生物慢滤池处理径流雨水的运行优化研究

《生物慢滤池处理径流雨水的运行优化研究》论文发表期刊：《水电能源科学》；发表周期：2020年12期

《生物慢滤池处理径流雨水的运行优化研究》论文作者信息：康建伟(1974-)，女，高级工程师，研究方向为建筑给水排水及海绵城市规划与设计

　　摘要：针对传统的生物慢滤池滤层厚度大、滤速低、产水量少的问题，进行优化滤料、提高滤速、改进池型、减小滤层厚度的调整，将装置运行4个月。试验表明，当生物慢滤池的滤层厚度均采用0.11 m、滤速提高至0.4~

　　0.6 m/h时，CODs、浊度、TP，TN的去除率与滤层厚度0.15~0.18 m、滤速0.1~0.3 m/h的传统生物慢滤池相当。采用折返式滤箱，降低装置总高度，在保障出水水质前提下降低了电耗。因此，以径流雨水为水源，通过改进池型、提高滤速、减小提升泵扬程，可满足《城市污水再生利用-景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)标准和《生活饮用水卫生标准》(GB5 749-2006)标准。

　　关键词：生物慢滤池;雨水;滤层厚度;滤速;去除率

　　1引用

　　生物慢滤池[1]是一种集物理吸附功能与生物化学降解于一体的水处理系统，具有可操作性强、运行管理方便、造价低且对运行维护人员的专业技术水平要求不高等优点。但由于生物慢滤池占地面积大、处理水量低，仅在一些干旱缺水、管网不发达的农村地区使用广泛[23]。利用生物慢滤技术对地表水或雨水处理后，不仅可用于生活杂用，还能满足生活饮用要求，既能缓解水资源短缺的危机，又能为偏远农村缺水地区提供一种适用于家庭使用的规模小、处理效果好的水处理方法，可改善农村用水水质，提高农村用水安全性[。为增加生物慢滤池的处理水量和应用灵活性，本文在现有生物慢滤技术的基础上，改进池型设计、优化运行参数、提高生物慢滤池对水中污染物的去除能力、保障出水水质，并增加水处理能力，保障在无集中供水地区能够以径流雨水为水源，满足农村家庭日常用水的需求。

　　2试验材料与方法

　　2.1试验装置

　　传统生物慢滤池的滤料由石英砂和活性炭组合而成，滤速多在0.1~0.3 m/h之间，滤层厚度多为1.5~1.8 m，进水需水泵提升[。试验在传统生物慢滤池的基础上减小滤层厚度、降低装置总高度，以便于人工进水;设定滤速为0.4~0.6m/h，以提高产水量，实现满足至少1户(4人)居民的用水需求[]。

　　设计生物慢滤试验装置A，如图1(a)所示，为降低装置的总高度，实现人工进水，采用横断面为矩形的折返式滤箱，即中间用隔板将滤箱平分为两格，每格的断面尺寸为0.17 m×0.17 m，原水从一侧滤箱的顶部进入，转折后从另一侧滤箱的顶部流出。滤箱和隔板均为有机玻璃。左右两格均由0.55 m滤料层、顶部0.15 m蓄水层和底部0.05 m卵石层组成[7。为促进回用强化水质，改进了滤料层设计，即滤料层从上至下依次为0.4

　　m石英砂、0.15 m果壳活性炭。试验装置A共设3组，采用不同设计滤速，分别为0.4.0.5、0.6 m/h.

　　对比试验装置B如图1(b)所示，参照传统生物慢滤池设计，即横断面为圆形的滤柱，直径为

　　0.1 m，断面积与试验装置A的单格面积相同，材质为有机玻璃。试验装置B由1.1 m滤料层、顶部0.15 m蓄水层和底部0.1m卵石层组成;滤料层从上至下依次为0.4m石英砂、0.3 m果壳活性炭和0.4m石英砂。设计试验装置B是为了与试验装置A做比较，目的在于检验生物慢滤池池型设计与运行参数优化后的处理效果，故选择滤速与试验装置A接近，即采用0.5 m/h。试验装置设计参数见表1.

　　试验原水取自北京市某径流雨水汇集塘，原水的pH值为7.24，DO、COD分别为1.89，9.46

　　mg/L，浊度为60.2 NTU，TP，TN分别为0.52、

　　1.83 mg/L

　　2.2 试验设计

　　试验对不同池型的生物慢滤设计试验装置进行滤速优化，将设计装置与对比装置的滤层总有效厚度均设为1.1 m。试验采用连续进水方式，运行分为挂膜期和稳定运行期两个阶段[]。挂膜期(0~3d)设计装置A的滤速分别为0.4、0.50.6 m/h，对比装置B的滤速采用0.5 m/h，各试验装置挂膜期的控制参数见表2。

　　挂膜期每天检测进出水COD浓度，当COD去除率稳定在30%以上时，表示生物慢滤池挂膜成功，试验进入稳定运行期[]。稳定运行期，各试验装置的进水量、流速、曝气量均与挂膜期的后期保持一致，运行时间0~30d期间，采样频率为3d/次，运行31~60 d为7 d/次，61~122d为15d/次。

　　2.3 检测指标及检测方法各试验装置进出水检测指标主要是CODM、TP，TN、浊度，检测方法见表3[0]

　　3结果与分析

　　3.1 COD 去除效果

　　折返式设计试验装置A1(滤速0.4 m/h)、A2

　　(滤速0.5 m/h)、A3(滤速0.6 m/h)和对比试验装置B(滤速0.5 m/h)运行0~122 d的进出水CODM及去除率见图2。由图2可知：0第0-30d，各试验装置CODMm去除率均呈指数增加，随进水CODM的变化而有波动，且滤速越大，CODMa去除率相对越低。@第30~60 d，进水CODM波动较小，设计试验装置A1，A2，A3的出水CODNm较稳定，但对比试验装置波动较大。③第60~

　　122 d，各装置对CODM的去除均趋于稳定，去除率大小依次为AI>A2>A3>B综上可知，4个装置出水CODM稳定在1

　　mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-

　　2006)中CODM为3 mg/L的限制。

　　3.2浊度去除效果

　　折返式设计试验装置A1(滤速0.4 m/h)、A2

　　(滤速0.5 m/h)、A3(滤速0.6 m/h)和对比试验装置B(滤速0.5 m/h)运行0~122 d的进出水浊度见图3。由图3可知：@第0~30d，各试验装置对浊度的去除率均随运行时间的增加而逐渐增大，且滤速越大，浊度去除率越低。@第30~122

　　d，进水浊度变化较大各试验装置对浊度的去除率基本稳定增加，最终保持在98%以上，去除效果略有差异，依次为A1>A2>B>A3，表明滤速采用0.6 m/h的设计试验装置不再具有水质处理优势。4个装置的出水浊度均能达到0，满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[]中1NTU的限制。

　　3.3 TP去除效果

　　折返式设计试验装置A1(滤速0.4 m/h)、A2

　　(滤速0.5 m/h)、A3(滤速0.6 m/h)和对比试验装置B(滤速0.5 m/h)运行0~122 d的进出水TP见图4。由图4可知：0第0~30 d，各试验装置对TP的去除率均随装置运行时间的增加而逐渐增大;@第30~60 d逐渐趋于稳定;③第60~122 d，TP的去除率基本保持稳定，很少受进水TP变化的影响，去除率大小次序与浊度影响类似，即AI>A2>B>A3.

　　上述4个装置出水TP含量均低于0.3

　　mg/L，符合《城市污水再生利用一景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)[12中0.5 mg/1的限值。

　　3.4 TN去除效果

　　折返式设计试验装置A1(滤速0.4 m/h)、A2

　　(滤速0.5 m/h)，A3(滤速0.6 m/h)和对比试验装置B(滤速0.5 m/h)运行0-122 d的进出水TN见图5.

　　由图5可知：①第0~30 d，A(滤速0.4 m/h)

　　A2(滤速0.5 m/h)、A3(滤速0.6 m/h)，B(滤速

　　0.5 m/h)4个装置TN的去除率随装置运行时间的增加而逐渐升高，但随进水TN含量变化波动;其次滤速越大，TN去除率相对越低。@第30~

　　122 d，4个装置TN去除率基本趋于稳定，受进水TN变化有微小的波动，4个装置TN去除率与CODM顺序类似，为A1>A2 >A3>B.

　　上述4个装置出水TN的含量均低于1.0

　　mg/L，符合《城市污水再生利用一景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)([2]中1 15 mg/L的限值。

　　综合上述分析可知，试验初期，微生物活性较高，滤料吸附能力强，对污染物的去除效果好，去除率大幅上升，随着试验时间的增加，滤料吸附性能逐渐降低，对污染物的吸附能力逐渐趋于稳定;另外，滤速增大或采用折返式滤箱，一定程度上不利于微生物生长，会导致微生物量略有减小，污染物去除效果略受影响，但整个试验过程中4个装置的污染物去除效果相差微小。因此，适当提升滤速或采用折返式滤箱并不会对污染物去除效果有明显影响，但却能在一定程度上增加水处理量并降低装置能源消耗。根据相关文献资料[1]可知，在滤层厚度150 cm，滤料为石英砂，滤速分别为0.1，0.2，0.3 m/h条件下，生物慢滤池稳定运行后，COD去6率在21.40%~47.30%之间，浊度的去除率在98%以上，均满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[1]中CODMa和浊度的要求.TP去除率在38.78%~47.11%之间、TN去除率在35.6%~49.7%之间，满足《城市污水再生利用一景观环境用水水质》(GB/T18921-

　　2002)[12]中TP(0.5 mg/L)，TN(15 mg/L)浓度的限值。试验设计滤速较高，4个装置对CODMa的去除率在90%、对浊度的去除率在98%、对TP的去除率为36.54%~46.67%、对TN的去除率为19.72%~37.36%。出水CODM与浊度满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[1]的要求，出水TP与TN满足《城市污水再生利用一景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)[12]的要求。

　　4结论

　　a，在无集中供水的农村地区，以径流雨水为水源，通过优化生物慢滤池设计，选择适当的运行参数，在不降低水质的前提下可以提高出水量，使净化后的出水达到不同的使用需求，缓解偏远地区的缺水压力。

　　b.设计折返式生物慢滤箱，其滤层厚度由传统的1.5~1.8 m降至1.1 m，装置总高度相应降低至不足1.0 m，滤料层总厚度采用石英砂0.8 m和活性炭0.3 m，一套与试验装置同规模的产品可满足4口之家基本用水需求，实现天然水的家庭处理与安全回用。

　　参考文献：

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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