净水技术|老旧水厂炭砂滤池如何改造？
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黄孟斌，王长平，张 毅，向 伟，伊 朗，李羽颀
（深圳市深水宝安水务集团有限公司，广东深圳 518001）
随着人口和经济的日益增长，环境污染不断加重，饮用水水源渐渐成为稀缺资源，饮用水处理技术与工程设施也随之得到不断的发展与完善，为提升生活饮用水水质，强化水处理效果，寻求对现有传统水处理工艺进行升级改造的方法势在必行。为此，深水宝安水务集团通过对上南水厂工艺升级改造，新增“臭氧—炭砂滤池”短流程深度处理工艺，将一、二期砂滤池改造为炭砂滤池，强化过滤对有机物和常规水质指标的处理。
本研究将传统水处理工艺中的砂滤池改造为炭砂滤池，并对改造前后炭砂滤池进行长期的监测工作，对比分析滤池对有机物、氨氮和浊度等污染物的去除效果，对运行过程中出现的问题进行优化改进，为同类型水厂炭砂滤池升级改造提供参考。
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试验条件
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1.1 |
工艺流程 |
水厂投产于1987年，总设计规模为10万m3/d，分为四期，其中一、二期设计流量各为2.5万m3/d，2017年6月由常规水处理工艺改造为臭氧-活性炭深度处理工艺，工艺流程如图1所示。
原水经投药后混凝进入反应池，反应后水经过斜管沉淀池沉淀后进入V型砂滤池过滤，原水廊道反应时间较长，约34 min，生产负荷较适中，达到设计的55%，沉后水浊度常年保持在0.3 NTU以下，达到一般砂滤池滤后水浊度，沉后水进入臭氧接触池，被臭氧氧化后，进入炭砂滤池经过生物吸附处理后，投加次氯酸钠消毒后，通过供水泵输入市政管网中。
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1.2 |
滤池的滤料前后对比 |
本次改造为将厚度为120 cm的石英砂，变为厚55 cm的石英砂，80 cm的柱状活性炭层。石英砂层高度下降65 cm，代替为活性炭，并增加15 cm厚的活性炭层，提升活性炭在滤料的比重，以弥补对水中颗粒物质截留作用弱的缺点，保证滤后出水水质安全。
表1 改造前后滤料参数表
其中活性炭为柱状颗粒活性炭，1.5 mm粒径，碘吸附值为972 mg/g，亚甲蓝值为185 mg/g，单宁酸值为5.1 mg/g；石英砂粒径为0.4~0.8 mm，不均匀性系数（K80）为1.29，含泥量为0.08。炭砂滤池因滤料密度差异，而导致反冲洗后滤料出现分层现象，且其比单层滤料滤池去污能力高出1倍。因此本次改造选择双层滤料滤池代替石英砂滤池。
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1.3 |
滤池的反冲洗参数 |
水厂一二期V型滤池共8格，双排布置，单格面积为28 m2，过滤周期为24 h，表2为炭砂滤池改造前后反冲洗方式的调整。
表2 改造前后反冲洗参数
炭砂滤池的反冲洗既要将滤池冲洗干净，保证滤后浊度达标，又要保证滤料具有足够生物量在后续运行中起到生物降解作用，针对滤料中55 cm的石英砂滤料对浊度去除作用，选择1 min的气冲洗可以较大程度地冲洗滤砂，又可对滤砂和活性炭进行分层；选择10.0 L/(m2·s)的水冲洗强度，可最大程度地去除非生物颗粒同时，保留适量的生物量于滤料上。
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运行前后效果
炭砂滤池改造完成投入运行后，进行前后5个月的数据收集，对比分析浊度、氨氮、耗氧量、细菌的指标。
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2.1 |
对浊度的去除效果 |
改造前滤前水浊度为0.25~0.40 NTU，平均值为0.29 NTU；滤后水浊度为0.08~0.10 NTU，平均值为0.09 NTU。改造后炭砂滤池进水浊度平均值为0.32 NTU；出水浊度为0.14~0.19 NTU，平均值为0.16 NTU，表明改造前后对浊度的去除能力相当，基本控制在较低范围，主要是改造后将底层更换粒径更小的石英砂，弥补1.5 mm柱状活性炭对浊度截留能力弱的问题，达到保证出厂水浊度达标的目的。
图2 改造前后浊度的变化
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2.2 |
对有机物的去除效果 |
原水中有机物种类较多，无法采用单项指标来检验有机物的去除效果，目前普遍使用高锰酸钾指数（CODMn）来代表水中有机物的总量。本次炭砂滤池改造前后对CODMn的去除效果对比如图3所示。
图3 改造前后CODMn的变化
从上图看出，炭砂滤池出水CODMn的浓度在0.60~0.90 mg/L，平均浓度为0.80 mg/L，平均去除率为33.2%；普通砂滤池出水CODMn的浓度在0.8~1.15 mg/L，平均浓度为1.10 mg/L，平均去除率为10.5%，改造后对CODMn的去除率提高22.7%，这是由于炭砂滤池上层活性炭滤料对水中有机物有明显的吸附作用以及活性炭滤料上的微生物具有生物降解有机物作用，且作用效果明显。
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2.3 |
对氨氮的去除效果 |
改造前滤池进水NH3-N为0.04~0.07 mg/L，均值达到0.06 mg/L；滤后出水NH3-N为0.02~0.03 mg/L，平均值为0.02 mg/L，去除率为55.6%。改造后滤池进水NH3-N为0.03~0.07 mg/L，平均值为0.05 mg/L；滤后出水NH3-N为0.01 mg/L，去除率为80.6%。表明改造后NH3-N的去除率提高了25.0%，主要原因是石英砂滤料主要发挥过滤和截留作用，而炭砂滤池活性炭滤料上附着大量的硝化细菌，通过其硝化作用达到去除氨氮的效果。
图4 改造前后氨氮的变化
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2.4 |
对细菌的去除效果 |
改造前滤池进水NH3-N为0.04~0.07 mg/L，均值达到0.06 mg/L；滤后出水NH3-N为0.02~0.03 mg/L，平均值为0.02 mg/L，去除率为55.6%。改造后滤池进水NH3-N为0.03~0.07 mg/L，平均值为0.05 mg/L；滤后出水NH3-N为0.01 mg/L，去除率为80.6%。表明改造后NH3-N的去除率提高了25.0%，主要原因是石英砂滤料主要发挥过滤和截留作用，而炭砂滤池活性炭滤料上附着大量的硝化细菌，通过其硝化作用达到去除氨氮的效果。
图5 改造前后细菌总数的变化
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运行技术改造
目前对炭砂滤池的研究多数停留在实验室阶段，针对其运行效果和影响因素研究较多，尚缺少炭砂滤池工程运行经验，水厂基于“臭氧—炭砂滤池”深度处理工艺升级的基础，对炭砂滤池运行出现的问题进行了优化技术提升。
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3.1 |
前期炭滤料处理 |
活性炭投入前对滤池需采取严格的消毒措施，用出厂水将滤池内的杂质冲洗干净，注入浓度为50 mg/L的次氯酸钠溶液，浸泡24 h后将氯水排出，反复冲洗出水不含余氯为止；投入活性炭后加入不含余氯的滤后水，浸泡24 h以上；由于生产出来的活性炭为碱性，冲洗后水pH最高达到10左右，反复冲洗浸泡直至pH接近出厂水标准即可。
表3 炭砂滤池反冲洗后水质指标一览表
反复浸泡冲洗后，滤后出水指标除pH较高，其余指标均达到《饮用水卫生标准》，基于水厂有7个清水池的特点，对改造后的炭砂滤池出水进行混合，由三四期清水池水体与一二期清水池水体混合降低pH值，使出厂水pH达到7.4~7.5后输入管网。
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3.2 |
反冲洗系统改造 |
针对炭砂滤池区别于砂滤池的反冲洗程序和强度，在水厂反冲洗泵房的基础上，将备用发电机迁移，新增两座反冲洗泵组，满足炭砂滤池应有的反冲洗强度，并且通过变频器调节反冲洗水量，来达到炭砂滤池炭砂分层以及保证反冲洗的最佳效果，保证滤后出水水质达标。
其中两台变频反冲洗水泵：Q=672~806 m3/h，H=14~10 m，P=37 kW，保留原有反冲洗水泵1台，558 m3/h，扬程21 m，TSE200型罗茨鼓风机2台，28.4 m3/min，49 kPa。气冲强度13.7 L/(m2·s)，通过变频控制水冲强度在4~15 L/(m2·s)之间。
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3.3 |
防跑炭网装置制作 |
针对水厂石英砂滤池设计制作了防砂网，高度为18 cm，网孔径为1.2 mm，网状体用2×2 mm不锈钢方管边框压条，以堰口作为支撑位，配套4根支撑杆垂直固定防砂网，运行中发现在石英砂滤池气水冲洗过程会出现局部滤砂越过防砂网现象。炭砂滤池改造后，活性炭属于轻质滤料，膨胀率较以往石英砂滤池增加，需重新设计制作防跑炭网装置。
选择316不锈钢材质代替304材质，网状结构高度增加到35 cm，孔径更换为0.8 mm，并用螺丝将不锈钢方管与堰口强化固定，网状体结构前端部位适当增加弯度，以此改变炭滤料反冲过程的运动轨迹，比较改造前后，活性炭滤料无越过网现象，接触位置密封好，通过反冲洗水沟底部和滤池料位观察，发现较少炭滤料流失，且实际运行效果较好，钢结构网状体制作成本较低。
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结论
1）炭砂滤池改造前后对比分析，对CODMn表征的有机物去除率提高了22.7%，对氨氮的去除率提高了25.0%，炭砂滤池对氨氮和CODMn的去除效果优于砂滤池，针对活性炭对浊度截留作用减弱，而增加粒径较小的石英砂滤料来改善滤后水浊度。滤后水细菌增多是活性炭滤池普遍存在的共行问题。
2）长期的炭砂滤池改造后运行研究表明，通过反冲系统调整改善滤料混层，从滤池防跑炭网装置改造解决反冲洗强度增加和轻质炭滤料带来的“跑炭”问题，并针对活性炭滤料的特性，调整运行控制方式，根据水质指标变化调整炭砂滤池的运行，总结适合上南水厂炭砂滤池的运行经验，为同类型水厂炭砂滤池改造和运行奠定基础。