仲麗娟 姚雨霖
（成都市自來水總公司） （重慶建筑大學）

　　摘要：對石英砂、瓷-砂兩種均質濾料濾池進行處理微污染水的實驗研究，結果表明在3-7m/h濾速范圍內兩濾池除濁除色效果良好，對COD_Mn和NH₃-N的去除率，石英砂濾池為8.66%和10-27.4%，瓷-砂濾池為13.31%和16.2-18.5%；瓷-砂濾池充氧生物過濾工藝在保證良好的除濁除色的前提下，在2-8m/h濾速范圍內，COD_Mn去除率為14-32.7%，NH₃-N去除率為58.3-82.3%，UV值降低37%。
　　關鍵詞：均質濾料濾池 生物過濾 充氧 瓷-砂 石英砂

1. 引言

　　近些年來以V型濾池為代表的均質濾料濾池在我國水廠應用日益廣泛，這種濾池采用氣水反沖洗，避免了濾料水力分級，濾床孔隙率沿濾床深度方向均勻分布，提高了深層濾床截污能力的利用率，生產經驗表明，相對于普通快濾池它具有出水濁度低、運行周期長、反沖洗耗水量低等優點，但是，面對我國城市水域污染特別是有機污染普遍的現狀其適應能力如何？基于此，我們進行了石英砂、瓷-砂兩種均質濾料濾池過濾處理微污染水的實驗，并在此基礎上對瓷-砂濾池充氧，培養微生物，進行了生物過濾處理微污染水的對比實驗。

2. 實驗裝置和實驗方法

2.1 實驗裝置
　　共設兩根有機玻璃濾柱，內徑100mm，高3m。兩濾柱均設有氣水反沖洗系統，包括承托層下的穿孔配水板、埋于承托層中的穿孔配氣管和供氣設備；2#濾柱濾床設有供氣充氧系統，包括空壓機、空氣輸送管和充氧曝氣頭。
　　1#濾柱裝填厚度為107cm的均質石英砂，2#濾柱自上而下是瓷砂、石英砂兩層均質濾料，兩者體積比為1：1，濾床厚113cm。石英砂產自福建晉江，瓷砂是一種高溫燒結的稀土氧化物瓷，高硅質，被加工成表面多微孔的輕質白色球狀顆粒。稀土氧化物在化學工業上廣泛應用作催化劑，如催化有機化合物的脫氫、加氫、氧化等。兩種濾料的性能指數如表1。
2.2 實驗原水
　　是某水廠經兩級混凝沉淀后的水，取自沉淀池的兩根輸水管之間的連通管，由長約150m的Φ40管路輸送到實驗室。該廠水源在八十年代已發現其中含有上百種有機物，屬微污染水質。第一階段實驗原水水溫6.0-27.5℃，濁度一般為2-10NTU，色度15-38度，耗氧量（COD_Mn）2.64-9.52mg/l，氨氮（NH₃-N）1.52-14.13mg/l。第二階段實驗水源已逐漸過渡到豐水期，實驗原水水溫18-38℃，PH值7.2-7.8，濁度一般為1.5-7NTU，色度15-20度，COD_Mn3.46-4.74mg/l，NH₃-N 0.12-4.63 mg/l。

表1. 濾料性能指數表

參數

濾料

粒徑（mm） 比重 孔隙率 形狀系數 d10（mm） K60 石英砂 0.6-2.0 2.65 0.42 1.17 0.95 1.23 瓷-砂 0.6-2.0 2.30 0.62 1.0 0.91 1.30

2.3 實驗方法
　　實驗分兩階段進行。
　　第一階段于1998年2月至4月對兩濾柱進行不同濾速下去除懸浮物和有機物的過濾實驗，考慮到原水有機指標偏高，選用較低的濾速，分別為3m/h、5 m/h、7 m/h，濾柱間斷運行。
　　第二階段于1998年5月至7月進行瓷-砂濾柱供氣充氧條件下的生物過濾實驗，濾速為2 m/h、4 m/h、6 m/h、8 m/h，氣水比約1：1，濾柱連續運行。微生物的培養采用自然掛膜法，期間濾速為2 m/h，因水溫較高，三天之后濾柱的COD_Mn去除率超過15%，NH₃-N去除率達78%，已滿足生物膜成熟的要求[1]，并觀察到濾料表面以下30cm范圍內的濾料已呈黃褐色，取表面濾料鏡檢發現大量球菌、桿菌、梭狀桿菌、菌膠團等，可以認為此時已完成掛膜。
　　實驗中過濾周期定為48h，采用三段式氣水反沖洗，反沖洗時間10-12min。
2.4 分析方法
　　分析中所用藥品均為分析純，方法及儀器如表2。

表2 分析方法表

序號

項目 分析方法及儀器 1 濁度 HACH2100P型便攜式濁度儀 2 色度 鉑鈷標準比色法 3 COD_Mn 酸性高錳酸鉀法 4 NH₃-N 納氏試劑光度法 5 溶解氧（DO） WTWOXI-196型溶解氧儀 6 紫外吸光度UV值 756MC型紫外可見光光度計

3. 實驗結果與分析討論

3.1 對濁度的去除效果
　　第一階段實驗中兩濾柱穩定運行時出水濁度均在0.3-1.2NTU，由圖2可知瓷-砂柱生物過濾時出水濁度小于0.7NTU的頻率遠高于未通氣時，未通氣的瓷-砂柱略優于石英砂柱。兩濾柱三種運行的出水濁度都有90%以上小于1NTU，可以滿足《城市供水行業2000年技術發展規劃》提出的一類水司2000年供水水質目標的濁度要求。

　　

　　快濾池去除懸浮物、降低濁度的機理是濾料顆粒表面的吸附作用，從理論上講，單位面積的濾層提供的表面積越大則濾床的除濁能力越強，該表面積可用指標L/d（L是濾床厚度，d是濾床當量粒徑）衡量。普通單層石英砂快濾池L/d值約為830，本實驗中石英砂濾柱L/d值為1130，瓷-砂柱為1180，瓷-砂柱生物過濾時濾料表面生物膜的粘附作用可有效促進微細顆粒物的去除，所以實驗均質濾料濾床提供的吸附表面積、吸附能力遠勝于普快濾池，這是實驗中出水濁度較低的根本原因。
3.2 對色度的去除
　　對由腐殖質、鐵離子、錳離子、有色污染等造成的色度，常規工藝的去除率僅為20-30%，第一階段實驗中濾柱進水色度一般為15-30度，瓷-砂柱出水色度平均為8.2-10.5度，石英砂柱為10.1-12.3度（如圖3），瓷-砂柱生物過濾為7-10.6度。
3.3 對NH₃-N的去除
　　第一階段實驗中石英砂柱NH₃-N去除率為10-27.4%，瓷-砂柱為16.2-38.5%。NH₃-N的去除率是依靠硝化菌的硝化作用，生產性數據表明普快濾池可去除NH₃-N 0.3-1mg/l[2]，實驗中兩濾柱的除NH₃-N量遠遠超過了此值。第二階段瓷-砂柱生物過濾除NH₃-N率提高到58.3-82.3%，此時濾床中的微生物發揮了強大的作用。
3.4 以COD_Mn表示的有機物的去除情況
　　濾柱出水COD_Mn含量的頻率分布如圖4。第一階段實驗中石英砂濾柱CONMn去除率為2.46-15.12%，平均8.65%，瓷-砂柱去除COD_Mn6.78-22.95%，平均13.31%。包括過濾在內的常規工藝以懸浮、膠態物質為處理對象，對溶解性有機物（DOM）去除率很低，而大部分懸浮物、膠態物經混凝沉淀已被除去，所以常規過濾的有機物去除率較低。本實驗中石英砂濾床雖然比較深厚，但其去除有機物的機理相對于普通快濾池并沒有改善，仍屬于常規處理范疇，所以其有機物去除率并不高。瓷-砂柱的COD_Mn去除率略高于石英砂柱其原因在于瓷砂是一種多孔濾料，比表面積高于石英砂，吸附能力較強，另外，其中的稀土氧化物可能也起了一定促進作用。
　　瓷-砂柱生物過濾除COD_Mn為14-32.7%，比未通氣時提高了約10%。

　　

圖4. 濾柱出水COD_Mn含量頻率分布圖 圖5. 濾柱出水濁度隨濾速變化圖

3.5 對UV值的降低
　　在紫外波長254nm下測得的UV值可間接反映芳香族化合物的含量。在原水UV值為0.158，濾速為6m/h時，瓷-砂柱生物過濾降低UV值37%。
3.6 DO對生物過濾的影響
　　DO和營養基質是制約微生物的生命活動的兩個重要因素，而眾多的研究表明含微量有機物的水中的營養物質足夠供應生物膜的新陳代謝，所以DO就成為制約微生物新陳代謝，亦即影響微生物對有機物的去除率的重要因素之一。給水生物過濾中同時存在自氧菌的硝化作用和異養微生物的新陳代謝作用，有實驗表明硝化過程所需時間大大少于有機物氧化，所以水中DO會優先用于氨氮的硝化，部分異養微生物的新陳代謝可能會受到抑制。

　　

　　本試驗中采用曝氣頭把空氣分散于水中，曝氣頭位于濾床上，充氧量最大只能使水接觸濾床時達到飽和，因空氣從曝氣頭中溢出的氣泡較大，直徑約2-3mm，所以原接觸濾床時其DO飽和率僅為60-90%，相對于原水中3.46-4.74mg/l的COD_Mn和0.12-4.63mg/l的NH₃-N（1mg/l NH₃-N相當于4.33mg/lCOD_Mn [4]），該DO含量并不充足，有可能發生上述異養微生物受到抑制的情況，所以瓷-砂柱生物過濾的COD_Mn去除率沒有NH₃-N去除率那理想。如果所采取的充氧方式能夠使溶解氧在被消耗的同時得到補充，則有可能獲得更高的有機物去除率。
3.7 濾速對過濾的影響
　　濾速對過濾效果的影響反映的實際上是水流與濾床的接觸時間對過濾的影響。設濾速為v，床厚為L，則空床接觸時間為：t=L/v。
　　如圖5-8，濾速對濁度、色度的去除影響較小，而對COD_Mn、NH₃-N的去除影響較明顯，隨著濾速的降低，空床接觸時間的增長，出水水質呈變優的趨勢。有機物氧化約需20min，生產中快濾池水與濾床的接觸時間一般不可能達到，且生物濾池中生物的分布主要集中在濾床的上部，所以采用多孔大比表面積的瓷砂濾料將水中有機質富集字其表面和微孔中微生物才能獲得充分將之氧化的時間。

4. 結論

4.1 深層均質石英砂濾料濾池除濁、色效果良好，但去除有機物效率有限，以COD_Mn計僅8.66%，屬于常規水處理范疇。
4.2 均質瓷-砂濾料濾池除濁、色效果良好，COD_Mn去除率平均為13.31%，NH₃-N去除率為16.2-38.5%，優于石英砂濾池，所以多孔大比表面積的瓷砂濾料比石英砂更適應有機污染水的處理。
4.3 均質瓷-砂濾料濾池生物過濾能保證良好的除濁除色效果，COD_Mn去除率比未充氧運行時提高了約10%，NH₃-N去除率為58.3-82.3%。

參考文獻
[1] 岳舜琳，生物氧化在給水處理中的應用，中國給水排水，1996，12：4.
[2] 許保玖、安鼎年，給水處理理論與設計，中國建筑工業出版社，1992.
[3] Edward J. Bouwer and Patricia B. Crowe，Biological Processes in Drinking Water Treatment，JAWWA，1988，80：9.
[4] Eckenfelder WW.著，馬志毅譯，工業水污染控制，中國建筑工業出版社，1992.