微污染地下水水厂的改造

　　摘要：改变沉淀池局部结构使其具有沉淀和曝气双重功能，以节约用地和投资，降低构筑物总体高度，以利抗震。根据生物除铁除锰技术和生物脱氮技术，采用球形陶粒多孔生物滤料滤池，同时满足除铁除锰和除氨脱氮要求。
　　关键词：污染地下水；旧水厂改造；沉淀池曝气
　　一、 工程及水源现状
　　我省某县位于黄河故道，县城供水工程设计规模20000m3/d，净水厂已建有1000m3清水池一座，送水泵房一座，由于工程地质条件限制，现状配水厂清水池为地下1m地上3m的半地下式，除铁除锰罐架设在清水池上。
　　由于地表水缺乏，本工程采用地下水作为供水水源，根据水文地质勘察报告，地下水水化学类型主要为HCO3—Ca•(Mg•Na)型、HCO3•Cl—Ca•Mg•Na型、HCO3•Cl•SO4—Na•Mg型、Cl•HCO3—Na型、Cl•SO4•HCO3—Na•Mg型。地下水水源超标项目有：
　　序号项目范围（mg/l）国家标准（mg/l）
　　1 色度  15～25 15
　　2 浊度 12.5～34 3
　　3 总硬度   295.5～912   450   
　　4 总铁 0.94～1.08 0.3
　　5 Mn2+ 0.1～0.34 0.1
　　6 CL— 28.71～598.4 250
　　7 SO42-- 57.6～580.2 250
　　8 矿化度 753.79～2698.13 1000
　　9 细菌总数 500～2000 100
　　10 总大肠菌数  30  3
　　11 NH4— 0.12～0.6
　　12 NO2— 0.002～1.04
　　本工程水厂改造的难点一是多项因子超标，水质复杂，需要软化、需要除铁除锰、还需要去除氨及亚硝酸，二是受地质条件限制，现状清水池已高出地面3m，处理构筑物露出地面较高，不利于8度烈度的抗震要求。如何降低处理构筑物高程是工程项目要考虑的主要问题。
　　二、 处理理论与处理工艺的选择
　　水处理理论主要针对以下三个方面：水质软化理论、除铁除锰理论和除氨脱氮。
　　1、 水质软化
　　水质软化有以下几种方法：
　　①磷酸三纳软化法：
　　3Ca(HCO3)2＋2Na3PO4→6NaHCO3＋Ca3(PO4)2↓
　　3Mg(HCO3)2＋2Na3PO4→6NaHCO3＋Mg3(PO4)2↓
　　3CaSO4＋2Na3PO4→3Na2SO4＋Ca3(PO4)2↓
　　3MgSO4＋2Na3PO4→3Na2SO4＋Mg3(PO4)2↓
　　3CaCl2＋2Na3PO4→6NaCl＋Ca3(PO4)2↓
　　3MgCl2＋2Na3PO4→6NaCl＋Mg(PO4)2↓
　　②纯碱软化法：
　　Ca++＋Na2CO3→CaCO3↓＋2Na+
　　Mg++＋Na2CO3→MgCO3↓＋2Na+
　　③离子交换法：
　　2NaR+Ca2+＝CaR2+2Na+
　　2NaR+Mg2+＝MgR2+2Na+
　　CaR2+2Na+＝2NaR+Ca2+
　　MgR2+2Na+＝2NaR+Mg2+
　　④石灰软化法：
　　Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3↓+2H2O
　　Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2=Mg(OH)2↓+2CaCO3+2H2O
　　在以上水质软化方法中，磷酸三纳软化法和纯碱软化法需消耗大量的化工原料，离子交换法适用于小流量如锅炉用水，石灰软化法原材料宜取，成本较低，是最常用的软化水方法。本工程选择石灰软化法。
　　投加石灰软化的同时提高水了水的PH值，有利于除铁除锰。
　　已经软化的地下水经过常规絮凝沉淀和过滤处理，可以降低水的硬度、浊度、色度和矿化度和三价铁。
　　2、除铁除锰 
　　地下水除铁、除锰技术先后经历了自然氧化法、接触氧化法、生物法三个发展阶段。生物法是细菌和真菌通过甲基化作用、螯合作用、络合作用、吸收作用、氧化还原作用促进和直接改变金属的价态，称作生物除铁除锰技术[1]，除锰滤池滤层的活性来自于附着在滤料表面上和铁泥中的锰氧化细菌的活性。这些细菌在载体上不断再生，不断地有新的吸附表面出现，从而使整个吸附氧化、再生处于一种动态平衡。近年来对其机理有了更深入的了解：Fe2+的去除机制是自催化氧化反应，生成的含水氧化铁是铁离子氧化的催化剂；Mn2+的氧化是在以生物固锰为核心的生物群系的作用下进行的。虽然地下水中Fe2+和Mn2+几乎是同时存在并且各自的稳定性不同，但是实验证明在生物滤层中的氧化去除是可以同时进行的，通过一级曝气、一级过滤就能达到同时去除地下水中Fe2+和Mn2+的目的。
　　3、除氨脱氮
　　地下水中检出氨及亚硝酸，说明地下水已经遭受污染，其中氨氮最高含量达到0.6mg/L，超过国家生活饮用水卫生标准。虽然国家生活饮用水卫生标准（GB5749—2006）未对亚硝酸的含量作出要求，但亚硝酸是公认的强致突变物质，应当进行处理。给水中氨及亚硝酸根一般由微生物通过好氧硝化反硝化处理，关于硝化作用的生物化学机制的研究，目前已初步清楚按以下途径进行：
　　NH3(氨)→H2N-NH2(联胺)→NH2-OH(羟胺)→N2(氮气)→N2O(HNO)(氧化亚氮(硝酰基))→NO(氧化氮)→NO2-(亚硝酸)→NO3-(硝酸)。
　　根据亚硝酸型生物脱氮技术[2]、短程硝化反硝化影响因素分析[3]，氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，整个生物脱氮过程可以通过NH3－N→NO2-－N→N2这样的途径完成。所谓亚硝酸型生物脱氮就是将硝化过程控制在HNO2阶段而终止，随后进行反硝化。控制在亚硝酸型阶段易提高微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反应时间，从而可以减小反应器容积，节省基建投资。另一方面，从亚硝酸菌的生物氧化反应可以看到，控制在亚硝酸型阶段可节省氧化NO2--N为NO3--N的耗氧量。
　　控制硝化反硝化在亚硝酸型阶段可以通过控制水的温度在15℃—30℃、控制PH值在7.4—8.5和控制溶氧在0.5mg/L以上来实现。
　　本工程通过生物滤池进行除锰和处理微污染原水。
　　4、处理工艺
　　最终确定处理工艺为：
　　三、 工程设计
　　1、 澄清
　　静态管式混合器混合效果好，在工程中已得到广泛应用，本工程选用了静态管式混合器分别进行软化剂的混合和混凝剂的混合，本文的目的主要是网格反应斜管沉淀与澄清池的比选。
　　基于微絮凝理论的网格反应池絮凝效果好，与斜管沉淀池配合具有水头损失小，耐冲击负荷高、运行稳定等优点，有成熟的运行管理经验。其缺点是反应池和沉淀池排泥困难，斜管沉淀池需定期更换斜管。
　　澄清池可同时取得絮凝池与沉淀池的效果，并能充分利用澄清池池深大，出水水位高的特点，满足现状清水池水位高的要求。水力澄清池无需机械搅拌设备，构造简单，但水力澄清池投药量大，要消耗较大的水头，对水质水温变化适应性差，耐冲击负荷能力差；机械澄清池处理效率高，单位面积产水量大，适应性较强，处理效果稳定，但需要机械搅拌设备，维修较麻烦；
　　本工程采用了网格絮凝斜管沉淀工艺。加高的絮凝池拉长了竖向井，增加了絮凝池的有效流长，有利于絮凝池合理布置；按照规范，斜管沉淀的清水区保护高度不宜小于1.0m，底部配水区高度不宜小于1.5m，国家标准图中清水保护高度为1.40m，底部配水区高度为1.0m，集水槽深度为0.26m，总高度为5.87m；本设计清水区保护高度为1.83m，比标准图设计增高0.43m，配水区高度提高到1.5m，满足规范要求，沉泥斗斜壁角度采用60°，有利于积泥下滑。设计斜管沉淀池总高度为7.64m。
　　2、 曝气
　　常用的曝气方式有跌水曝气、鼓风曝气和淋水曝气等。对于地下水除铁除锰，跌水0.5-1.0m、单宽流量20-50m3/(h.m)时，曝气后水中溶解氧含量可达2-5mg/L。跌水曝气投资少，运行成本低，管理方便，本项目二价铁含量很小，跌水曝气能满足除铁除锰和生物脱氮需氧量要求。
　　常规曝气是在过滤前设置独立的曝气池。因为本项目为旧水厂改造，清水池最高水位在地面上2.9m，设置独立的曝气池将导致絮凝沉淀池高出地面9.5m以上，絮凝沉淀池池底将高出地面1m，不利于工程抗震，也将增加占地面积和工程造价。
　　本工程将沉淀池集水槽的深度由标准的0.26m加深到0.76m，形成超过0.5m的跌水曝气。由于集水槽累计长度较长，折合单宽流量仅12m3/m.h。众多集水槽三角堰出水形成多个跌水单元，与空气接触面积大；三角堰跌水在整个沉淀池面积上曝气，曝气面积达117.6m2，比专门跌水曝气池平面面积大，空气容易再生循环；每个水柱都是一个锥体流或水滴流，入水时激起众多微型气泡群，气泡总数多，体积小，从理论上讲，溶氧更充分，充氧量会更多。
　　3、 生物过滤
　　关于除件除锰，适用于小型水厂的除铁除锰滤池，一是无阀滤池，一是虹吸滤池。虹吸滤池进出水高差为2.35m，无阀滤池进出水高差为3.17m，考虑到本工程所在地为8度地震烈度区，生产构筑物需要抗震设防，构筑物越矮越好，因此选择虹吸滤池。
　　滤池滤料分天然滤料和人工滤料，天然滤料取材比较广泛，有普通石英砂滤料、除铁锰砂滤料、无烟煤滤料和果壳滤料等；人工滤料有陶粒孔生物滤料。天然滤料一般造价较低，人工滤料一般强度较高，寿命较长；天然滤料能满足一般地表水水厂除浊净水要求，也能满足地下水除铁除锰要求。本工程水质三价铁含量较少，过滤主要是除锰和脱氮，需要在滤料上附着锰氧化细菌、硝酸菌和亚硝酸菌，对滤池中生物要求比较高，生物菌培养周期长。天然滤料生物膜容易在滤池反冲冼中脱落，不利于细菌生长，而球型陶粒多孔生物滤料比表面积是常规滤料的4--6倍，易于挂膜和有利于微生物生长，在球型陶粒的表面及内部和微孔内，微生物不易流失，即使长时间不运转也能保持其菌种，在反冲冼时保护生长在孔隙中的细菌群[4]，因此，本生物滤池选用球型陶粒多孔生物滤料。
　　关于除氨脱氮，本工程地下水水温在15—30之间，投加石灰软化使水的PH值在7.4以上，通过沉淀池曝气使溶氧含量在0.5mg/L以上，符合控制硝化反硝化在亚硝酸阶段进行的条件，经曝气吹脱和生物过滤，能够很好地将水中的氨和硝酸盐去除。
　　4、 消毒与调质
　　采用加液氯消毒，用盐酸调整出水水质。
　　四、 结束语
　　水厂改造充分考虑了现状清水池的利用，采用增加沉淀池集水槽深度的办法达到高效曝气目的，降低了处理构筑物总体高程，减少了工程占地面积，降低了工程造价。
　　在除铁除锰和除氨脱氮中，坚持以理论指导设计，并积极采用新材料新技术，使一座生物滤池满足水质常规净化、除铁除锰和除氨脱氮多重功能。
　　本设计的不足之处是采用虹吸滤池作为生物滤池，耗水量较大，在近期用水量较少时不能正常反冲洗，应该采用翻板滤池，以便减少反冲洗水量，满足近期水量少时分格使用。
　　参考文献：
　　[1]中国给水排水2003年6期杨宏李冬张杰陈立学赵英丽
　　[2]给水排水2000年11期施永生
　　[3]工业用水与废水2007年第2期王鹏林华东
　　[4]环境科学学报2002年4期江萍胡九成