黃曉東1，李德生1，吳為中1，王占生1，段洪雷2，雷曉玲2
(1.清華大學環境科學與工程系，北京100084；2.深圳市水務局，廣東深圳518023)

　　摘　要：研究開發了三種生物活性濾池，實現了對普通濾池過濾作用的強化。經長期運行測定，在10m/h左右的濾速下，生物活性濾池對氨氮、亞硝酸鹽氮、有機物、濁度等均有較高的去除效果，其中氨氮的去除率為76%～87%，亞硝酸鹽氮的去除率為76.9%～90.6%，CODMn的去除率為17.3%～31.4%，出水濁度均能保證在1 NTU以下，經消毒后能滿足衛生學指標的要求。所載生物膜受濾池頻繁反沖洗的影響較小，在反洗2～3次/d的情況下依然保持良好的處理效果。該技術為解決現有水廠微污染水源水的處理問題、提高供水水質提供了一條新的有效途徑。
　　關鍵詞：生物活性濾池；強化過濾；微污染水源水
　　中圖分類號：TU991.24
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2001)08-0010-04

Study on the Enhanced Filtration in Bioactive Rapid Filter

HUANG Xiao-dong1,LI De-sheng1,WU Wei-zhong1,WANG Zhan-sheng1,DUAN Hong-lei2,LEI Xiao-ling2
(1.Dept.of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Shenzhen Water Affairs Bureau,Shenzhen 518023,China)

　　Abstract：Three kinds of bioactive rapid filter (BARF) were developed to enhance filtration in conventional filter.It was measured after a long operation period that at filtering velocity of 10 m/h,BARF has higher efficiency in removing ammonia nitrogen and nitrite nitrogen with removal rate of 76%～87% for the former and 76.9%～90.6% for the latter,and 17.3%～31.4% of CODMn removal is also achieved.The effluent turbidity is maintained below 1 NTU and the water quality can reach the hygienic index after disinfection.Frequent backwash has less impact on the biofilm with good efficiency kept even after backwash for 2～3 times per day.BARF provides a new effective way to treat micropolluted source water and improve water quality in existing water plants.
　　Keywords:bioactive rapid filter；enhanced filtration；micropolluted source water

　　目前，自來水廠普遍采用的“混凝沉淀→過濾→消毒”的傳統凈水工藝主要是除濁、除菌，而對微污染水源水中各種超標污染物的去除能力有限。各自來水廠普遍存在的問題主要表現在：氨氮和亞硝酸鹽氮時有超標，由于普通濾池硝化作用不完全，有時出廠水中的亞硝酸鹽氮會高出原水數倍；出廠水生物穩定性差，管網腐蝕和自來水二次污染(包括紅蟲滋生)的問題比較突出；由于投氯量大和不能有效去除藻類，自來水經常有較強的氯味和泥腥味，口感不好。
　　國內、外處理微污染水源水的方法主要有：預處理、深度處理及常規工藝的強化。預處理主要有生物預處理和化學預氧化，深度處理主要有活性炭吸附和膜處理技術。預處理和深度處理的各種方法各有其優點，但也存在明顯的局限性，即均須在現有常規工藝的基礎上另外增設構筑物及設備，這就需要大量占地與設備投資。而強化常規工藝主要指在不增加水廠構筑物的前提下，通過對混凝及過濾工藝的改進，最大程度地發揮現有構筑物及設備的處理效果，或使其具有某種新的處理功效，達到提高自來水水質的目的，具有投資少、不需另設構筑物的優點。
　　常規工藝的強化包括強化混凝及強化過濾兩種。根據國外文獻對給水強化混凝(enhanced coagulation)的定義，所謂強化混凝就是通過優化混凝的工藝條件，提高混凝沉淀對有機物的去除率，降低消毒副產物前驅物的濃度，從而降低濾后消毒副產物超標的風險。
　　強化混凝雖能在一定程度上提高有機物的去除率，但對原水中氨氮、亞硝酸鹽氮和影響出廠水生物穩定性的小分子有機物卻無能為力。據報道，生物預處理是去除水中氨氮、亞硝酸鹽氮，降低有機物濃度，增加出廠水的生物穩定性，綜合改善飲用水水質的有效技術措施。但由于各種類型生物預處理工藝均要在常規工藝前增加占地面積大、基建投資高的處理構筑物，這使其應用受到了場地、資金等方面的很大制約。
　　如果在不增設構筑物的情況下，也能將生物處理獨有的凈水功能用于飲用水處理工藝中，那無疑具有非常重要的現實意義。在對國、內外20世紀90年代中后期的相關研究進行跟蹤和分析的基礎上，根據某市水源水中氨氮和亞硝酸鹽氮較高的特點及水廠普通濾池所存在的問題，提出了一個新的水處理概念——強化過濾(enhanced filtration)，即在保證濾池對濁度去除效果的同時，使濾池具有去除水中氨氮、亞硝酸鹽氮和有機物的能力。其核心技術是將普通濾池改造成生物活性快濾池(biological active rapid filter)，簡稱生物活性濾池或BARF，以區別于生物預處理中廣泛使用的生物濾池。

1　試驗內容及結果分析

　　動態模擬試驗裝置見圖1，試驗期間的原水及出水水質見表1。

表1試驗期間原水和出廠水水質　　mg/L 項目 原水 出廠水 平均值 范圍 平均值 范圍 氨氮 2.47 1.52～3.36 1.33 0.64～2.77 亞硝酸鹽氮 0.16 0.10～0.25 0.36 0.01～0.94 CODMn 3.36 2.21～4.70 2.61 1.80～4.27

　　通過掛膜性能測定，選擇了三種生物活性濾料(簡稱A、B、C濾料)，這三種濾料分別與石英砂組成雙濾料濾池：石英砂在下，對濁度和細菌起到把關作用；生物活性濾料在上，發揮普通濾池所不具備的生物處理功能。生物活性濾料的濾層高度均為600 mm，石英砂層高為300mm，雙濾料濾層的總高為900 mm。
　　如果原水中氨氮濃度較低，溶解氧又足夠高，則BARF無需曝氣；如果原水氨氮濃度較高，可考慮選擇濾池表面曝氣或濾料淺層曝氣的方式。BARF所載生物膜受濾池頻繁反沖洗的影響較小，在反洗2～3次/d的情況下依然保持良好的處理效果。
1.1　對氨氮的去除效果
　　不同生物活性濾料構成的BARF對氨氮的去除效果見圖2、3、4。

　　　

1.2　對亞硝酸鹽氮的去除效果
　　不同生物活性濾料構成的BARF對亞硝酸鹽氮的去除效果見圖5、6、7。

　　　　

　　　　　

1.3 對CODMn的去除效果
　　不同生物活性濾料構成的BARF對CODMn的去除效果見圖8、9、10。

　　　

　　經長期運行測定，在10 m/h左右的濾速下， 三種BARF對氨氮、亞硝酸鹽氮均有較高的去除效果，其中對氨氮的去除率為76%～87%，對亞硝酸鹽氮的去除率為76.9%～90.6%，對CODMn的去除率為17.3%～31.4%。三種BARF的出水濁度均能保證在1 NTU以下，經消毒后能滿足衛生學指標的要求。
　　表2是BARF與生物陶粒和活性炭吸附處理效果的對比。

表2　BARF、生物陶粒預處理、活性炭吸附處理效果的對比 去除率(%) BARF—A BARF—B BARF—C 生物陶粒預處理 活性炭吸附* 氨氮 82.4 76.0 87.0 84.0 11.6 亞硝酸鹽氮 906 79.9 76.9 90.8 14.8 CODMn 31.4 17.0 17.1 21.4 69.3 注：*為裝入新炭時測定的數據。

　　生物陶粒預處理對氨氮、亞硝酸鹽氮和有機物的去除率分別為84.0%、90.8%和21.4%，從總體上來看，BARF—A與生物陶粒預處理效果相當；而BARF—B和BARF—C的去除率相對要低一些，其中對亞硝酸鹽氮的去除率低10%左右，對有機物的去除率低5%左右。在去除有機物方面，活性炭吸附是最有效的單元處理技術，新炭對有機物的去除率高達69.3%，這是BARF及生物陶粒預處理所無法比擬的。而活性炭對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率僅分別為11.6%和14.8%，比BARF和生物陶粒預處理都低得多。
　　通過對三種BARF運行效果的長期對比分析，以及對生物量及生物活性的實際測定，BARF—A的總體處理效果最好且運行最穩定，缺點是濾料的價格比較高，而B和C濾池雖然效果及運行的穩定性相對要差一些，但這兩種濾料的價格比較便宜，有經濟上的優勢。

2　機理探討

　　BARF強化過濾的基本原理是其上層生物活性濾料的生物處理作用，三種BARF的濾層高度均為0.9 m，濾速達10 m/h；而生物陶粒預處理池的濾層高度為2 m，濾速僅為4～6 m/h。因此，BARF的空床停留時間(EBCT)僅為5.4 min，而生物陶粒濾池的則高達20～30 min。除了BARF—B和BARF—C對亞硝酸鹽氮和有機物的去除率相對要低一些外，BARF—B、BARF—C在氨氮的去除率方面與生物陶粒相差不大，而BARF—A在各項指標上與生物陶粒預處理效果相當。產生這種差異的主要原因除了濾料本身不同外，可能還存在以下兩方面的原因：①生物預處理中，陶粒濾料的粒徑為3～5 mm，而BARF中三種生物活性濾料的粒徑在1.5～3.0 mm之間。由于粒徑小使濾料的比表面積增大，單位體積濾料所掛載的生物膜量就多，所以BARF生化反應速率相應就快；②根據工藝上的要求，生物陶粒濾池是放在混凝沉淀之前的單元處理構筑物，進水濁度較高；而BARF置于混凝沉淀之后，進水濁度則要低得多。較高的進水濁度會影響生物膜的活性，降低生物膜對基質(氨氮、亞硝酸鹽氮和有機物等)的去除效率。

3　經濟比較

　　以三種濾料中價格最高的A為例，一座10×10⁴m³/d的自來水廠若將普通濾池改造成生物活性濾池，則總的改造費用需要100萬元左右。若采用生物陶粒預處理，由于其設計濾速為4～6 m/h，濾層高為2 m，基建和設備投資將達1 000～1 500萬元，而采用活性炭吸附深度處理也需900～1 000萬元。如果采用價格便宜的B、C濾料，則生物活性濾池的改造投資將下降至60萬元左右。所以，生物活性濾池比生物陶粒預處理及活性炭吸附深度處理投資要節省很多。從運行費用看，如果原水中氨氮濃度較低而溶解氧較高，則無需對生物活性濾池進行曝氣，此時的生物活性濾池與普通濾池的運行費用基本相同；如果原水中氨氮濃度較高而溶解氧濃度較低時，運轉費用約為0.02～0.03 元/m³。而生物陶粒預處理為0.08～0.10 元/m³，活性炭吸附深度處理的運行費用則為0.12～0.15 元/m³。所以無論是從投資還是從運行費用來講，生物活性濾池在經濟上都有優勢。

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　　作者簡介：黃曉東(1965-)，男，湖北荊門人，博士，工程師，研究方向為給水處理。
　　電　　話：(0755)5701154(O)13823168957
　　收稿日期：2000-12-29