本发明公开了一种地表水氨氮高效去除工艺，包括混合反应沉淀系统、锰铁药剂适配投加系统、化学辅助氧化系统、机械充氧系统、过滤系统和消毒系统。本发明合理有效地集成了锰铁药剂适配投加、化学辅助氧化、机械充氧氧化、截留过滤、化学吸附、化学接触催化氧化等多种技术，可有效实现地表水源中氨氮、浊度和色度的高效去除。不仅具有去除效率高、处理速度快、受环境因素影响小，不产生副作用等技术优势，而且具有工程投资小、运行成本低的经济优势；不仅适用于新水厂设计，而且易于实现现有水厂的升级改造。
1.一种地表水氨氮高效去除工艺系统，其特征在于，包括混合反应沉淀系统(b)，用于对地表水(a)进行混合、反应、沉淀处理；锰铁药剂适配投加系统(c)，用于向地表水中投加低价态锰铁适配药剂；化学辅助氧化系统(d)，用于对经锰铁药剂适配投加系统(c)向地表水中投加的低价态锰铁进行化学氧化反应，生成铁锰复合氧化物将附着于滤料表面，进而形成氧化膜；机械充氧系统(e)，用于向经过锰铁药剂适配投加系统(c)及化学辅助氧化系统(d)的水体进行强制机械充氧，并将铁锰氧化成新生态铁锰复合氧化物；过滤系统(f)，用于为机械充氧系统(e)生成的铁锰复合氧化物提供附着表面，形成活性氧化膜，进而在活性氧化膜表面实现对水中氨氮的化学吸附和接触催化氧化，并同时截留水中残留的悬浮物；消毒系统(g)，用于灭杀经过过滤系统(f)处理后的地表水中的病原微生物，最终生产出合格的饮用水；
其中，地表水(a)与混合反应沉淀系统(b)相连，锰铁药剂适配投加系统(c)和化学辅助氧化系统(d)均与混合反应沉淀系统(b)相连，逐级经过锰铁药剂适配投加系统(c)和(或)化学辅助氧化系统(d)处理的地表水(a)与机械充氧系统(e)相连，机械充氧系统(e)与过滤系统(f)相连，过滤系统(f)包括滤池(12)、反冲洗系统(h)和滤料再生系统(i)，反冲洗系统(h)和滤料再生系统(i)分别与滤池(12)相连；过滤系统(f)与消毒系统(g)相连；
所述的混合反应沉淀系统(b)包括混合池(1)、反应池(2)和沉淀池(3)，地表水(a)直接进入混合反应沉淀系统(b)中的混合池(1)与混凝剂充分混合，而后流入反应池(2)进行充分絮凝反应形成较大的絮体颗粒，再经沉淀池(3)的沉淀作用去除水中的絮体颗粒和悬浮物，沉淀池(3)通过出水管与机械充氧系统(e)相连；
所述的锰铁药剂适配投加系统(c)包括药剂配制与储存装置(4)、计量投 加装置(5)和投药管(6)；药剂配制与储存装置(4)和计量投加装置(5)相连接，计量投加装置(5)通过投药管(6)与机械充氧系统(e)的进水管相连；
所述化学辅助氧化系统(d)由配药装置(21)、投药装置(22)和投药管(6)组成，投药装置(22)与配药装置(21)相连接，投药装置(22)通过投药管(6)与机械充氧系统(e)的进水管相连；
所述的机械充氧系统(e)依据充氧方式的不同可分为鼓风曝气系统(e-1)和机械曝气系统(e-2)；
所述的鼓风曝气系统(e-1)包括曝气池(7)、输气管道(8)、曝气器(9)、空气加压装置(10)和布气管道(11)，在曝气池(7)内部设置有布气管道(11)，曝气器(9)固定于布气管道(11)上方，曝气器(9)通过输气管道(8)与空气加压装置(10)相连；
所述机械曝气系统(e-2)可分为表面曝气、水下曝气或射流曝气；
所述表面曝气、水下曝气系统均由曝气池(7)、曝气机(23)、电动机(24)、减速机(25)、传动轴(26)构成，在曝气池(7)内部安装曝气机(23)，曝气机(23)通过传动轴(26)与电动机(24)和减速机(25)相连；
所述滤池(12)采用气水反冲洗形式，滤池(12)中的滤料(13)采用普通均质石英砂滤料、陶粒滤料或锰砂滤料；
所述的反冲洗系统(h)包括反冲洗水泵(14)，反冲洗水泵(14)与吸水井(15)相连，反冲洗水泵(14)通过反冲洗水管道(16)与滤池(12)之间相连接，滤池(12)还通过输气管道(8)与空气加压装置(10)相连接；
所述的滤料再生系统(i)包括加药设施(17)和贮药装置(18)，加药设施(17)与贮药装置(18)相连接，加药设施(17)与滤池(12)相连；
所述的消毒系统(g)包括计量投加设施(19)与贮药设施(20)，计量投加设施(19)分别与贮药设施(20)和滤池(12)的出水管道相连。
2.如权利要求1所述的地表水中氨氮高效去除系统，其特征在于：所述的空气加压装置(10)为空压机或鼓风机。
3.如权利要求1所述的地表水中氨氮高效去除系统，其特征在于：所述的曝气器(9)的结构形式为管式、盘式、钟罩式或平板式结构。
4.如权利要求1所述的地表水中氨氮高效去除系统，其特征在于：所述曝气机(23)为转刷式、转盘式、潜水离心式、深水式或倒伞形立式。
5.如权利要求1所述的地表水中氨氮高效去除系统，其特征在于：所述的滤池(12)滤速为7～14m/h，滤层厚度为1.2～1.6m，过滤周期为1～4d。
6.如权利要求1所述的地表水中氨氮高效去除系统，其特征在于：所述的滤料再生系统(i)再生周期为1～3年。
7.如权利要求1所述的地表水中氨氮高效去除系统，其特征在于：所述的混合反应沉淀系统(b)中的混合池(1)为机械混合或水力混合，反应池(2)为网格、栅条、隔板或者折板形式，沉淀池(3)为平流、斜管或斜板、或平流与斜管，或者平流与斜板的组合形式。
一种地表水氨氮高效去除工艺系统
技术领域
[0001] 本发明属于饮用水处理技术领域，主要涉及一种地表水氨氮高效去除的技术方法，具体涉及一种成本低廉、流程简短、技术集成的地表水氨氮高效去除工艺系统。
背景技术
[0002] 随着我国经济的高速发展和人口剧增，生活污水和工业废水增多，使饮用水源水受到不同程度的污染。据调查表明，氨氮作为主要超标污染物在七大水系中出现频率非常之高，现已成为全国性的水源污染问题。2007年，氨氮是长江、黄河、海河和辽河的首要污染物，同时也是珠江和淮河的主要污染物。据2008年调查结果表明，重点流域氨氮污染严重，海河、辽河、三峡库区及其上游、黄河中上游等流域大部分断面氨氮超标，太湖、巢湖、滇池等流域氨氮达标率也偏低。2008年全国地表水河流国控断面中氨氮劣Ⅴ类断面占19.2％，全部断面氨氮平均浓度为1.9mg/L，仅达Ⅴ类标准水平。近几年，地表水的氨氮污染虽有一定程度的改善，但季节性超标问题，尤其是由内源污染引起的湖库的氨氮污染问题仍然没有得到解决，甚至在一定程度上呈现进一步加剧的趋势。由此可见，地表水源的氨氮污染已成为现阶段影响我国地表水源水质主要污染因子。
[0003] 水源的氨氮污染不仅带来水质方面的问题，而且对净水工艺也提出了更高的要求和新的挑战。而现行的常规水质净化工艺无法有效去除水中的氨氮，目前常见的氨氮处理方法主要有吸附去除法、折点加氯法和生物脱氮法等，其中吸附去除法因其建设运行成本高和运行管理难度大等缺点而应用较少；折点加氯虽可去除水中氨氮，但投氯量的增加易致消毒副产物的生成风险加大，从而导致水质安全性下降；而采用生物接触氧化法或曝气生物滤池等生物预处理法虽对氨氮的去除率可达80%，但其带来建设投资大、运行成本高、处理效率偏低等问题，尤其是对现行绝大部分水厂的常规处理工艺的升级改造，由于条件限制，实施难度很大。
[0004] 综上可见，对地表水源中氨氮的高效去除已成为当前我国饮用水安全保障所面临的重要课题。因此，为满足国家饮用水水质标准，就有必要研究开发针对地表水源中氨氮的高效经济去除工艺系统，从而保障城市供水水质的安全性。
发明内容
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高效去除地表水源中氨氮的新工艺，实现对氨氮的快速高效去除，从而达到工艺简单、投资节省、成本低廉以及运行管理方便之目的。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
[0007] 一种地表水氨氮高效去除工艺，包括混合反应沉淀系统，用于对地表水的混合、反应、沉淀处理；锰铁药剂适配投加系统，用于向地表水中投加低价态锰铁适配药剂；化学辅助氧化系统，用于对经锰铁药剂适配投加系统向地表水中投加的低价态锰铁进行化学氧化反应，生成铁锰复合氧化物将附着于滤料表面，进而形成氧化膜；机械充氧系统，用于向水中强制机械充氧，并将铁锰氧化成新生态铁锰复合氧化物；过滤系统，用于为机械充氧系统生成的铁锰复合氧化物提供附着表面，形成活性氧化膜，在活性氧化膜表面实现对水中氨氮的化学吸附和接触催化氧化，并同时截留水中残留的悬浮物；消毒系统，用于灭杀经过滤系统处理后的地表水中的病原微生物，最终生产出合格的饮用水。
[0008] 其中，地表水与混合反应沉淀系统相连，锰铁药剂适配投加系统和化学辅助氧化系统均与混合反应沉淀系统相连，逐级经过锰铁药剂适配投加系统和化学辅助氧化系统处理的地表水与机械充氧系统相连，机械充氧系统与过滤系统相连，过滤系统包括滤池、反冲洗系统和滤料再生系统，反冲洗系统和滤料再生系统分别与滤池相连；过滤系统与消毒系统相连。
[0009] 本发明还具有以下其他技术特点：
[0010] 所述的混合反应沉淀系统包括混合池、反应池和沉淀池，地表水直接进入混合反应沉淀系统中的混合池与混凝剂充分混合，而后流入反应池进行充分絮凝反应形成较大的絮体颗粒，再经沉淀池的沉淀作用去除水体中的絮体颗粒和悬浮物，沉淀池通过出水管与机械充氧系统相连。
[0011] 所述的锰铁药剂适配投加系统包括药剂配制与储存装置、计量投加装置和投药管，药剂配制与储存装置和计量投加装置相连接，计量投加装置通过投药管与机械充氧系统的进水管相连。
[0012] 所述的化学辅助氧化系统由配药装置、投药装置和投药管组成，投药装置与配药装置相连接，投药装置通过投药管与机械充氧系统的进水管相连。
[0013] 所述机械充氧系统依据充氧方式的不同可分为鼓风曝气系统和机械曝气系统两种；所述的鼓风曝气系统包括曝气池、输气管道、曝气器、空气加压装置和布气管道，在曝气池内部设置有布气管道，曝气器固定于布气管道上方，曝气器通过输气管道与空气加压装置相连。所述的机械曝气系统可分为表面曝气、水下曝气和射流曝气三种，所述的表面曝气、水下曝气系统均主要由曝气机、传动轴、电动机、减速机、曝气池等构成，在曝气池内部安装曝气机，曝气机通过传动轴与电动机和减速机相连。所述的射流曝气系统主要由加压泵、射流管和曝气池等构成。
[0014] 所述滤池采用气水反冲洗形式，滤池中的滤料采用普通均质石英砂滤料、陶粒滤料或锰砂滤料。
[0015] 所述的反冲洗系统包括反冲洗水泵，反冲洗水泵与吸水井相连，反冲洗水泵通过反冲洗水管道与滤池之间通过相连接，滤池还通过输气管道与空气加压装置相连接；
[0016] 所述的滤料再生系统包括加药设施和贮药装置，加药设施与贮药装置相连接，加药设施与滤池相连；
[0017] 所述的消毒系统包括计量投加设施与贮药设施，计量投加设施分别与贮药设施和滤池的出水管道相连。
[0018] 进一步地，所述的空气加压装置为空压机或鼓风机；
[0019] 所述的曝气器的结构形式为管式、盘式、钟罩式或平板式结构。
[0020] 所述曝气机可分为转刷式、转盘式、潜水离心式、深水式、倒伞形立式等。
[0021] 所述的滤池滤速为7～14m/h，滤层厚度为1.2～1.6m，过滤周期为1～4d。
[0022] 所述的滤料再生系统再生周期为1～3年。
[0023] 本发明的工艺系统合理有效地集成了锰铁药剂适配投加、化学辅助氧化、机械充氧氧化、截留过滤、化学吸附、化学接触催化氧化等多种技术协同去除水源中的氨氮、浊度和色度，与现有处理技术相比，优点如下：具有去除效率高（氨氮去除95%左右）、处理速度快（7-14m/h滤速可有效去除）、受环境因素影响小，不产生副作用、运行管理简单等技术优势；具有工程投资小、运行成本低等经济优势。此发明工艺系统不仅适用于新地表水厂设计，而且易于实现现有地表水厂的升级改造；尤其是对于现有地表水厂的升级改造，仅需增设锰铁药剂适配投加系统、机械充氧系统和化学辅助氧化系统，便能有效提高水中氨氮的去除效能，保证出水水质。
附图说明
[0024] 图1为本发明工艺系统结构示意图。
[0025] 图2为本发明工艺流程示意图。
[0026] 附图上的标记为：a、地表水；b、混合反应沉淀系统；c、锰铁药剂适配投加系统；d、化学辅助氧化系统；e、机械充氧系统；e-1、鼓风曝气系统；e-2、机械曝气系统；f、过滤系统；g、消毒系统；h、反冲洗系统；i、滤料再生系统；1、混合池；2、反应池；3、沉淀池；4、药剂配制与储存装置；5、计量投加装置；6、投药管；7、曝气池；8、输气管道；9、曝气器；10、空气加压装置；11、布气管道；12、滤池；13、滤料；14、反冲洗水泵；15、吸水井；16、反冲洗水管道；17、加药设施；18、贮药装置；19、计量投加设施；20、贮药设施；21、配药装置；22、投药装置；23、曝气机；24、电动机；25、减速机；26、传动轴。
[0027] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
[0028] 本发明解决问题的技术构思是：地表水经混合反应沉淀系统的混合、反应、沉淀处理后，先利用锰铁药剂适配投加系统向水体中投加一定量的锰铁适配药剂，再利用化学辅助氧化系统将人工适配投加的低价态锰铁进行快速化学氧化，使之形成的氧化物能够附着在滤料表面，从而形成滤料表面活性滤膜；经机械充氧系统进行充分传质充氧，并通过氧化作用形成新生态铁锰复合氧化物，而后利用过滤系统的截留过滤、化学吸附、化学接触催化氧化等作用协同去除地表水中的氨氮、浊度和色度，最终经消毒后生产出合格的饮用水。
[0029] 本发明工艺包括混合反应沉淀系统b，用于对地表水a进行混合、反应、沉淀处理，即通过对混凝剂与原水的混合后，再经反应池进行絮凝反应，最后经沉淀池的沉淀作用达到絮体颗粒的有效去除。
[0030] 锰铁药剂适配投加系统c，用于向地表水中投加低价态锰铁适配药剂。锰铁药剂适配投加系统c主要是将低价锰（二价）、低价铁（二价）药剂进行适当比例的配制后形成锰铁适配药剂，以溶液形式储存于药剂配制与储存装置中，再通过计量投加装置投加于原水中，使水体中共存可形成新生态铁锰氧化物的前体物，进而为滤料表面铁锰复合氧化物滤膜的形成提供有利条件。
[0031] 化学辅助氧化系统d，用于对经过锰铁药剂适配投加系统c向地表水中投加的低价态锰铁进行化学氧化反应。化学辅助氧化系统d主要是在滤料表面形成活性滤膜之前，通过投加化学氧化剂氧化水中低价态锰铁，使之形成的氧化物能够附着在滤料表面，加快滤料表面活性滤膜的形成，保证强制机械充氧氧化后新生态铁锰复合氧化物在滤膜表面的吸附和高效附着。所述化学辅助氧化系统主要用于工艺系统启动期，而待滤料表面形成成熟的活性滤膜后（即系统正常运行），停止运行化学辅助氧化系统（即不投加化学氧化剂）。
[0032] 机械充氧系统e用于向水中强制机械充氧，并将锰铁氧化成新生态铁锰复合氧化物；即一方面保证水体与氧分子有充分的接触，提高水中溶解氧浓度和氧传质效率，为过滤工艺化学接触催化氧化提供条件；另一方面使人工投加的低价态铁锰氧化成新生态铁锰复合氧化物，并使之能持续有效地附着在滤料表面的活性滤膜上。机械充氧系统e主要通过一些机械设备，强制加速向水体充氧，使水体与氧气得到有效充分接触来实现氧分子的传质过程，并实现低价态锰铁的氧化进程。机械充氧系统e依据充氧方式的不同可分为鼓风曝气系统e-1和机械曝气系统e-2两种。所述鼓风曝气系统e-1主要由曝气池、输气管道、曝气器、空气加压装置、布气管道等构成，所述空气加压装置可采用空压机或鼓风机，其压力主要根据曝气池水深确定，所述曝气器的结构形式可采用管式、盘式、钟罩式或平板式。所述机械曝气系统e-2可分为表面曝气、水下曝气和射流曝气三种，所述表面、水下曝气系统均主要由曝气池、曝气机、电动机、减速机、传动轴构成，所述曝气机可分为转刷式、转盘式、潜水离心式、深水式、倒伞形立式；所述射流曝气系统主要由加压泵、射流管和曝气池构成。
[0033] 过滤系统f，用于为机械充氧系统生成的铁锰复合氧化物提供附着表面，形成活性氧化膜，进而在活性氧化膜表面实现对水中氨氮的化学吸附和接触催化氧化，并同时截留水中残留的悬浮物。所述过滤系统主要由滤池、反冲洗系统和滤料再生系统等组成。
[0034] 消毒系统g，用于灭杀经过过滤系统f处理后的地表水中的病原微生物，通过计量投加设施连续投加消毒剂的方式对水质进行消毒，最终生产出合格的饮用水。
[0035] 如图1和图2所示：
[0036] 地表水中氨氮高效去除工艺主要包括混合反应系统b、锰铁药剂适配投加系统c、化学辅助氧化系统d、机械充氧系统e、过滤系统f、消毒系统g，各系统之间通过管道或渠道相连接。地表水a与混合反应系统b相连，锰铁药剂适配投加系统c和化学辅助氧化系统d分别与混合反应系统b相连，经锰铁药剂适配投加系统c和（或）化学辅助氧化系统d处理的地表水a与机械充氧系统e相连，机械充氧系统e与过滤系统f相连，过滤系统f包括滤池12、反冲洗系统h和滤料再生系统i，反冲洗系统h和滤料再生系统i分别与滤池12相连；而过滤系统f与消毒系统g相连。
[0037] 在系统正常运行时，原水直接进入混合反应系统b中的混合池1与混凝剂充分混合，而后流入反应池2进行充分絮凝反应形成较大的絮体颗粒，再经沉淀池3的沉淀作用去除水体中的絮体颗粒和悬浮物。混合反应系统c中的混合池为机械混合或水力混合，反应池2为网格、栅条、隔板或者折板形式，沉淀池3为平流、斜管或斜板、或平流与斜管，或者平流与斜板的组合形式。
[0038] 锰铁药剂适配投加系统c包括药剂配制与储存装置4、计量投加装置5和投药管6。系统运行时，计量投加装置5将储存于药剂配制与储存装置4中的锰铁适配药剂通过投药管6投加到机械充氧系统e的进水管中，药剂配制与储存装置4和计量投加装置5通过管道相连接。所述锰铁适配药剂是以低价锰为主、低价铁为辅的人工配制药剂，适配药剂投加量可根据原水中处理水量、原水氨氮浓度进行确定。
[0039] 化学辅助氧化系统d主要是由配药装置21、投药装置22和投药管6组成。在工艺系统启动期，投药装置22将化学氧化剂投加在机械充氧系统e进水管道上，投药装置22与配药装置21通过管道相连接，与机械充氧系统e进水管道之间通过投药管6相连接。在系统运行初期，运行化学辅助氧化系统d；待滤膜成熟后，化学辅助氧化系统d可停止工作，原水经混合反应系统b处理后直接进入机械充氧系统e。所述化学氧化剂可采用高锰酸钾、高锰酸复合盐等，化学氧化剂投量可根据原水水质条件确定。
[0040] 沉淀池3出水经管道或渠道直接流入机械充氧系统e，机械充氧系统e依据充氧方式的不同可分为鼓风曝气系统e-1和机械曝气系统e-2两种。以鼓风曝气系统e-1为例，系统主要由曝气池7、输气管道8、曝气器9、空气加压装置10、布气管道11构成；通过曝气器9向曝气池7中水体鼓入许多气泡，使气泡与水体之间达到充分接触而实现氧传质过程，同时将水体中低价铁锰氧化新生态铁锰复合氧化物，其中空气加压装置10向曝气器9提供气源，空气加压装置10与曝气器9间通过输气管道8相连接，而曝气器9安装在固定于曝气池7内部的布气管道11上；所述空气加压装置10为空压机或鼓风机，其压力主要根据曝气池7水深确定。
[0041] 水体经机械充氧系统e充氧后直接流入过滤系统f中的滤池12，滤池12的功能主要是通过滤料13和滤料13表面的成熟活性滤膜共同作用去除水体中的浊度、色度、和氨氮，其中滤料13设置在滤池12内部。滤池12形式采用气水反冲洗滤池，经济滤速可控制在7～14m/h，滤层厚度控制在1.2～1.6m范围内，过滤周期可控制在1～4d范围内，所述滤池12中的滤料13采用普通均质石英砂滤料、陶粒滤料或锰砂滤料。
[0042] 反冲洗系统h主要由反冲洗水泵14、空气加压装置10、反冲洗水管道16、输气管道8、吸水井15构成，反冲洗水泵14与滤池12之间通过反冲洗水管道16相连接，空气加压装置10还与滤池12之间通过输气管道8相连接，其中反冲洗水泵14通过管道从吸水井15吸水向滤池12提供反冲洗水，空气加压装置10向滤池12提供反冲洗空气。水冲与气冲强度可依据《室外给水设计规范》（GB50013-2006）和滤层厚度进行合理选择。
[0043] 滤料再生系统i利用氧化剂的强氧化作用剥离老化滤膜以恢复其原有活性能力，它主要由加药设施17、贮药装置18组成，加药设施17分别与滤池12、贮药装置18之间均通过管道相连接。滤料再生系统i中选用的氧化剂可采用具有强氧化性的双氧水、二氧化氯和臭氧等，投量根据滤料量和氧化剂种类确定，再生周期可控制在1～3年。
[0044] 滤池出水最后经消毒系统g消毒后进入市政供水系统向用户供水，消毒剂通过计量投加设施19连续投加于滤池12的出水管道上，其中消毒剂贮存于贮药设施20中，计量投加设施19与贮药设施20、滤池12的出水管道之间均通过管道相连接。消毒剂种类可采用氯气、次氯酸钠、二氧化氯等，投加量根据出水量、药剂种类与出水余氯计算确定。
[0045] 以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，本领域的技术人员应当理解，凡是不脱离本发明技术方案的改进或等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
