蚌埠市第三水廠原水生物預處理項目設計方案
摘要：隨著衛生部《生活飲用水衛生規范》、建設部《城市供水水質標準》的頒布實施，氨氮等有機物指標已納入水質考核標準，傳統的凈水工藝對水中氨氮等溶解性有機物的去除十分有限，原水生物預處理技術的應用為滿足出水水質的達標提供了保證。
關鍵詞：生物載體流化填料 流化池技術 生物接觸氧化
一、概述
蚌埠市位于安徽省東北部、江淮丘陵與淮北平原交界處，淮河中游下段。蚌埠城市供水一直以淮河蚌埠閘上河道為水源地，受上游來水豐枯變化和污染排放的影響，水源水質污染嚴重，氨氮等有機物指標明顯超標，遠遠達不到我國生活飲用水水源水質標準的要求。蚌埠市第三水廠供水能力為每日40萬m3，采用“混凝—沉淀—過濾—消毒”的傳統工藝，主要功能是去濁和殺菌，對水中氨氮等溶解性有機物的去除十分有限。隨著衛生部《生活飲用水衛生規范》、建設部《城市供水水質標準》的頒布實施，氨氮等有機物指標已納入水質考核標準，必須引入新的水處理工藝才能滿足出水水質的達標。
在對水源水質進行分析研究的基礎上，結合三水廠的實際情況，本設計方案利用與三水廠緊鄰的四水廠現有的10萬m3/d折板絮凝平流沉淀池，將其改造為15萬m3/d生物預處理池，以達到降低原水中60%以上氨氮、20%耗氧量的目的，從而保證出廠水氨氮等指標能夠符合衛生部、建設部的相關標準。
二、原水生物預處理的可行性分析
生物預處理方式有多種，給水處理中常用的是生物接觸氧化法。生物接觸氧化法是利用水體中原本存在的微生物，降解水中的氨氮及有機物。原水進入生物預處理池后，水中微生物在填料表面生長發育，逐漸形成生物膜掛滿填料表面，在生物酶催化作用下，溶解氧將氨氮和有機物氧化或分解轉化，從而使氨氮和有機物濃度降低。
生物流化填料和流化池技術，是生物接觸氧化法中的一項實用、新型的原水生物預處理技術，對氨氮等有機物的處理效果已在各地多家水廠得到印證。該技術采用比表面積大的生物流化填料作為微生物的載體，利用傳統穿孔曝氣管曝氣，曝氣提供的動力使生物流化填料在水中保持流化狀態，同時對生物流化填料上已老化的生物膜進行吹脫。曝氣管安裝在流化池的底部，流化池的底部的V型構造，使曝氣能將池底的沉淀物有效地吹浮起來，避免了污泥沉淀結塊，不需要反沖洗。擬建的三水廠原水生物預處理工程，就是采用此項技術。
三、生物預處理項目的設計原則及目標
1、設計原則
（1）根據淮河水源水質的實際情況，充分考慮生物預處理工藝的合理、成熟、先進，系統運行安全、可靠，管理方便，投資經濟、運營費用省等因素。確保出廠水達到建設部（CJ/T206-2005）《城市供水水質標準》的目標。
（2）充分考慮四水廠現有的凈水設施資源，利用兩座5萬m3/d折板絮凝平流沉淀池做生物預處理池、利用加礬間做鼓風機房、利用折板絮凝平流沉淀池之間的排泥渠做提升泵的集水井、利用一段原水管道做生物預處理池的進水管，使生物預處理工藝與三水廠常規工藝有機結合，渾成一體。
（3）選擇運行費用省、操作簡單，維修、維護簡單方便，技術成熟的預處理工藝。
2、項目目標
（1）水量目標
根據四水廠現有的凈水設施的處理能力和原水管道的輸水能力，確定該生物預處理項目的供水量為15萬m3/d。目前三水廠的實際供水量平均為19萬m3/d，生物預處理水量占三水廠實際供水量78%以上，還有22%的未經生物預處理的原水與之混合處理后可以滿足三水廠實際供水量和出水水質要求。
（2） 水質目標
原水經生物預處理后，氨氮去除60%以上、耗氧量去除20%，可以為三水廠出廠水達到建設部（CJ/T206-2005）《城市供水水質標準》提供可使用的水源水。
四、生物預處理工藝確定
1、生物預處理工藝選擇
生物預處理已被證明是降低氨氮的有效工藝，目前用于市政給水處理中生物預處理工藝主要有：塔式生物過濾、生物濾池、生物接觸氧化、生物轉盤、生物流化床以及活性污泥法等，其中以生物接觸氧化較為常用，本設計就是采用生物接觸氧化工藝。
生物接觸氧化處理微污染水源，主要是利用適當條件下生物載體—填料上大量好氧生物膜，在供氧量充足和原水與填料充分接觸情況下，有效去除水中各類污染質。原水與填料生物膜不斷接觸，通過微生物自身生命代謝活動—氧化、還原、合成、分解等過程，在微生物的生物絮凝、吸附、硝化和生物降解等綜合作用下，將原水中的氨氮、有機物、藻類和THMs前體物等去除，既凈化了水質，又明顯減少了其后續凈化和加氯消毒過程中可能產生的THMs等潛在致癌物，經濟有效、無毒副作用地提高生活飲用水水質的安全和衛生質量。
2、生物載體填料的選擇
生物接觸氧化采用的生物載體很多，特別是污水處理領域中更是品種繁多。但是在生物預處理項目中，針對微污染水源，其污染物特點、生物反應機理均有其獨自的特點，因此能夠真正運用到生物預處理項目中的填料不多。目前在生物預處理項目中有過工程實例的填料主要有彈性填料、高效生物載體流化填料。
采用彈性填料，生物膜容易附著，要求采用微孔曝氣，以提高氧氣利用率，初期投資省。但是其比表面積小，生物反應效率低，要求停留時間長，占地面積大，填料易掛泥結塊，清泥困難，老膜不易脫落，池底容易積泥，要求停水反沖洗頻繁。
采用高效生物載體流化填料，其比表面積大，流化狀態下不會結團堵塞，采用傳統穿孔曝氣管曝氣，即可達到全池流化翻動，提高氧的利用率和傳質效率。填料掛膜容易，老化膜在水力剪切作用下自動脫落，配合生物流化池使用，池底很難積泥，運行管理簡單，不需反沖洗，運行費用較低。
綜合比較，針對第三水廠使用淮河水源的特點，本方案采用XD生物流化填料及流化池技術，即能有效去除原水中的氨氮和有機物，同時具有容積負荷高、耐沖擊負荷、出水水質好且穩定、動力消耗相對較低，運行費用較省等優點。該工藝在工程實踐運用中，對停留時間、曝氣方式、排泥和操作技術等工藝要素已有了大量的試驗研究和較多的工程驗證，取得了比較成熟的工程經驗。
3、XD生物流化填料及流化池技術
XD生物流化填料及流化池技術采用生物載體流化填料作為微生物的生物載體，采用傳統的穿孔曝氣管曝氣，曝氣管在曝氣過程中，對生物載體流化填料提供動力，將生物載體流化填料在水體中形成流化狀況，同時對生物載體流化填料上已經老死的生物膜進行吹脫，曝氣管安裝在生物流化池的底部，流化池底部的特殊結構，使曝氣管在曝氣中，將池底的沉淀污泥有效的吹浮起來，防止污泥沉積結塊。從而解決一般填料污泥沉積的問題。
4、生物流化填料特點
在生物預處理池中投加XD生物流化填料作為生物載體，提高其對有機物的去除率。
（1）該填料的結構示意圖見圖1。
（2）該填料的基本參數見表1。
（3）LT型高效流化生物載體填料采用獨特的生產工藝，經專業自動機械設備一次加工成型，確保了每一個產品形狀、重量的一致性。
（4）填料表面經過特殊處理，增加了其表面粗糙和親水性能，從而掛膜比較容易，克服了一般塑料填料表面光滑掛膜困難的弊端。產品抗磨、抗拉強度高，使用壽命長。（后附生物流化填料圖片，見圖2-3。）
（5）填料比表面積為100m2/m3，是彈性絲狀填料的4倍；在生物膜成熟時可以形成厚度為0.2～1.0mm的生物膜，而且生物膜生長狀況良好，膜上的微生物種類豐富，活性高，可以明顯提高處理效果。
（6）由于該填料在曝氣池中呈流化狀態，碰撞頻繁，因而極大地提高了生物處理三要素之間的傳質效率。
（7）本工藝對水池底部結構經過簡單處理，采用穿孔管，形成了曝氣區和非曝氣區，該填料比重選擇為0.93～0.98，在培菌期間，填料表面會慢慢附著大量的生物膜，廢水濃度越大，附著量越大，比重逐漸增加，當生物膜到一定厚度時，其比重大于1，填料從非曝氣區下沉，在水池底部，改造后的底部結構將懸浮填料下滑到曝氣區，曝氣區底部的沖擊力最強，能迅速沖洗掉懸浮填料上的殘余生物膜，脫膜后的填料比重也隨之降低到1以下，并在曝氣區上升。根據掛膜前后的比重變化特點，填料可以隨水流在曝氣區和非曝氣區翻騰，從而交替完成了生物膜的生長和脫落過程，保證生物膜的數量穩定性和活性，使工藝運行較穩定。
（8）由于填料表面的生物膜存在好氧區和厭氧區，因而在生物膜中可以達到脫氮的效果，一般情況下，氨氮去除率可以達到80%以上，低溫狀態下可以達到60%以上。
（9）由于填料在水中處于流化狀態，填料表面上的微生物與水中的空氣可以充分接觸，提高了氧的利用率，從而節省了能耗。
（10）懸浮填料的接觸池曝氣系統為穿孔管曝氣方式，穿孔管曝氣的水頭損失小，可降低風機的耗電量；同時穿孔管曝氣不易堵塞，故障率較低，可降低維修工作量、維修費用及維修頻率。
（11）該填料可以直接投放于生物預處理池中，不須安裝任何填料支架，避免了人工綁扎類填料及人工組合類填料在生產過程中的質量問題，也免除了填料支架的維護和保養，從而可以降低投資費用。在投加填料時，不用停產排空接觸池，可以邊運行邊投加填料，因此不會影響凈水廠的正常運行。
五、生物預處理工程設計
四水廠原有構筑物的現狀：2座5萬m3/d折板與往復絮凝平流沉淀池，單池折板絮凝區4.0m，往復絮凝區8.48m，過渡區2.5m，平流沉淀區100m。
折板絮凝平流沉淀池的往復絮凝區尺寸8.48×15.4m池深4.8m；平流沉淀區尺寸100×15.4m，有效水深為3.30m，池深3.60m，池內有4條廊道，每條廊道寬3.85m，絮凝區出水通過2.5m的過渡區均勻分配到4條廊道。
1、設計規模及工程內容
（1）生物預處理工程設計規模按15萬m3/d考慮，即6250m3/h。
（2）工程內容：將原有2座5萬m3/d折板與往復絮凝平流沉淀池改造為2座7.5萬m3/d的生物預處理池，布置鼓風機和穿孔曝氣管道；將2座絮凝池之間排水渠改造為提升泵房；增設一條直徑DN1200mm，長470m的輸水管道。
2、原有沉淀池的土建改造設計
（1） 提高水位
由于水池的有效水深較淺不能滿足單池7.5萬m3/d的處理能力，也不利于生物預處理中氧的利用，因此，本方案在原有沉淀池的池頂采用（鋼筋混凝土結構）加高500mm，提高沉淀區的有效水深到3.70m，保留400mm的超高。
沉淀區的有效水深提高到3.70m后，會導致折板絮凝區的水位超出池頂溢流，因此還需要對折板絮凝區用磚墻進行加高200mm，為折板絮凝區留出超高。
（2） 集水槽改造
原有指型集水槽的目的是為均勻集取沉淀池出水端上層清水，確保4條廊道的水均勻出流。由于本項目為生物預處理，集水槽的目的是保證均勻出水，不需考慮出水流速太大會產生紊流現象，因此可以提高集水槽的溢流水量。
本方案取消原有指型集水槽集水，在沉淀池末端的池壁上改造出一條三角堰集水槽，新建集水槽出水堰頂高3.60m，寬1.0m，深1.2m，集水槽前0.8m位置采用格柵攔截，防止流化填料進入集水槽。
（3）水池底部改造
原有沉淀池的底部為平底板，本項目工藝要求將池底部進行XD流化池技術改造，改造要求在池底安裝導流板，導流板間距為1m，高約700mm，導流板中間位置為DN50的穿孔曝氣管道。
導流板采用混凝土預制板在池底安裝。
3、原有沉淀池的工藝改造設計
（1）改造后的生物預處理池
改造后的生物預處理池（單池）有2m的集水區：
①沉淀池部分有效長度為98m，寬15.4m，有效水深3.7m，
有效容積為98×15.4×3.7＝5584m3。
②過渡區有效長度為2.5m，寬15.4m，有效水深3.7m，
有效容積為2.5×15.4×3.7＝142m3。
③絮凝池部分有效長度為8.48m，寬15.4m，有效水深4.6m，
有效容積為8.48×15.4×4.6＝600m3，
生物預處理池（單池）總有效容積為5584+142+600=6326m3，
單池平均處理水量：3125m3/h，
平均水力停留時間：6326÷3125=2h，
水平流速：3125m3/h÷56.98 m＝54.8m/h＝0.015m/s。
（2） 生物載體流化球
生物預處理池中采用的生物載體流化填料：
生物載體流化填料型號：LT-100。
生物載體流化填料參數：
外形直徑為：100mm。
填料表面積為：0.106(m2/只)。
填料比表面積為：106(m2/m3)。
填料空隙率為：98％。
生物載體流化填料的填充率為：36％。
生物載體流化填料的數量為：6326×2×36％＝4555m3。
（3）格柵
在生物預處理池中，沿水流方向設置格柵，以防止生物載體流化填料沿水流方向大位置偏移。格柵每間隔7m安裝1塊。
格柵尺寸：3.8×4.1m，格柵數量：112塊。
格柵尺寸：0.7×4.8m，格柵數量：4塊。
格柵尺寸：0.9×4.8m，格柵數量：4塊。
格柵尺寸：1.2×4.8m，格柵數量：4塊。
格柵尺寸：1.34×4.8m，格柵數量：2塊。
格柵尺寸：1.54×4.8m，格柵數量：2塊。
（4）穿孔曝氣管道的安裝
①沉淀池部分：穿孔曝氣管道配合導流板進行安裝，主管為DN100，穿孔管為DN50，開孔3mm，向下角度為45度，異向間隔120mm，同向間隔60mm。采用PE材料。
②過渡區：安裝同上。
③絮凝池部分：往復隔板間距太小，均不安裝導流板。
1.54m間距隔板間布2道DN50穿孔管，開孔同上。
1.34～0.7m間距隔板間均布1道DN50穿孔管，開孔同上。
（5）鼓風設備
生物預處理池通過鼓風設備曝氣。
曝氣的氣水比為：0.5～2.0：1，
曝氣量為：52～208m3/min，
三葉風機參數：
型號：SSR200，
風量：53.91m3/min，
風壓：4.9m水柱，
功率：75KW，
轉速：1390R/PM。
數量：4臺。
風機分配方案：開啟1臺風機，氣水比為0.5：1；開啟2臺風機，氣水比為1.0：1；開啟3臺風機，氣水比為1.5：1；開啟4臺風機，氣水比為2.0：1。
一般情況下氣水比為1.0～1.5：1，開啟風機2～3臺。
（6）鼓風機房
利用四水廠原有加礬間改造為風機房，在加礬間的北側安裝4臺風機。風機主管為DN400鋼管，沿加礬間東側布置，從南側分成2條DN250的PE管向生物預處理池布置。
鼓風機安裝平面尺寸為：6.0×13m，凈高5.0m，配隔音材料。
4、生物預處理池的進水管、提升泵房及輸水管線設計
（1） 進水管
在四水廠西墻側原有的DN1200管道上，位于DN1200閥門北2.0m處開三通，用DN1200鋼管沿加礬間東側布置到原有折板絮凝池的起始端，然后分成2條DN900鋼管向2座折板絮凝池進水。
（2）提升泵房
本項目原水經生物預處理池后需潛水泵提升至三水廠混合井再進行常規處理。提升泵的集水井利用四水廠原有2座折板與往復絮凝平流沉淀池之間的排水渠。集水井尺寸為120×2.5×6.1m，泵位選在2座折板與往復絮凝池之間的走道板下，共安裝2臺。兩臺泵的中心間距為5.0m。
潛水泵參數：
型號：700ZDB—70
流量：4800m3/h
揚程：7.25 m，
功率：155kw，
轉速：730r/min
數量：1臺
（出水管為DN1000，止回閥DN900。）
型號：400QWDL—75型，
流量：1500m3/h，
揚程：10m，
功率：75kw，
轉速：980r/min
數量：1臺
（出水管為DN600，止回閥DN500。）
（3）輸水管線
兩臺潛水泵的出水管在四水廠原有平流沉淀池南側合并為一根DN1200輸水管向西布置到四水廠西側，然后再沿著原有的DN1200管道向北布置到三水廠混合井，分成2條DN900管道爬上混合井在兩側均勻進水。DN1200管線總長為470m，沿程水頭損失為0.95m。
5、配電設計
（1） 輸電線路
輸電線路采用電纜和架空線混合配置的6KV輸電方式。
（2）變壓器和保護系統
需添置800KVA（或630KVA）變壓器1臺。
利用原有800KVA變電所的南側值班室，改造成高壓開關室，封閉南墻的窗口，在此位置安裝負荷開關2臺：
①電源采用原800KVA南側變壓器的供電電源，在上述所說的改建后的高壓開關室內安裝負荷開關2臺，分別給新、舊2臺變壓器供電。
②沿輸電線路，同桿架設7芯控制電纜1條、10芯通訊電纜1條，將新變壓器的瓦斯保護、溫度保護以及電話通訊、自動化控制通訊等連接到高壓開關室，便于將來的功能擴展。
③新變壓器安裝于鼓風機房的室外西北角處。將鼓風機房北墻的東窗口封閉，窗口頂端預留穿墻孔，作為低壓銅排的通道。
④低壓開關柜安裝于鼓風機間的室內東北角處。考慮到防塵、防震、安全等因素，宜采用金屬開關柜。
（3）動力和自動化控制
①低壓開關柜共計3臺，分別為：低壓配電總柜；1#、2#鼓風機開關柜；3#、4#鼓風機開關柜。
②鼓風機采用自耦變壓器啟動方式。
③水泵采用原有控制柜。
三水廠原水生物預處理項目設計方案，充分利用了水廠現有的水處理設施，大大減少了項目建設費用，預處理池中不需添加任何化學制劑，不會有任何毒副作用產生；預計項目建成投產后，原水氨氮去除率冬季可達60%，夏季可達80%以上，耗氧量去除率可達20%，大大緩解后續工藝的凈水壓力。
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