摘要：改變沉淀池局部結構使其具有沉淀和曝氣雙重功能，以節約用地和投資，降低構筑物總體高度，以利抗震。根據生物除鐵除錳技術和生物脫氮技術，采用球形陶粒多孔生物濾料濾池，同時滿足除鐵除錳和除氨脫氮要求。
　　關鍵詞：污染地下水；舊水廠改造；沉淀池曝氣
　　一、 工程及水源現狀
　　我省某縣位于黃河故道，縣城供水工程設計規模20000m3/d，凈水廠已建有1000m3清水池一座，送水泵房一座，由于工程地質條件限制，現狀配水廠清水池為地下1m地上3m的半地下式，除鐵除錳罐架設在清水池上。
　　由于地表水缺乏，本工程采用地下水作為供水水源，根據水文地質勘察報告，地下水水化學類型主要為HCO3—Ca•(Mg•Na)型、HCO3•Cl—Ca•Mg•Na型、HCO3•Cl•SO4—Na•Mg型、Cl•HCO3—Na型、Cl•SO4•HCO3—Na•Mg型。地下水水源超標項目有：
　　序號項目范圍（mg/l）國家標準（mg/l）
　　1 色度  15～25 15
　　2 濁度 12.5～34 3
　　3 總硬度   295.5～912   450   
　　4 總鐵 0.94～1.08 0.3
　　5 Mn2+ 0.1～0.34 0.1
　　6 CL— 28.71～598.4 250
　　7 SO42-- 57.6～580.2 250
　　8 礦化度 753.79～2698.13 1000
　　9 細菌總數 500～2000 100
　　10 總大腸菌數  30  3
　　11 NH4— 0.12～0.6
　　12 NO2— 0.002～1.04
　　本工程水廠改造的難點一是多項因子超標，水質復雜，需要軟化、需要除鐵除錳、還需要去除氨及亞硝酸，二是受地質條件限制，現狀清水池已高出地面3m，處理構筑物露出地面較高，不利于8度烈度的抗震要求。如何降低處理構筑物高程是工程項目要考慮的主要問題。
　　二、 處理理論與處理工藝的選擇
　　水處理理論主要針對以下三個方面：水質軟化理論、除鐵除錳理論和除氨脫氮。
　　1、 水質軟化
　　水質軟化有以下幾種方法：
　　①磷酸三納軟化法：
　　3Ca(HCO3)2＋2Na3PO4→6NaHCO3＋Ca3(PO4)2↓
　　3Mg(HCO3)2＋2Na3PO4→6NaHCO3＋Mg3(PO4)2↓
　　3CaSO4＋2Na3PO4→3Na2SO4＋Ca3(PO4)2↓
　　3MgSO4＋2Na3PO4→3Na2SO4＋Mg3(PO4)2↓
　　3CaCl2＋2Na3PO4→6NaCl＋Ca3(PO4)2↓
　　3MgCl2＋2Na3PO4→6NaCl＋Mg(PO4)2↓
　�、诩儔A軟化法：
　　Ca++＋Na2CO3→CaCO3↓＋2Na+
　　Mg++＋Na2CO3→MgCO3↓＋2Na+
　�、垭x子交換法：
　　2NaR+Ca2+＝CaR2+2Na+
　　2NaR+Mg2+＝MgR2+2Na+
　　CaR2+2Na+＝2NaR+Ca2+
　　MgR2+2Na+＝2NaR+Mg2+
　�、苁�灰軟化法：
　　Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3↓+2H2O
　　Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2=Mg(OH)2↓+2CaCO3+2H2O
　　在以上水質軟化方法中，磷酸三納軟化法和純堿軟化法需消耗大量的化工原料，離子交換法適用于小流量如鍋爐用水，石灰軟化法原材料宜取，成本較低，是最常用的軟化水方法。本工程選擇石灰軟化法。
　　投加石灰軟化的同時提高水了水的PH值，有利于除鐵除錳。
　　已經軟化的地下水經過常規絮凝沉淀和過濾處理，可以降低水的硬度、濁度、色度和礦化度和三價鐵。
　　2、除鐵除錳 
　　地下水除鐵、除錳技術先后經歷了自然氧化法、接觸氧化法、生物法三個發展階段。生物法是細菌和真菌通過甲基化作用、螯合作用、絡合作用、吸收作用、氧化還原作用促進和直接改變金屬的價態，稱作生物除鐵除錳技術[1]，除錳濾池濾層的活性來自于附著在濾料表面上和鐵泥中的錳氧化細菌的活性。這些細菌在載體上不斷再生，不斷地有新的吸附表面出現，從而使整個吸附氧化、再生處于一種動態平衡。近年來對其機理有了更深入的了解：Fe2+的去除機制是自催化氧化反應，生成的含水氧化鐵是鐵離子氧化的催化劑；Mn2+的氧化是在以生物固錳為核心的生物群系的作用下進行的。雖然地下水中Fe2+和Mn2+幾乎是同時存在并且各自的穩定性不同，但是實驗證明在生物濾層中的氧化去除是可以同時進行的，通過一級曝氣、一級過濾就能達到同時去除地下水中Fe2+和Mn2+的目的。
　　3、除氨脫氮
　　地下水中檢出氨及亞硝酸，說明地下水已經遭受污染，其中氨氮最高含量達到0.6mg/L，超過國家生活飲用水衛生標準。雖然國家生活飲用水衛生標準（GB5749—2006）未對亞硝酸的含量作出要求，但亞硝酸是公認的強致突變物質，應當進行處理。給水中氨及亞硝酸根一般由微生物通過好氧硝化反硝化處理，關于硝化作用的生物化學機制的研究，目前已初步清楚按以下途徑進行：
　　NH3(氨)→H2N-NH2(聯胺)→NH2-OH(羥胺)→N2(氮氣)→N2O(HNO)(氧化亞氮(硝�；�))→NO(氧化氮)→NO2-(亞硝酸)→NO3-(硝酸)。
　　根據亞硝酸型生物脫氮技術[2]、短程硝化反硝化影響因素分析[3]，氨被氧化成硝酸是由兩類獨立的細菌催化完成的兩個不同反應，整個生物脫氮過程可以通過NH3－N→NO2-－N→N2這樣的途徑完成。所謂亞硝酸型生物脫氮就是將硝化過程控制在HNO2階段而終止，隨后進行反硝化。控制在亞硝酸型階段易提高微生物濃度和硝化反應速度，縮短硝化反應時間，從而可以減小反應器容積，節省基建投資。另一方面，從亞硝酸菌的生物氧化反應可以看到，控制在亞硝酸型階段可節省氧化NO2--N為NO3--N的耗氧量。
　　控制硝化反硝化在亞硝酸型階段可以通過控制水的溫度在15℃—30℃、控制PH值在7.4—8.5和控制溶氧在0.5mg/L以上來實現。
　　本工程通過生物濾池進行除錳和處理微污染原水。
　　4、處理工藝
　　最終確定處理工藝為：
　　三、 工程設計
　　1、 澄清
　　靜態管式混合器混合效果好，在工程中已得到廣泛應用，本工程選用了靜態管式混合器分別進行軟化劑的混合和混凝劑的混合，本文的目的主要是網格反應斜管沉淀與澄清池的比選。
　　基于微絮凝理論的網格反應池絮凝效果好，與斜管沉淀池配合具有水頭損失小，耐沖擊負荷高、運行穩定等優點，有成熟的運行管理經驗。其缺點是反應池和沉淀池排泥困難，斜管沉淀池需定期更換斜管。
　　澄清池可同時取得絮凝池與沉淀池的效果，并能充分利用澄清池池深大，出水水位高的特點，滿足現狀清水池水位高的要求。水力澄清池無需機械攪拌設備，構造簡單，但水力澄清池投藥量大，要消耗較大的水頭，對水質水溫變化適應性差，耐沖擊負荷能力差；機械澄清池處理效率高，單位面積產水量大，適應性較強，處理效果穩定，但需要機械攪拌設備，維修較麻煩；
　　本工程采用了網格絮凝斜管沉淀工藝。加高的絮凝池拉長了豎向井，增加了絮凝池的有效流長，有利于絮凝池合理布置；按照規范，斜管沉淀的清水區保護高度不宜小于1.0m，底部配水區高度不宜小于1.5m，國家標準圖中清水保護高度為1.40m，底部配水區高度為1.0m，集水槽深度為0.26m，總高度為5.87m；本設計清水區保護高度為1.83m，比標準圖設計增高0.43m，配水區高度提高到1.5m，滿足規范要求，沉泥斗斜壁角度采用60°，有利于積泥下滑。設計斜管沉淀池總高度為7.64m。
　　2、 曝氣
　　常用的曝氣方式有跌水曝氣、鼓風曝氣和淋水曝氣等。對于地下水除鐵除錳，跌水0.5-1.0m、單寬流量20-50m3/(h.m)時，曝氣后水中溶解氧含量可達2-5mg/L。跌水曝氣投資少，運行成本低，管理方便，本項目二價鐵含量很小，跌水曝氣能滿足除鐵除錳和生物脫氮需氧量要求。
　　常規曝氣是在過濾前設置獨立的曝氣池。因為本項目為舊水廠改造，清水池最高水位在地面上2.9m，設置獨立的曝氣池將導致絮凝沉淀池高出地面9.5m以上，絮凝沉淀池池底將高出地面1m，不利于工程抗震，也將增加占地面積和工程造價。
　　本工程將沉淀池集水槽的深度由標準的0.26m加深到0.76m，形成超過0.5m的跌水曝氣。由于集水槽累計長度較長，折合單寬流量僅12m3/m.h。眾多集水槽三角堰出水形成多個跌水單元，與空氣接觸面積大；三角堰跌水在整個沉淀池面積上曝氣，曝氣面積達117.6m2，比專門跌水曝氣池平面面積大，空氣容易再生循環；每個水柱都是一個錐體流或水滴流，入水時激起眾多微型氣泡群，氣泡總數多，體積小，從理論上講，溶氧更充分，充氧量會更多。
　　3、 生物過濾
　　關于除件除錳，適用于小型水廠的除鐵除錳濾池，一是無閥濾池，一是虹吸濾池。虹吸濾池進出水高差為2.35m，無閥濾池進出水高差為3.17m，考慮到本工程所在地為8度地震烈度區，生產構筑物需要抗震設防，構筑物越矮越好，因此選擇虹吸濾池。
　　濾池濾料分天然濾料和人工濾料，天然濾料取材比較廣泛，有普通石英砂濾料、除鐵錳砂濾料、無煙煤濾料和果殼濾料等；人工濾料有陶�？咨�物濾料。天然濾料一般造價較低，人工濾料一般強度較高，壽命較長；天然濾料能滿足一般地表水水廠除濁凈水要求，也能滿足地下水除鐵除錳要求。本工程水質三價鐵含量較少，過濾主要是除錳和脫氮，需要在濾料上附著錳氧化細菌、硝酸菌和亞硝酸菌，對濾池中生物要求比較高，生物菌培養周期長。天然濾料生物膜容易在濾池反沖冼中脫落，不利于細菌生長，而球型陶粒多孔生物濾料比表面積是常規濾料的4--6倍，易于掛膜和有利于微生物生長，在球型陶粒的表面及內部和微孔內，微生物不易流失，即使長時間不運轉也能保持其菌種，在反沖冼時保護生長在孔隙中的細菌群[4]，因此，本生物濾池選用球型陶粒多孔生物濾料。
　　關于除氨脫氮，本工程地下水水溫在15—30之間，投加石灰軟化使水的PH值在7.4以上，通過沉淀池曝氣使溶氧含量在0.5mg/L以上，符合控制硝化反硝化在亞硝酸階段進行的條件，經曝氣吹脫和生物過濾，能夠很好地將水中的氨和硝酸鹽去除。
　　4、 消毒與調質
　　采用加液氯消毒，用鹽酸調整出水水質。
　　四、 結束語
　　水廠改造充分考慮了現狀清水池的利用，采用增加沉淀池集水槽深度的辦法達到高效曝氣目的，降低了處理構筑物總體高程，減少了工程占地面積，降低了工程造價。
　　在除鐵除錳和除氨脫氮中，堅持以理論指導設計，并積極采用新材料新技術，使一座生物濾池滿足水質常規凈化、除鐵除錳和除氨脫氮多重功能。
　　本設計的不足之處是采用虹吸濾池作為生物濾池，耗水量較大，在近期用水量較少時不能正常反沖洗，應該采用翻板濾池，以便減少反沖洗水量，滿足近期水量少時分格使用。
　　參考文獻：
　　[1]中國給水排水2003年6期楊宏李冬張杰陳立學趙英麗
　　[2]給水排水2000年11期施永生
　　[3]工業用水與廢水2007年第2期王鵬林華東
　　[4]環境科學學報2002年4期江萍胡九成