關(guān)于陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池的生產(chǎn)性試驗(yàn)的探索
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作者；鄭曉敏
目前絕大多數(shù)水廠采用常規(guī)處理工藝，沒有應(yīng)對(duì)季節(jié)性水源污染的凈水單元及深度處理的設(shè)施建設(shè)，故排澇期間的飲用水對(duì)于數(shù)量占絕大多數(shù)的小型水廠，全部采用預(yù)處理或者深度處理工藝，在經(jīng)濟(jì)上和建設(shè)時(shí)間上都是不現(xiàn)實(shí)的。為了適應(yīng)我國(guó)新頒布水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求和為數(shù)目眾多的其他類似水廠改造提供樣板，將某水廠濾池改造為微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池。微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池，在占地面積、運(yùn)行費(fèi)用、對(duì)水源水質(zhì)季節(jié)性變化適應(yīng)性等方面比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
本文在5 000 m3/d規(guī)模的生產(chǎn)性運(yùn)行條件下，在非排澇期和排澇期時(shí)就微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池在水廠實(shí)際運(yùn)行過程中對(duì)污染物的去除效果與常規(guī)的砂濾池進(jìn)行對(duì)比研究，并對(duì)微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了具體分析，以期為其在水廠達(dá)標(biāo)升級(jí)改造工程中的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
1 試驗(yàn)部分
1.1 工藝流程
南方某水廠，處理工藝由原水、網(wǎng)格絮凝池、普通砂濾池、清水池構(gòu)成。因水廠這種常規(guī)工藝對(duì)臭和味和對(duì)有機(jī)污染物的去除效果有限，僅能通過混凝沉淀去除部分大分子有機(jī)物。而水廠常規(guī)砂濾池經(jīng)掛膜成為生物砂濾池之后，對(duì)氨氮有一定去除效果，但石英砂粒光滑、平整的表面結(jié)構(gòu)不利于微生物的附著和生長(zhǎng)，同時(shí)，由于常規(guī)條件下待濾水溶解氧的限制，砂濾池對(duì)氨氮的去除效果比較有限。為了解決季節(jié)性水質(zhì)問題，提出了改造需要，基于實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)特征和水廠原有構(gòu)筑物分析，結(jié)合原水廠處理工藝流程，提出了水廠改造方案，將砂濾池改為微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池（簡(jiǎn)稱“改造濾池”），改造后的工藝流程見圖1。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備與運(yùn)行參數(shù)
活性無煙煤濾池設(shè)計(jì)規(guī)模為5 000 m3/d。改造后活性無煙煤濾池的參數(shù)單格面積：32.5 m2 (6.5 mx5m);濾池高度：4.4 m；承托層砂粒徑：2-4 mm；承托層厚度：100 mm；活性無煙煤粒徑：0.8-1.4 mm；活性無煙煤厚度：1.0 m；設(shè)計(jì)濾速：v=6.4m/h；反沖洗周期及強(qiáng)度：每48 h進(jìn)行一次水沖洗，水沖強(qiáng)度為10L/(s·m2)，時(shí)間為12 min；每7d進(jìn)行一次氣水沖洗（先氣沖后水沖），氣沖強(qiáng)度為10 L/(s·m2)，時(shí)間為2min，水沖強(qiáng)度為10 L/(s·m2)，時(shí)間為10 min。采用跌水方式進(jìn)水，過濾方式為恒速變水頭過濾。濾池的反沖洗配水配氣系統(tǒng)由原有的豐字形穿孔管式改造為長(zhǎng)柄濾頭式。
1.3 微納米陶瓷板曝氣系統(tǒng)
在濾池中采用微納米陶瓷曝氣板，分上下兩層布置，上層22塊，下層33塊，在濾池進(jìn)水堰進(jìn)行純氧曝氣，使用普萊克斯的純氧供氧系統(tǒng)，液氧儲(chǔ)存罐儲(chǔ)氣量為5t。單塊板的規(guī)格為長(zhǎng)702 mmx寬79 mm，曝氣面積為0.038 6 m2。曝氣板能承受709.3 kPa的壓力，當(dāng)內(nèi)外壓差高于121.6 kPa時(shí)即可出氣，建議在低于354.6 kPa下運(yùn)行。曝氣板氣路總管連接至氣源，總管上設(shè)氣體流量計(jì)一個(gè)，須滿足各個(gè)曝氣流量下能精準(zhǔn)讀數(shù)。微孔陶瓷曝氣板增加待濾水溶解氧含量的原理是在一定壓力下，氧氣通過微孔陶瓷板逸出直徑約0.1-0.5 mm的細(xì)小氣泡；氣泡不斷上浮的過程中，氧氣也不斷溶解于水中。微孔陶瓷曝氣板曝氣能夠獲得的溶解氧可達(dá)16 mg/L，氧氣利用率80%左右。
1.4 分析項(xiàng)目及方法
臭和味：臭味等級(jí)描述法；濁度：HNCH2100N濁度儀；NH3-N：水楊酸分光光度法，CARY50分光光度計(jì)；高錳酸鹽指數(shù)：酸性高錳酸鉀法；三鹵甲烷生成勢(shì)(THMFP)是在高投氯量、72 h反應(yīng)的條件下測(cè)定水中三鹵甲烷生成潛能，測(cè)定采用島津吹掃捕集/氣相色譜一質(zhì)譜儀；DO含量采用美國(guó)YSI-55型溶解氧儀于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，各指標(biāo)均按照標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定。
1.5 進(jìn)水水質(zhì)
試驗(yàn)期間經(jīng)過了非排澇期和排澇期，其進(jìn)水（待濾水）水質(zhì)見表1和表2。
2 結(jié)果與討論
2.1 濾料的選擇
濾料的作用在于具有吸附懸浮物的表面積，除了要求濾料具有適宜的顆粒級(jí)配備外，主要決定于水中粘土膠體的混凝效果。隨著過濾的生產(chǎn)實(shí)踐及理論的進(jìn)展，可以作為濾料的材料種類逐漸增多，最早的濾料只限于天然的石英砂，后來逐漸有了錳砂、活性炭、無煙煤及其他用天然材料加工的濾料。石英砂砂粒平整、光滑的表面結(jié)構(gòu)使其掛膜不穩(wěn)定，對(duì)各種不利環(huán)境的適應(yīng)性較差�；钚蕴繛V料具有比表面積大、表面粗糙，對(duì)有機(jī)物具有良好的吸附和生物降解去除的作用，在水處理中的應(yīng)用比較多，但它存在機(jī)械強(qiáng)度差、易磨損、炭屑泄漏和成本高等問題�；钚詿o煙煤和活性炭一樣都具有比表面積大和比較高的吸附活性，但活性無煙煤濾料價(jià)格約為6 000元/t，與活性炭濾料相比具有成本優(yōu)勢(shì)，所以選擇活性無煙煤作為濾池改造濾料�；钚詿o煙煤是經(jīng)普通無煙煤活化制成的一種新型濾料。它不含有毒有害物質(zhì)，在酸性、中性水中均不溶解，抗壓耐磨性強(qiáng)，有足夠的比表面積和合理的粒徑級(jí)配，它在過濾的過程中所起作用的好壞，直接影響著濾后水質(zhì)。本工程濾料選擇粒徑為0.8-1.4 mm的活性無煙煤，碘吸附值約為700 mg/g。關(guān)于活性無煙煤在城鎮(zhèn)給水處理行業(yè)暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，若要取得較好的有機(jī)物去除效果，活性無煙煤碘吸附值最好不低于600 mg/g。
2.2 非排澇期改造濾池運(yùn)行效果
在原水未受排澇污染的正常水質(zhì)條件下，考察改造濾池的運(yùn)行效果。分別取待濾水、砂濾池出水和改造濾池出水測(cè)定濁度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和消毒副產(chǎn)物指標(biāo)，計(jì)算相對(duì)于待濾水的去除量和去除率，結(jié)果見表3。在非排澇期進(jìn)水的水質(zhì)比較好，使用普通砂濾池的常規(guī)工藝和活性無煙煤改造濾池水廠出廠水能完全滿足國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)的要求，但是，在非排澇期改造濾池相比砂濾池，對(duì)臭和味、濁度、氨氮、有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物的去除效果明顯增加。
2.3 排澇期改造濾池運(yùn)行效果
2.3.1 臭和味的去除
臭和味是評(píng)價(jià)飲用水水質(zhì)的最早和最直接的參數(shù)之一，屬于感官性能指標(biāo)，帶有嗅味的飲用水會(huì)降低水的可飲性和安全性。在排澇期水閘開閘排澇，廢水污染使水質(zhì)變差，臭和味測(cè)試結(jié)果見表4。從表4中可知，待濾水的臭和味可達(dá)4級(jí)，改造濾池出水臭和味明顯減弱，基本察覺不到臭和味，而砂濾池出水依然有明顯的、強(qiáng)烈的臭和味，與待濾水無明顯差別。
2.3.2 濁度的去除
試驗(yàn)周期內(nèi)濁度的去除效果如圖2所示，從圖2可以看出排澇期待濾水的濁度比較大，但濾池出水基本能控制在1 NTU以下，受進(jìn)水濁度的影響較小。砂濾池和改造濾池對(duì)濁度的平均去除率分別為71.72%和79.63%．說明改造濾池與砂濾池對(duì)濁度的去除效果無明顯差異，濾池改造后并不影響濁度的去除效果。改造濾池的出水符合國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，濾后水平均濁度維持在0.5 NTU左右。
2.3.3 氨氮的去除
排澇期間改造濾池對(duì)氨氮的去除效果如圖3和圖4所示�？梢钥闯觯艥抽_始后待濾水中的氨氮濃度逐漸升高到最高值，隨后氨氮濃度隨著時(shí)間推移緩慢降低。待濾水氨氮平均值為3.94 mg/L，改造濾池對(duì)氨氮的平均去除率相對(duì)于待濾水為65.3%，改造濾池對(duì)氨氮的最大去除量為3.35 mg/L，平均去除量約為2.5 mg/L(該數(shù)值視排澇期濾池運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短而不同，一個(gè)排澇周期內(nèi)，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，氨氮去除效果越好）。而砂濾池的平均去除率僅為32.6%，去除量?jī)H為0.5-1.0 mg/L。說明了改造濾池對(duì)氨氮的去除效果顯著優(yōu)于砂濾池，對(duì)氨氮的去除率比砂濾池提高30%以上，是因?yàn)榛钚詿o煙煤具有豐富的比表面積，表面能
夠附著更多的生物膜，再加上曝氣為去除氨氮微生物提供了充足的溶解氧，兩者協(xié)同作用，能更好發(fā)揮濾料的硝化作用以去除氨氮，顯著提升水質(zhì)。
2.3.4 高錳酸鹽指數(shù)的去除
試驗(yàn)周期內(nèi)有機(jī)物的去除效果如圖5所示。由圖5可知，改造濾池出水高錳酸鹽指數(shù)約1.57 mg/L，改造濾池和砂濾池相對(duì)于待濾水對(duì)有機(jī)物的去除率分別為34.2%和12.1%，說明了改造濾池對(duì)高錳酸鹽指數(shù)具有明顯的去除效果，砂濾池遠(yuǎn)不及改造濾池的去除效果。改造濾池對(duì)有機(jī)物的去除率提高約20%，主要是由于改造濾池隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)活性無煙煤表面掛膜成熟后生物作用去除高錳酸鹽指數(shù)逐漸增強(qiáng)，從而形成吸附及生物作用聯(lián)合去除高錳酸鹽指數(shù)。而砂濾池所用石英砂濾料對(duì)有機(jī)物沒有吸附能力，且石英砂表面光滑，生物附著量有限，因此生物降解去除有機(jī)物的效果遠(yuǎn)不及微納米曝氣一活性無煙煤濾池的去除效果。
2.3.5 消毒副產(chǎn)物的去除
水廠采用液氯消毒，水中的天然有機(jī)物或多或少會(huì)氯化生成三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷（合稱三鹵甲烷）等消毒副產(chǎn)物，出廠水中三鹵甲烷的含量越少對(duì)人體健康越有利。通過排澇周期內(nèi)定期取樣，對(duì)水樣進(jìn)行了三鹵甲烷生成勢(shì)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值列于表5。從表5中可知，經(jīng)過砂濾池的過濾作用很難去除三鹵甲烷前體物，而經(jīng)過改造濾池過濾后出水中三鹵甲烷生成勢(shì)平均去除率達(dá)到18.05%，砂濾池的平均去除率僅有2.51%，改造濾池出水三鹵甲烷的生成勢(shì)比砂濾池出水明顯降低，三鹵甲烷生成勢(shì)降低約16%，表明通過改造濾池過濾，能吸附去除一部分三鹵甲烷生成的前體物，所以能降低水廠加氯消毒的副產(chǎn)物。
3 經(jīng)濟(jì)效益分析
該項(xiàng)目將南方某水廠1個(gè)5 000 m3/d的普通石英砂濾池進(jìn)行改造，主要原輔材料是活性無煙煤濾料、微納米曝氣系統(tǒng)和水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，采購(gòu)費(fèi)按消耗定額和市場(chǎng)價(jià)格確定。正常原水水質(zhì)時(shí)改造濾池與普通石英砂濾池運(yùn)行工況基本一致，無需啟動(dòng)微納米曝氣系統(tǒng)，不增加運(yùn)行成本。當(dāng)原水受到排澇影響．氨氮高于1mg/L時(shí)，啟動(dòng)微納米曝氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需電耗只增加液氧消耗的費(fèi)用，處理水量按5 000 m3/d算，合計(jì)直接增加的運(yùn)行費(fèi)用0.094 4元/m3，不高于0.1元/m3。運(yùn)行費(fèi)用見表6。
4 結(jié)論
活性無煙煤濾料有足夠的比表面積和成本低適合作為水廠改造濾池的濾料。在非排澇期，微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池相比砂濾池，對(duì)臭和味、濁度、氨氮、有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物的去除效果明顯增加。在排澇期，微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池出水臭和味明顯減弱，基本察覺不到臭和味，出水平均濁度維持在0.5 NTU左右，對(duì)氨氮的去除率提高30%以上；對(duì)有機(jī)物的去除率提高約20%，出水三鹵甲烷生成勢(shì)降低約16%。在排澇期啟動(dòng)微納米陶瓷板曝氣系統(tǒng)，增加的水廠運(yùn)行成本不高于0.1元/m3 (0.0944元/m3)卻能有效提高水質(zhì)。該改造項(xiàng)目無需新建構(gòu)筑物，操作便捷、簡(jiǎn)單，提升水質(zhì)效果顯著，但是否存在隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)微納米陶瓷膜曝氣板會(huì)出現(xiàn)堵塞問題還有待進(jìn)一步研究。
5摘 要：在5 000 m3/d規(guī)模的生產(chǎn)性運(yùn)行條件下，通過對(duì)微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池與砂濾池在非排澇期和排澇期的運(yùn)行效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：非排澇期微納米陶瓷板曝氣一活性無煙煤濾池相比砂濾池，對(duì)臭和味、濁度、氨氮、有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物的去除效果明顯增加；排澇期改造后的濾池相比砂濾池，臭和昧明顯減弱，基本察覺不到臭和味，濾池改造后并不影響濁度的去除效果，濾后水平均濁度維持在0.5 NTU左右，對(duì)氨氮的去除率提高30%以上，對(duì)有機(jī)物的去除率提高約20%，三鹵甲烷生成勢(shì)降低約l6%。非排澇期時(shí)
改造濾池與普通石英砂濾池運(yùn)行工況基本一致，無需啟動(dòng)微納米曝氣系統(tǒng)，不增加運(yùn)行成本；排澇期時(shí)啟動(dòng)微納米陶瓷板曝氣系統(tǒng)，增加的水廠運(yùn)行成本不高于0.1元/m3，運(yùn)行效果良好，顯著提升出水水質(zhì)。
