对饮用水安全关注的日益提升，以及水环境污染情况的多样化，导致常规给水处理工艺技术在面对特定污染特征的原水情况下可能“力不从心”，将污水处理技术应用于给水处理工艺，已经成为了在特定情况下的工艺探索方向。
在面对氨氮和有机物特征污染明显的原水条件下，应用曝气生物滤池工艺，验证了该工艺应用的实效，并在工艺运行和管理取得了实战经营，可以为同行的工艺探索提供研究基础。
1、曝气生物滤池预处理技术
近年来，我国城市饮用水水源存在一些氨氮及有机物污染情况，常规的给水处理工艺“絮凝-沉淀-过滤-消毒”已很难保证出水水质氨氮等指标完全符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。
针对此类微污染水源研究表明，曝气生物滤池能有效去除微污染水源水中有机物、氨氮等污染物，其对氨氮的去除率达80%以上，对耗氧量、浑浊度、色度、铁、锰等污染物均有较好的去除效果。
目前，曝气生物滤池已被引入给水处理领域，并成为对微污染水源水进行生物预处理的有效手段。在广州某处理规模为73.5万m3/d的自来水厂应用了高速曝气生物滤池生物预处理工程，并取得了良好的效果。采用高速给水曝气生物滤池进行生物预处理，在滤速为16 m/h，气水比为0～0.5的情况下处理氨氮为0.04～3.48 mg/L的原水时，出水氨氮保持在0.5 mg/L以下，符合《生活饮用水卫生标准》要求。
2、曝气生物滤池的应用
2.1 工程概况
西洲水厂兴建于1995年，供水量设计规模为50万m3/d，为改善原水水质，于2000年在东江北干流的刘屋洲岛上新建刘屋洲泵站，作为西洲水厂的取水泵站，距离西洲水厂约17 km。原水较水厂的就地取水泵站——西洲取水泵站水质有所改善，但原水中大部分指标常年处于Ⅱ～Ⅲ类标准，氨氮、CODMn超标现象仍然时有发生，出厂水偶有CODMn超标，最突出的仍为水中氨氮含量超标。
表1 2010年西洲水厂原水水质
表2 2010年改造前出厂水水质
为提高供水水质，改善出厂水中氨氮等超标的现象，水厂进行了技术改造，在原常规净水系统前增设生物预处理工艺，并于2010年11月投入运行。现生物预处理工艺采用轻质滤料曝气生物滤池，曝气生物滤池采用升流式BIOSMEDI工艺，采用下进上出的水流方式，滤板在上部，全自动化管理运行。
图1 净水工艺流程
图2 曝气生物滤池平面布置
2.2 工艺结构与设计参数
曝气生物滤池平面尺寸为39.60 m×89.06 m，单格滤面面积为103.5 m2(9 m×11.5 m)，共18格滤池，分为2排布置，每排9格。在2排滤池中间形成管廊通道，管廊上方为敞开式，便于通风和采光。正常滤速为12 m/h，二格冲洗时强制滤速为13.5 m/h，轻质滤料粒径为3.5～5 mm，厚度为3 m，过滤水头为0.50 m，气水比为0.1～1.0。
图3 曝气生物滤池主体构造
曝气生物滤池为上向流方式，主体部分由上至下分为4个区域，分别为出水集水区、滤料区、进水和曝气分布区、气囊及排泥区。生物滤池稳定运行期间，气水比视出水水质而定，根据原水氨氮浓度。
表3 气水比参考值
由于设计气水比是基于设计滤速下的水量而定义，生物滤池处理水量未达到设计值时，气水比的数值失去原有的意义。因此，运行过程中对曝气量采用了新的定义，即以单位滤面面积气体流量作为曝气强度，单位为L/(s·m2)，曝气强度数值不受滤池处理水量变化的影响。
2.3 净水效果
（1）氨氮
原水氨氮为0.15～2.5 mg/L，经过生物滤池处理后，出水氨氮为0.05～0.48 mg/L，去除率为63.6%～94.5%。经过生物滤池处理后，出水氨氮均符合《生活饮用水卫生标准》中小于0.5 mg/L的要求。
图4 生物滤池原水与出水氨氮含量
（2）亚硝酸盐氮
原水亚硝酸盐氮为0.040～0.604 mg/L，经过生物滤池处理后，出水亚硝酸盐氮为0～0.126 mg/L，去除率为40.4%～100%。生物滤池实现了去除亚硝酸盐氮的功能，当原水亚硝酸盐氮明显上升，达到0.604 mg/L时，经过生物滤池处理后，出水亚硝酸盐氮为0，去除率达100%，表明生物滤池在原水较高亚硝酸盐氮水平下也能实现去除功能。
图5 生物滤池原水与出水亚硝酸盐氮含量
（3）浑浊度
原水浑浊度平均为16.74 NTU，经过生物滤池处理后，出水浑浊度平均为13.34 NTU，平均去除率为20.30%。生物滤池去除了一定量的浑浊度，滤层拦截了大量的无机物质，生物滤池出水浑浊度变化将对后续混凝沉淀工艺造成影响，特别是在原水低温低浊期。
图6 生物滤池原水与出水浑浊度
（4）耗氧量
原水耗氧量为1.62～4.68 mg/L，平均为3.19 mg/L，经过生物滤池处理后，出水耗氧量为0.92～4.66 mg/L，平均为2.65 mg/L，平均去除率为16.9%。生物滤池一般通过去除原水浑浊度及亚硝酸盐氮实现耗氧量的去除。随着浑浊度、亚硝酸盐氮去除率的下降，耗氧量去除率也会下降。由于水厂常规处理系统对浑浊度去除效果比较明显，氯的氧化作用对亚硝酸盐氮有去除效果，耗氧量在后续常规处理系统中也能够较好地去除。
图7 生物滤池原水与出水耗氧量
（5）溶解氧
生产运行期间原水溶解氧为3.05～3.51 mg/L，基本属于有氧原水，经过生物滤池处理后，出水溶解氧为5.11～5.89 mg/L，上升60.3%～67.8%。生物滤池需利用有氧条件下的生物降解作用，要求水中溶解氧>2.0 mg/L，滤池底部均匀曝气，使水中溶解氧上升，且气泡在滤料层的切割变化，加强了水中营养物向滤料表面生物膜的传质效率，提高生物降解能力。
（6）锰、铁
生产运行期间原水中锰为0～0.21 mg/L，铁为0～1.04 mg/L，经过生物滤池处理后，出水中锰为0～0.13 mg/L，铁为0.25～0.84 mg/L。由于曝气氧化及可能存在生物吸附的作用，生物滤池可有效降低锰、铁含量，出水已经达到《生活饮用水卫生标准》的要求。
2.4 经济分析
生物预处理工程单位投资为113.22元/(m3·d)，单位制水成本为0.04元/t，与采用臭氧生物活性炭工艺进行升级改造相比，工程投资降低约一半，处理成本下降约80%。
3、结论
（1）BIOSMEDI曝气生物滤池用于给水厂中对氨氮含量≤4 mg/L的微污染原水进行预处理时，出水氨氮可以稳定在0.5 mg/L以下，符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求，氨氮处理效率高。当微污染原水中亚硝酸盐氮含量到达0.6 mg/L时，经BIOSMEDI曝气生物滤池处理，对亚硝酸盐氮去除率达100%，因此，BIOSMEDI曝气生物滤池用于给水厂中对微污染原水进行预处理时对亚硝酸盐氮的处理效果好。
（2）曝气生物滤池用于给水厂预处理工程，处理成本约为0.04元/t，投资及运行费用低。
（3）对于存在氨氮含量超标的Ⅱ～Ⅲ类微污染原水，在常规给水处理工艺很难实现去除效果的情况下，运用曝气生物滤池进行预处理，能有效去除原水中的氨氮等污染物，使出水水质得到提升，弥补了常规给水处理工艺的短板，保证出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。
