論文作者：鄒偉國 沈裘昌 李正明　徐立順 王錦華 李春森

 摘要：新型BIOSMEDI工藝采用輕質顆粒濾料及與其相適應的脈沖反沖洗方式。工藝具有濾料比表面積大，濾層阻力小，反沖洗周期長，反沖洗耗水和耗氣量小，工程投資低，占地面積小等優點。在上海徐涇自來水廠預處理中，濾料粒徑為5～6 mm，采用穿孔管布氣，濾池出水反沖洗。結果表明，運行時氣水比為(0.5～0.7)∶1，反沖洗耗水率低于1%，濾層阻力不大于0.5 m，出水水質各項指標得到明顯改善。

關鍵詞：BIOSMEDI工藝 輕質顆粒濾料 脈沖反沖洗

 隨著人們對水質的要求提高，生物預處理作為一種 經濟 且有效的手段，在水廠逐漸得到推廣和 應用 ，為提高水質起到重要作用。上海徐涇自來水廠(7萬m3/d)生物預處理工程采用上海市政工程設計 研究 院新開發的BIOSMEDI生物濾池(專利號ZL 00 2 16746.8)，取得了明顯的處理效果，下面就該技術的設計和應用情況作簡要介紹。

1　BIOSMEDI工藝基本結構及運行過程

1.1　基本結構

 BIOSMEDI工藝是一種淹沒式上向流生物濾池，其濾料為輕質懸浮球形顆粒濾料。濾池根據需要可采用混凝土或鋼制，濾料上部采用多孔濾板抵擋濾料的浮力及運行時的阻力。濾池主要由以下幾部分組成：①根據原水水質情況設計輕質濾料濾床及與濾料相適應的濾板;②為反沖洗設置的獨特的脈沖反沖洗系統;③配水及均勻出水收集系統;④曝氣管道系統。根據工程的需要還可增設回流系統及自動控制系統。濾池構造示意見圖1。

1.2　工藝過程

 生物濾池為周期運行，從開始過濾到反沖洗結束為一個周期。正常運行時，原水通過進水分配槽進入濾池下部，在布水系統及濾料阻力的作用下使濾池進水均勻。空氣布氣管安裝在濾層下部，采用穿孔布氣管進行布氣。由于濾料表面附著大量的微生物，利用進水中的溶解氧降解一部分有機物及氨氮，出水由上部集水槽收集。

圖1　BIOSMEDI濾池構造

 隨著過濾的進行，填料上的生物膜增厚，并截留一部分懸浮物質，此時需要對濾層進行反沖洗。濾池沖洗采用脈沖反沖洗，沖洗過程如下：當某格濾池需要反沖洗時，首先關閉進水閥及曝氣管，再打開反沖洗氣囊進氣管，當氣囊中空氣達到一定容積后，打開快速放氣閥;這時濾池中的水迅速補充至氣囊中，導致濾料突然向下膨脹，在水流剪切力作用下，附著在濾料上的懸浮物質脫落;同時通過水的輸送作用，把濾池下部沉淀污泥送到氣囊中;最后打開排泥閥，利用其他正在運行的生物濾池出水對濾層進行水漂洗，同時排出下部污泥，達到有效清潔濾料的目的。

2　工程設計及運行

2.1　原水水量及水質

上海徐涇自來水廠生物預處理工程規模為7萬m3/d。

 上海徐涇自來水廠原水采用淀浦河水，水中色度較高，氨氮、亞硝酸鹽、耗氧量及鐵、錳的含量偏高，進水中氨氮平均值一般約4～5 mg/L，最高達7 mg/L左右，原水中的錳含量約0.1～ 0.3 mg/L，最高在0.4 mg/L以上，因此決定增加生物預處理工藝以改善原水水質。

2.2　工藝的選擇

 上海徐涇自來水廠常規處理工藝已經建成，根據水廠預處理場地小，一級泵房富裕揚程小，進水氨氮含量高等特點，要求預處理阻力小，占地面積小，同時處理效率高。生物預處理工藝中填料是 影響 生物濾池運行的關鍵，填料的種類決定了處理構筑物的形式、工程投資及運行管理方式。 目前 常用的填料有彈性填料、陶粒及輕質濾料等。為了指導工程設計和運行，曾對三種不同填料利用某水廠原水對氨氮的預處理效果進行中試，不同生物預處理形式對氨氮去除的部分數據統計見表1。

表1　不同生物預處理形式對氨氮去除的數據統計

注：*水溫為12～20 ℃，**水溫為20～25 ℃。

 試驗結果表明：BIOSMEDI工藝采用顆粒濾料，處理效果相對較好，而且采用氣水同向流，具有運行時阻力小，反沖洗設備簡單，工程造價低及占地面積小等優點，因此工程中推薦采用 BIOSMEDI生物濾池預處理工藝(見圖2)。

圖2　徐涇自來水廠工藝流程

2.3　生物濾池設計參數

 輕質濾料生物濾池共12座，成雙排布置，中間設走道及控制室，總平面尺寸為47.65 m×23 .3 m。濾池進水設有XGC-1300機械細格柵2臺，以去除較大垃圾。整個濾池設有進水總槽，進水分配溢流堰和出水總槽。濾池通過堰跌落均勻配水，每格濾池有效面積為6.5 m×6 m ，濾池總深度為5.5 m，考慮進水氨氮較高，采用濾速為6.5 m/h，有效水力停留時間為45 min。每座濾池分為2格，兩格中間上部設有出水槽，下部設有濾池反沖洗氣囊。每格濾池設有DN300進水管、DN350排泥管、DN300放氣管、DN100曝氣管及放空管等。濾料放氣采用DN300氣動快開閥門，便于快速開啟。每格濾池上部采用閥門連通，便于反沖洗時濾池上部出水相互補充。濾料采用輕質顆料濾料，粒徑為5～6 mm, 濾層厚度為2 m。

 濾池曝氣采用羅茨風機4臺(3用1備)，每臺風機流量20 m3/min ，功率30 kW，氣水比可根據需要控制為(0.4～1.2)∶1。考慮到濾料對氣體的剪切及阻擋作用，使氧的利用率大大提高，生物濾池曝氣采用穿孔管進行曝氣，穿孔管孔徑為3 mm。反沖洗風機2臺(1用1備)，每臺風機流量3 m3/min，功率7.5 kW。

濾池下部沉淀的懸浮物質及濾池反沖洗的生物膜通過穿孔排泥管排至廠區污泥池。

2.4　運行情況

 工程于2003年2月竣工(見圖3)，進行設備調試。3月13日開始微生物培養，此時水廠原水水溫為8～14 ℃，平均運行水量為5萬～6萬m3/d。到4月初，生物預處理對氨氮的去除效果明顯上升。4月10日，生物濾池對氨氮的去除已達到設計的去除效果，進水氨氮在3～4 mg /L的情況下，出水氨氮在1 mg/L以下，微生物培養結束。

圖3　生物預處理濾池實景

 工程運行結果表明：經生物預處理后，在進水氨氮4～5 mg/L的情況下，水中的氨氮去除率達80%左右。在開啟1臺風機的情況下，出水溶解氧能基本在5 mg/L以上，水廠沉淀池加藥量降低約20%。同時生物預處理前，水廠出水色度約10～12度，經生物預處理后，出水色度約5 ～9度，水廠出水的色度明顯降低，水中的嗅味得到明顯改善，總體感官性狀指標大為改善，工程達到預期效果。

 濾池反沖洗頻率為4～8 d/次，濾層阻力保持在0.5 m以下。經反沖洗耗水量測定，每次每池反沖洗水量在150～180 m3左右，反沖洗耗水量控制在1%以下。

2.5　工程效益 分析

2.5.1　工程投資

 生物預處理工程直接投資約為690萬元(包括地基處理費用50萬元)，整個生物預處理工程若不考慮樁基部分則單位直接工程造價約92元/m3 。

2.5.2　處理成本

 生物預處理工程的動力費用由兩部分組成。一部分是因在常規處理工藝前增加生物預處理工藝，需要一級泵房增加提升1.5 m，另一部分是鼓風曝氣的動力費用，生化池常規運行的氣水比只需(0.5～0.7)∶1 即可。以上兩部分動力費用的單位成本約 0.87分/m3(電費以 0.61元/(kW·h)計 )。

3　討論

 BIOSMEDI生物預處理與常規生物預處理不同，經過較長時間的試驗及工程實踐，下面對該工程設計過程中的主要方面進行討論。

3.1　濾池濾料

 濾料采用特定的輕質顆粒人工合成濾料。濾料比表面積大，價格便宜，化學穩定性好，并可根據不同的水質要求選擇合適的粒徑。濾料粒徑是設計過程中考慮的重要因素，直接 影響 到濾池的運行和處理效果。粒徑偏小，濾料容易從上部穿孔濾板跑失，運行過程中濾層阻力損失增加較快，反沖洗頻率增加。反之，則濾料比表面積減少，可能對去除效果存在一定的影響。因此需要根據原水水質，穿孔濾板縫隙大小及工程運行綜合考慮，在本工程中，濾料粒徑采用5～6 mm,在工程運行過程中，沒有出現濾料流失現象。

 該工藝采用顆粒濾料濾池，單位體積內附著的生物量大，增大了生物濾池的容積負荷，使生物濾池去除效率大大提高;另外，在運行過程中，強烈的水、氣流作用及周期性的反沖洗，使生物膜內的生物大多停留在細菌、菌膠團、原生生物階段。一些附著型生物及水生生物難以在濾料內生長，而且由于生物膜厚度較薄，具有較高的活性，有利于對水中污染物的去除。

3.2　穿孔濾板

 濾池上部出水濾板是影響BIOSMEDI濾池能否正常運行的重要因素。根據工藝的特點，濾板必須滿足以下基本要求：①濾板需要承受濾料的浮力及反沖洗時產生的阻力;②由于濾料粒徑較小，濾板需要密封，確保正常運行時濾料不逸出;③濾板必須有較大的開孔率，以滿足出水要求;④濾板長期浸泡在水中，要具有較好的防腐能力。另外，濾板還需考慮便于濾料安裝、拆卸，價格便宜等因素。本工程根據要求設計高強度玻璃鋼多孔濾板，濾板總開孔率控制在10%以上，運行過程中無濾料跑出，工程達到預定要求。

3.3　布氣方式

 傳統的微孔曝氣器易堵塞，易損壞。考慮到濾料對氣泡的剪切和阻擋作用，有利于氧氣的傳質，因此設計采用較簡單的穿孔布氣管。曝氣風機為3臺，氣水比為(0.4～1.2)∶1，設計氧利用率取15%。實際運行過程中，在進水氨氮較高的情況下，僅開1臺風機，實際運行時氣水比為(0.5～0.7)∶1，出水溶解氧基本在5 mg/L以上，說明實際氧利用率遠高于設計氧利用率。因此該工藝布氣可采用穿孔管，不僅可節省工程投資，而且曝氣設備維修和管理方便。

3.4　濾層阻力

 該生物濾池采用氣水同向流，在保證去除效果的條件下，可以允許較高的濾速。一方面可提高濾池內傳質效果，提高處理效率，降低工程投資及占地面積。另一方面避免了氣水逆向流時水流速度和氣流速度的相對抵消而造成的能量浪費。另外，本工藝濾料粒徑較均勻，濾層的孔隙率較大，濾池運行時的水頭損失較小，因此本工程濾池進水槽水位與濾池出水水位總體設計高差為0.8 m(包括進水堰跌落和進水管道損失)。由于濾層阻力小，從而能較好地與后續反應沉淀池銜接。

3.5　濾池脈沖反沖洗方式

 采用脈沖反沖洗 方法 是本工藝的主要特點之一。由于濾料介質輕，傳統的水反沖、氣水反沖均難以奏效。該濾池采用獨特的反沖洗形式，在濾池下部及側邊設置反沖洗氣囊，利用濾池下部的氣囊池壁組成泥斗，結合反沖洗氣囊及排泥的雙重功能。反沖洗時在濾池氣囊中充氣，達到設定液面后，快速打開放氣閥，利用氣釋放速度較快的特點，形成水流向下反沖洗，經測定水反沖洗強度可達80～100 L/(s·m2)，在水流的剪切作用下，達到對濾料沖洗的目的。因此，這種反沖洗不需要設置專門的反沖洗水泵及反沖洗貯水池，減少了反沖洗設備，節約工程造價。

4　結語

 新型BIOSMEDI生物預處理工藝以輕質顆粒濾料為介質及與濾料相適應的脈沖反沖洗方式，采用氣水同向流，穿孔管布氣，對水中有機物、氨氮、錳及色度等有較好的去除效果，能有效降低水中嗅味，同時減少后續處理的混凝劑投加量及氯消耗量，有效改善出水水質，具有工程投資較低，占地面積小，運行管理方便，反沖洗耗水和耗氣量小，濾層阻力損失小及與后續處理銜接方便等優點。

參考 文獻

 1　鄒偉國,等.BIOSMEDI生物濾池處理微污染原水.給水排水,2002,28(2):5～8

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