《生物慢濾池處理徑流雨水的運行優化研究》論文發表期刊：《水電能源科學》；發表周期：2020年12期

《生物慢濾池處理徑流雨水的運行優化研究》論文作者信息：康建偉(1974-)，女，高級工程師，研究方向為建筑給水排水及海綿城市規劃與設計

　　摘要：針對傳統的生物慢濾池濾層厚度大、濾速低、產水量少的問題，進行優化濾料、提高濾速、改進池型、減小濾層厚度的調整，將裝置運行4個月。試驗表明，當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，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的傳統生物慢濾池相當。采用折返式濾箱，降低裝置總高度，在保障出水水質前提下降低了電耗。因此，以徑流雨水為水源，通過改進池型、提高濾速、減小提升泵揚程，可滿足《城市污水再生利用-景觀環境用水水質》(GB/T18921-2002)標準和《生活飲用水衛生標準》(GB5 749-2006)標準。

　　關鍵詞：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降解于一體的水處理系統，具有可操作性強、運行管理方便、造價低且對運行維護人員的專業技術水平要求不高等優點。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、管網不發達的農村地區使用廣泛[23]。利用生物慢濾技術對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，又能為偏遠農村缺水地區提供一種適用于家庭使用的規模小、處理效果好的水處理方法，可改善農村用水水質，提高農村用水安全性[。為增加生物慢濾池的處理水量和應用靈活性，本文在現有生物慢濾技術的基礎上，改進池型設計、優化運行參數、提高生物慢濾池對水中污染物的去除能力、保障出水水質，并增加水處理能力，保障在無集中供水地區能夠以徑流雨水為水源，滿足農村家庭日常用水的需求。

　　2試驗材料與方法

　　2.1試驗裝置

　　傳統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，進水需水泵提升[。試驗在傳統生物慢濾池的基礎上減小濾層厚度、降低裝置總高度，以便于人工進水;設定濾速為0.4~0.6m/h，以提高產水量，實現滿足至少1戶(4人)居民的用水需求[]。

　　設計生物慢濾試驗裝置A，如圖1(a)所示，為降低裝置的總高度，實現人工進水，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，原水從一側濾箱的頂部進入，轉折后從另一側濾箱的頂部流出。濾箱和隔板均為有機玻璃。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。為促進回用強化水質，改進了濾料層設計，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。試驗裝置A共設3組，采用不同設計濾速，分別為0.4.0.5、0.6 m/h.

　　對比試驗裝置B如圖1(b)所示，參照傳統生物慢濾池設計，即橫斷面為圓形的濾柱，直徑為

　　0.1 m，斷面積與試驗裝置A的單格面積相同，材質為有機玻璃。試驗裝置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。設計試驗裝置B是為了與試驗裝置A做比較，目的在于檢驗生物慢濾池池型設計與運行參數優化后的處理效果，故選擇濾速與試驗裝置A接近，即采用0.5 m/h。試驗裝置設計參數見表1.

　　試驗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 試驗設計

　　試驗對不同池型的生物慢濾設計試驗裝置進行濾速優化，將設計裝置與對比裝置的濾層總有效厚度均設為1.1 m。試驗采用連續進水方式，運行分為掛膜期和穩定運行期兩個階段[]。掛膜期(0~3d)設計裝置A的濾速分別為0.4、0.50.6 m/h，對比裝置B的濾速采用0.5 m/h，各試驗裝置掛膜期的控制參數見表2。

　　掛膜期每天檢測進出水COD濃度，當COD去除率穩定在30%以上時，表示生物慢濾池掛膜成功，試驗進入穩定運行期[]。穩定運行期，各試驗裝置的進水量、流速、曝氣量均與掛膜期的后期保持一致，運行時間0~30d期間，采樣頻率為3d/次，運行31~60 d為7 d/次，61~122d為15d/次。

　　2.3 檢測指標及檢測方法各試驗裝置進出水檢測指標主要是CODM、TP，TN、濁度，檢測方法見表3[0]

　　3結果與分析

　　3.1 COD 去除效果

　　折返式設計試驗裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)、A3(濾速0.6 m/h)和對比試驗裝置B(濾速0.5 m/h)運行0~122 d的進出水CODM及去除率見圖2。由圖2可知：0第0-30d，各試驗裝置CODMm去除率均呈指數增加，隨進水CODM的變化而有波動，且濾速越大，CODMa去除率相對越低。@第30~60 d，進水CODM波動較小，設計試驗裝置A1，A2，A3的出水CODNm較穩定，但對比試驗裝置波動較大。③第60~

　　122 d，各裝置對CODM的去除均趨于穩定，去除率大小依次為AI>A2>A3>B綜上可知，4個裝置出水CODM穩定在1

　　mg/L，滿足《生活飲用水衛生標準》(GB5749-

　　2006)中CODM為3 mg/L的限制。

　　3.2濁度去除效果

　　折返式設計試驗裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)、A3(濾速0.6 m/h)和對比試驗裝置B(濾速0.5 m/h)運行0~122 d的進出水濁度見圖3。由圖3可知：@第0~30d，各試驗裝置對濁度的去除率均隨運行時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，進水濁度變化較大各試驗裝置對濁度的去除率基本穩定增加，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的設計試驗裝置不再具有水質處理優勢。4個裝置的出水濁度均能達到0，滿足《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)[]中1NTU的限制。

　　3.3 TP去除效果

　　折返式設計試驗裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)、A3(濾速0.6 m/h)和對比試驗裝置B(濾速0.5 m/h)運行0~122 d的進出水TP見圖4。由圖4可知：0第0~30 d，各試驗裝置對TP的去除率均隨裝置運行時間的增加而逐漸增大;@第30~60 d逐漸趨于穩定;③第60~122 d，TP的去除率基本保持穩定，很少受進水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境用水水質》(GB/T18921-2002)[12中0.5 mg/1的限值。

　　3.4 TN去除效果

　　折返式設計試驗裝置A1(濾速0.4 m/h)、A2

　　(濾速0.5 m/h)，A3(濾速0.6 m/h)和對比試驗裝置B(濾速0.5 m/h)運行0-122 d的進出水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個裝置TN的去除率隨裝置運行時間的增加而逐漸升高，但隨進水TN含量變化波動;其次濾速越大，TN去除率相對越低。@第30~

　　122 d，4個裝置TN去除率基本趨于穩定，受進水TN變化有微小的波動，4個裝置TN去除率與CODM順序類似，為A1>A2 >A3>B.

　　上述4個裝置出水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境用水水質》(GB/T18921-2002)([2]中1 15 mg/L的限值。

　　綜合上述分析可知，試驗初期，微生物活性較高，濾料吸附能力強，對污染物的去除效果好，去除率大幅上升，隨著試驗時間的增加，濾料吸附性能逐漸降低，對污染物的吸附能力逐漸趨于穩定;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，會導致微生物量略有減小，污染物去除效果略受影響，但整個試驗過程中4個裝置的污染物去除效果相差微小。因此，適當提升濾速或采用折返式濾箱并不會對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。根據相關文獻資料[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，生物慢濾池穩定運行后，COD去6率在21.40%~47.30%之間，濁度的去除率在98%以上，均滿足《生活飲用水衛生標準》(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境用水水質》(GB/T18921-

　　2002)[12]中TP(0.5 mg/L)，TN(15 mg/L)濃度的限值。試驗設計濾速較高，4個裝置對CODMa的去除率在90%、對濁度的去除率在98%、對TP的去除率為36.54%~46.67%、對TN的去除率為19.72%~37.36%。出水CODM與濁度滿足《生活飲用水衛生標準》(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境用水水質》(GB/T18921-2002)[12]的要求。

　　4結論

　　a，在無集中供水的農村地區，以徑流雨水為水源，通過優化生物慢濾池設計，選擇適當的運行參數，在不降低水質的前提下可以提高出水量，使凈化后的出水達到不同的使用需求，緩解偏遠地區的缺水壓力。

　　b.設計折返式生物慢濾箱，其濾層厚度由傳統的1.5~1.8 m降至1.1 m，裝置總高度相應降低至不足1.0 m，濾料層總厚度采用石英砂0.8 m和活性炭0.3 m，一套與試驗裝置同規模的產品可滿足4口之家基本用水需求，實現天然水的家庭處理與安全回用。

　　參考文獻：

　　[1]楊香東，生物慢濾水處理集成技術-一種節約、生態環保、方便管理的水處理技術[C]//科技創新與水利改 革———中 國 水 利 學 會 2010 學 術 年 會，鄭 州：黃河水利出版社，2010

　　[2]劉來勝，周懷東，劉玲花，等.生物慢濾技術脫氮性能試驗研究[J].中國農村水利水電，2013(5)：81-84.

　　[3]李鵬，趙元忠，鄭勇家，等，家用型生物慢濾裝置在窖水處理中的應用[J].甘肅農業大學學報，2012，47(6)，139-145.

　　[4]MIKLAS SCHOLZ.Wetlands for water pollution control[M].Second edition.elsevier，2016，61-68.

　　[5]TERIN I.P，SABOGAL-Paz，microcystis aeruginosa and microcystin-LR removal by household slow sand filtersoperating in continuous and intermittent flows[1].Water research，2019(150)：29-39.

　　[6]楊曉妮，楊浩，砂濾工藝處理西北黃土源地區集雨水石英砂改性及濾速選定試驗[J].凈水技術，2017，36(11)：50-54.

　　[7]張宇，均質濾料過濾技術研究-濾料粒徑和濾層厚度對過濾特性的影響關系研究[D].西安;西安建筑科技大學，2004.

　　[8]JOAO MIMOSO.WOUTERPRONK，EBERHARD MORGENROTH，et al.Bacterial growth in batch-

　　operated membrane filtration systems for drinking water treatment[J].Separation and purification techoogy，2015，156(2)：165-174.

　　[9]何國燦，緩速生物砂濾技術研究及在農村飲用水安全保障中的應用[D].西安：長安大學，2016.

　　[10]國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會水和廢水監測分析方法[M].第4版.北京：中國境科出版社，2002.

　　[11]建設部給水排水產品標準化技術委員會.城市污水再生利用-景觀環境用水水質：GB/T 18921-

　　2002[S].北京：中國標準出版社，2003.

　　[12]中華人民共和國衛生部，生活飲用水衛生標準：GB

　　5749-2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

　　[13]張碩微污染水源水處理集成技術研究(氣浮一生物接觸氧化一沸石過濾)[D].上海：濟大，2007.

　　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