关于陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池的生产性试验的探索

作者；郑晓敏

    目前绝大多数水厂采用常规处理工艺，没有应对季节性水源污染的净水单元及深度处理的设施建设，故排涝期间的饮用水对于数量占绝大多数的小型水厂，全部采用预处理或者深度处理工艺，在经济上和建设时间上都是不现实的。为了适应我国新颁布水质标准要求和为数目众多的其他类似水厂改造提供样板，将某水厂滤池改造为微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池。微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池，在占地面积、运行费用、对水源水质季节性变化适应性等方面比国内现有工艺具有明显的技术优势。

    本文在5 000 m3/d规模的生产性运行条件下，在非排涝期和排涝期时就微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池在水厂实际运行过程中对污染物的去除效果与常规的砂滤池进行对比研究，并对微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池的经济效益进行了具体分析，以期为其在水厂达标升级改造工程中的推广应用提供基础和技术支持。

1  试验部分

1.1  工艺流程

    南方某水厂，处理工艺由原水、网格絮凝池、普通砂滤池、清水池构成。因水厂这种常规工艺对臭和味和对有机污染物的去除效果有限，仅能通过混凝沉淀去除部分大分子有机物。而水厂常规砂滤池经挂膜成为生物砂滤池之后，对氨氮有一定去除效果，但石英砂粒光滑、平整的表面结构不利于微生物的附着和生长，同时，由于常规条件下待滤水溶解氧的限制，砂滤池对氨氮的去除效果比较有限。为了解决季节性水质问题，提出了改造需要，基于实际进水水质特征和水厂原有构筑物分析，结合原水厂处理工艺流程，提出了水厂改造方案，将砂滤池改为微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池（简称“改造滤池”），改造后的工艺流程见图1。

1.2  试验设备与运行参数

    活性无烟煤滤池设计规模为5 000 m3/d。改造后活性无烟煤滤池的参数单格面积：32.5 m2 (6.5 mx5m);滤池高度：4.4 m；承托层砂粒径：2-4 mm；承托层厚度：100 mm；活性无烟煤粒径：0.8-1.4 mm；活性无烟煤厚度：1.0 m；设计滤速：v=6.4m/h；反冲洗周期及强度：每48 h进行一次水冲洗，水冲强度为10L/(s·m2)，时间为12 min；每7d进行一次气水冲洗（先气冲后水冲），气冲强度为10  L/(s·m2)，时间为2min，水冲强度为10 L/(s·m2)，时间为10 min。采用跌水方式进水，过滤方式为恒速变水头过滤。滤池的反冲洗配水配气系统由原有的丰字形穿孔管式改造为长柄滤头式。

1.3  微纳米陶瓷板曝气系统

    在滤池中采用微纳米陶瓷曝气板，分上下两层布置，上层22块，下层33块，在滤池进水堰进行纯氧曝气，使用普莱克斯的纯氧供氧系统，液氧储存罐储气量为5t。单块板的规格为长702 mmx宽79 mm，曝气面积为0.038 6 m2。曝气板能承受709.3 kPa的压力，当内外压差高于121.6 kPa时即可出气，建议在低于354.6 kPa下运行。曝气板气路总管连接至气源，总管上设气体流量计一个，须满足各个曝气流量下能精准读数。微孔陶瓷曝气板增加待滤水溶解氧含量的原理是在一定压力下，氧气通过微孔陶瓷板逸出直径约0.1-0.5 mm的细小气泡；气泡不断上浮的过程中，氧气也不断溶解于水中。微孔陶瓷曝气板曝气能够获得的溶解氧可达16 mg/L，氧气利用率80%左右。

1.4  分析项目及方法

    臭和味：臭味等级描述法；浊度：HNCH2100N浊度仪；NH3-N：水杨酸分光光度法，CARY50分光光度计；高锰酸盐指数：酸性高锰酸钾法；三卤甲烷生成势(THMFP)是在高投氯量、72 h反应的条件下测定水中三卤甲烷生成潜能，测定采用岛津吹扫捕集/气相色谱一质谱仪；DO含量采用美国YSI-55型溶解氧仪于现场监测，各指标均按照标准分析方法测定。

1.5  进水水质

    试验期间经过了非排涝期和排涝期，其进水（待滤水）水质见表1和表2。

2  结果与讨论

2.1  滤料的选择

    滤料的作用在于具有吸附悬浮物的表面积，除了要求滤料具有适宜的颗粒级配备外，主要决定于水中粘土胶体的混凝效果。随着过滤的生产实践及理论的进展，可以作为滤料的材料种类逐渐增多，最早的滤料只限于天然的石英砂，后来逐渐有了锰砂、活性炭、无烟煤及其他用天然材料加工的滤料。石英砂砂粒平整、光滑的表面结构使其挂膜不稳定，对各种不利环境的适应性较差。活性炭滤料具有比表面积大、表面粗糙，对有机物具有良好的吸附和生物降解去除的作用，在水处理中的应用比较多，但它存在机械强度差、易磨损、炭屑泄漏和成本高等问题。活性无烟煤和活性炭一样都具有比表面积大和比较高的吸附活性，但活性无烟煤滤料价格约为6 000元/t，与活性炭滤料相比具有成本优势，所以选择活性无烟煤作为滤池改造滤料。活性无烟煤是经普通无烟煤活化制成的一种新型滤料。它不含有毒有害物质，在酸性、中性水中均不溶解，抗压耐磨性强，有足够的比表面积和合理的粒径级配，它在过滤的过程中所起作用的好坏，直接影响着滤后水质。本工程滤料选择粒径为0.8-1.4 mm的活性无烟煤，碘吸附值约为700 mg/g。关于活性无烟煤在城镇给水处理行业暂无相关标准，试验数据显示，若要取得较好的有机物去除效果，活性无烟煤碘吸附值最好不低于600 mg/g。

2.2  非排涝期改造滤池运行效果

    在原水未受排涝污染的正常水质条件下，考察改造滤池的运行效果。分别取待滤水、砂滤池出水和改造滤池出水测定浊度、氨氮、高锰酸盐指数和消毒副产物指标，计算相对于待滤水的去除量和去除率，结果见表3。在非排涝期进水的水质比较好，使用普通砂滤池的常规工艺和活性无烟煤改造滤池水厂出厂水能完全满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求，但是，在非排涝期改造滤池相比砂滤池，对臭和味、浊度、氨氮、有机物和消毒副产物的去除效果明显增加。

2.3  排涝期改造滤池运行效果

2.3.1  臭和味的去除

    臭和味是评价饮用水水质的最早和最直接的参数之一，属于感官性能指标，带有嗅味的饮用水会降低水的可饮性和安全性。在排涝期水闸开闸排涝，废水污染使水质变差，臭和味测试结果见表4。从表4中可知，待滤水的臭和味可达4级，改造滤池出水臭和味明显减弱，基本察觉不到臭和味，而砂滤池出水依然有明显的、强烈的臭和味，与待滤水无明显差别。

2.3.2  浊度的去除

    试验周期内浊度的去除效果如图2所示，从图2可以看出排涝期待滤水的浊度比较大，但滤池出水基本能控制在1 NTU以下，受进水浊度的影响较小。砂滤池和改造滤池对浊度的平均去除率分别为71.72%和79.63%．说明改造滤池与砂滤池对浊度的去除效果无明显差异，滤池改造后并不影响浊度的去除效果。改造滤池的出水符合国家水质标准要求，滤后水平均浊度维持在0.5 NTU左右。

2.3.3  氨氮的去除

    排涝期间改造滤池对氨氮的去除效果如图3和图4所示。可以看出，排涝开始后待滤水中的氨氮浓度逐渐升高到最高值，随后氨氮浓度随着时间推移缓慢降低。待滤水氨氮平均值为3.94 mg/L，改造滤池对氨氮的平均去除率相对于待滤水为65.3%，改造滤池对氨氮的最大去除量为3.35 mg/L，平均去除量约为2.5 mg/L(该数值视排涝期滤池运行时间长短而不同，一个排涝周期内，运行时间越长，氨氮去除效果越好）。而砂滤池的平均去除率仅为32.6%，去除量仅为0.5-1.0 mg/L。说明了改造滤池对氨氮的去除效果显著优于砂滤池，对氨氮的去除率比砂滤池提高30%以上，是因为活性无烟煤具有丰富的比表面积，表面能

够附着更多的生物膜，再加上曝气为去除氨氮微生物提供了充足的溶解氧，两者协同作用，能更好发挥滤料的硝化作用以去除氨氮，显著提升水质。

2.3.4  高锰酸盐指数的去除

    试验周期内有机物的去除效果如图5所示。由图5可知，改造滤池出水高锰酸盐指数约1.57 mg/L，改造滤池和砂滤池相对于待滤水对有机物的去除率分别为34.2%和12.1%，说明了改造滤池对高锰酸盐指数具有明显的去除效果，砂滤池远不及改造滤池的去除效果。改造滤池对有机物的去除率提高约20%，主要是由于改造滤池随着运行时间的延长活性无烟煤表面挂膜成熟后生物作用去除高锰酸盐指数逐渐增强，从而形成吸附及生物作用联合去除高锰酸盐指数。而砂滤池所用石英砂滤料对有机物没有吸附能力，且石英砂表面光滑，生物附着量有限，因此生物降解去除有机物的效果远不及微纳米曝气一活性无烟煤滤池的去除效果。

2.3.5  消毒副产物的去除

    水厂采用液氯消毒，水中的天然有机物或多或少会氯化生成三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷（合称三卤甲烷）等消毒副产物，出厂水中三卤甲烷的含量越少对人体健康越有利。通过排涝周期内定期取样，对水样进行了三卤甲烷生成势试验，试验数据取平均值列于表5。从表5中可知，经过砂滤池的过滤作用很难去除三卤甲烷前体物，而经过改造滤池过滤后出水中三卤甲烷生成势平均去除率达到18.05%，砂滤池的平均去除率仅有2.51%，改造滤池出水三卤甲烷的生成势比砂滤池出水明显降低，三卤甲烷生成势降低约16%，表明通过改造滤池过滤，能吸附去除一部分三卤甲烷生成的前体物，所以能降低水厂加氯消毒的副产物。

3  经济效益分析

    该项目将南方某水厂1个5 000 m3/d的普通石英砂滤池进行改造，主要原辅材料是活性无烟煤滤料、微纳米曝气系统和水质在线监控系统，采购费按消耗定额和市场价格确定。正常原水水质时改造滤池与普通石英砂滤池运行工况基本一致，无需启动微纳米曝气系统，不增加运行成本。当原水受到排涝影响．氨氮高于1mg/L时，启动微纳米曝气系统，该系统无需电耗只增加液氧消耗的费用，处理水量按5 000 m3/d算，合计直接增加的运行费用0.094 4元/m3，不高于0.1元/m3。运行费用见表6。

4  结论

活性无烟煤滤料有足够的比表面积和成本低适合作为水厂改造滤池的滤料。在非排涝期，微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池相比砂滤池，对臭和味、浊度、氨氮、有机物和消毒副产物的去除效果明显增加。在排涝期，微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池出水臭和味明显减弱，基本察觉不到臭和味，出水平均浊度维持在0.5 NTU左右，对氨氮的去除率提高30%以上；对有机物的去除率提高约20%，出水三卤甲烷生成势降低约16%。在排涝期启动微纳米陶瓷板曝气系统，增加的水厂运行成本不高于0.1元/m3 (0.0944元/m3)却能有效提高水质。该改造项目无需新建构筑物，操作便捷、简单，提升水质效果显著，但是否存在随着运行时间的延长微纳米陶瓷膜曝气板会出现堵塞问题还有待进一步研究。

5摘  要：在5 000 m3/d规模的生产性运行条件下，通过对微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池与砂滤池在非排涝期和排涝期的运行效果进行比较。结果表明：非排涝期微纳米陶瓷板曝气一活性无烟煤滤池相比砂滤池，对臭和味、浊度、氨氮、有机物和消毒副产物的去除效果明显增加；排涝期改造后的滤池相比砂滤池，臭和昧明显减弱，基本察觉不到臭和味，滤池改造后并不影响浊度的去除效果，滤后水平均浊度维持在0.5 NTU左右，对氨氮的去除率提高30%以上，对有机物的去除率提高约20%，三卤甲烷生成势降低约l6%。非排涝期时

改造滤池与普通石英砂滤池运行工况基本一致，无需启动微纳米曝气系统，不增加运行成本；排涝期时启动微纳米陶瓷板曝气系统，增加的水厂运行成本不高于0.1元/m3，运行效果良好，显著提升出水水质。