某水廠Fe/Mn/氨氮協同去除及處理效果分析

趙 榮，黃澤金

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州730000）

1 工程概況

西北某水廠建設于20世紀70年代，設計規模10萬m3/d，原水經消毒處理加壓后送至城市管網。水源水質受地質環境變化和地面環境污染等因素的影響，原水井部分出現鐵、錳普遍超標，濁度、色度、CODMn、氨氮季節性超標。造成供水量逐年降低，現有工藝已無法滿足滿負荷運行的需求，作為重要的城市水源，對既有工藝進行改造極為迫切，根據規劃要求對該水廠進行遷改建。

2 處理工藝分析

原水中鐵、錳普遍超標，濁度、色度、CODMn、氨氮季節性超標，水質口感較差，且有逐年升高的趨勢。采用單一工藝難以有效去除水中污染物，必須遴選合理的處理工藝。

2.1 鐵錳的去除

地下水除鐵、除錳以“氧化+過濾”為主導工藝，該工藝通過不同氧化方法將Fe2+氧化為Fe3+，并以Fe（OH）3形式析出，將Mn2+氧化成MnO2，再經過濾將其截留分離。

2.1.1 自然氧化法

地下水經曝氣后pH值一般在6.0～7.5之間，Fe2+自然氧化速度較快；但Mn2+需pH值提高到9.5以上時自然氧化速度才明顯加快。在實際應用中常通過曝氣吹脫去除CO2和投堿方式提高pH值，但之后又需調低pH值，鐵錳最佳去除效果要求條件的不一致限制了該法的實際應用。

2.1.2 接觸氧化法

利用濾料表面的鐵質和錳質活性濾膜的自催化氧化反應，克服了自然氧化法的不足，但錳質濾膜的成熟難于鐵質濾膜，導致除錳效果不穩定。在曝氣接觸法中，如鐵錳濃度都較高時需采用一級曝氣除鐵二級曝氣除錳，工藝較為復雜；當地下水中有機物含量過高時，有機物與錳結合形成穩定的絡合物吸附在濾料表面，阻礙氧化過程實現。臭氧、二氧化氯、高錳酸鉀和氯氣等強氧化劑常常被用于提高接觸法的去除效果。氧化劑的最佳投加量取決于原水水質，例如，采用氯時，對于含較高NH3-N的原水，加氯量超過折點氯量時，游離氯才能有效地氧化Mn2+，但此方法的缺點是產生較多的氯仿等有害物質。

2.1.3 生物法

利用濾池內鐵錳細菌的生物氧化作用去除鐵錳。

2.2 氨氮的去除

對于地下水中氨氮的去除，國外用得最多的是臭氧氧化和生物活性炭技術，前者利用臭氧的強氧化性，而后者主要利用生物活性炭的生物降解功能。國內去除地下水中氨氮以吸附為主，一是利用沸石的強吸附和離子交換能力［1-2］，沸石成本低廉有較大應用價值；二是利用火山巖活化分子篩的強吸附性，同時以生物接觸氧化為代表的生物處理法在實際應用中較為廣泛，如深圳東深供水工程、寧波梅林水廠、上海市惠南水廠、蚌埠第二水廠等，氨氮去除率為66.6%～90%，但該工藝受諸多因素影響，特別是水溫對氨氮的去除影響較大，此法適合于氨氮含量較高原水處理［3-4］。

對于設置除鐵除錳濾池的地下水廠和氨氮輕度污染的地下水原水而言，鐵、錳的存在會影響對氨氮的去除［5］，因此處理工藝需根據地下水水質特點及主要的水質問題進行全面系統的研究，從而得到合理有效的方案。

3 工藝設計

3.1 工藝方案選擇

接觸氧化法去除地下水體中的鐵、錳具有投資省、運行費用低等優點，但是啟動速度慢，錳質濾膜的成熟難于鐵質濾膜，除錳效果不穩定，采用氧化+過濾可以解決啟動速度較慢的問題。因此可在接觸氧化前設置前置氧化工藝，提升除錳工藝啟動速度，同時保障穩定的除錳效果。前置高錳酸鉀氧化雖然成本稍高，但可降低消毒副產物生成風險。

針對地下水源中的有機物、氨氮問題，采用生物法具有良好效果。臭氧生物活性炭集臭氧氧化、物理吸附與生物作用為一體，可以取得良好的污染物綜合處理效果，從而達到水質凈化的目的。臭氧生物活性炭對水體中的有機物、氨氮、嗅味、三氯甲烷前體物等具有良好的去除效果。經比對分析，確定的工藝處理流程如圖1。

圖1 工藝流程

3.2 主要構筑物及設計參數

3.2.1 曝氣反應池

將曝氣池與反應池合建，曝氣池位于反應池上層，曝氣池的主要作用是脫氣、曝氣充氧，使水中鐵氧化得以部分去除，同時避免在濾層中形成氣墊層，影響過濾效果。設計采用射流曝氣池，射流曝氣池平面尺寸28.8m×8.5m；噴淋均勻度95%，噴淋角度60°，噴淋高度1.5～2.0m；采用往復式隔板反應池。單池結構尺寸10.8m×8.2m×4.75m，反應時間8.0min。

3.2.2 氣水反沖洗砂濾池

濾池的主要功能是去除濁度的同時，采用接觸氧化法去除水中鐵、錳和氨氮。濾池采用的氣水反沖洗濾池，濾料為天然石英砂，共分8格?？偝叽?9.5m×45.7m，實際濾速8.05m/h，強制濾速9.20m/h，聯合反沖洗時水反沖洗強度4.0L/s·m2，單獨反沖洗時水反沖洗強度8.0L/s·m2，氣反沖洗強度14.0L/s·m2，過濾周期2d，同時設置初濾水的排放系統。

3.2.3 生物活性炭濾池

當原水色度、嗅味、有機物等多指標嚴重超標時，單獨砂濾工藝或單獨生物活性炭工藝都不能保證出水水質指標全部達標。采用砂濾單元和生物活性炭單元串聯工藝，對污染物分階段控制。前置高錳酸鉀氧化替代臭氧氧化，曝氣充氧提高了水中的含氧量，滿足生物成長的需要。濾池總尺寸29.5m×59.6m；炭濾料厚度1.1m，濾料選用柱狀活性炭，直徑1.5±0.2mm，長度2～3mm，實際濾速6.25m/h；強制濾速6.94m/h；水反沖洗強度q水=4.0L/s·m2，氣反沖洗強度q氣=12.0L/s·m2，過濾周期5d。

3.2.4 清水池及泵房

根據城市用水情況，清水池設計2座，單池有效容積1.25萬m3，池內溢流及放空，清水池頂部設置綠化覆蓋。供水時變化系數為Kh=1.25，設置5臺Q=1620m3/h，H=68m，N=450kW自吸式離心泵向城市管網供水。

3.2.5 泥處理系統

回用水調節池容積400m3，尺寸10.0m×10.0m×5.85m，回用水調節池配備3臺Q=92m3/h，H=16m，N=11kW潛污泵，兩用一備?；赜盟{節池容積430m3，排泥水調節池設計尺寸10.0m×10.0m×4.8m，池內配備1臺獨立的潛水攪拌機。排泥水調節池配備3臺Q=62m3/h，H=13m，N=5.5kW潛污泵，兩用一備。

濃縮脫水采用造粒流化床設備設計上升流速35m/h，排泥含水率按95%～96%考慮，設備尺寸3.0m×5.1m（H），一用一備，設備內筒配機械攪拌器，底部配備機械刮泥機。

4 設計難點

本項目最大難點在于工藝方案的確定。原水水質復雜，鐵、錳、色度、嗅味、氨氮、CODMn等多指標超標，可直接借鑒的工藝方案較少。經對多種工藝進行組合遴選，通過一年中試驗研究，對工藝方案進行驗證，最終確定前置高錳酸鉀氧化與鐵、錳的催化氧化、生物活性炭過濾相結合的工藝方案，用高錳酸鉀氧化代替臭氧氧化，使用射流曝氣的方式提高水質的含氧量，該工藝方案有效彌補了傳統工藝運行初期處理效果差，應對水質波動的能力不足等缺點。

5 運行效果

采用曝氣、反應、接觸氧化及生物活性炭過濾工藝，對原水中鐵、氨氮、嗅味和CODMn進行分級協同去除。

5.1 生產調試階段

該工藝初期對鐵錳的去除主要決定于高錳酸鉀投加量，只要氧化劑的投加量滿足，系統啟動初期便能穩定控制鐵錳。在系統運行前期（1個月），需按理論值投加高錳酸鉀才能有效控制鐵錳；系統運行一段時間后，砂濾層自身逐漸具備一定的除鐵錳能力，可適當降低高錳酸鉀投量，投加量維持在理論值的90%以上時便可有效控制出水鐵錳。系統的啟動需3～4個月的時間，投加高錳酸鉀主要是根據水中有機物的污染程度確定，僅考慮對鐵、錳的去除可不再繼續投加高錳酸鉀。

5.2 運行效果

運行穩定后，砂濾單元和生物活性炭單元都具備去除鐵、錳、氨氮、色度的能力，故對出水水質有雙重保障作用，出水穩定性很高；同時，由于該工藝的分級控制作用，當進水水質波動較大時，砂濾出水隨原水波動，但其出水已大大降低了污染物濃度（如表1），減輕了生物活性炭的處理負荷，生物活性炭能有效控制砂濾出水中超標的污染物，從而消除出水的波動。另外，當砂濾單元運行異常導致濁度、色度泄露時，活性炭單元能夠有效截留去除，進一步保障出水水質的穩定。通過對實測水質的分析，砂濾單元對錳、氨氮和CODMn的處理能力占工藝總去除能力的50%，45%，30%。

表1 實測進、出水質 單位：mg/L

6 結語

（1）項目原水水質復雜，采用砂濾單元和生物活性炭單元串聯工藝，對污染物分階段控制。在砂濾單元主要去除鐵、錳、濁度、色度，并去除部分氨氮、CODMn；在生物活性炭單元主要控制CODMn和氨氮。

（2）當砂濾出水Mn超標時，生物活性炭單元能通過生物固錳作用將其去除，進一步提高系統除錳的穩定性。砂濾單元鐵錳的去除可通過投加高錳酸鉀氧化截留，也可利用“熟料”接觸氧化去除；生物活性炭單元的污染物控制主要為微生物作用。

（3）該工藝處理效果良好，工程投資低，對類似水源水廠的建設有較好的指導意義。