董歷新(撫順市市政工程設(shè)計研究院)
仲愛青(西安市曲江水廠) 含鐵、錳水質(zhì)的地下水源水廠，其處理方法多采用自然氧化和天然錳砂接觸氧化工藝，不僅處理流程復(fù)雜，出水水質(zhì)也難以得到保證。采用生物固錳除錳技術(shù)設(shè)計建設(shè)的水廠，不僅簡化了工藝，也使處理后的水質(zhì)有了較大的提高?，F(xiàn)將撫順經(jīng)濟開發(fā)區(qū)水廠建設(shè)的實踐予以總結(jié)，為類似水質(zhì)水廠的設(shè)計與運行提供有益的借鑒。 1 原水水質(zhì)及工藝選擇 位于撫順西郊的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)由于距城市供水管網(wǎng)較遠(yuǎn)，1994年選擇地下水為生活飲用水源，建設(shè)李石凈水廠。經(jīng)過區(qū)域內(nèi)農(nóng)用井及采探井的水質(zhì)調(diào)查，查明該區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)見表1。 表1 凈水廠區(qū)域地下水水質(zhì)| 檢驗項目 | 指標(biāo) | 國家標(biāo)準(zhǔn) | | 水溫（℃） | 9 | | | PH | 6.8～6.9 | 6.5～8.5 | | 色度 | 10 | ＜15 | | 濁度 | 40 | ＜3 | | Ca（mg/L) | 42.697 | | | Mg（mg/L) | 7.819 | | | Fe（mg/L) | 7～10 | ＜0.3 | | Fe2+（mg/L) | 6～7.5 | | | Mn（mg/L) | 1.1～1.3 | ＜0.1 | | NH3-N（mg/L) | 0.4～0.7 | ＜0.1（遼寧省標(biāo)準(zhǔn)） | | NO2--N（mg/L) | 0.002 | ＜0.004(遼寧省標(biāo)準(zhǔn)） | | HCO3-（mg/L) | 139.607 | | | CO2（mg/L) | 28.336 | | | SiO2（mg/L) | 20 | | | SO42-（mg/L) | 25 | ＜250 | | DO（mg/L) | 0.8～1.4 | | | OC（mg/L) | 0.56～0.72 | ＜3.0 | | 總硬度（mg/L) | 77.7 | | | 總堿度（以CaCO3計，mg/L) | 320.3 | ＜450 | | 總酸度（以CaCO3計，mg/L) | 32.2 | | 從原水含有的物質(zhì)成分看出，超標(biāo)物質(zhì)主要是鐵、錳、硫化物和氨氮，因此選擇安全、高效、經(jīng)濟、實用的工藝是關(guān)鍵。根據(jù)分析認(rèn)為：距地表覆土10余m的地層中含有的鐵、錳、硫化物是隨土壤地質(zhì)共存于地下水中的；硫化物的存在說明土壤中含有硫鐵礦物質(zhì)；而氨氮類物質(zhì)的出現(xiàn)，并非地表污染造成，而是硫鐵礦物質(zhì)在含有碳酸水的作用下，含氮化合物還原生成的。因此，該地下水作為生活飲用水源是可以的。
由表1可見，原水屬普通含碳酸型地下水水質(zhì)，這種水質(zhì)不存在除鐵除錳原水堿度不足及硅酸干擾問題。因此選擇接觸氧化法除鐵、除錳工藝，原水經(jīng)跌水曝氣充氧后，由于曝氣強度不大，pH值仍在中性域內(nèi)，水中Fe2+離子在通過濾床時與“濾膜”充分接觸，被氧化成Fe3+離子，從而被濾層截留，可以達(dá)到除鐵的目的。但除錳按照給水設(shè)計規(guī)范GBJ13—86要求：Fe>2.0mg/L(北方)、Mn>1.5mg/L時，均要采用一級過濾除鐵、二級過濾除錳的“二級過濾”工藝。這種工藝流程需要對第一級濾后水的Fe2+離子含量進(jìn)行監(jiān)控，保證在下一級除錳濾床中有足夠的Fe2+離子才能使“濾膜”保持活性，達(dá)到除錳的效果。
鑒于國內(nèi)有報導(dǎo)：當(dāng)原水含F(xiàn)e<10mg/L、含Mn<1.5mg/L時，采用“曝氣—天然錳砂過濾”的一級處理流程，出水水質(zhì)亦可達(dá)到生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，故決定在留有二次過濾余地的情況下，本期工程只建一級過濾處理裝置，這樣濾池在工作過程中不僅可以保證Fe2+的接觸氧化，也可以使Fe2+離子始終保持除錳濾膜的活性，從而滿足除錳需求，達(dá)到鐵、錳同時去除的目的。因此選定工藝流程(見圖1)及參數(shù)如下：
主要設(shè)計參數(shù)：?
?、?設(shè)計規(guī)模 Q=3000m3/d
?、?跌水曝氣池 跌水高度：1.25m
單寬流量：20m3/(h·m)
停留時間：20min
經(jīng)實測，曝氣后的溶解氧含量在水溫10℃時為3～4mg/L，達(dá)飽和值的26.5%～35.4%，pH值為7.0左右。
?、?錳砂濾池
濾速：5m/h
濾料：馬山錳砂
濾料厚度：1.0m(后增加到1.2m)，考慮填加雙層濾料時可達(dá)1.5m
反沖洗強度：18L/(m2·s)
?、?消毒 二氧化氯投加量1mg/L
?、?清水池 貯水容積1000m3，分兩格 
水廠按以上接觸氧化濾池的參數(shù)設(shè)計并建設(shè)，于當(dāng)年11月投入運行。 2 運行情況 水廠投入運行后，最初除鐵、除錳效果均很好，經(jīng)過半年多的運行，出現(xiàn)了除鐵效果好，而除錳、除氨氮效率不高的局面，錳的去除率僅有10%，氨氮的去除率約50%，甚至出現(xiàn)亞硝酸鹽氮含量出水高于進(jìn)水的狀況，主要水質(zhì)指標(biāo)見表2。? 表2 水廠主要水質(zhì)指標(biāo)| 項目 | 進(jìn)水 | 跌水曝氣后 | 出廠水 | | DO | 0.8～1.4 | 3～4 | 2～3 | | Fe | 6～10 | 6～10 | 0.05～0.2 | | Fe2+ | 5～7.5 | 4～7 | - | | Mn | 1.1～1.3 | 1.1～1.3 | 1.0左右 | | NH3-N | 0.4～0.7 | 0.4～0.7 | 0.2～0.4 | | NO2--N | 0.002 | 0.002 | 0.003～0.015 | 分析原因，問題的關(guān)鍵是濾池的設(shè)置。濾池的運行效果如何可直接導(dǎo)致出廠水質(zhì)的好壞。針對這一情況，決定進(jìn)行“生物固錳除錳”模型試驗，以模型試驗的成果指導(dǎo)生產(chǎn)濾池的調(diào)整。仍以接觸氧化濾池的各項參數(shù)制作模型，并將模型濾池的初始濾速調(diào)到1.7～1.8m/h進(jìn)行生物培養(yǎng)，待生物膜形成后以生物接觸濾池方式運行，當(dāng)各項出水指標(biāo)合格并相對穩(wěn)定后再上調(diào)濾速。結(jié)果表明，在逐漸達(dá)到設(shè)計濾速，甚至超過設(shè)計濾速(達(dá)到10m/h)時，出水各項指標(biāo)均合格。
以模型試驗的運行參數(shù)及結(jié)果調(diào)整濾池，其結(jié)果卻不相同，濾池內(nèi)的生物濾膜難以形成，微生物鏡檢難以發(fā)現(xiàn)呈數(shù)量級的細(xì)菌總數(shù)。分析原因，除反沖洗水質(zhì)不同外，其它運行狀況都一樣。故決定采用不含氯水進(jìn)行反沖洗生產(chǎn)濾池，結(jié)果濾池內(nèi)除鐵、除錳細(xì)菌總數(shù)很快增長，濾池出水指標(biāo)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)。出廠水質(zhì)見表3。 表3 出廠水質(zhì)| Fe | Mn | NH3-N | pH | 濾層細(xì)菌計數(shù) | | 原水（mg/L） | 出廠水（mg/L） | 去除率（%） | 原水（mg/L） | 出廠水（mg/L） | 去除率（%） | 原水（mg/L） | 出廠水（mg/L） | 去除率（%） | 原水 | 出廠水 | （個/mL砂） | | | | | | | | | | | | | 9×102 | 通過將接觸氧化濾池改為生物接觸濾池的調(diào)試和運行，證明了采用“生物固錳除錳技術(shù)”處理類似的地下水，用一級過濾流程即可使出廠水達(dá)到生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其處理構(gòu)筑物簡化，管理方便，降低了工程投資和運行費用，經(jīng)濟效益十分可觀。 3 討論 該水廠自1995年12月正常生產(chǎn)至今已近三年，如今地下水含鐵、錳量有上升趨勢，據(jù)1998年3月測定原水水質(zhì)，進(jìn)水總鐵含量達(dá)9.8mg/L，錳含量達(dá)1.7mg/L，濾池內(nèi)鐵泥包裹的濾料增長速度很快，一周就要在濾料表面刮除一層銹砂。盡管出廠水有時尚有錳超標(biāo)現(xiàn)象，但就工程本身的建設(shè)而言，有些設(shè)計問題還應(yīng)引起重視，為此進(jìn)行討論。
3.1 鐵、錳共存的地下水，工藝重點是除錳
在北方地區(qū)，當(dāng)原水中鐵含量為10mg/L以下，錳含量在1.3mg/L的情況下，選擇一級過濾流程仍十分有效。就是說，采用生物接觸濾池的一級處理流程，鐵的處理范圍可突破《規(guī)范》給出的界定值，且還可增大濾速，除鐵效果良好。應(yīng)當(dāng)引起重視的是除錳要比除鐵困難得多，當(dāng)原水錳含量<1.5mg/L時，采用一級處理流程是可行的，但錳含量若突破1.5mg/L須加強運行管理，加強微生物數(shù)量的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)微生物呈數(shù)量級下降，就會出現(xiàn)“漏錳”現(xiàn)象，出廠水錳含量就會超標(biāo)。因此選擇工藝流程的關(guān)鍵是錳含量的大小，至于一級生物濾池除錳量的最大值是多少，還有待于今后的探討。
3.2 重視鐵細(xì)菌的培養(yǎng)
水廠建成后，不能像地表水源水廠那樣經(jīng)短時間的調(diào)試即可投入正常生產(chǎn)。生物濾池的運行成功與否關(guān)鍵在初期的生物培養(yǎng)階段，如果水溫、濾速、反沖洗強度控制得當(dāng)，短則一個月(錳砂濾料)即可完成生物的培養(yǎng)、繁殖、成長，達(dá)到穩(wěn)定；反之，會長時間無生物繁殖或微生物的生長繁殖每mL砂中達(dá)不到10.5～10.6數(shù)量級，影響水廠的運行和效益。在有條件的地方，還可以采取接種含有除錳能力的菌種，加速繁殖，縮短周期。
濾池中鐵細(xì)菌的活性增長通常要經(jīng)過三個生長周期得以實現(xiàn)，不同濾料都可以作為截留鐵泥的載體繁殖微生物，只是濾砂介質(zhì)不同，鐵細(xì)菌的生長周期不同。據(jù)模型試驗得出，生物培養(yǎng)期：濾速低于2m/h，出水指標(biāo)合格，石英砂濾料約需90d，雙層無煙煤飽和濾料約需60d，而錳砂濾料在生物培養(yǎng)期由于有較強的除錳吸附能力，表現(xiàn)得不明顯；生物成長期：濾速在2～5m/h逐級上調(diào)階段，達(dá)到各出水指標(biāo)合格，石英砂濾料約需100～120d，雙層濾料約需60～90d，錳砂濾料約需30～50d；生物穩(wěn)定期：濾速達(dá)到設(shè)計值5m/h，濾層內(nèi)細(xì)菌計數(shù)每mL砂中含幾十萬到上百萬個細(xì)菌，菌團(tuán)新鮮并具有強盛的繁殖代謝能力，說明微生物生長穩(wěn)定，生物濾池已經(jīng)成熟，耐沖擊負(fù)荷，出水各項指標(biāo)合格，標(biāo)志調(diào)試階段結(jié)束，水廠即可進(jìn)入正常生產(chǎn)階段。
3.3 工藝設(shè)計參數(shù)的選擇
?、?曝氣強度不易過高，pH值達(dá)到6.0以上即可。跌水曝氣是一種簡單而有效的形式，跌水高度1.0～1.3m，單寬流量20m3/(h·m)，溶氧量可達(dá)飽和值的26.5%～35.4%。
② 生物濾池的濾速不易選擇過大，以5～7m/h為佳，濾料填裝高度應(yīng)考慮到生物包裹濾料顆粒增大而使濾層增厚的現(xiàn)象，反沖洗強度控制在18L/(m2·s)為宜。濾料以馬山錳砂濾料為好，但受到條件限制時也可選用其它濾料，差異是濾料成熟期不同，但均能收到效果。
?、?反沖洗水不得含氯。大多數(shù)水廠反沖洗水直接取自清水池，清水池中含氯水對濾池的反沖洗有助于氧化清除濾料表面截留物。然而生物濾池的反沖洗水不得采用含氯水，尤其是生物培養(yǎng)初期會抑制生物的生長繁殖，忽略了這一點，生物濾池的設(shè)置將不會成功。
?、?除鐵、錳的同時去除氨氮。通過撫順經(jīng)濟開發(fā)區(qū)水廠的運行效果測定，生物濾池內(nèi)的生物作用不僅使除鐵、除錳效果良好，而且對氨氮類物質(zhì)有一定的去除能力，且去除效率穩(wěn)定。因此，對遭受氨氮類物質(zhì)微污染的原水，可采用生物濾池予以處理。
?、?生物濾池的管理。無論設(shè)計參數(shù)的選擇多么合理、生物生長期縮短多少，在水廠投入正常生產(chǎn)后，管理好生物濾池更為重要。隨著生物的新陳代謝，鐵泥包裹非常嚴(yán)重，使得生物的生長繁殖受到抑制，這就要掌握反沖洗強度、時間和溫度，控制“濾料”的過快增長，避免反沖洗時跑砂。同時還要將生物鏡檢作為常規(guī)檢測項目，隨時監(jiān)測記錄生物數(shù)量，以指導(dǎo)調(diào)整濾池的運行，使除鐵、除錳水廠的運行有安全保障。 參考文獻(xiàn) 1 張杰等.生物固錳除錳技術(shù)的確立.給水與排水，1997；(1)
2 張杰等.地下水除鐵工藝與適用條件.給水與排水，1997；(1)
作者通訊處：113008 遼寧省撫順市市政工程設(shè)計研究院
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(收稿日期 1998-10-29) | 
