嘎巴屯净水厂除铁、锰工艺设计简析
三台子矿区给水工程担负着辽宁铁法煤业集团公司小康矿、大平矿及矿区居住区的供水任务，设计总供水规模为18000m3/d，工程分期建设，一期杨家窝棚水源供水工程已先期投入使用，供水规模为5000 m3/d，二期二家子水源供水工程于1998年开始施工，供水规模为13000m3/d，1999年由于国家煤炭产业政策的调整与大平矿等其他矿区基建项目同时缓建，2001年10月二期给水工程恢复建设，2002年10月二期给水工程竣工投产。嘎巴屯净水厂为集团公司三台子矿区二期给水工程核心处理环节，设计处理规模为13000m3/d。
二期供水工程水源取自两家子水源地，水源为第四系潜水地下水，水质铁锰超标严重，设计采用了机械通风接触式曝气塔+无阀过滤器二级串联处理工艺，工艺处理及污泥处理实现了全部设备化，并对无阀过滤器的设计进行了改进，污泥处理系统采用了地面式竖流沉淀器，工艺设计进行了有益、创新的尝试。
矿区二期给水工程历经了缓建、恢复建设两个阶段，工程状况发生了巨大的变化。原设计两家子水源地共10眼水源井，供水能力13000 m3/d，由于地下水资源的重新规划，供矿区的水源仅能保证5眼水源井，供水能力6400 m3/d。而恢复建设前，两家子加压站1000m3水池及加压泵房土建及设备安装已经完成，两家子加压站至嘎巴屯净水厂15.8公里DN500输水管道已经形成，净水厂 工业 场地除铁、锰车间土建厂房与设备基础已施工结束。如何在净水车间厂房及设备基础已经形成的前提下，通过设备调整对处理规模进行合理更改是设计面临的一个新课题。设计在充分考虑现有条件的前提下，通过对曝气塔及过滤器组数的调整，既解决了初期设备投资过大的矛盾又满足了供水的要求，有效的解决了无阀过滤器的备用问题，适应了水量规模的调整。
嘎巴屯净水厂已投产试运，出水铁、锰指标符合国家生活饮用水水质标准，本文通过对设计工艺的介绍，阐述嘎巴屯净水厂机械通风接触式曝气塔+无阀过滤器二级串联处理的工艺设计及特点，阐明了设计中应注意和仍需解决问题。
1 除铁锰工艺选择及设计
1.1 处理工艺流程
根据除锰基理及我国多年的实验和生产实践，地下水除锰工艺大多采用曝气接触氧化法。一般采用跌水、淋水、射流曝气、压缩空气、接触式曝气塔、机械通风曝气塔等曝气装置;过滤装置可分为压力式和重力式两种形式，压力式过滤形式以压力过滤器为主，滤料分为天然锰砂滤料和纤维滤料;重力过滤形式以滤池为主，常用的滤池形式有普通快滤池、无阀滤池等，滤料为天然锰砂滤料。
由于原水含铁、锰指标分别为9.0mg/l、1.5mg/l，铁锰超标严重，本设计根据原水水质采用重力式机械通风接触式曝气塔+重力式无阀过滤器二级除铁、锰工艺，其工艺流程为：
1.2 工艺设计及参数
1.2.1 曝气塔
曝气塔采用机械通风接触式曝气塔，曝气填料采用活化无毒多面空心球双层布置。水源井来水从塔的上端均匀配水进入塔体，通过双层空心球尽可能与填料接触，填料下设置离心轴流风机由下至上向塔内充氧，达到对原水进行充分曝气的作用。曝气塔设计表面负荷为25m3/m2.h，直径为φ3000，单台产水量为175 m3/h，配套4-72-4型离心风机(Q=9750-14750 m3/，H=324-224mm，N=7.5KW)。由于水量规模的变化，设计由原来四台更改为2台。
1.2.2 无阀过滤器
过滤装置采用无阀过滤器，由于原水铁锰含量较高，设计采用二级串联除铁锰工艺，原水经曝气塔充分曝气后重力进入一级除铁过滤器，经一级处理后进入中间水池，经中间水池提升泵进入二级除锰过滤器。两级过滤采用同型号无阀过滤器，滤料为连云港产的天然锰砂，三台过滤器为一组，两工一备，反冲洗实现水力自动反冲并辅助压缩空气冲洗。
净水车间共设无阀过滤器二组共6台，除铁除锰各一组3台，单台直径为φ4700，每组产水量为320 m3/h，滤速为10m/h，滤料层厚为900mm，终期水头损失为1.70m，反冲洗强度为18L/s.m2，气冲洗强度为15L/ m2.s,配套Q=20 m3/min，H=6m鼓风机，水冲洗历时为5min，气冲历时为2min。
1.2.3 反冲洗水处理系统
为避免水资源的浪费，防止高浓度含铁、锰废水进入矿区污水系统， 影响 污水处理厂的正常运行，本设计对反冲洗水进行了收集和处理。净水车间外设置V=400 m3生产废水池，内设HJ-1600混合搅拌机四台，防止污泥沉淀，内设WQX50-8-2.2(Q=25m3/h，H=8m，N=2.2Kw)型潜水排污泵二台将污泥提升至净水车间内混凝反应池(1.5m×1.5m×1.4m)，反应池设置两座，一工一备，各设WQX50-8-2.2型潜水排污泵及反应搅拌机一台，污泥通过提升进入竖流沉淀器，污泥处理系统设置φ3600竖流沉淀器两座，沉淀时间为1.5h，设计表面负荷为0.0007m/s，污泥经沉淀器分离后，清水回流至中间水池，污泥进入污泥浓缩池，经污泥分级浓缩后提升至DYL-500型带式压滤机压滤后泥饼外运。设置加药装置一套，药剂为聚丙烯酰胺。
2 工艺设计特点
2.1 无阀过滤器用于地下水除铁、锰处理的技术改进
无阀过滤器属于小阻力配水系统，反冲洗压力很难保证，在国内除铁、锰工艺选择中一般选择双阀或普通快滤池作为终端处理构筑物，本设计的设计能力为Q=13000m3/d中小型水厂，水质为铁、锰含量较高的地下水，采用设备化的无阀过滤器在工艺选择上确实有相当的风险。针对上述 问题 ，本设计对无阀过滤器采取了以下措施：①为防止铁离子穿透一级除铁滤层，将传统的700mm滤料层加厚至900mm;②为防止滤料板结，在承托层的上方布置了丰字型气体反冲洗管，反冲洗时进行气水防冲;③由于设计规模变化，原一、二级除铁、锰各设两组无阀过滤器，本设计改变无阀过滤器两台一组的习惯，设三台过滤为一组，除铁除锰各一组，通过过滤器水箱连通管阀门切换，三台过滤器可任意两台并联工作，当一台设备出现滤料板结时，保留三台同时工作的可能，为设备检修、更换滤料、实现强制反冲提供了设计上的保证;④为实际运行管理方便，本设计在过滤器本体上设置了监视玻璃透镜和罐内液位显示装置，在操作中能明确观察每台设备的运行状态，清晰的观察到反冲洗的形成和结束及效果，实现了 科学 管理。
无阀过滤器进行了上述改进，实现了气水反冲、过滤装置的交替使用，有效的解决了重力式无阀过滤器自身的缺点，工程2001年9月验收移交以来，过滤效果良好，实现了自动反冲洗，反冲洗周期为12-48小时，出水水质铁、锰指标分别为0.15mg/l、0.07mg/l，完全符合国家生活饮用水铁、锰0.3mg/l、0.1mg/l的水质标准，达到了设计要求。
2.2 竖流沉淀器排泥设计改进
竖流沉淀器用于污泥处理系统的泥水分离，常规设计泥斗设在地下，排泥采用侧向静压排泥，由于铁锰泥的自身特点，将泥斗设于地下极易造成污泥板结，清理有十分困难。本设计将该处理装置完全设于地面上，排泥通过泥斗下方的排空、排泥管进行排泥，打破了常规设计的排泥方式，解决了维修、清理的实际困难，运行效果良好。
3 工艺设计体会
3.1 设计中应注意的几个问题
3.1.1 系统超越管道的设置
含铁、锰地下水给水工程一般均由水源地、加压站、输水管道、净配水厂等工程组成，由于输水管道在施工竣工后必须进行清洗，管道清洗废水含有大量泥砂，进入处理系统势必造成滤料的堵塞甚至报废。因此在净、配水厂的设计中必须考虑进入系统前的超越。
3.1.2 系统动力设备的匹配
对于铁、锰含量高而采用重力式二级串联处理工艺的设计，必须注意水源井泵(加压站泵)与中间水池提升泵的流量匹配，否则系统很难保证连续运行。
3.1.3 曝气塔风机的安装位置
曝气塔风机吸风口的安装必须高于底层填料布风管标高，否则当风机事故停机时会造成水的回灌而损坏风机、造成跑水事故。
3.1.4 水封井的加高
无阀过滤器水封井设计上缘一般与地面相平，由于反冲洗瞬时流量及强度很大，极易造成冲洗水溅出水封井，本工程在试运中曾多次发生冒水现象，因此在设计中应充分考虑这一点。
3.2 设计中仍需解决的问题
3.2.1 主工艺系统出水水质的检测
由于铁、锰等重金属的化验周期较长，运行中只能根据反冲洗周期的变化预测出水水质是否恶化，而通过周期法只能定性的作出 分析 判断，具有明显的滞后性，不利于出水水质的保证。如何快速定量的对出水水质作出分析判断是除铁、锰处理厂设计面临的课题。
3.2.3 污泥处理系统的监测运行
本设计污泥处理系统的竖流沉淀器及污泥浓缩池无法实现泥水液面分离监测，即在实际操作中无法观测到沉淀器、污泥浓缩池内分层液面，致使很难准确的控制沉淀器的排泥时间，无法根据浓缩池内分层情况进行分级浓缩。如何有效的检测泥水分离液面位置，实现科学管理与运行是污泥处理面临的难题。
4 结语
嘎巴屯净水厂采用机械通风接触式曝气塔+无阀过滤器二级串联处理工艺处理高含铁、锰地下水，并且净水厂内设置完整的污泥处理系统，在国内同类型水厂中应用比较罕见。
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