生物除鐵除錳水廠的工藝設計與運行效果

錳砂生物除鐵除錳水廠的工藝設計與運行效果早在20世紀80年代，中國市政工程東北設計研究院就在水處理試驗和實踐中發(fā)現了微生物對地下水中錳的去除作用，隨后在我國率先開展了生物除鐵除錳技術的研究工作，在“八五”科技攻關課題中提出并確立了生物固錳除錳技術，在“九五”科技攻關課題中，確定了生物除鐵除錳水廠成套技術，解決了生物除鐵除錳工藝的生產性問題。沈陽經濟技術開發(fā)區(qū)供水廠就是在生物除鐵除錳技術指導下設計建造的我國第一座成規(guī)模的典型的地下水生物除鐵除錳水廠。該供水廠分兩期設計施工，一期工程于1999年7月開始設計、建造，至2001年5月完工并通水，2001年12月底濾池穩(wěn)定運行，濾池出水鐵為痕量，錳小于0.05 mg/L，出水水質優(yōu)于國家生活飲用水標準（鐵0.3 mg/L，錳0.1 mg/L）。
1、錳砂除鐵除錳工藝設計：
1.1　技術路線確定：沈陽經濟技術開發(fā)區(qū)供水廠原水為深井地下水，由于原水中含有鐵和錳，尤其是錳含量相當高，凈水的主要目標是除鐵除錳，所以凈化工藝采用生物除鐵除錳技術，主要體現在：跌水弱曝氣；在同一生物濾層中除鐵除錳；培養(yǎng)期、穩(wěn)定期的反沖洗機制。
1.2　工藝流程及主體構筑物設計參數和特點。
錳砂凈水工藝流程：
水廠占地7.8 hm2，分為三個功能區(qū)：水處理區(qū)、鐵泥處理區(qū)和輔助生產區(qū)。全廠設計處理能力為12 萬m3/d，整個工程分兩期實施，每期6 萬m3/d。目前已建成一期水處理區(qū)和輔助生產區(qū)，一期水處理區(qū)包括：跌水曝氣池2座,單池內徑10.5 m；普通快濾池2列，每列6個單池；清水池2座；吸水井1 座；送水泵房1座；反沖洗系統(tǒng)；加氯系統(tǒng)。

從中可以看出，跌水曝氣池和生物除鐵除錳濾池是整個供水廠水質凈化的核心，其構筑物主要設計參數及特點如下。
（1）跌水曝氣池。跌水曝氣池是凈化系統(tǒng)的第一單元構筑物，曝氣方式采用跌水弱曝氣。之所以采用弱曝氣原因有三：一是生物除鐵除錳機制指出，在pH中性范圍內，Mn2+的氧化不是錳的氧化物的自催化作用，而是以Fe2+，Mn2+氧化細菌為主的生物氧化作用，研究證明有很大一部分鐵錳氧化細菌屬微好氧菌，過度的曝氣不僅造成能量浪費，還會抑制某些細菌的活性，產生負面影響；二是在生物除鐵除錳濾層中不要求散失CO2，因為水中CO2是微生物繁殖代謝的重要碳源；三是研究證明Fe2+對維系生物濾層中生物群系的平衡起到了至關重要的作用，強曝氣將使原水中大量的Fe2+在進入濾層前氧化成Fe3+，Fe3+絮凝體易堵塞濾層和穿透濾層，影響出水水質，而Fe2+的減少又嚴重影響生物濾層的穩(wěn)定性。從以上三點可以看出生物除鐵除錳技術在曝氣方面與傳統(tǒng)的除鐵除錳工藝相比有很大不同，傳統(tǒng)的除鐵除錳工藝曝氣的主要目的是向水中溶解足夠數量的氧氣，并充分散除水中的CO2、提高pH，因此一般都要求較大的曝氣強度，而生物除鐵除錳機制要求弱曝氣。研究表明曝氣后水中溶解氧維持在3～5 mg/L即可滿足生物濾池運行要求。
跌水曝氣池具有結構簡單、造價低、能耗小、曝氣效果穩(wěn)定的優(yōu)點，特別適用于大中型水廠。曝氣池跌水高度在0.5 ～1 m的范圍內，曝氣后水中的溶解氧就能達到4～5 mg/L，可以滿足生物除鐵除錳濾層要求。該工藝曝氣池跌水高度為0.84 m，單寬流量為40.92 m3 /（h·m），有效水深0.6 m。
(2)生物除鐵除錳濾池。濾池分為獨立的兩列，每列設計水量為32 400 m3/d，每列共有6 個單元濾池。單池平面尺寸為7.5 m×6.2 m，池深3.7 m，設計濾速6 m/h，強制濾速6.5 m/h。濾料采用普通石英砂, 厚度1 m，粒徑0.5 ～1.2 mm。承托層采用卵石墊層，分四層，總厚度500 mm。濾池采用大阻力配水系統(tǒng)，采用中央集水池配水。反沖洗采用單獨水洗。
傳統(tǒng)接觸氧化除鐵除錳理論要求先除鐵后除錳，即除鐵與除錳要分別在兩個濾池中完成，因此必須采用一級曝氣過濾除鐵、二級曝氣過濾除錳的工藝。而生物除鐵除錳技術認為地下水中鐵錳的性質相近，可以在同一生物濾層中被去除，而且研究還證明，生物濾層對氨氮也有很好的去除效果。因此生物除鐵除錳工藝完全可以采用一級曝氣過濾的簡縮流程。
1.3　反沖洗機制
生物除鐵除錳濾池的反沖洗機制在生物濾池培養(yǎng)階段和穩(wěn)定運行階段是不同的。培養(yǎng)階段為利于微生物的生長繁殖，使生物濾層盡快成熟，反沖洗的原則是弱；而在穩(wěn)定運行階段，應適當加大反沖洗力度，以防止濾層板結。適宜的反沖洗是保證濾層經濟有效運行的必要條件。該工藝正常運行時的反沖洗參數為反沖洗強度15 L/（s·m2），反沖洗歷時5 min，反沖洗周期72 h。
2　生物除鐵除錳濾池的運行效果：
2.1　原水水質：該供水廠原水為深井地下水，凈水的主要目標是除鐵除錳，原提供給設計單位的水質參數是 Fe 3.2 mg/L，Mn 2 mg/L。但在調試運行前供水公司的化驗結果是Fe最高為0.3 mg/L，Mn 最高為4 mg/L。調試運行期間原水水質的平均值為Fe 0.13 mg/L，Mn 2.296 mg/L。從上可以看出，沈陽經濟開發(fā)區(qū)的原水含鐵相當低而錳含量卻很高。而按正常規(guī)律含鐵錳地下水中鐵錳的比例一般是10∶1左右，所以沈陽經濟技術開發(fā)區(qū)的原水水質是相當特殊的。這種特殊的低鐵高錳水不僅給除鐵除錳生物濾池的微生物培養(yǎng)帶來了很大困難，同時也是對生物除鐵除錳技術適用范圍的挑戰(zhàn)。
2.2　生物濾層的建立及運行效果：針對開發(fā)區(qū)原水水質的特殊性，研究小組對所有運行的6個生產濾池進行了考察，最后決定從1號池入手進行培養(yǎng)試驗，待摸清培養(yǎng)運行規(guī)律后再對其它生產濾池進行調試。2001年9月15日，經采集、培養(yǎng)、馴化的高濃度菌種液2400L接種入1號池，同時按照生物機制運行該濾池。濾池接種后第三天開始每24h取進水及濾池出水，分析測定其鐵、錳含量。至9月25日，1號池除錳能力開始出現，錳氧化細菌增加并進入適應期。生物濾池進入適應期后真正的培養(yǎng)就開始了。利用1號池所得到的工程經驗，我們接著對其余的5個濾池進行了大量的接種。接種成功后通過調整濾速、反沖洗強度、濾池工作周期等，對整個濾池的生物濾層進行原位培養(yǎng)。下面以1號池為例來說明生物濾池培養(yǎng)過程和運行效果。
1號池從培養(yǎng)到成熟及至穩(wěn)定運行過程中的進、出水鐵錳濃度變化及錳去除率。1號池9月15日接種完畢，9月25日整個生物濾層進入適應期，10月8日進入對數生長期，直至11月5日以后出水優(yōu)于國家標準，12月15日以后出水更加穩(wěn)定。由于成熟后穩(wěn)定運行階段濾池出水錳比較穩(wěn)定，且?guī)缀鯔z測不到，所以對濾池出水不定期取樣，此時除錳率高達99%以上。又由于整個培養(yǎng)過程中出水鐵幾乎檢測不到，生物除鐵除錳濾池成熟過程曲線從除鐵除錳生物濾池的培養(yǎng)及穩(wěn)定運行時期的出水水質我們可以看出，生物濾層一旦成熟，濾池出水始終優(yōu)于國家標準。對于生物除鐵除錳技術來講，地下水中錳的去除已不再是個難題。同時沈陽經濟技術開發(fā)區(qū)這種特殊的低鐵高錳水的處理成功，也拓寬了生物除鐵除錳技術的應用范圍，給生物除鐵除錳技術的發(fā)展和推廣應用帶來了更廣闊的前景。
3　生物除鐵除錳水廠運行特點：
3.1　運行管理中應注意的問題：生物除鐵除錳工藝的關鍵是除鐵除錳生物濾池，因此運行管理中主要應注意的問題是保證生物濾池的穩(wěn)定運行。對于生物除鐵除錳濾池，可控制的運行參數主要是濾速和反沖洗。首先為保證微生物穩(wěn)定適宜的生存環(huán)境，發(fā)揮濾池正常處理效率，應嚴禁突然加大濾速，如果需要，要考慮濾層的適應過程，每次濾速變化量不超過1 m/h。其次沈陽開發(fā)區(qū)原水水質比較特殊，培養(yǎng)完成的生物濾池抗沖擊能力相對較差，在反沖洗時要相當注意，應嚴格按要求進行反沖洗。
3.2　技術經濟優(yōu)勢：首先也是最重要的一點是生物除鐵除錳工藝鐵錳去除率高且穩(wěn)定；其次由于采用一級曝氣過濾的簡縮流程，與二級處理工藝相比，主體構筑物工程一次性投資可節(jié)省50%左右；再次由于采用弱曝氣方式及不投加任何藥劑，在年運行費用上可節(jié)省資金70%左右；最后與二級處理工藝相比，生物除鐵除錳工藝濾池工作周期長、反沖洗強度小、歷時短，不僅可以節(jié)水節(jié)能，還能增加產水量。