東江-深圳原水生物硝化工程試運行小結
簡介： 東深原水生物硝化工程采用生物接觸氧化法對微污染原水進行處理，設計處理規模為400萬m3/d。通過半年的試運行，可以初步認為，生物接觸氧化工藝適于處理東深微污染原水，對氨氮去除率在75%以上，對其它10多項水質指標也有不同程度的降解，基本達到設計要求。
關鍵字：原水工程 微污染原水 生物接觸氧化 試運行
0 前言
東江-深圳供水工程是向香港、深圳和東莞鄉鎮供應原水的跨流域大型引水工程。從工程建成投產的1965年初至1998年底，已累計向香港供水108.35億m3 ，向深圳市供水27.52億m3，為香港的繁榮穩定和深圳特區經濟的高速發展作出了重要貢獻。
80年代初期，東深供水水質仍保持了東江原水的較高質量水平。進入90年代以后，隨著流域經濟從過去以農業為主逐漸轉變為以三來一補的工業為主，外來人口急劇增加，污水排放量逐年遞增，東深工程原水的污染速度加快。面對水質日益惡化，近年來東深局會同有關科研院所開展了多項采用生物措施改善供水水質的科研項目，并進行實地考察。試驗研究和現場調研結果表明，采用生物接觸氧化工藝處理微污染原水是切實可行的，是適用于處理東深原水微污染要求的。
1997年廣東省計委、建委先后組織和通過了該工程的項目可行性研究和初步設計評審，經省政府批準，決定興建東深供水原水生物硝化工程。1998年1月5日工程正式開工，經過全體建設者日以繼夜的奮戰，工程于1998年12月28日通過省水利廳組織的驗收，實現了當年開工、當年建成、當年投產的建設目標。
1 生物硝化工程概況
本工程位于深圳水庫庫尾，設計處理規模為400萬m3/d，即設計流量為46.3m3/s，按生物處理池24h運行，流量為16.7萬m3/h。工藝流程如下：
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東深原水經沉砂區去除大的砂粒，再由粗格柵攔截大的漂浮物，細格柵攔截小的漂浮物及懸浮物后，進入該工藝的主體--生物處理池，使有機污染物和氨氮因氧化作用而得到降解。詳見東深供水原水生物處理工程工藝流程(圖1)。
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生物處理池最大外形尺寸為316.5m×200m，面積約6.33萬m2，屬砼和鋼筋砼結構，設6條寬25m，長27m過水廊道，生物池底坡降采用2.5‰，進出水口分別設進水閘門和出水閘門，處理池頂垂直于廊道隔墻設三座人行橋，在處理池的中央隔墻頂設61m×10m鼓風機房一座。詳見東深供水原水生物處理工程總平面布置圖(圖2)。
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泄洪閘及填筑壩并排設在生物處理池右側，總長188m，其中水閘總長41m，寬60.2m，分5 孔，每孔凈寬10m，高6.5m。變電站配電廠房布置在生物池的左岸，長46.64m寬19.0m。
生物處理池工藝部分主要設計參數：
水力停留時間：55.40min；
填料接觸時間：39.3min；
有效水深：3.8m；
填料高度：3.0m；
氣水比：1∶1。
本工程填料支架采用固定式不銹鋼支架，為便于安裝和管理，支架由多種構件拼裝成一個方陣，每個方陣尺寸為：長×寬×高=12.0m×25.0m×3.7m，每條廊道安裝20個，6條廊道120個方陣，共安裝不銹鋼1400t。
根據東深原水工藝優化試驗，YDT彈性立體填料掛膜、脫膜容易，使用壽命長，處理效果好，運輸和安裝也較為方便，因此綜合填料比表面積、價格和試驗結果，確定本工程選用 YDT彈性立體填料。填料在現場加工后，安裝在不銹鋼支架上，填料體積占生物池體積的71.1%，共安裝填料10.7萬m3。
曝氣方式采用穿孔管曝氣。曝氣管道系統中的主干管及干管布置在地面上或隔墻中，采用鋼制管道，其防腐要求為埋管部分涂瀝青漆及兩層以上瀝青玻璃絲布，外露部分涂環氧防銹底漆和面漆，干膜厚度不少于250μm。管道布置形式為在生物池的每條廊道內布置一套穿孔曝氣系統，DN50穿孔曝氣管相鄰水平間距為0.7m。其穿孔管孔口同側孔距為200mm，異側孔距100mm。曝氣支管采用ABS工程塑料管。
鼓風機采用丹麥HVTURBO公司生產的6臺KA44SVGL225型機組，每臺電機功率為550kW，設計單機風量為555.6m3/min，6臺機組總裝機容量為3300kW。
2 生物硝化工程運行情況
2.1 工藝啟動過程
自1998年11月24日生物池通水以來，東深供水原水生物處理工程已進入工藝啟動試運行階段，從11月24日至12月1日，基本處理完與連續過水及均勻曝氣密切相關的工程有關問題，1 2月2日完成6條生物池的曝氣均勻性的初步調試。12月1日開始對已過水曝氣的處理池進、出水進行現場人工采樣與監測，共采樣8個點，每天對水溫、DO、pH、NH3－N、NO3－N、CODMn、SS、濁度等8個項目進行監測。
2.1.1 工藝條件的控制
在試運行階段，工藝啟動過程的主要任務是培養生物膜。通過控制生物池過水流量為320 萬m3/d(即13.33萬m3/h)和各池的水位能保證淹沒池體前、后端的填料和支架，以及通過大、小閥門調節使曝氣均勻等措施，維持良好的工藝條件保證生物池發揮正常處理功能。
從1998年12月12日開始，生物處理池基本能夠按照試運行程序中規定的工藝條件穩定運行。
2.1.2 工藝啟動過程運行狀況分析
本工程工藝啟動過程采用自然接種方式，通過培養馴化，使填料掛膜，形成系統的生物硝化能力。啟動過程完成的主要標志是處理系統形成穩定的氨氮去除率和硝酸鹽生成率。
由于本工程試運行處于冬季，低水溫的環境條件對工藝啟動過程是不利的，另外工藝啟動工程中，機電設備等還處于調試狀態，水量、氣量和水位等工藝運行條件的波動對填料的掛膜也有一定程度的影響。
2.1.3 生物硝化效果的變化
本工程采用生物接觸氧化工藝處理微污染原水中的氨氮，硝化是該工藝最主要的生化過程，故下面分析主要圍繞氨氮去除效果。為簡化數據分析，將6條處理池作為一個處理系統，考察工藝啟動過程中整個處理系統運行狀態的變化，下面的統計數據均采用6條生物池的總體平均值。
2.1.3.1 氨氮去除效果的變化
1998年12月1日～27日，處理系統氨氮去除率的歷時變化如表1和圖3所示。
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從圖3可見，運行一周后，處理系統開始出現去除氨氮的現象，但氨氮去除率很小，這段時間主要是原水中的微生物在處理池內填料上富集接種，以及硝化細菌對新的生長環境逐步適應的過程；運行10d后，處理系統開始對氨氮具有初步的去除效果，表明硝化細菌經歷了緩慢生長的調整期；運行兩周后，處理系統開始對氨氮具有較為明顯的去除效果，氨氮去除率達到20%，并在滯緩幾天后，以較快的速度上升，最高時，氨氮去除率已達84%，平均去除率達74.07%。這表明填料上的硝化細菌經三周多時間的培養后，在具備了一定的生物量的基礎上，進入了快速生長階段。
2.1.3.2 氨氮硝化量的變化
氨氮經生物硝化作用最終轉化為硝酸鹽氮，從1998年12月1日～28日硝酸鹽氮生成量的變化(見表2和圖4)，也可以反映出工藝啟動過程運行狀態的變化。
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由表2可見，隨著填料上硝化細菌的生長繁殖，處理池消化能力的逐步發揮，雖然氨氮去除率有時因進水氨氮濃度突增而波動，但硝酸鹽氮生成量仍穩步增加，這也表明池內生物膜正日趨成熟。
2.1.3.3 進、出水DO和pH的變化
生物硝化過程是一個耗氧、耗堿度的過程，故處理系統進、出水DO和pH的變化說明了填料掛膜的進程和生物硝化作用進行的程度(見圖5和圖6)。
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圖5表明在工藝啟動初期，由于水溫度較低，只有16℃左右，填料掛膜緩慢，硝化細菌數量少，活性低，耗氧量少，因此池內DO接近飽和狀態。隨著填料掛膜日趨成熟，生物處理池硝化作用日漸發揮，池內DO呈逐步下降趨勢。
圖6表明隨著填料上硝化細菌的生長，系統硝化能力的增加，氨氮的轉化量也穩步上升，原水中的堿度消耗量逐漸增加，導致出水pH日趨下降。
2.1.3.4 水溫對工藝啟動過程的影響
從雁田優化試驗已經知道，水溫對生物硝化工藝的運行效果影響較大，并且對工藝啟動過程的不良影響尤為明顯，工藝啟動過程水溫的變化見圖7。
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由圖7可見，處理系統投產后，前3天水溫尚能維持在22℃以上，第4天則陡降至20.6℃ ，隨后水溫逐日下降，到第10天下降至15.3℃，從第17天開始，水溫緩慢上升，這有利于硝化細菌的生長，又剛好正值其快速生長期，處理系統氨氮去除率和硝化能力逐漸加快。試驗證明，水溫低的環境條件對生物硝化工藝運行效果有明顯的影響。
在工藝啟動試運轉階段，我們對生物處理池內活動填料上的生物膜定期進行鏡檢，這有利于了解填料掛膜的進程，分析工藝啟動狀況。綜合工藝啟動過程幾次鏡檢的情況可發現，隨著填料絲上生物膜的生長，絮狀膜逐漸覆蓋整個填料絲，外觀顏色由淺逐漸變成黃褐色，紅棕和棕褐色，并有一定程度的積泥，填料絲上還附著鐘蟲、累枝蟲、吸管蟲等動物類，表層填料絲上藻類很多。
填料上生物膜狀態的變化反映了填料掛膜的進程。鏡檢結果表明，掛膜期間填料上生物膜和各類動物、藻類的生長較為正常，與生物池的工藝運行狀況基本相對應，基本符合工藝設計要求。
2.2 工藝運行穩定后的情況
本工程完成工藝啟動后，進入穩定運行階段。通過半年的運行證明，工藝運行比較穩定，處理效果比較滿意。截至1999年6月底，已處理水量7.076億m3，最大日處理水量475.4萬m3，已超出設計規模，氨氮去除率最高達90.1%，降解氨氮總量為1237.64t，最大日降解氨氮量為10.96t。由于處理效果比較明顯，大大改善了港深兩地的供水質量。
2.2.1 保證生物硝化工藝穩定運行的主要措施
(1)通過調節供氣管網的閥門開度，保證6條生物處理池曝氣的均勻性。
(2)通過調節生物處理池出口閘門開度，保證6條生物處理池的過水量和進出水位基本一致。
(3)控制生物池進水水位在合理范圍，使填料的淹沒深度維持在15～20cm范圍內，以提高生物池的混摻效果。
(4)盡可能維持過水量的穩定。因為，當通過生物池的水量太大時，由于流速增大，造成水力停留時間縮短，影響處理效果，且流速增大，也會使水力坡降增大，造成填料外露，使部分生物膜死亡；通過生物池的水量過小，會引起水力坡降偏小，使生物池前后水深差別太大，影響曝氣的均勻性，所以維持水量穩定十分重要。
(5)加強機電設備、工藝設備的維護管理，確保設備的正常運行。但設備維護時必需采取有效措施，保護填料上生物膜的正常生長，使氨氮的去除效果不致于大幅度下降，應有計劃地進行設備改造和維修。1999年4～5月份由于連續進行閘門改造，鼓風機運行不正常等，致使5月份的處理效果明顯低于其它各月。
2.2.2 氨氮去除效果
工藝啟動階段完成后，隨著填料上生物膜不斷成熟，同時也隨著水溫的不斷回升，氨氮的去除效果也不斷提高，為了更全面反映生物池的處理效果，我們引入了氨氮降解量的概念。在運行中我們發現，有時雖然氨氮去除率不高，但生物池運行正常，究其原因，是去除率受氨氮進水濃度的影響。當來水氨氮濃度較低時，氨氮去除率很高，當來水氨氮濃度高時其去除率就會降低，而氨氮降解量仍在增加，所以這并不反映生物處理池運行不正常。
從表3可看出，1998年12月是工藝啟動階段，氨氮降解量和去除率都比較低，工藝運行穩定后逐步升高；5月份由于設備維修，工藝運行不穩定，處理效果偏低；6月份已逐步恢復正常運行。
從表3還可看出，氨氮去除率不能全面反映生物池的處理效果，因氨氮去除率受多種因素制約，如受日供水量變化的影響，受來水氨氮濃度變化的影響，另外氨氮去除率還受氣水比大小等因素的影響，所以用氨氮去除率難于判斷處理效果。
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2.2.3 硝酸鹽氮生成量的變化
從表3、表4對比可看出，1999年2、3月份氨氮月平均去除率分別為80.1%和71.0%，相應硝酸鹽氮的月平均單位生成量分別為2.64mg/L和2.915mg/L。
2.2.4 氣水比與溶解氧統計
通過每日監測生物處理池進出水溶解氧濃度的變化情況，能反映生物處理池內的氧化反應情況，詳見表5。
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從表5可見，本工程的氣水比基本上是按設計1∶1運行的，氣水比可隨進水氨氮濃度的大小進行調節，但調節的余度不大。
3 結語
根據東深原水生物硝化工程半年的試運行，可以初步得出如下結論：生物接觸氧化工藝是適合于處理東深原水微污染要求的，對氨氮等有機物處理效果顯著。并增加了深圳水庫水體的溶解氧，從而提高了水庫的自凈能力，同時生物處理工程還對色度、非離子氨、CODMn 、總氮、鐵、錳、鉛、鋅和藻類等10多項水質指標均有不同程度的降解。由此可見，東深原水生物硝化工程對生化降解氨氮等有機物，改善和提高東深供水水質的作用是十分顯著的。
為了進一步完善生物硝化工程的運行管理，我們正在開展試運行階段的各項研究課題。如影響生物處理池處理效果的原因分析，填料結泥和沖排泥試驗研究，生物處理池水流混摻特性試驗等。總之，通過對上述課題的研究，找出規律，拿出解決問題的辦法，從而提高工程的效益。
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