珠三角下游部分城市的生活饮用水源水近年来受到季节性高氨氮和有机物污染，尤其在枯水期氨氮和有机物含量较高，大大超出《地表水环境质量标准》(GB3838--2002)的Ⅲ类标准。自来水厂常规净水工艺(混凝/沉淀/过滤/消毒)对有机物的去除率通常只能达到40%～50%，对嗅味去除率较低，对痕量有毒有害有机物处理能力有限，而对氨氮基本没有去除效果，出厂水质主要存在以下问题：①出厂水氨氮严重超标，生物稳定性差，在管网中出现亚硝化，导致余氯下降过快，管网水细菌总数难以控制;②即使采用强化措施，也往往难以达到COD≤3mg/L的标准，需要执行水源受限制时COD≤5mg/L的放宽标准;③氯化消毒副产物存在超标风险，靠近自来水厂的管网水余氯含量很高，而管网末梢以及一部分环状支管的余氯含量有时得不到保证，细菌总数可能超标;④口感较差，甚至出现异味，嗅阈值存在超标现象。
珠江原水试验表明：对于高氨氮原水，采用常规处理/臭氧活性炭工艺并不能实现氨氮达标，原因在于通过臭氧接触池向生物活性炭滤池供氧无法保证硝化菌转化氨氮的需氧量以及搅拌传质的条件。基于珠三角地区地表水水温在冬季>5℃的有利条件，采用生物预处理工艺能够常年有效去除氨氮、COD和嗅味，且不产生二次污染。针对珠三角城市自来水厂净水工艺升级改造用地紧张以及地价昂贵的情况，给水曝气生物滤池工艺具有氨氮去除率高、占地面积较小、保证出厂水氨氮<0.5mg/L的优势，还可以一并除铁除锰，解决珠三角水源水中铁、锰时常超标的问题，故推荐采用。
1给水曝气生物滤池工艺技术
对于氨氮<4mg/L的微污染水源水，已研究开发出高速给水曝气生物滤池，利用大颗粒轻质陶粒滤料在升流条件下对原水中ss截滤率低、过滤水头损失一般不超过5kPa、冲洗前后的过滤水头变化小的特点，适当降低对滤料比表面积指标的要求，大幅提高滤速至16～20m/h，气水比为0～0.5。在大颗粒轻质陶粒滤料表面生物膜的生化与截滤双重作用下，预处理出水氨氮<0.5mg/L，为微污染源水的处理提供了一种高效、节能、省地的处理工艺。高速曝气生物滤池专利技术已经应用于广州市某自来水厂处理规模为73.5×10m3/d的生物预处理工程。
但是对于枯水期氨氮高达4～8mg/L的水源水，采用高速给水曝气生物滤池已经不能实现出水氨氮达到0.5～1.0mg/L的Ⅱ～Ⅲ类水的标准，主要原因在于硝化较高浓度的氨氮需要较大的滤料比表面积以及较长的滤料接触时间。故试验初期选用～5mm球形陶粒滤料，采用升流式曝气生物滤池(UBAF)处理高氨氮原水，滤速为4～6m/h。
由于采用的滤料粒径较小，其过滤能力很强，滤料表面生物膜不断受到截滤Ss的包裹，因此对氨氮的去除率变化幅度较大，滤池冲洗后能够达到85%左右，然后逐步下降，最低只有65%左右。究其原因在于硝化细菌为自养菌，世代周期长，无法在滤料表面截滤的不稳定泥膜上生长，只能在滤料表面形成生物膜。虽然厚度极薄的硝化菌生物膜在陶粒表面附着牢固，可以经受高强度气水冲洗而不脱落，但是当UBAF截滤的SS在滤料表面形成粘泥覆盖时，原水中氨氮与生物膜之间的传质作用被削弱，对氨氮的去除率随之明显下降。由此可见，尽管采用较小的粒径可以显著增加滤料比表面积，降低滤速可以延长滤料接触时间，但将导致滤料对ss的截留率大幅升高，在较短时间内就会覆盖滤料表面的硝化菌生物膜，从而影响水中氨氮和溶解氧与硝化菌生物膜之间的传质，只有对滤池进行冲洗方可恢复其硝化能力。一旦滤池的硝化能力不能满足对氨氮的去除要求，即使滤池的水头损失仍在过滤水头允许范围内，也需要及时冲洗，致使冲洗周期往往只有短短几个小时，带来运行管理方面的困难。
考虑到微污染原水中无机泥砂、SS以及水草、塑料袋等杂质的含量往往大大高于污水曝气生物滤池的进水，尤其是原水挟带或在滤池内滋长贝类、藻类等水生生物，容易造成滤头、曝气头等出现堵塞，采用降流式曝气生物滤池池型(DBAF)能够保护滤头免受阻塞，截滤的泥砂、杂质和ss易于反冲洗清除。但是净化高氨氮原水所需气水比达到0.3～1.5，当滤速稍大时，由于滤料层中气水逆向，下部微气泡上升受阻，难以正常充氧。故DBAF净化高氨氮原水只能采用较小的滤速，效率较低，在实际处理中并不适用。
叠式曝气生物滤池(D—UBAF)是在UBAF之前串接一级大颗粒滤料初滤池(DBAF)，不进行曝气，主要截滤原水中的水草、塑料袋等杂质以及无机泥砂和部分可滤SS，保障后续UBAF稳定运行，而UBAF是叠式曝气生物滤池进行生物预处理的主体。该项专利技术(专利号：ZL200610035882.0)已经应用于广州市某自来水厂的处理规模为105×101TI/d的生物预处理工程中，其构造如图1所示。
主体包括I座DBAF和2座UBAF，DBAF位于管廊的上方。原水经进水渠配入DBAF，经过大颗粒滤料截滤原水中的水草、塑料袋等杂质以及无机泥砂和部分可滤ss，从DBAF两根出水管分别进人两座UBAF。UBAF采用单孔膜曝气管或单孔膜曝气滤头曝气，在小颗粒滤料的生物膜生化与截滤双重作用下，去除水中的氨氮和有机物。D—UBAF采用气水联合冲洗，DBAF的冲洗水单独从排水管排出，UBAF的冲洗水直接进入出水槽。由于微污染原水的硝化菌生物膜增殖缓慢，UBAF水头损失的增加主要由截滤ss造成，而DBAF截滤大部分可滤ss使UBAF在反冲洗前后水头损失变化很小，这是采用集中的鼓风曝气系统而又不会造成各个滤池之间曝气不均的前提条件。D—UBAF有效利用了空间，采用集中的鼓风曝气系统，造价低、节能、对有机物和氨氮去除率高，适用于高氨氮原水的预处理。
2预处理高氨氮原水的试验
2.1工艺流程
试验系统工艺流程见图2。
D—UBAF预处理试验规模为64—96In/h。DBAF的滤料粒径为8—12mm，厚为1.5m；UBAF的滤料粒径为3～5mm，厚为4m，滤速为8～12m/h，滤料接触时间为20～30rain；气水比为0.3～1.5；气水冲洗强度：水冲为6—8L/(m•s)，气冲为l5～20L/(ITI•s)。
2.2运行参数
D—UBAF的运行参数见表1，D—UBAF的进、出水水质分别见表2、3。
3试验结果与分析
3.1枯水期净水效果
取2007年12月一2008年4月共20周的试验数据进行分析。
①对氨氮的去除
枯水期氨氮指标的变化如图3所示。
原水氨氮的周均值为5.02～9.45mg/L，平均为7.09mg/L；DBAF对原水氨氮有一定的去除，平均去除率为15.7%；UBAF对氨氮有很高的去除率，总去除率平均为90.3%。D—UBAF对氨氮的去除率(87.4%～94.0%)波动较小。UBAF内微生物固定生长的特点使硝化细菌有足够的时间进行增殖，池内填料表面生长有丰富的氨化细菌、亚硝化细菌和硝化细菌，其丰富的微生物和完善的菌群结构以及适当的水力停留时间，使UBAF对氨氮具有很好的去除效果。
②对COD的去除枯水期COD指标的变化如图4所示。原水CODM周均值为5.79～10.1mg/L，平均为7.92mg/L；D—UBAF出水CODM平均为4.52mg/L，总的平均去除率为42.7%。
DBAF对CODM的去除率为16.7%，主要以sS的形式被陶粒机械截留而去除；UBAF内由于滤料接触时间为0.5h，异养菌降解有机物的作用已经比较显著，对COD的去除率达到31.5%，大大高于高速给水曝气生物滤池。为了研究D—UBAF工艺对出厂自来水水质的改善程度，在D—UBAF之后串接了混凝/沉淀/砂滤/消毒常规工艺试验系统，全流程试验最终出水COD为1.82～2.8mg/L，平均为2.3mg/L，对COD去除率平均为7l%。与常规工艺自来水厂的出厂水相比，COD总去除率提高约20%。
③对浊度的去除
枯水期浊度指标的变化如图5所示。原水浊度周均值为36.5NTU；DBAF出水浊度的周平均值为23.2NTU，DBAF的浊度去除率平均为34.8%；UBAF出水浊度的周平均值为11.5NTU，UBAF出水相对于DBAF出水的浊度去除率为47.8%；D—UBAF总的浊度去除率平均为66.3%。
由于DBAF去除了大部分可滤SS，UBAF的自养菌生物膜受原水中ss影响较小，而且水头损失增长较缓慢，避免了压力变化对曝气均匀性的不利影响，同时也延长了反冲洗周期。因此，UBAF内生物量和生物活性较单级BAF具有明显的优势，对原水中的高氨氮具有稳定高效的去除效果。
3.2丰水期净水效果
取2008年6月_2008年1O月共20周的试验数据进行分析。
3.2.1对氨氮的去除
丰水期氨氮指标的变化如图6所示。原水氨氮的周均值为2.19～3.41mg/L，平均为2.65mg/L，DBAF出水氨氮平均为2.01mg/L，平均去除率为23.7%；D—UBAF出水氨氮平均为0.28mg/L，氨氮去除率平均为89.3%。
虽然丰水期滤速增大，水力停留时间缩短，气水比降低，但是由于丰水期原水氨氮大幅下降，滤池的氨氮容积负荷较低，使UBAF对氨氮的去除率仍能保持稳定，出水氨氮比枯水期时更低，平均去除率为84.8%～93.4%。因此，在丰水期原水氨氮负荷较低的情况下，可以相应提高D—UBAF的水力负荷。
3.22对COD的去除
原水CODM周均值为5.30～7.56mg/L，平均为6.08mg/L。DBAF出水CODM平均为4.87mg/L，对COD去除率平均为19.2%；UBAF出水COD平均为3.61mg/L，D—UBAF对COD总去除率平均为40.2%。丰水期水量充沛，COD波动幅度小，水质较稳定。DBAF与UBAF对COD去除量基本对等。
3.2.3对浊度的去除
原水浊度平均值为33.9NTU，DBAF出水浊度平均为24.0NTU，平均去除浊度为9.9NTU，去除率为27.1%；UBAF出水浊度平均为11.4NTU，平均去除浊度为15.7NTU，D—UBAF的浊度总去除率平均为65.0%。
3.3滤池的过滤水头损失及其冲洗
D—UBAF的初滤池(DBAF)虽然采用了较大粒径的滤料，但对原水中ss的过滤能力仍然较强，而且滤速是UBAF的2—3倍，因此水头损失增加较快。DBAF冲洗的目的是洗脱截滤的杂质、粘泥和ss，恢复过滤水头。试验表明：每隔1～1.5d反冲洗一次，每次反冲洗10min(气洗3rain，气水共洗7min)，气冲洗强度为2O～25L/(m•s)，水冲洗强度为l0～12L/(m•s)，可以实现反冲洗目标。DBAF冲洗前的水头损失约为9kPa，冲洗后的水头损失约为5kPa。
UBAF对浊度的去除率虽然较高，对SS的去除率却并不高，相当一部分ss在流经UBAF过程中只是改变了粒径分布，因此UBAF的水头损失增长比较缓慢，若从恢复过滤水头方面考虑，冲洗周期可以长达5～7d。但是，随着冲洗周期延长，UBAF的生化作用也逐步下降，原因在于Ss覆盖在陶粒表面就会影响自养菌生物膜的传质，降低对氨氮的去除效果。因此，UBAF冲洗周期的确定需视氨氮的去除和水头损失的增长情况而定。试验表明：反冲洗周期为1～3d，采用气水联合反冲洗可以实现反冲洗目标，其中气洗为5rain，气冲强度为20L/(m•s)；气水联合冲洗10min，气洗强度为15L/(m•s)，水冲强度为6L/(m•s)；水冲15rain，水冲强度为8L/(m•s)。UBAF冲洗前的水头损失约为6.5—8kPa，冲洗后约为6～7kPa。。
考虑到多座滤池共用鼓风曝气系统，如果UBAF在冲洗前后的过滤水头变化较大，势必造成单池冲洗前后曝气量发生明显变化，影响各座滤池之间曝气量的分配。对池体高度为7m的UBAF进行曝气试验表明：若要控制各座滤池之间曝气量的变化不超过3%，则需将UBAF冲洗前后水头损失变化量控制在2kPa以内。对于D—UBAF，由于有DBAF的过滤保护，其UBAF过滤水头损失的24h变化量不会超过2kPa，因此能够满足多座滤池共用鼓风曝气系统实现均匀曝气对过滤水头损失的控制要求。
4主要经济指标
叠式曝气生物滤池用于预处理氨氮浓度高达4—8mg/L的原水时，可以采用8m/h的滤速，气水比约为0.3～1.5，过滤水头损失约为17—20kPa，工程投资约为140～180ITI，运行费用为0.05～0.07m(含折旧费)。
5结论
①D—UBAF对季节性高氨氮和有机物污染原水的净化效率高，可以实现采用生物预处理改善原水水质的目标。在枯水期，原水水温≥5℃，氨氮、COD和浊度平均值分别为7.09mg/L、7.92mg/L和36.5NTU，D—UBAF出水指标对应为0.69mg/L、4.52mg/L和11.5NTU(去除率分别为90.3%、42.7%和66.3%)，符合《地表水环境质量标准》(GB3838--2002)的Ⅲ类标准；在丰水期，原水氨氮、COD和浊度平均值分别为2.65mg/L、6.08mg/L和33.9NTU，D—UBAF出水指标对应分别为0.28mg/L、3.61mg/L和11.4NTU(去除率分别为89.3%、40.2%和65.0%)，符合GB3838—2002的Ⅱ类标准。
②D—UBAF应用于季节性高氨氮和有机物污染原水的生物预处理，发挥了DBAF与UBAF各自的特点，使生化处理得以高效稳定进行。DBAF用于截留原水中的水草、塑料袋等杂质以及无机泥砂和部分可滤SS，对UBAF起保护作用，使UBAF的反冲洗周期达到1～3d以上，微生物的数量和活性均处于较佳状态；位于DBAF之后的UBAF拥有巨大的滤料表面积，氨氮容积负荷率高，去除效果稳定。
③UBAF的滤料接触时间为0.5h，异养菌降解有机物的作用已经比较显著。与高速给水曝气生物滤池相比，对COD的去除率大大提高；与自来水厂的常规处理工艺相比，采用D—UBAF之后的CODMnJ去除率可以提高约20%。
④D—UBAF采用集中的鼓风机供气系统时，各个滤池之间的曝气不均匀性可以忽略不计，因此鼓风机台数少，运行简单可靠，投资和运行费用较低。
⑤D—UBAF由1座DBAF与2座UBAF构成“品”字形结构，三个滤池之间的空间作为管廊，用于布置各种管道和阀门以及设备，不仅便于维护管理，也能节省占地和降低造价。
⑥D—UBAF工程投资约为140～180元/m，运行费用约为0.05—0.07元/m。
