蘇州某給水廠強化CODMn去除效能研究

黃懿華， 徐宏梅， 張 鈺， 許 錦

(蘇州吳中供水有限公司， 江蘇 蘇州 215100)

隨著國家“十三五規劃”的推行，江蘇省也對應出臺了《江蘇省城鄉供水十三五規劃》，指導實現全省城市自來水深度處理改造全覆蓋。2021年，蘇州水務局印發《蘇州市生活飲用水水質指標限值》與《蘇州市自來水廠出廠水水質指標限值》，對給水廠的水質管控要求不斷提高。

基于此，蘇州某給水廠不斷追求高品質供水，于2019年完成深度處理構筑物的增建并將其投入使用。目前，該給水廠采用常規處理工藝(混合、絮凝、沉淀、過濾)合并深度處理工藝(臭氧氧化、生物活性炭吸附、消毒)的水處理工序。有機物指標是衡量高品質供水的關鍵指標之一[1]，給水廠一般以高錳酸鹽指數(CODMn)濃度表征有機物含量。筆者主要分析了該給水廠絮凝反應沉淀池、砂濾池、臭氧接觸池和生物活性炭濾池各工藝段出水中CODMn的變化趨勢，探究了降低CODMn的有效手段。

1 材料與方法

某給水廠設計規模為15×104m3/d，以太湖水為原水，其主要工藝流程見圖1。2021年8月31日—11月5日期間，持續取各水處理單元出水，采用酸性高錳酸鉀法檢測CODMn。

圖1 水廠工藝流程和取樣點Fig.1 Process flow and sampling points of waterworks

2 結果與討論

2.1 常規工藝去除效果

該給水廠常規工藝采用折板絮凝、平流沉淀、均質濾料濾池，研究期間原水CODMn平均濃度為3.11 mg/L。

2.1.1絮凝反應沉淀池

絮凝反應沉淀池左右兩邊分別為一期和二期，構造相同，規模均為7.5×104m3/d，主要包括折板絮凝和平流沉淀兩個處理單元。折板絮凝區每期2組，每組4個廊道，絮凝時間為19.5 min。平流沉淀區水平流速為7.7 mm/s，沉淀時間為3.6 h，定時采用虹吸式吸泥機排泥。

絮凝反應沉淀池對CODMn的平均去除率為23.3%，平均出水濃度為2.38 mg/L。如圖2所示。由于季節的改變，水溫存在顯著變化，不同水溫下加礬量的基數不同。考慮CODMn去除率與出水濃度，當水溫在18℃左右時，加礬量選擇36 mg/L較為合適；水溫在28 ℃左右時，46 mg/L加礬量下沉淀池對CODMn的去除率最高，近似達到沉淀池去除有機物的飽和態。

圖2 絮凝反應沉淀池對CODMn的去除效果Fig.2 Removal effect of CODMn in flocculation reaction sedimentation tank

絮凝反應沉淀池主要通過投加混凝劑(硫酸鋁)，在水中形成具有吸附性的絮凝體，從而去除懸浮物、部分細菌和溶解性物質。實際運行過程中，混凝效果除了受水溫、水量等外部因素影響，還受水中鋁含量的影響。

2.1.2砂濾池

絮凝反應沉淀池的出水分別流入一期、二期砂濾池，每期處理規模均為7.5×104m3/d，以均質石英砂為濾料進行恒水位等速過濾，砂層厚1.35 m，單格濾池過濾面積為68 m2。一期砂濾池選用普通快濾池，分成8格，設計濾速約5.7 m/h，反沖洗模式：3 min氣沖(8 L/(m2·s) )+ 4 min氣(8 L/(m2·s))、水(2.8 L/(m2·s))同時反沖+5 min水沖(5.6 L/(m2·s))。二期砂濾池選用V型濾池，分為6格，設計濾速約7.7 m/h，反沖洗模式：3 min氣沖(16.2 L/(m2·s) )+ 3 min氣(8 L/(m2·s))、水(2.8 L/(m2·s))同時反沖+5 min水沖(5.6 L/(m2·s))。

砂濾池出水CODMn平均濃度為2.15 mg/L，平均去除率為8.7%，見圖3。一期、二期砂濾池對CODMn的平均去除率分別為6.8%和9.0%。二期砂濾池對有機物的去除效果優于一期砂濾池，原因在于兩期砂濾池所選構筑物的構造不同，相比于普通快濾池，V型濾池的沖洗效果更佳[2]。從圖3還可以看出，5#、6#濾池去除效果較差，需進行檢修。

圖3 砂濾池對CODMn的去除效果Fig.3 Removal effect of CODMn in sand filter

進一步，考察了二期V型砂濾池沖洗周期對CODMn去除效果的影響。觀察了反沖洗(氣沖、氣水同時反沖、水沖)結束后60 h內CODMn去除率變化，結果見圖4。可以看出，該V型砂濾池對CODMn的去除率隨著時間呈現周期性規律，周期為24 h。對此，可根據V型砂濾池出水CODMn的低谷水平(即高錳酸鹽指數去除率估值)判斷是否需要進行沖洗，結合砂濾池表面積累的泥狀物或青苔[3]的生長情況，建議于2個周期后，即48～54 h之間進行沖洗。

圖4 砂濾池CODMn去除率的周期性變化Fig.4 Periodic change of CODMn removal rate in sand filter

2.2 深度處理工藝去除效果

該給水廠深度處理工藝采用臭氧活性炭聯用技術[4]。在臭氧接觸池中，利用臭氧的強氧化性降解有機物，生成小分子有機物，提高其可生化性和可吸附性。生物活性炭濾池運行前期以活性炭孔隙結構的物理吸附為主，運行兩年多物理吸附已趨于飽和，以生物吸附為主，依靠生物膜上生長的微生物菌種發揮去除作用。

2.2.1臭氧接觸池

給水廠內設置2組規模為7.5×104m3/d的臭氧接觸池，臭氧接觸時間分3段，每段4 min，共計12 min。臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式，設置于接觸池底部，最大臭氧投加率為1.5 mg/L。整個臭氧接觸池為全封閉設計，外設液氧站，池頂設臭氧尾氣收集管，尾氣管接至尾氣破壞裝置抽風機進口。

臭氧接觸池對CODMn的平均去除率為9.4%，平均出水濃度為1.98 mg/L，見圖5。CODMn去除率與水溫的關系不明確，與臭氧投加量的增長趨勢也不一致。出水CODMn濃度變化與進水相似。推測原因可能在于，臭氧接觸池的主要功能是分解有機物分子結構，以便于后續活性炭的吸附，對有機物的直接去除作用有限。深度處理工藝主要還是考慮臭氧和活性炭綜合作用。因此，控制進入臭氧接觸池的CODMn濃度才是保證其出水CODMn低的有效手段。

圖5 臭氧接觸池對CODMn的去除效果Fig.5 Removal effect of CODMn in ozone contact tank

考慮到臭氧制備成本及其利用率，且在實際運行中可能產生溴酸鹽等臭氧化副產物[5]，因此大幅提升臭氧投加量并不可取，甚至可能使出水安全性存在一定風險。如無特殊情況，建議將臭氧投加量控制在0.8～1.2 mg/L。

2.2.2生物活性炭濾池

該給水廠的生物活性炭濾池規模為15×104m3/d，分成6格，雙排布置，單格濾池過濾面積為102 m2，濾速為10.7 m/h，炭床吸附停留時間為11 min。此濾池濾料采用顆粒活性炭，厚度為2 m，采用8×30粒度，堆積密度0.35～0.55 g/cm，不均勻系數k80為1.9～2.0；下層采用粗砂支承層，厚度為0.25 m，有效粒徑為2～4 mm，采用短柄濾頭方式配水，反沖洗方式為單獨氣沖加單獨水沖洗方式。

生物活性炭濾池對CODMn的平均去除率為14.1%，平均出水濃度為1.69 mg/L，如圖6所示。在生物活性炭濾池的運行過程中，水中有機物養分和適宜的環境條件促使活性炭表面不斷附著微生物，且不斷繁殖形成生物膜，在物理吸附作用結束后發揮生物降解作用。此外，CODMn去除率與臭氧投加量的關系不明確，可能是不同影響因素疊加導致。

圖6 生物活性炭濾池對CODMn的去除效果Fig.6 Removal effect of CODMn in biological activated carbon filter

影響生物活性炭濾池中CODMn去除效果的一個重要因素是反沖洗周期時長，周期過長或過短都會影響CODMn去除效果。如圖7所示，以24 h為單位區間，完成反沖洗后的264 h(11 d)內，CODMn去除率整體呈緩慢下降趨勢，240 h(10 d)后低于8%。為保持一定的去除效果，建議在第8～10 d進行炭濾池反沖洗，這與陳明等[3]認為炭濾池反沖洗周期為7～10 d的結論相近。與此同時，為使生物膜上維持一定的菌種數量，必須控制反沖洗強度[6]。

圖7 生物活性炭濾池出水CODMn去除率的周期性變化Fig.7 Periodic change of CODMn removal rate in biological activated carbon filter

2.3 整體去除效果

整體而言，原水在給水廠內經過沉淀池、砂濾池、臭氧接觸池和生物活性炭濾池處理后，CODMn總去除率平均達到45.7%，出廠水達標率為100%。4個主要環節的去除效果高低排序為絮凝反應沉淀池(51.1%)>生物活性炭濾池(20%)>臭氧接觸池(14.9%)>砂濾池(14%)。半數的有機物在絮凝反應沉淀池中被去除，常規處理工藝發揮了主要作用，這與夏星宇等[7]的研究結果相一致。通過絮凝、沉淀、過濾的常規處理工藝盡可能多地去除有機物，降低臭氧接觸池進水CODMn濃度，有利于減輕深度處理運行負荷，延長活性炭使用壽命[8]。

圖8所示一期/二期絮凝池為加礬量、臭氧投加量與CODMn總去除率之間的關系。綜合考慮運行成本、去除效果、反應產物等，認為相較于改變臭氧投加量，調節加礬量為最佳降低CODMn的措施。

綜上認為，在給水廠去除CODMn過程中，深度處理的關鍵作用不宜放大，常規處理工藝的主要作用不容忽視。原水CODMn平均濃度為3.11 mg/L，若將炭濾池出水CODMn濃度控制在1.7 mg/L左右，應將絮凝反應沉淀池出水CODMn濃度控制在2.35～2.5 mg/L，即常規工藝出水高錳酸鹽指數控制在2.00～2.30 mg/L。

3 結論

① 原水經過絮凝反應沉淀池、砂濾池、臭氧接觸池和生物活性炭濾池處理后，CODMn去除率達到45.7%，其中常規工藝貢獻率為65%，深度處理工藝貢獻率為35%。調節加礬量、提高常規工藝對有機物的去除作用，降低深度處理工藝進水CODMn濃度，是給水廠長期運行過程中降低出廠水CODMn的有效手段。

② 綜合考慮各種因素，建議該給水廠的V型砂濾池反沖洗周期為48～54 h，生物活性炭濾池反沖洗周期為8～10 d。