生物接触法除铁除锰水厂的设计与运行

董历新(抚顺市市政工程设计研究院)
仲爱青(西安市曲江水厂)

　　含铁、锰水质的地下水源水厂，其处理方法多采用自然氧化和天然锰砂接触氧化工艺，不仅处理流程复杂，出水水质也难以得到保证。采用生物固锰除锰技术设计建设的水厂，不仅简化了工艺，也使处理后的水质有了较大的提高。现将抚顺经济开发区水厂建设的实践予以总结，为类似水质水厂的设计与运行提供有益的借鉴。

1 原水水质及工艺选择

　　位于抚顺西郊的经济开发区由于距城市供水管网较远，1994年选择地下水为生活饮用水源，建设李石净水厂。经过区域内农用井及采探井的水质调查，查明该区域内地下水水质见表1。

　　从原水含有的物质成分看出，超标物质主要是铁、锰、硫化物和氨氮，因此选择安全、高效、经济、实用的工艺是关键。根据分析认为：距地表覆土10余m的地层中含有的铁、锰、硫化物是随土壤地质共存于地下水中的；硫化物的存在说明土壤中含有硫铁矿物质；而氨氮类物质的出现，并非地表污染造成，而是硫铁矿物质在含有碳酸水的作用下，含氮化合物还原生成的。因此，该地下水作为生活饮用水源是可以的。
　　由表1可见，原水属普通含碳酸型地下水水质，这种水质不存在除铁除锰原水碱度不足及硅酸干扰问题。因此选择接触氧化法除铁、除锰工艺，原水经跌水曝气充氧后，由于曝气强度不大，pH值仍在中性域内，水中Fe²⁺离子在通过滤床时与“滤膜”充分接触，被氧化成Fe³⁺离子，从而被滤层截留，可以达到除铁的目的。但除锰按照给水设计规范GBJ13—86要求：Fe>2.0mg/L(北方)、Mn>1.5mg/L时，均要采用一级过滤除铁、二级过滤除锰的“二级过滤”工艺。这种工艺流程需要对第一级滤后水的Fe²⁺离子含量进行监控，保证在下一级除锰滤床中有足够的Fe²⁺离子才能使“滤膜”保持活性，达到除锰的效果。
　　鉴于国内有报导：当原水含Fe<10mg/L、含Mn<1.5mg/L时，采用“曝气—天然锰砂过滤”的一级处理流程，出水水质亦可达到生活饮用水水质标准，故决定在留有二次过滤余地的情况下，本期工程只建一级过滤处理装置，这样滤池在工作过程中不仅可以保证Fe²⁺的接触氧化，也可以使Fe²⁺离子始终保持除锰滤膜的活性，从而满足除锰需求，达到铁、锰同时去除的目的。因此选定工艺流程(见图1)及参数如下：
　　主要设计参数：?
　　① 设计规模 Q=3000m³/d
　　② 跌水曝气池 跌水高度：1.25m
　　单宽流量：20m³/(h·m)
　　停留时间：20min
　　经实测，曝气后的溶解氧含量在水温10℃时为3～4mg/L，达饱和值的26.5%～35.4%，pH值为7.0左右。
　　③ 锰砂滤池
　　滤速：5m/h
　　滤料：马山锰砂
　　滤料厚度：1.0m(后增加到1.2m)，考虑填加双层滤料时可达1.5m
　　反冲洗强度：18L/(m²·s)
　　④ 消毒 二氧化氯投加量1mg/L
　　⑤ 清水池 贮水容积1000m³，分两格

　　水厂按以上接触氧化滤池的参数设计并建设，于当年11月投入运行。

2 运行情况

　　水厂投入运行后，最初除铁、除锰效果均很好，经过半年多的运行，出现了除铁效果好，而除锰、除氨氮效率不高的局面，锰的去除率仅有10%，氨氮的去除率约50%，甚至出现亚硝酸盐氮含量出水高于进水的状况，主要水质指标见表2。?

　　分析原因，问题的关键是滤池的设置。滤池的运行效果如何可直接导致出厂水质的好坏。针对这一情况，决定进行“生物固锰除锰”模型试验，以模型试验的成果指导生产滤池的调整。仍以接触氧化滤池的各项参数制作模型，并将模型滤池的初始滤速调到1.7～1.8m/h进行生物培养，待生物膜形成后以生物接触滤池方式运行，当各项出水指标合格并相对稳定后再上调滤速。结果表明，在逐渐达到设计滤速，甚至超过设计滤速(达到10m/h)时，出水各项指标均合格。
　　以模型试验的运行参数及结果调整滤池，其结果却不相同，滤池内的生物滤膜难以形成，微生物镜检难以发现呈数量级的细菌总数。分析原因，除反冲洗水质不同外，其它运行状况都一样。故决定采用不含氯水进行反冲洗生产滤池，结果滤池内除铁、除锰细菌总数很快增长，滤池出水指标达国家标准。出厂水质见表3。

　　通过将接触氧化滤池改为生物接触滤池的调试和运行，证明了采用“生物固锰除锰技术”处理类似的地下水，用一级过滤流程即可使出厂水达到生活饮用水水质标准，其处理构筑物简化，管理方便，降低了工程投资和运行费用，经济效益十分可观。

3 讨论

　　该水厂自1995年12月正常生产至今已近三年，如今地下水含铁、锰量有上升趋势，据1998年3月测定原水水质，进水总铁含量达9.8mg/L，锰含量达1.7mg/L，滤池内铁泥包裹的滤料增长速度很快，一周就要在滤料表面刮除一层锈砂。尽管出厂水有时尚有锰超标现象，但就工程本身的建设而言，有些设计问题还应引起重视，为此进行讨论。
3.1 铁、锰共存的地下水，工艺重点是除锰
　　在北方地区，当原水中铁含量为10mg/L以下，锰含量在1.3mg/L的情况下，选择一级过滤流程仍十分有效。就是说，采用生物接触滤池的一级处理流程，铁的处理范围可突破《规范》给出的界定值，且还可增大滤速，除铁效果良好。应当引起重视的是除锰要比除铁困难得多，当原水锰含量<1.5mg/L时，采用一级处理流程是可行的，但锰含量若突破1.5mg/L须加强运行管理，加强微生物数量的检测，一旦发现微生物呈数量级下降，就会出现“漏锰”现象，出厂水锰含量就会超标。因此选择工艺流程的关键是锰含量的大小，至于一级生物滤池除锰量的最大值是多少，还有待于今后的探讨。
3.2 重视铁细菌的培养
　　水厂建成后，不能像地表水源水厂那样经短时间的调试即可投入正常生产。生物滤池的运行成功与否关键在初期的生物培养阶段，如果水温、滤速、反冲洗强度控制得当，短则一个月(锰砂滤料)即可完成生物的培养、繁殖、成长，达到稳定；反之，会长时间无生物繁殖或微生物的生长繁殖每mL砂中达不到10.5～10.6数量级，影响水厂的运行和效益。在有条件的地方，还可以采取接种含有除锰能力的菌种，加速繁殖，缩短周期。
　　滤池中铁细菌的活性增长通常要经过三个生长周期得以实现，不同滤料都可以作为截留铁泥的载体繁殖微生物，只是滤砂介质不同，铁细菌的生长周期不同。据模型试验得出，生物培养期：滤速低于2m/h，出水指标合格，石英砂滤料约需90d，双层无烟煤饱和滤料约需60d，而锰砂滤料在生物培养期由于有较强的除锰吸附能力，表现得不明显；生物成长期：滤速在2～5m/h逐级上调阶段，达到各出水指标合格，石英砂滤料约需100～120d，双层滤料约需60～90d，锰砂滤料约需30～50d；生物稳定期：滤速达到设计值5m/h，滤层内细菌计数每mL砂中含几十万到上百万个细菌，菌团新鲜并具有强盛的繁殖代谢能力，说明微生物生长稳定，生物滤池已经成熟，耐冲击负荷，出水各项指标合格，标志调试阶段结束，水厂即可进入正常生产阶段。
3.3 工艺设计参数的选择
　　① 曝气强度不易过高，pH值达到6.0以上即可。跌水曝气是一种简单而有效的形式，跌水高度1.0～1.3m，单宽流量20m³/(h·m)，溶氧量可达饱和值的26.5%～35.4%。
　　② 生物滤池的滤速不易选择过大，以5～7m/h为佳，滤料填装高度应考虑到生物包裹滤料颗粒增大而使滤层增厚的现象，反冲洗强度控制在18L/(m²·s)为宜。滤料以马山锰砂滤料为好，但受到条件限制时也可选用其它滤料，差异是滤料成熟期不同，但均能收到效果。
　　③ 反冲洗水不得含氯。大多数水厂反冲洗水直接取自清水池，清水池中含氯水对滤池的反冲洗有助于氧化清除滤料表面截留物。然而生物滤池的反冲洗水不得采用含氯水，尤其是生物培养初期会抑制生物的生长繁殖，忽略了这一点，生物滤池的设置将不会成功。
　　④ 除铁、锰的同时去除氨氮。通过抚顺经济开发区水厂的运行效果测定，生物滤池内的生物作用不仅使除铁、除锰效果良好，而且对氨氮类物质有一定的去除能力，且去除效率稳定。因此，对遭受氨氮类物质微污染的原水，可采用生物滤池予以处理。
　　⑤ 生物滤池的管理。无论设计参数的选择多么合理、生物生长期缩短多少，在水厂投入正常生产后，管理好生物滤池更为重要。随着生物的新陈代谢，铁泥包裹非常严重，使得生物的生长繁殖受到抑制，这就要掌握反冲洗强度、时间和温度，控制“滤料”的过快增长，避免反冲洗时跑砂。同时还要将生物镜检作为常规检测项目，随时监测记录生物数量，以指导调整滤池的运行，使除铁、除锰水厂的运行有安全保障。

参考文献

　　1 张杰等.生物固锰除锰技术的确立.给水与排水，1997；(1)
　　2 张杰等.地下水除铁工艺与适用条件.给水与排水，1997；(1)

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　　(收稿日期 1998-10-29)