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饮用水处理曝气炭砂滤池工艺研究
作者:管理员    发布于:2016-04-06 14:26:33    文字:【】【】【

  对于水源水受到氨氮污染的净水厂,在常规净水工艺前增设生物预处理工艺是较为理想的改造方式,但在受场地限制的净水厂难以实现。采用炭砂滤池,即活性炭石英砂双层滤料滤池,替代常规净水工艺中的石英砂滤池,可以在保留滤池原有的对颗粒物去除截留的基础上,通过强化滤层中硝化菌的生物降解作用,提高对氨氮的去除效果。

  我国南方某城市,一般情况下水源水中氨氮为51mg/L,是I类水,但在夏季排涝期,水源水中氨氮会出现大于2mg/L的情况,成为劣V类水,因此属于季节性污染的水源水。在进水氨氮浓度较高时,由于受溶解氧的限制,炭砂滤池对氨氮的去除效果不理想。本文采用炭砂滤池滤层内曝气的方式解决溶解氧不足的问题,从而提高滤池对氨氮的去除效果。

  1试验材料和方法1试验设备采用500L/h的曝气炭砂滤池中试设备,滤柱外径0.3m,高度4m,滤柱外包裹防水遮光布,避免藻类在滤池内孳生。石英砂粒径为0.51mm,厚度为0.4m,活性炭为8X30目破碎炭,厚度为滤池进水采用净水厂平流沉淀池出水,在水中投加氯化铵模拟高氨氮进水。滤速为8m/h,运行周期为3d,反冲洗水采用砂滤池出水。空气曝气采国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07423-003)。用自制的曝气头,用气泵供气,气源为空气。

  2测试方法氨氮:纳氏分光光度法,生活饮用水标准检验方法无机非金属指标KGB/T 5750.5―2006)。亚硝酸盐氮:重氮偶合分光光度法,参见生活饮用水标准检验方法无机非金属指标(GB/TT5750.5―2006)。溶解氧:HACHHQ30d便携式溶解氧测定仪。浊度:HACH2100N台式浊度仪。

  2试验结果与讨论1曝气炭砂滤池概念的提出饮用水处理中,氨氮的去除途径一般认为是氨氮被氨氧化菌(AOB,ammoniumoxidizingbacteria)氧化为亚硝酸盐氮,亚硝酸盐氮再被亚硝酸盐氧化氮,理论上将lmg/L氨氮氧化为硝酸盐氮需要消耗457mg/L的溶解氧。

  水源水高氨氮污染主要发生在夏季,水温一般在30°C左右,该条件下水中的饱和溶解氧为756mg/L,即便水中的溶解氧达到饱和且所有溶解氧都用于氨氮的去除,仅可以去除l65mg/L的氨氮,但污染时氨氮浓度般高于2mg/L,并且由于水源污染,水中溶解氧达不到饱和浓度,因此炭砂滤池对氨氮的去除非常有限。以为例,在受溶解氧限制的炭砂滤池内,氨氮的去除和溶解氧的消耗基本集中于滤池上层的020.4m,滤池下层AOB的活性没有得到发挥。为增加滤池的氨氮去除负荷,应该通过曝气的方式增加水中的溶解氧。

  滤层厚度/m沿程氨氮去除和溶解氧消耗的变化如果在滤池进水之前曝气,如之前分析,高温条件下即便进水溶解氧达到饱和,对氨氮去除负荷的增加作用有限,并且在水处理流程中找不到合适的构筑物或者管段对水进行充分曝气,因此工程上基本不可行;如果在滤池的承托层曝气,则滤层内滤料之间会形成大量的孔隙,导致滤池对浊度的去除效果变差,而饮用水处理中快滤池的基本作用是对浊度的去除,因此不可行;如果在滤层中间曝气,在曝气头上方滤层中可利用的溶解氧增加,溶入水中的溶解氧可以马上被滤池内的AOB和NOB利用,较大的浓度差可以促使空气中的氧气不断溶入水中用于硝化反应,因此可以明显提高滤池的氨氮去除负荷,同时曝气头下方仍有一定厚度的滤层,可保证快滤池对浊度的去除作用,因此从理论上分析该工艺具有可行性,下文称之为曝气炭砂滤池工艺。本文考察了该工艺对氨氮的去除效果,确定了较为理想的工艺参数,研究了该工艺在工程上的可行性。

  2.2曝气炭砂滤池工艺参数的确定为保证净水厂正常的供水量,采用曝气炭砂滤池工艺时滤池依旧保持8m/h的滤速,因此试验中需要确定的工艺参数主要是曝气深度和气水比。

  2.2.l曝气深度对氨氮去除的影响炭砂滤池的活性炭层有丰富的AOB,为了使其硝化能力得到充分的发挥,尽量提高滤池可以应对的氨氮浓度,曝气头应该尽量布置在活性炭层靠下的位置;为保证滤池对浊度的去除,曝气头下方的滤层厚度至少应满足传统快滤池对滤层厚度的要求,即至少0 7m.综合考虑滤池对氨氮和浊度的去除,本试验中考察了在滤层表面下方04m处和0.6m处曝气时滤池对氨氮的去除效果,气水比采试验结果表明不曝气、在炭层表面下0 4m处曝气和在炭层表面下06m处曝气三种运行方式,氨氮去除负荷分别为0. 2.75mg/L,对应的出水浊度分别为0. 149NTU.两个曝气深度下出水浊度差别不大,但是在炭层下06m处曝气对氨氮的去除负荷可以明显增加,更能保证在水源污染时出水氨氮的达标率,因此曝气深度选择炭层表面下方0 6m处较为合适。

  2.2.2气水比对氨氮去除负荷的影响试验过程中滤速保持不变,通过调整曝气量改变气水比,研究气水比对氨氮去除负荷的影响,水温为30C,试验结果如所示,在气水比为0、0.10、0.14、0.17和025时,对氨氮去除负荷的均值分别为86mg/L,因此试验条件下曝气炭砂滤池的高氨氮去除负荷约为3mg/L.通过计算确定氧气利用率。随着气水比的增加,氨氮去除负荷的均值不断提高,但是气水比大于0.14之后,去除负荷的增加较为缓慢,氧气利用率降低,原因可能主要有二:生物量的限制。在滤池正常运行期间,滤池进水氨氮的平均浓度约06mg/L,且滤池每3天反冲洗次,与之相适应的滤池内的生物量和活性可能无法应对过高浓度的氨氮,因此过多提高供气量也无法被微生物利用,氧气利用率降低。

  气水比气水比对氨氮去除负荷的影响水力条件。曝气量较小时,滤层相对稳定,滤层内存在大量的气泡,其中的氧气可被微生物充分利用;当曝气量增加时,曝气头上方滤层的扰动变大,滤层内截留的气泡变少,滤层上方待滤水中的气泡明显增多,即曝入的空气没有被充分利用就已经逸出水面,因此氧气利用率降低。

  10、014、017和025时,滤池出水浊度分别为0073NTU、0 157NTU.曝气条件下出水浊度会变差,但是得益于曝气头下方依旧有0.8m的滤层可以去除颗粒物,因此滤池出水浊度完全可以满足生活饮用水卫生标准的要求。

  气水比的增加意味着运行成本的增加,并且在曝气的过程中活性炭会有一定程度的磨损,因此在出水水质能够满足要求的情况下,运行过程中应该尽量降低气水比。当水源水中氨氮的浓度在3mg/L左右时,建议采用0.14左右的气水比,滤池出水中残余的氨氮,即便其中只有一部分氨氮在后续消毒过程中与自由氯生成一氯胺,出厂水中的氨氮浓度依旧可以达到生活饮用水卫生标准对氨氮浓度不得大于0.5mg/L的要求。

  综上,曝气炭砂滤池的曝气深度在滤层表面下0.6m较为合适,气水比根据实际需求确定,当水源水中氨氮的浓度在3mg/L左右时,气水比采用0.14左右较为合适。

  2.3曝气炭砂滤池的运行效果°C条件下,曝气深度为炭层表面下方0.6m处,气水比0. 14的工艺参数为例,讨论曝气炭砂滤池的运行效果。

  2.3.1对氨氮的沿程去除曝气炭砂滤池对氨氮的沿程去除效果和滤池内滤层厚度/m沿程氨氮去除及溶解氧变化溶解氧的沿程变化情况如所示。

  滤池对氨氮的去除量为2. 64mg/L,其中有2.34mg/L的氨是在曝气头上方被去除,曝气头下方的滤层受到溶解氧和生物量的限制,对氨氮的去除量仅为30mg/L.空气曝气在滤层内增加的溶解氧会马上被滤料上附着的AOB和NOB消耗,因此表现出曝气头上方滤层内的溶解氧并没有增加。

  2.3.2对亚硝酸盐氮的沿程去除炭砂滤池内NOB的生物量丰富,可以将进水中的亚硝酸盐氮以及氨氮转化成的亚硝酸盐氮及时转化为硝酸盐氮。

  在受溶解氧限制的条件下,会测出滤池出水存在亚硝酸盐氮,而曝气条件下出水检不出,亚硝酸盐氮可以在炭层内被去除,如所示。因此采用曝气炭砂滤池可以解决高氨氮进水条件下出水亚硝酸盐氮积累的问题,可以减少后续消毒过程中亚硝酸盐氮对消毒剂的消耗。

  去除效果,为了考察曝气炭砂滤池工艺的可行性,研究了曝气对过滤的影响。

  炭砂滤池作为快滤池,首先应该保证对浊度的去除。正常运行条件下,浊度主要在滤池的上层被去除,试验中炭砂滤池出水浊度均值为0.在曝气条件下,曝气头上方的滤层略有扰动,活性炭受到定程度的磨损,待滤水浊度大于不曝气条件下待滤水浊度,尤其是在滤层曝气处浊度会升高,浊度的去除主要在曝气头下方04m的活性炭层完成,石英砂层主要起保障作用,曝气炭砂滤池出水浊度为0.157NTU,比不曝气条件下的出水浊度略差,但是完全可以满足生活饮用水卫生标准对于浊度低于1NTU的要求(见)。

  2.3.3.2水头损失炭砂滤池在运行过程中水头损失随时间呈线性增长,而曝气炭砂滤池在运行过程中的水头损失变化很小,原因主要有二:曝气炭砂滤池对于浊度的去除主要在曝气头下方0.4m的活性炭层中完成,由于反冲洗时的水力分级作用,炭砂滤池下层的活性炭颗粒粒径较大且滤料间孔隙较大,因此颗粒物在该滤层被截留之后并不会导致水头损失明显增加。

  曝气炭砂滤池对浊度的去除效果略差,截留的颗粒物较少。

  曝气炭砂滤池基本不影响滤池的正常运行,并且可以有效提高滤池对氨氮和亚硝酸盐氮的去除,因此该工艺具有可行性。

  2.4曝气炭砂滤池的工程应用在炭砂滤池的滤层内部敷设曝气头和曝气管,采用鼓风机供气,即可将炭砂滤池改造为曝气炭砂滤池。曝气头上方的活性炭滤层厚度至少400mm,以满足对氨氮的去除要求,曝气头下方的活性炭滤层和石英砂滤层的总厚度至少800mm,以保证对浊度去除的要求。曝气系统仅在水中溶解氧不足以满足硝化耗氧需求时开启,其他情况下按照炭砂滤池的方式运行。

  曝气炭砂滤池工艺的优点在于:通过曝气充氧,解决了仅靠进水中的溶解氧不能满足高氨氮硝化耗氧需求的难题,可以应对氨氮浓度在3mg/L左右的滤池进水。

  采用常规工艺的净水厂无需增加新的构筑物,只需要对原有滤池改造即可。

  在提高氨氮去除能力的同时,出水浊度略受影响,但完全满足生活饮用水卫生标准对于浊度的要求。

  曝气的氧利用率高,所需气水比低,曝气电耗少。)降低快滤池出水氨氮浓度,且运行稳定,减少后续消毒过程中氨氮对消毒剂的消耗,有利于消毒效果的提高且减少消毒剂药耗。

  3结论本研究开发了曝气炭砂滤池工艺,在炭砂滤池的滤层内部敷设曝气头,解决了仅靠进水中的溶解氧不能满足高氨氮硝化耗氧要求的难题,可以应对氨氮浓度3mg/L的滤池进水。由于采用了较厚的滤层,因此在滤层中曝气仍可以保证对浊度的去除,该工艺具有可行性。

  由于曝气过程会对活性炭造成一定程度的磨损,因此该工艺不适合长期运行,建议应用于水源水季节性高氨氮污染的净水厂。

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