反硝化深床濾池工藝在污水處理廠的應(yīng)用效果

呂瑞濱，汪喜生，沈怡雯，趙林輝

(1.上海城投污水處理有限公司石洞口污水處理廠，上海 200942；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

市政生活污水經(jīng)污水處理廠處理后排入河、江流域，為改善重點(diǎn)流域水環(huán)境質(zhì)量，各地污水處理廠通過提標(biāo)改造工程實(shí)現(xiàn)污染減排，多地區(qū)已執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，甚至提高至類Ⅳ類、Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。其中，出水總氮(TN)是提標(biāo)改造的關(guān)鍵之一。

污水處理廠多采用活性污泥法進(jìn)行生物脫氮處理，二級(jí)出水TN在11.6～18.5 mg/L[2]，有些污水處理廠波動(dòng)范圍更大。由于生化系統(tǒng)缺氧池停留時(shí)間有限、回流、碳源等問題，前置反硝化能力較差，需要在后端建立深度脫氮工藝進(jìn)一步脫氮[3]。通過研究對(duì)比生物濾池、深床濾池、活性砂濾池3種工藝，都有較好的去除效果，其中反硝化深床濾池通過外加碳源，出水硝酸鹽氮可達(dá)到1 mg/L以下[2]。且反硝化深床濾池集生物脫氮及過濾功能，能同時(shí)滿足對(duì)TN和懸浮物的去除。

1 反硝化深床濾池系統(tǒng)

反硝化深床濾池系統(tǒng)在介質(zhì)固定表面生長的脫氮微生物，在兼性-無氧條件下將污水中的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)狻樘岣呙摰饔茫话憧梢栽谙趸鬯屑尤胩荚矗员銥樾玛惔x和細(xì)胞生長提供脫氮所需要的能量，投加有機(jī)碳源后，濾池將截留其中的懸浮固體，同時(shí)在濾料上生長的反硝化菌進(jìn)行反硝化脫氮去除污水中氮含量。

相對(duì)粗顆粒且圓整的介質(zhì)通過提供足夠的孔隙，確保懸浮固體的深度截留和生物群落的生長。懸浮固體和氮?dú)獾睦鄯e在濾池中逐步累積水頭損失，需要周期性的反沖洗去除截留的固體，用驅(qū)氮去除截留的氣體。反沖洗結(jié)合逆向的水流與氣流通過濾池，大量強(qiáng)有力的空氣使濾料相互搓擦，沖洗用水僅為總量的2%。“搓手”模式的成功一方面依賴于特殊的濾料，接近于圓形、球形度0.8的天然石英砂；另一方面依賴于安全可靠、反沖洗強(qiáng)度很大的配水配氣系統(tǒng)，即專用于污水處理的濾磚。

反硝化深床濾池的功能包括：①去除進(jìn)水中懸浮物SS；②反硝化脫氮，即去除TN；③采用微絮凝直接過濾去除TP。

圖1 反硝化深床濾池工作原理Fig.1 Working Principles of Denitrification Deep Bed Filter

2 反硝化深床濾池脫氮影響因素

2.1 碳源投加

反硝化菌多數(shù)屬于異養(yǎng)、兼性厭氧細(xì)菌，一般認(rèn)為BOD5/TN約在3～5時(shí)，不需要投加碳源，而以好氧反硝化菌為優(yōu)勢菌種的系統(tǒng)C/N更高。污水處理廠尤其經(jīng)過二級(jí)處理的水質(zhì)碳源含量低，而硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮去除效率低，使得后續(xù)深度處理碳源不足。在反硝化深床濾池應(yīng)用實(shí)踐中有投加乙酸鈉、甲醇、葡萄糖等，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)中C/N含量進(jìn)行適量投加，能促進(jìn)反硝化菌的培養(yǎng)，強(qiáng)化反硝化脫氮功能。東港污水處理廠反硝化濾池調(diào)試時(shí)對(duì)乙酸鈉投加量進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)試初期投加量較高時(shí)，TN去除率達(dá)40%～60%，經(jīng)過調(diào)控，0.1 g/L的乙酸鈉投加濃度為最佳運(yùn)行投加量[4]。合肥市某污水處理廠采用AAO，通過調(diào)控投加甲醇20～50 mg/L，能使出水TN控制5 mg/L以下[5]。碳源投加種類及投加量需要結(jié)合廠內(nèi)處理水質(zhì)及工藝進(jìn)行調(diào)整。多級(jí)AO+高效沉淀池+反硝化深床濾池工藝中進(jìn)水TN波動(dòng)很大時(shí)，改在缺氧池投加葡萄糖和濾池前投加乙酸鈉，以此來避免出水COD和BOD5可能過高的現(xiàn)象，并且碳源成本較低[1]。某污水處理廠以甲醇、乙酸鈉為碳源研究對(duì)反硝化生物濾池的影響，結(jié)果表明：乙酸鈉微生物產(chǎn)量高、運(yùn)行周期短，濾池中與反硝化有關(guān)均屬占58.38%，高于投加甲醇濾池的36.68%，但甲醇運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低[6]。

2.2 氧氣含量

反硝化反應(yīng)過程中以硝酸鹽代替分子氧作為電子受體，進(jìn)行無氧呼吸分解有機(jī)質(zhì)。反硝化深床濾池的濾料層附著的脫氮微生物在缺氧環(huán)境下將水中的硝酸鹽氮還原成氮?dú)狻．?dāng)反硝化深床濾池構(gòu)筑物環(huán)境中氧氣含量高時(shí)，反硝化菌會(huì)以氧為電子受體，優(yōu)先消耗氧氣，或降低對(duì)硝酸鹽氮的消耗，影響脫氮效率。研究表明，系統(tǒng)中溶解氧保持在0.5 mg/L時(shí)，反硝化才能正常進(jìn)行[7]。出水溶解氧大于5 mg/L時(shí)，TN去除率小于20%，而出水溶解氧小于1 mg/L時(shí)，TN去除率達(dá)到60%～80%[4]。溶解氧過高會(huì)增加外加碳源的投加量，不利于反硝化作用[8]。因此，在反硝化深床濾池運(yùn)行管理中需要控制溶解氧含量，而在水頭跌落中充氧，有工程采用恒水位過濾或弧形堰進(jìn)水等技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 環(huán)境溫度

反硝化菌適宜環(huán)境溫度一般為30 ℃，低于5 ℃時(shí)反硝化反應(yīng)幾乎停止。因此，在低溫(如冬季)運(yùn)行時(shí)，反硝化脫氮效率會(huì)受到影響，如上海冬季溫度基本上在10 ℃左右，反硝化作用效率較低，深床濾池反硝化生物膜馴化周期延長。夏季運(yùn)行TN能達(dá)標(biāo)時(shí)，反硝化深床濾池不投加碳源，作為普通濾池使用，過濾水中懸浮顆粒。冬季運(yùn)行時(shí)，投加合適碳源，深床濾料上的生物膜消耗碳源，生長迅速，逐漸富集反硝化菌群，對(duì)二級(jí)出水進(jìn)行反硝化脫氮，保障TN達(dá)標(biāo)。潁南污水處理廠冬季運(yùn)行時(shí)計(jì)算得出：去除1 mg TN 需乙酸鈉9.3 mg，需BOD54.82 mg，高于理論值[2.86 g BOD/(g硝態(tài)氮)][9-10]。

3 反硝化深床濾池運(yùn)行管理

一些污水處理廠的碳源種類和投加量，根據(jù)工藝、水質(zhì)的不同，投加量會(huì)有區(qū)別。并且反硝化濾池馴化時(shí)間一般在一個(gè)月內(nèi)，馴化培養(yǎng)階段，需要投加足夠的碳源，而運(yùn)行穩(wěn)定后，可控制為正常投加量[12]。

表1 污水處理廠碳源投加量分析Tab.1 Analysis of Carbon Source Dosage in WWTP

(2)進(jìn)水SS控制。反硝化深床濾池的過濾作用可以降低部分SS，但是前端來水中SS含量高時(shí)，易造成短時(shí)間內(nèi)液位升高，導(dǎo)致在自動(dòng)化程序下反沖洗的次數(shù)增加，增加能耗，反沖洗導(dǎo)致的很多碳源也相應(yīng)流失。因此，應(yīng)充分控制前端出水懸浮物含量。

(3)液位控制。反沖洗程序啟動(dòng)主要參數(shù)是濾池水位，通過液位控制調(diào)整反沖洗頻次，去除截留的固體。提高濾池液位，可以減少進(jìn)水跌落，降低深層區(qū)氧氣量，提升反硝化脫氮效果。

(4)濾池功能切換。污水處理廠生物反應(yīng)池能發(fā)揮一定功能的反硝化脫氮作用，改造后增加反硝化深床濾池補(bǔ)充脫氮功能，同時(shí)發(fā)揮前置反硝化與后置反硝化作用，保障水質(zhì)出水要求。前置反硝化一般來說碳源充足，補(bǔ)充投加碳源量較少，夏季時(shí)甚至能達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，反硝化深床濾池可切換至濾池功能，減少碳源投加，節(jié)約運(yùn)行成本。蘆村污水廠反硝化濾池同時(shí)具備過濾及脫氮功能，作為脫氮保障設(shè)施，效果明顯，TN平均去除率達(dá)82.3%，出水為2.33 mg/L[15]。

4 結(jié)論

反硝化深床濾池在污水處理廠實(shí)際運(yùn)行過程中，可根據(jù)前期水質(zhì)情況、環(huán)境溫度、氧氣含量進(jìn)行調(diào)整，綜合應(yīng)用案例，根據(jù)反硝化菌富集情況選擇投加碳源種類，并可投加菌種進(jìn)行馴養(yǎng)以較快達(dá)到處理效果。碳源投加地點(diǎn)可在反硝化深床濾池，也可同時(shí)在二級(jí)處理單元缺氧池，投加量在20～100 mg/L，出水能達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，甚至5 mg/L以下。通過控制進(jìn)水SS含量和液位加強(qiáng)反沖洗頻次管理，且降低深層區(qū)氧氣量能提高反硝化脫氮效果。在前端出水較差時(shí)，反硝化深床濾池由濾池切換為反硝化+濾池功能，加強(qiáng)脫氮及懸浮顆粒去除，為污水處理廠水質(zhì)處理運(yùn)行提供保障。