东深供水工程的生物处理设计与运行
东深供水工程是一个向香港、深圳及东莞沿线供应源水的大型跨流域引水工程，供水能力达17.43×108m3/a。20世纪90年代以来，供水水质受到不同程度的污染，主要污染物为氮、磷及有机物。为改善供水水质，在1994年10月和1997年4月对东深源水进行了小试和雁田优化试验(中试)，结果表明生物接触氧化工艺是可行的。
生物处理工程位于深圳水库，设计处理水量为400×104m3/d。该工程于1998年12月28日建成投产，两年多的运行表明该工程达到了预期的设计效果。
1 工艺流程
工艺流程如图1所示。
原水经沉砂区去除大的砂粒，再由粗格栅拦截大的漂浮物、细格栅拦截小的漂浮物及悬浮物后进入生物处理池中完成有机污染物和氨氮的降解，经由沉淀区去除水中所含的悬浮物及脱落的生物膜后排放到水库中。
正常运行时，出水闸用于控制生物池运行水位，当生物池检修或暴雨时，关闭进、出水闸。
2 主要技术参数
2.1 水力停留时间
根据工艺优化试验，当HRT为1.0h时，氨氮的去除率可以达到75%，目前源水生物处理的HRT一般为1.0～1.2h，经过雁田试验表明，当HRT为55.4min、进水氨氮为2mg/L时氨氮的去除率可以达到75%。
2.2 气水比
根据本工程处理污染物负荷计算的理论气水比为0.5左右，但实际气水比高于理论值，主要原因在于鼓风曝气的目的不仅仅是提供足够的氧气供微生物生长，还要通过对水流的搅动创造良好的气、水、微生物间的传质条件，同时防止水中悬浮物的沉积。设计气水比为1∶1，考虑到污染物浓度变化，气水比变化幅度为(0.8～1.4)∶1。
曝气方式选用穿孔管曝气。
2.3 填料
YDT弹性立体填料具有放射状弹性丝的立体构造形式，其实际使用比表面积大，能切割及吸附气泡，提高氧的转移速率。弹性丝表面有微毛刺，易于挂膜且价格便宜，使用寿命长(7～10年以上)，运输和安装较为方便。
3 设计参数及主要设施
3.1 设计参数
工程处理规模为400×104m3/d，以生物处理池24h运行计，流量为16.7×104m3/h。
进水水质：NH4+-N为2 mg/L，高锰酸盐指数为5mg/L，BOD5为4mg/L。
出水水质：NH4+-N≤0.5mg/L，高锰酸盐指数≤4mg/L，BOD5≤3mg/L。
当进水NH4+-N度为2～4mg/L时，其去除率应达到75%～50%；当NH4+-N进水浓度 为4～6mg/L时，其去除率应达到50%；当进水BOD5浓度＞4mg/L时，其去除总量应不小于BOD5进水浓度为4mg/L时的去除量；当进水高锰酸盐指数＞5mg/L时，其去除总 量应不小于进水高锰酸盐指数为5mg/L时的去除量。
3.2 主要设施
① 沉砂区
有效容积约为73×104m3，有效水力停留时间为4.37h。
② 粗、细格栅
粗格栅栅条中心距为80mm，倾角为75°，每廊道设置2台，6廊道共设12台。细格栅栅条中心距为20mm，倾角为75°，每廊道设置4台，6廊道共设24台。每3廊道粗格栅、细格栅设1台皮带输送机，共4台，用于输送垃圾。
③ 生物处理池
生物处理池最大外形尺寸为316m×200m，由6条过水廊道组成，钢筋混凝土结构。每条廊道长为270m，宽为150m，有效水深为3.8m，池中水平流速为0.0813m/s，池底坡度为0.25%。
设计水力停留时间为55.4min，填料体积占池体的68.2%，原水与填料接触时间为37.8min 。池中流态采用推流式。
④ 出水沉淀区
沉淀区宽约为250m，沿水流方向长为160m，有效停留时间约为1h。采用一艘40m3/h电动绞吸式挖泥船连续挖泥，污泥排至沉淀池天然干化后外运至堆渣场。
⑤ 曝气系统
曝气系统由鼓风机、供气钢管和穿孔管组成。
采用6台型号为KA44SV-GL225的离心式鼓风机，设计风量为33336m3/h，电机功率为550kW。该风机具有连续可调的进出口导叶系统，风量调节范围为45%～100%，出风压力调节范 围为34～49kPa。由中央控制柜MCP完成鼓风机的曝气量及压力的自动控制。 供气管网和穿孔管分别采用环网供气，供气钢管环网直径为1200mm，廊道由600钢管供气，每条廊道有21个曝气方阵。
DN50穿孔曝气管水平平均间距为0.7m，管道中心距离池底0.25m，孔径为3mm，孔眼设于管道两侧，与垂直方向45°交错开孔，同侧孔距为200mm，异侧孔距为100mm，设计孔口流速为12.6m/s。
⑥ 填料
采用YDT弹性立体填料：有效长度为2950mm，外径为200mm，单丝直径为0.5mm，比表面积为24m2/m3。
填料采用悬挂式布置，每条廊道设20个填料方阵，6条廊道共120个，每个方阵尺寸为长×宽×高=12m×25m×2.95m。各方阵间设检修通道，通道宽为1.0m。填料总体积为104900m3，设计填料容积负荷为0.153kgBOD5/(m3·d)及0.076kgNH4+-N/(m3·d)。
⑦ 填料支架
填料支架采用不锈钢固定支架，每条廊道设20个填料支架单元，每个单元长×宽×高=12m×25m×3.68m。支架底部是高为0.6m的支腿，用于布置ABS曝气管。支架为单层结构，上下分别布置填料绑扎杆。
4 重大技术问题
4.1 生物处理池底板防渗围封工程
工程建造在深圳水库库尾，地质条件复杂，为满足每条廊道随时逐条排空检修的要求，需对生物池进行逐条围封的防渗处理。 高喷防渗墙不易连续，墙薄，穿过大的卵石层时墙体易出现空洞，故其防渗可靠性能差。采用混凝土防渗墙围封基础是比较可靠的，但造价一般比高喷墙要高。由于本工程对防渗墙要求不高，故采用泥浆护壁建造防渗墙的施工方法，能保证质量、降低造价、确保工期。
经技术、经济比较，决定采用塑性素混凝土防渗墙方案，实际运行表明池底减压孔滤水性能良好，池底积水能全部排空，满足设计及运行要求。
4.2 曝气管网的方案优化
在初步设计时采用了树枝状的曝气管网，每个曝气单元的服务面积较大(300m2)，曝气均匀性难于保证，故最后决定采用环状曝气管网，每个曝气单元分为4个环网供气区，每个环网的供气面积为75m2，另外生物处理池平台上布置的1200供气钢管也由初步设计 时的树枝状布置改为环网布置，这样曝气效果比较满意。
4.3 填料支架方案优化
料支架初步设计采用单体复合材料支架，双层布置，单体尺寸为长×宽×高=2.0m×2.5m×3.6m(3.8)m，共7200个。复合材料支架采用木材内嵌玻璃纤维、外包树脂层，还需要加压200mm×200mm×2500mm的混凝土重块抗浮。填料绑扎杆采用玻璃钢材料。
单体复合树脂材料的填料支架寿命短、可靠性差、制造及拼装困难，用于这样重要的工程是不合适的，最后改用304不锈钢整体支架，单层布置，尺寸为长×宽×高=12m×25m×3.68m，共120个。填料绑扎杆采用不锈钢方管。
填料支架方案优化后可降低工程造价1000多万元，且填料支架制造和安装方便、结构稳定可靠、使用寿命长、维修方便。
4.4 计算机集中监控系统
计算机集中监控系统包括计算机集控子系统与图像监控子系统。计算机集控系统可实现本站分散设备运行监控、数据实时采集与分析、实时工作状态和故障报警采集显示、智能故障与事故分析、对各操作进行自动记录及报表打印。图像监试系统实现全站设备和设施的动态监视。
计算机集控子系统采用分层分级控制结构。系统分为现地控制层和分站层两级计算机监控网络，现地控制层采用PLC控制，通过光纤网络与分站层通讯。分站层采用2台NT服务器(兼工作站)和1台数据库服务器，通过以太网实现分站层监控。
4.5 水质自动监测系统
水质自动监测系统主要监测氨氮、溶解氧、浊度、pH值、水温。8个测点的水样由潜水泵自动抽送至水质监测室，由一台氨氮分析仪对各测点的水样的氨氮巡回分析化验，自动记录，定期打印报表。其他指标采用现场仪表监测。
该系统自1998年12月投入试运行以后，水质分析数据稳定，仪器和设备运行可靠，达到初步设计的要求。经过3个月的运行，发现由于采样管内生物细菌生长对氨氮产生了降解作用，导致氨氮值大幅度降低，使水质自动监测系统无法投入运行，最后确定采用间断采样、通气反吹的方式防止生物细菌在采样管内生长，目前运行效果较理想。
5 运行与管理
① 生物池的启动挂膜：当水温为15～20℃时，初次挂膜约需25～30d，停水检修后恢复挂膜约需14d。
② 曝气均匀性控制：在非设计流量下，生物处理池沿程水深不同，此时可以调节曝气均布阀开度以保证生物池前后段曝气均匀。
③ 水位控制：试验表明填料上层水体经过4m完成近1.5次交换，下层水体经过12m才能完成1次交换，故提高运行淹没水深至20～30cm有利于提高混渗效果。
④ 非正常情况下运行管理：当进水氨氮浓度增大后，进水量应相应减少并增大水力停留时间，同时应尽可能加大曝气量以提高混渗效果、提高水中DO指标、提高水库自净能力和后续处理能力；大流量过水时应以保护工艺设备和尽量减少对生物膜的冲击为运行控制的出发点和重点。
⑤ 停水期运行：停水期应对生物池适当补水并微量曝气，有利于供水后生物膜的迅速恢复。
⑥ 运行调度：调度应做到水量、水质和防洪三者的有机结合。
⑦ 设备检修：检修应选择水质较好的条件下逐池进行，且气温不宜太低，否则不利于生物膜的恢复。
6 运行效果分析
自1998年12月28日投产以来，累计处理源水约30×108m3，其中对氨氮、BOD5和高锰酸盐指数的平均去除率分别达66.7%、31.1%和12.7%；溶解氧由2.77mg/L增至7.13mg/L；对色度、非离子氨、总氮、铁、锰、铅、锌和藻类等有不同程度的去除，有效改善了供水水质。
水温、进水氨氮、水力停留时间和气水比等对生物处理效果均有影响。
① 水温
水温对处理效果影响较大，生物硝化反应的适宜温度为20～30℃。在HRT和进水氨氮一定时，氨氮平均去除率和填料去除负荷基本随水温的升高而升高，但逐渐趋于稳定，其平均值分别为64.6%和0.0687kg/(m3·d)。
② 进水氨氮
氨氮去除率随进水氨氮的升高而降低。当进水氨氮为2～4mg/L时，氨氮平均去除率为80%～70%，进水氨氮每升高1mg/L，氨氮去除率则降低3%～5%；当进水氨氮为4～5mg/L时，氨氮去除率约为60%。
当进水氨氮或过水流量突然升高而引起冲击负荷时，氨氮去除率平均下降15%～30%，一般经过2～3d后可恢复正常。
③ 水力停留时间
氨氮去除率随HRT的升高而升高。当HRT为50～80min时，氨氮平均去除率为60%～75%，HRT每增加10min，氨氮去除率平均升高3%～5%；当HRT＞80min时，氨氮去除率趋于稳定，可以达到80%。
④ 气水比
气水比对生物处理效果有一定的影响。气水比每增加0.1，去除率平均增加4%。本工程在不同进水氨氮浓度(S0)下适宜的气水比分别为：S0≤2mg/L(1.0),S0=2～3mg/L(1.1)，S0=3～4mg/L(1.2)，S0=4～5mg/L(1.3)，所能达到的去除率为60%～75%。
⑤ 亚硝酸盐氮
由于HRT有限，硝化作用不充分而导致NO2--N在生物池内有一定量增加，但曝气后源水溶解氧较高，NO2--N经过水库和供水管路后会得到进一步降解，故不会对水质造成影响。
7 存在问题
① 曝气死区
每个供气单元由4个环形供气网组成，由于在供气环管处没有曝气孔口，其上部填料无法曝气，填料丝得不到必要的扰动，致使该处的填料大量结泥，每个供气方阵约有720串填料位于曝气死区，其中每个生物池前1～8号方阵在曝气死区结泥最严重。结泥后的每串填料质量为20kg，远远超过设计值12kg，造成填料中心绳断裂，使填料的维修工作量和维修成本大大增加，同时断裂的填料影响曝气管安全，导致池底积泥，此外因曝气死区填料不能发挥作用而影响了处理效果。
目前通过在供气环管上方布置穿孔管而消除了曝气死区，解决了填料断裂问题，同时提高了工艺处理效果。
② 穿孔管堵塞
当穿孔管在水中运行一段时间后，由于微生物在管壁生长，导致穿孔管堵塞，严重影响了曝气均匀，处理效果下降。通过摸索和研究，在不停水的情况下，通过长柄尼龙刷深入填料内部清理穿孔管外壁的微生物。
③ 泡沫问题
生物硝化工程投入运行以后，多次出现大量的泡沫，严重影响环境。泡沫主要由表面活性剂产生，温度对泡沫的产生有一定的影响(随温度的升高，泡沫有减小的趋势)。当进水洗涤剂浓度一定时，增大气水比可以增加泡沫的数量。监测表明泡沫对水库水质影响不大，因此目前已采用喷淋的措施来解决。
④ 藻类暴发性生长
夏季填料支架表面藻类暴发性生长是运行管理中的一个难题，藻类在生长期可吸收氮及氮化物，也会加大耗氧量，死亡后会缠结填料造成挂泥，同时死亡藻类在库体的发酵会分解成有 机氮、磷等物质，造成水体的二次污染。
目前主要采用人工清理的办法，不安全且效率低。
⑤ 生物池设施检修
由于生物池中布置有大量的曝气管、填料及填料支架，对曝气管断裂、填料断裂、支架变形等问题只有通过排空池水才能进行维修，但生物池排水时间长、填料易老化、对生物膜影响大且成本高，如何解决水下维修难题还有待进一步摸索。
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