《生物慢濾池處理徑流雨水的運(yùn)行優(yōu)化研究》論文發(fā)表期刊：《水電能源科學(xué)》；發(fā)表周期：2020年12期

《生物慢濾池處理徑流雨水的運(yùn)行優(yōu)化研究》論文作者信息：康建偉(1974-)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ�給水排水及海綿城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的生物慢濾池濾層厚度大、濾速低、產(chǎn)水量少的問題，進(jìn)行優(yōu)化濾料、提高濾速、改進(jìn)池型、減小濾層厚度的調(diào)整，將裝置運(yùn)行4個(gè)月。試驗(yàn)表明，當(dāng)生物慢濾池的濾層厚度均采用0.11 m、濾速提高至0.4~

　　0.6 m/h時(shí)，CODs、濁度、TP，TN的去除率與濾層厚度0.15~0.18 m、濾速0.1~0.3 m/h的傳統(tǒng)生物慢濾池相當(dāng)。采用折返式濾箱，降低裝置總高度，在保障出水水質(zhì)前提下降低了電耗。因此，以徑流雨水為水源，通過改進(jìn)池型、提高濾速、減小提升泵揚(yáng)程，可滿足《城市污水再生利用-景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2002)標(biāo)準(zhǔn)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5 749-2006)標(biāo)準(zhǔn)。

　　關(guān)鍵詞：生物慢濾池;雨水;濾層厚度;濾速;去除率

　　1引用

　　生物慢濾池[1]是一種集物理吸附功能與生物化學(xué)降解于一體的水處理系統(tǒng)，具有可操作性強(qiáng)、運(yùn)行管理方便、造價(jià)低且對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員的專業(yè)技術(shù)水平要求不高等優(yōu)點(diǎn)。但由于生物慢濾池占地面積大、處理水量低，僅在一些干旱缺水、管網(wǎng)不發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)使用廣泛[23]。利用生物慢濾技術(shù)對(duì)地表水或雨水處理后，不僅可用于生活雜用，還能滿足生活飲用要求，既能緩解水資源短缺的危機(jī)，又能為偏遠(yuǎn)農(nóng)村缺水地區(qū)提供一種適用于家庭使用的規(guī)模小、處理效果好的水處理方法，可改善農(nóng)村用水水質(zhì)，提高農(nóng)村用水安全性[。為增加生物慢濾池的處理水量和應(yīng)用靈活性，本文在現(xiàn)有生物慢濾技術(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)池型設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、提高生物慢濾池對(duì)水中污染物的去除能力、保障出水水質(zhì)，并增加水處理能力，保障在無集中供水地區(qū)能夠以徑流雨水為水源，滿足農(nóng)村家庭日常用水的需求。

　　2試驗(yàn)材料與方法

　　2.1試驗(yàn)裝置

　　傳統(tǒng)生物慢濾池的濾料由石英砂和活性炭組合而成，濾速多在0.1~0.3 m/h之間，濾層厚度多為1.5~1.8 m，進(jìn)水需水泵提升[。試驗(yàn)在傳統(tǒng)生物慢濾池的基礎(chǔ)上減小濾層厚度、降低裝置總高度，以便于人工進(jìn)水;設(shè)定濾速為0.4~0.6m/h，以提高產(chǎn)水量，實(shí)現(xiàn)滿足至少1戶(4人)居民的用水需求[]。

　　設(shè)計(jì)生物慢濾試驗(yàn)裝置A，如圖1(a)所示，為降低裝置的總高度，實(shí)現(xiàn)人工進(jìn)水，采用橫斷面為矩形的折返式濾箱，即中間用隔板將濾箱平分為兩格，每格的斷面尺寸為0.17 m×0.17 m，原水從一側(cè)濾箱的頂部進(jìn)入，轉(zhuǎn)折后從另一側(cè)濾箱的頂部流出。濾箱和隔板均為有機(jī)玻璃。左右兩格均由0.55 m濾料層、頂部0.15 m蓄水層和底部0.05 m卵石層組成[7。為促進(jìn)回用強(qiáng)化水質(zhì)，改進(jìn)了濾料層設(shè)計(jì)，即濾料層從上至下依次為0.4

　　m石英砂、0.15 m果殼活性炭。試驗(yàn)裝置A共設(shè)3組，采用不同設(shè)計(jì)濾速，分別為0.4.0.5、0.6 m/h.

　　對(duì)比試驗(yàn)裝置B如圖1(b)所示，參照傳統(tǒng)生物慢濾池設(shè)計(jì)，即橫斷面為圓形的濾柱，直徑為

　　0.1 m，斷面積與試驗(yàn)裝置A的單格面積相同，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。試驗(yàn)裝置B由1.1 m濾料層、頂部0.15 m蓄水層和底部0.1m卵石層組成;濾料層從上至下依次為0.4m石英砂、0.3 m果殼活性炭和0.4m石英砂。設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置B是為了與試驗(yàn)裝置A做比較，目的在于檢驗(yàn)生物慢濾池池型設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化后的處理效果，故選擇濾速與試驗(yàn)裝置A接近，即采用0.5 m/h。試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

　　試驗(yàn)原水取自北京市某徑流雨水匯集塘，原水的pH值為7.24，DO、COD分別為1.89，9.46

　　mg/L，濁度為60.2 NTU，TP，TN分別為0.52、

　　1.83 mg/L

　　2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)對(duì)不同池型的生物慢濾設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行濾速優(yōu)化，將設(shè)計(jì)裝置與對(duì)比裝置的濾層總有效厚度均設(shè)為1.1 m。試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水方式，運(yùn)行分為掛膜期和穩(wěn)定運(yùn)行期兩個(gè)階段[]。掛膜期(0~3d)設(shè)計(jì)裝置A的濾速分別為0.4、0.50.6 m/h，對(duì)比裝置B的濾速采用0.5 m/h，各試驗(yàn)裝置掛膜期的控制參數(shù)見表2。

　　掛膜期每天檢測(cè)進(jìn)出水COD濃度，當(dāng)COD去除率穩(wěn)定在30%以上時(shí)，表示生物慢濾池掛膜成功，試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期[]。穩(wěn)定運(yùn)行期，各試驗(yàn)裝置的進(jìn)水量、流速、曝氣量均與掛膜期的后期保持一致，運(yùn)行時(shí)間0~30d期間，采樣頻率為3d/次，運(yùn)行31~60 d為7 d/次，61~122d為15d/次。

　　2.3 檢測(cè)指標(biāo)及檢測(cè)方法各試驗(yàn)裝置進(jìn)出水檢測(cè)指標(biāo)主要是CODM、TP，TN、濁度，檢測(cè)方法見表3[0]

　　3結(jié)果與分析

　　3.1 COD 去除效果

　　折返式設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)、A3(濾速0.6 m/h)和對(duì)比試驗(yàn)裝置B(濾速0.5 m/h)運(yùn)行0~122 d的進(jìn)出水CODM及去除率見圖2。由圖2可知：0第0-30d，各試驗(yàn)裝置CODMm去除率均呈指數(shù)增加，隨進(jìn)水CODM的變化而有波動(dòng)，且濾速越大，CODMa去除率相對(duì)越低。@第30~60 d，進(jìn)水CODM波動(dòng)較小，設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置A1，A2，A3的出水CODNm較穩(wěn)定，但對(duì)比試驗(yàn)裝置波動(dòng)較大。③第60~

　　122 d，各裝置對(duì)CODM的去除均趨于穩(wěn)定，去除率大小依次為AI>A2>A3>B綜上可知，4個(gè)裝置出水CODM穩(wěn)定在1

　　mg/L，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-

　　2006)中CODM為3 mg/L的限制。

　　3.2濁度去除效果

　　折返式設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)、A3(濾速0.6 m/h)和對(duì)比試驗(yàn)裝置B(濾速0.5 m/h)運(yùn)行0~122 d的進(jìn)出水濁度見圖3。由圖3可知：@第0~30d，各試驗(yàn)裝置對(duì)濁度的去除率均隨運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸增大，且濾速越大，濁度去除率越低。@第30~122

　　d，進(jìn)水濁度變化較大各試驗(yàn)裝置對(duì)濁度的去除率基本穩(wěn)定增加，最終保持在98%以上，去除效果略有差異，依次為A1>A2>B>A3，表明濾速采用0.6 m/h的設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置不再具有水質(zhì)處理優(yōu)勢(shì)。4個(gè)裝置的出水濁度均能達(dá)到0，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)[]中1NTU的限制。

　　3.3 TP去除效果

　　折返式設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)、A3(濾速0.6 m/h)和對(duì)比試驗(yàn)裝置B(濾速0.5 m/h)運(yùn)行0~122 d的進(jìn)出水TP見圖4。由圖4可知：0第0~30 d，各試驗(yàn)裝置對(duì)TP的去除率均隨裝置運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸增大;@第30~60 d逐漸趨于穩(wěn)定;③第60~122 d，TP的去除率基本保持穩(wěn)定，很少受進(jìn)水TP變化的影響，去除率大小次序與濁度影響類似，即AI>A2>B>A3.

　　上述4個(gè)裝置出水TP含量均低于0.3

　　mg/L，符合《城市污水再生利用一景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2002)[12中0.5 mg/1的限值。

　　3.4 TN去除效果

　　折返式設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)，A3(濾速0.6 m/h)和對(duì)比試驗(yàn)裝置B(濾速0.5 m/h)運(yùn)行0-122 d的進(jìn)出水TN見圖5.

　　由圖5可知：①第0~30 d，A(濾速0.4 m/h)

　　A2(濾速0.5 m/h)、A3(濾速0.6 m/h)，B(濾速

　　0.5 m/h)4個(gè)裝置TN的去除率隨裝置運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸升高，但隨進(jìn)水TN含量變化波動(dòng);其次濾速越大，TN去除率相對(duì)越低。@第30~

　　122 d，4個(gè)裝置TN去除率基本趨于穩(wěn)定，受進(jìn)水TN變化有微小的波動(dòng)，4個(gè)裝置TN去除率與CODM順序類似，為A1>A2 >A3>B.

　　上述4個(gè)裝置出水TN的含量均低于1.0

　　mg/L，符合《城市污水再生利用一景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2002)([2]中1 15 mg/L的限值。

　　綜合上述分析可知，試驗(yàn)初期，微生物活性較高，濾料吸附能力強(qiáng)，對(duì)污染物的去除效果好，去除率大幅上升，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，濾料吸附性能逐漸降低，對(duì)污染物的吸附能力逐漸趨于穩(wěn)定;另外，濾速增大或采用折返式濾箱，一定程度上不利于微生物生長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致微生物量略有減小，污染物去除效果略受影響，但整個(gè)試驗(yàn)過程中4個(gè)裝置的污染物去除效果相差微小。因此，適當(dāng)提升濾速或采用折返式濾箱并不會(huì)對(duì)污染物去除效果有明顯影響，但卻能在一定程度上增加水處理量并降低裝置能源消耗。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[1]可知，在濾層厚度150 cm，濾料為石英砂，濾速分別為0.1，0.2，0.3 m/h條件下，生物慢濾池穩(wěn)定運(yùn)行后，COD去6率在21.40%~47.30%之間，濁度的去除率在98%以上，均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)[1]中CODMa和濁度的要求.TP去除率在38.78%~47.11%之間、TN去除率在35.6%~49.7%之間，滿足《城市污水再生利用一景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-

　　2002)[12]中TP(0.5 mg/L)，TN(15 mg/L)濃度的限值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)濾速較高，4個(gè)裝置對(duì)CODMa的去除率在90%、對(duì)濁度的去除率在98%、對(duì)TP的去除率為36.54%~46.67%、對(duì)TN的去除率為19.72%~37.36%。出水CODM與濁度滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)[1]的要求，出水TP與TN滿足《城市污水再生利用一景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2002)[12]的要求。

　　4結(jié)論

　　a，在無集中供水的農(nóng)村地區(qū)，以徑流雨水為水源，通過優(yōu)化生物慢濾池設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)，在不降低水質(zhì)的前提下可以提高出水量，使凈化后的出水達(dá)到不同的使用需求，緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)的缺水壓力。

　　b.設(shè)計(jì)折返式生物慢濾箱，其濾層厚度由傳統(tǒng)的1.5~1.8 m降至1.1 m，裝置總高度相應(yīng)降低至不足1.0 m，濾料層總厚度采用石英砂0.8 m和活性炭0.3 m，一套與試驗(yàn)裝置同規(guī)模的產(chǎn)品可滿足4口之家基本用水需求，實(shí)現(xiàn)天然水的家庭處理與安全回用。

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　　Abstract: The traditional biological slow filtration has been facing problems such as larger filter layer thickness, lower filtration rate and lower production. So, operation plan of biological slow sand filtration was discussed, which include optimizing filter material, improving filter speed and type as well as reducing the filter thickness. The improved device had been operated four months. Test shows that when the layer thickness was chosen 110 cm and the filtration rate was increased to 0.4-0.6 m/h, the removal rate of CODMn, turbidity, TP and TN in biological slow sand filtration was the same as the traditional ones with 0.15-0.18 m filter thickness and 0.1-0.3 m/h filter speed. The folded type filter was used to reduce the height of the device and electric energy consumption on the premise of ensuring outlet water quality. There fore, taking the runoff rainwater as water source, improving the device structure, increase of filtration rate and reducing pump lift can meet the reuse of urban recyling water -water quality standard for scenic environment use and standards for drinking water quality.

　　Key words: biological slow filter; rainwater; filter thickness; filter speed; removal rate