懸浮填料在微污染原水生物預處理中的應用

周建平 鄭國興
（上海市政工程設計研究院 上海 200092）

　　摘 要：本文介紹了懸浮填料工藝的特點以及在原水生物預處理中的試驗情況，并就工程實例對其在應用中的要點進行了分析。
　　關鍵詞：懸浮填料 　生物預處理　 微污染原水

Application of suspended media in biological pretreatment of polluted raw water
Zhou Jianping Zheng Guoxing
（Shanghai Municipal Engineering Design Institute , shanghai, 200092）

Abstract: This paper introduces the characteristic of suspended media and some experimental results when it is used in polluted raw water biological pretreatment. While given an example of an project design, Some importance of its application is also discussed.
Key word：suspended media；biological pretreatment；polluted raw water

1 引言

　　受人為活動和工業污染的影響，許多城市水源水質日益下降，有機物含量增加，使水廠原有的混凝－沉淀－過濾－消毒常規凈水工藝無法滿足出水水質的需要。生物預處理工藝被認為是微污染原水的有效處理技術之一，它通過生物膜的新陳代謝作用，有效去除原水中可生物降解的有機物，如CODMn、氨氮等，同時可以改善原水的混凝沉淀特性，使后續的常規處理獲得更好的去除效果[1]。
　　在生物預處理技術中，填料作為生物膜的載體，是影響處理效果的關鍵因素之一。自上世紀八十年代以來，國內陸續開發出了許多種類的填料，包括彈性填料（YDT和PWT）、生物陶粒、輕質填料（biosmedi）等，都獲得了一定的成果[2-5]。但各種填料在實際應用中，也出現了一定的局限性，如彈性填料比表面積小，停留時間長，生物膜容易堆積；陶粒濾池和輕質填料存在沖洗問題等。因此，尋找一種處理效率高、運行管理方便的填料，一直是生物預處理工藝發展的主要方向之一。懸浮填料就是近年來出現的用于生物處理的一種新型填料[6]。

2 懸浮填料特性和工藝特點

　　懸浮填料通常采用聚乙烯、聚丙稀等塑料或樹脂制成，比重略小于水（0.95～0.98g/cm3），填料一般采用圓柱形或球形的規則形狀（見圖1），內部為空心網架結構，直徑在10～100mm之間。該填料最早由德國、挪威等地的一些公司在生物流化床工藝研究的基礎上開發研制而成，并在污水處理中得到了不錯的應用[7]。
懸浮填料由于本身的密度特點，在自由狀態下，填料懸浮在水中或漂浮于水面上；而在一定的曝氣強度下，填料即使在表面生長了生物膜后，其比重仍與水相近，在受到空氣的攪動后，會在水中產生流化翻動現象，圖2是曝氣狀態下的懸浮填料生物反應器的流化示意圖。

圖1 常見懸浮填料形狀
Fig. 1 Typical structure of suspended media 圖2 懸浮填料流化示意圖
Fig. 2 schematic of suspended media reactor

　　懸浮填料工藝的主要特點如下：
　　（1）比表面積大。懸浮填料通過采用內部空心的結構方式，設置多道凹槽和網架，大大增加了填料的比表面積。通常懸浮填料的比表面積在400m²/m³以上，最大可達到800～1000m²/m³。比表面積的增加，使填料表面附著的生物膜數量和濃度也大為增加。
　　（2）反應形態好。懸浮填料在反應器內處于流化狀態，其反應形式類似于完全混合反應器，填料與氣、水混合比較充分，提高了填料上的生物膜與水中營養物質的傳質作用；與其他固定床填料相比，懸浮填料層基本沒有水頭損失，有利于布水、布氣的均勻性。另外，在流化狀態下，老化的生物膜可通過水力沖刷自動脫落，促進了生物膜的更新。
　　（3）氧利用率高。通過填料層分割作用以及填料不斷與水流和氣流的接觸，可以大大提高氧的利用率。對不同填料投加率時穿孔曝氣系統的充氧性能進行了比較，發現在50％填料的投配率條件下，曝氣系統的氧傳遞系數可由不加填料時的4.4％增加為9.7％^[8]。
　　由于懸浮填料上的生物總量較大，生物膜對水中的有機物和氧利用充分，因此懸浮填料的生物反應效率大為提高，根據德國、挪威等地在污水中的應用經驗，懸浮填料生物接觸氧化池內的硝化速率和對含氮物質的去除率要高于相同停留時間下的活性污泥系統^[7]。
　　另外，懸浮填料可以直接投加在水池中，不需任何支架及安裝工程，投加和更新也十分方便。在實際運行中，懸浮填料在流化過程中不易出現結團和堵塞現象，不需要反沖洗設施，管理和維護工作也比較簡單。

3. 懸浮填料用于微污染原水的生物預處理

　　鑒于懸浮填料在歐洲一些國家污水處理領域中的成功應用經驗，最近幾年，國內一些單位也對該工藝進行了研究和開發，并逐步將該工藝應用于微污染原水的生物預處理。
　　徐斌等采用懸浮填料生物流化床對黃浦江污染原水進行了中試試驗，研究結果表明，在懸浮填料的投加比50％、停留時間60min、氣水比0.4～0.75、進水氨氮0.6～3mg/l條件下，氨氮的去除率可以達到77.6％%，其去除負荷與溫度呈線形相關關系；對COD_Mn的去除率為6.5％，對Fe和Mn的去除率為12.5％和58.2％；由于填料的完全流化，進出水濁度變化不大，填料和反應器內不會產生積泥現象，不需進行反沖洗^[9]。
　　P市某地表水廠采用當地河網水源，受上游污水的影響，原水中氨氮平均為4～6mg/l，最高為7～9mg/l，為降低出水氨氮，采用直徑10～25mm的圓柱型懸浮填料進行生物預處理小試試驗，對氨氮的去除率夏季在90％以上，冬季水溫低于6℃時，去除率仍在50～60％左右。由于氨氮負荷較高，停留時間和氣水比也會對氨氮去除造成影響因素，在停留時間30min時，氨氮去除僅75％左右，停留時間45min以上時，去除率可保持在85％以上；在進水氨氮>6mg/l時，氣水比需增加到1：1以上，才能保證出水氨氮小于2mg/l。試驗還發現，COD_Mn和濁度的去除與流化狀態有關，完全流化時，濁度和COD_Mn去除率均很小，反應器內積泥很少。
　　上述試驗表明，懸浮填料可以作為微污染原水的生物預處理工藝，對氨氮的去除特性及影響因素與其他生物預處理工藝基本相同，但對COD_Mn和濁度的去除率較小。與其他工藝相比，懸浮填料反應器最大的優勢在于不易積泥，不需要反沖洗，管理運行方便。因此，在進行原水生物預處理的填料選擇時，該工藝也是一種有效的選擇。

4. 工程設計實例和要點

　　根據P市的試驗結果，筆者在該水廠的技術改造工程中，在常規處理前，采用了懸浮填料接觸氧化工藝。生物接觸氧化池設計規模5,0000m³/d，停留時間為1hr，其布置見圖3。

圖3 懸浮填料生物接觸池布置圖
Fig. 3 Layout of suspended media bio-contactor

　　生物池共分為2組，可單獨運行，每組分3格串聯的反應區，反應區平面尺寸11m×7m，反應區內填料投加率為50％，為保證反應區內填料數量的均衡及防止填料的流失，在反應區末端設置格柵，通過隔墻導流，格柵布置在反應區上部，以方便格柵清理。
　　生物池有效水深4.5m，其中底部0.5m為曝氣管，氣水比采用0.7～1.3：1。每格反應區內懸浮填料投加率為50％，選用圓柱形填料，直徑20mm，長20～25mm，比重0.96，比表面積500～600m³/m²。
　　考慮原水中的情況與污水有一定的區別，結合試驗中的一些現象，在設計過程中對以下幾點進行了優化：
　　（1）填料粒徑和曝氣強度的關系
　　原水生物預處理與污水中的最大區別是有機物負荷較低，因此接觸池的停留時間和氣水比均可大大降低，但懸浮填料要取得較好的去除效果，必須保證填料在反應池中處于流化狀態，因此需要保證一定的曝氣強度。曝氣強度（氣量/面積）與生物反應池的停留時間和氣水比有關，而這兩者可以根據其去除有機物和氨氮的負荷及去除目標，通過理論計算或試驗確定。但不同粒徑和比重的填料，其流化所需曝氣強度也有差異^[8]。
　　在試驗中，發現15mm、20mm在小于0.7的氣水比條件下，均可完全流化，而25mm粒徑填料流化所需氣水比約在0.9左右，由于設計最小氣水比為0.7，因此選擇20mm直徑的填料。
　　 （2）曝氣系統的選擇
　　 懸浮填料需要在反應時保持較好的流化狀態，需要曝氣系統的氣泡大，對水流攪動力強，因此，一般的膜片氏微孔曝氣器不適用，穿孔曝氣管的攪拌效果相對較好，但氧利用率稍低。在設計中，選用了一種粗孔曝氣器，該曝氣器氣泡在2～4mm左右，但單個供氣量大，可達4.5~5.6m³/h，其原理利用大流量的攪拌作用，達到氣水混合的效果，因此雖然氣泡大，但氧利用率并不低，可達到15～20％左右。
　　 （3）原水中雜質的處理
　　 與污水處理中，生物處理過程前一般已經過沉砂池去除了較大的顆粒物，而在原水生物預處理中，原水直接進入接觸池，含有許多雜質，其中對懸浮填料影響最大的是植物的根須，它們與懸浮填料纏繞在一起，很容易使填料結團并下沉，為此，最好在原水進入生物池前，設置格柵清污機將其去除。另外，水中一些帶黏性的膠體及生物膜分泌出的代謝產物也會附著在填料上，導致填料比重增大，此時可定期加大氣量，加劇其流化程度，以達到沖洗目的。

5 結論

　　（1）懸浮填料比表面積大，填料在曝氣情況下處于流化狀態，填料上生物膜與與水中營養物質的傳質作用強，氧利用率高。是一種高效的生物反應器。
　　（2）試驗表明，懸浮填料可以作為微污染原水的生物預處理工藝，可以作為原水生物預處理的工藝選擇之一。
　　（3）懸浮填料在原水生物預處理中的應用要考慮原水的特點，在填料的粒徑、曝氣系統的選擇上可進行優化，確保填料在運行過程中的流化狀態。

參考文獻：

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