膜，脱膜后的填料比重也随之降低到1以下，并在曝气区上升。根据挂膜前后的比重变化特点，填料可以随水流在曝气区和非曝气区翻腾，从而交替完成了生物膜的生长和脱落过程，保证生物膜的数量稳定性和活性，使工艺运行较稳定。
（8）由于填料表面的生物膜存在好氧区和厌氧区，因而在生物膜中可以达到脱氮的效果，一般情况下，氨氮去除率可以达到80%以上，低温状态下可以达到60%以上。
（9）由于填料在水中处于流化状态，填料表面上的微生物与水中的空气可以充分接触，提高了氧的利用率，从而节省了能耗。
（10）悬浮填料的接触池曝气系统为穿孔管曝气方式，穿孔管曝气的水头损失小，可降低风机的耗电量；同时穿孔管曝气不易堵塞，故障率较低，可降低维修工作量、维修费用及维修频率。
（11）该填料可以直接投放于生物预处理池中，不须安装任何填料支架，避免了人工绑扎类填料及人工组合类填料在生产过程中的质量问题，也免除了填料支架的维护和保养，从而可以降低投资费用。在投加填料时，不用停产排空接触池，可以边运行边投加填料，因此不会影响净水厂的正常运行。
五、生物预处理工程设计
四水厂原有构筑物的现状：2座5万m3/d折板与往复絮凝平流沉淀池，单池折板絮凝区4.0m，往复絮凝区8.48m，过渡区2.5m，平流沉淀区100m。
折板絮凝平流沉淀池的往复絮凝区尺寸8.48×15.4m池深4.8m；平流沉淀区尺寸100×15.4m，有效水深为3.30m，池深3.60m，池内有4条廊道，每条廊道宽3.85m，絮凝区出水通过2.5m的过渡区均匀分配到4条廊道。
1、设计规模及工程内容
（1）生物预处理工程设计规模按15万m3/d考虑，即6250m3/h。
（2）工程内容：将原有2座5万m3/d折板与往复絮凝平流沉淀池改造为2座7.5万m3/d的生物预处理池，布置鼓风机和穿孔曝气管道；将2座絮凝池之间排水渠改造为提升泵房；增设一条直径DN1200mm，长470m的输水管道。
2、原有沉淀池的土建改造设计
（1） 提高水位
由于水池的有效水深较浅不能满足单池7.5万m3/d的处理能力，也不利于生物预处理中氧的利用，因此，本方案在原有沉淀池的池顶采用（钢筋混凝土结构）加高500mm，提高沉淀区的有效水深到3.70m，保留400mm的超高。
沉淀区的有效水深提高到3.70m后，会导致折板絮凝区的水位超出池顶溢流，因此还需要对折板絮凝区用砖墙进行加高200mm，为折板絮凝区留出超高。
（2） 集水槽改造
原有指型集水槽的目的是为均匀集取沉淀池出水端上层清水，确保4条廊道的水均匀出流。由于本项目为生物预处理，集水槽的目的是保证均匀出水，不需考虑出水流速太大会产生紊流现象，因此可以提高集水槽的溢流水量。
本方案取消原有指型集水槽集水，在沉淀池末端的池壁上改造出一条三角堰集水槽，新建集水槽出水堰顶高3.60m，宽1.0m，深1.2m，集水槽前0.8m位置采用格栅拦截，防止流化填料进入集水槽。
（3）水池底部改造
原有沉淀池的底部为平底板，本项目工艺要求将池底部进行XD流化池技术改造，改造要求在池底安装导流板，导流板间距为1m，高约700mm，导流板中间位置为DN50的穿孔曝气管道。
导流板采用混凝土预制板在池底安装。
3、原有沉淀池的工艺改造设计
（1）改造后的生物预处理池
改造后的生物预处理池（单池）有2m的集水区：
①沉淀池部分有效长度为98m，宽15.4m，有效水深3.7m，
有效容积为98×15.4×3.7＝5584m3。
②过渡区有效长度为2.5m，宽15.4m，有效水深3.7m，
有效容积为2.5×15.4×3.7＝142m3。
③絮凝池部分有效长度为8.48m，宽15.4m，有效水深4.6m，
有效容积为8.48×15.4×4.6＝600m3，
生物预处理池（单池）总有效容积为5584+142+600=6326m3，
单池平均处理水量：3125m3/h，
平均水力停留时间：6326÷3125=2h，
水平流速：3125m3/h÷56.98 m＝54.8m/h＝0.015m/s。
（2） 生物载体流化球
生物预处理池中采用的生物载体流化填料：
生物载体流化填料型号：LT-100。
生物载体流化填料参数：
外形直径为：100mm。
填料表面积为：0.106(m2/只)。
填料比表面积为：106(m2/m3)。
填料空隙率为：98％。
生物载体流化填料的填充率为：36％。
生物载体流化填料的数量为：6326×2×36％＝4555m3。
（3）格栅
在生物预处理池中，沿水流方向设置格栅，以防止生物载体流化填料沿水流方向大位置偏移。格栅每间隔7m安装1块。
格栅尺寸：3.8×4.1m，格栅数量：112块。
格栅尺寸：0.7×4.8m，格栅数量：4块。
格栅尺寸：0.9×4.8m，格栅数量：4块。
格栅尺寸：1.2×4.8m，格栅数量：4块。
格栅尺寸：1.34×4.8m，格栅数量：2块。
格栅尺寸：1.54×4.8m，格栅数量：2块。
（4）穿孔曝气管道的安装
①沉淀池部分：穿孔曝气管道配合导流板进行安装，主管为DN100，穿孔管为DN50，开孔3mm，向下角度为45度，异向间隔120mm，同向间隔60mm。采用PE材料。
②过渡区：安装同上。
③絮凝池部分：往复隔板间距太小，均不安装导流板。
1.54m间距隔板间布2道DN50穿孔管，开孔同上。
1.34～0.7m间距隔板间均布1道DN50穿孔管，开孔同上。
（5）鼓风设备
生物预处理池通过鼓风设备曝气。
曝气的气水比为：0.5～2.0：1，
曝气量为：52～208m3/min，
三叶风机参数：
型号：SSR200，
风量：53.91m3/min，
风压：4.9m水柱，
功率：75KW，
转速：1390R/PM。
数量：4台。
风机分配方案：开启1台风机，气水比为0.5：1；开启2台风机，气水比为1.0：1；开启3台风机，气水比为1.5：1；开启4台风机，气水比为2.0：1。
一般情况下气水比为1.0～1.5：1，开启风机2～3台。
（6）鼓风机房
利用四水厂原有加矾间改造为风机房，在加矾间的北侧安装4台风机。风机主管为DN400钢管，沿加矾间东侧布置，从南侧分成2条DN250的PE管向生物预处理池布置。
鼓风机安装平面尺寸为：6.0×13m，净高5.0m，配隔音材料。
4、生物预处理池的进水管、提升泵房及输水管线设计
（1） 进水管
在四水厂西墙侧原有的DN1200管道上，位于DN1200阀门北2.0m处开三通，用DN1200钢管沿加矾间东侧布置到原有折板絮凝池的起始端，然后分成2条DN900钢管向2座折板絮凝池进水。
（2）提升泵房
本项目原水经生物预处理池后需潜水泵提升至三水厂混合井再进行常规处理。提升泵的集水井利用四水厂原有2座折板与往复絮凝平流沉淀池之间的排水渠。集水井尺寸为120×2.5×6.1m，泵位选在2座折板与往复絮凝池之间的走道板下，共安装2台。两台泵的中心间距为5.0m。
潜水泵参数：
型号：700ZDB—70
流量：4800m3/h
扬程：7.25 m，
功率：155kw，
转速：730r/min
数量：1台
（出水管为DN1000，止回阀DN900。）
型号：400QWDL—75型，
流量：1500m3/h，
扬程：10m，
功率：75kw，
转速：980r/min
数量：1台
（出水管为DN600，止回阀DN500。）
（3）输水管线
两台潜水泵的出水管在四水厂原有平流沉淀池南侧合并为一根DN1200输水管向西布置到四水厂西侧，然后再沿着原有的DN1200管道向北布置到三水厂混合井，分成2条DN900管道爬上混合井在两侧均匀进水。DN1200管线总长为470m，沿程水头损失为0.95m。
5、配电设计
（1） 输电线路
输电线路采用电缆和架空线混合配置的6KV输电方式。
（2）变压器和保护系统
需添置800KVA（或630KVA）变压器1台。
利用原有800KVA变电所的南侧值班室，改造成高压开关室，封闭南墙的窗口，在此位置安装负荷开关2台：
①电源采用原800KVA南侧变压器的供电电源，在上述所说的改建后的高压开关室内安装负荷开关2台，分别给新、旧2台变压器供电。
②沿输电线路，同杆架设7芯控制电缆1条、10芯通讯电缆1条，将新变压器的瓦斯保护、温度保护以及电话通讯、自动化控制通讯等连接到高压开关室，便于将来的功能扩展。
③新变压器安装于鼓风机房的室外西北角处。将鼓风机房北墙的东窗口封闭，窗口顶端预留穿墙孔，作为低压铜排的通道。
④低压开关柜安装于鼓风机间的室内东北角处。考虑到防尘、防震、安全等因素，宜采用金属开关柜。
（3）动力和自动化控制
①低压开关柜共计3台，分别为：低压配电总柜；1#、2#鼓风机开关柜；3#、4#鼓风机开关柜。
②鼓风机采用自耦变压器启动方式。
③水泵采用原有控制柜。
三水厂原水生物预处理项目设计方案，充分利用了水厂现有的水处理设施，大大减少了项目建设费用，预处理池中不需添加任何化学制剂，不会有任何毒副作用产生；预计项目建成投产后，原水氨氮去除率冬季可达60%，夏季可达80%以上，耗氧量去除率可达20%，大大缓解后续工艺的净水压力。
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