新型反硝化濾池設備脫氮效果中試

呂冰倩，陳方鑫，張 勛，張 青，董獻彬，張 強

(1.安徽環境科技集團股份公司，安徽 合肥 230000；2.北京淶澈科技發展有限公司，北京 100089)

1 引言

農業中氮肥、磷肥的過度使用以及生活污水和工業廢水的排放導致大量的氮、磷進入水體環境，目前城市污水廠二級出水中仍含有較高含量的氮和磷，直接補充河道、湖泊和景觀等水體時，存在水體富營養化的風險，傳統的深度處理工藝混凝沉淀過濾可以有效消除磷超標風險，但去除TN的能力極其有限[1]。生物反硝化技術因其高效和低成本等優勢被廣泛應用于深度脫氮，其按照電子供體的類型可分為異養型反硝化和自養型反硝化。反硝化濾池是一種新型高負荷淹沒式反應器，它兼有活性污泥法和生物膜法兩者的優點，如濾池中微生物濃度高、有機物負荷及水力負荷高、水力停留時間短、占地面積小、總氮去除效能高[2]。本研究以安徽省滁州市南譙區污水廠二級出水為處理目標，分析了新型自養-異養協同反硝化濾池的運行方式及對總氮的去除效能，為實際工程應用中反硝化濾池工藝效能的提升及優化設計提供技術參考。

2 反應設備及中試方案

2.1 自養-異養反硝化濾池設備

該新型自養-異養反硝化濾池采用圓形罐體結構，尺寸高1.2 m，直徑3.5 m，有效體積為3.4 m3。該濾池裝有進水泵、反洗水泵、反洗風機、振動器、硫自養填料、承托層卵石。設備如圖1所示。

該反硝化濾池為保證自養與異養反硝化的穩定反應，解決反應器內部溶解氧的控制難題，對協同反硝化濾池的反沖洗系統進行創新改進。本濾池取消現有技術中的氣洗步驟，采用制造負壓、射流反沖洗和水洗步驟，在濾池本體頂部設置真空泵，采用管道相連通，利用真空泵形成的負壓環境，使水流自下而上流經填料層，沖刷填料層，相對傳統氣洗方式不會破壞反應器中的溶解氧條件，使得反應器的生物降解更加高效穩定。同時創新性地使用振動驅氮方式，減少濾料中的氮氣積壓，提高效率，減少反沖洗頻率。

圖1 中試設備現場照片

其次，濾池結合了新型的脫氮填料，填料是一種基于無機礦物材料的自養-異養協同反硝化脫氮載體，具備以下優點：生物膜附著容易、表面粗糙多孔，具有較大的比表面積；密度適中，既能夠使得反沖洗過程容易，又不至于跑料；形狀規則，尺寸均一為球形，使之可以在濾料間形成均一的流速；化學和生物穩定性好，對微生物無毒害和抑制作用；濾料表面電性以帶正電和親水性為好；水流流態良好，有利于發揮傳質效應；空隙率大，阻力小，強度大，經久耐用。

2.2 中試方案

2.2.1 設計進出水水量與水質

(1)設計處理量。本次中試試驗最大處理量設計為Q=100 m3/d。

(2)設計進出水水質。設計進水TN≤15 mg/L(其中氨氮≤5 mg/L)，出水TN<5 mg/L。

(3)實際進水水質。實際進水水質TN≈10 mg/L，溫度≈24 ℃，DO≈7 mg/L。

2.2.2 中試工藝流程

中試裝置進水取自污水廠二沉池出水后中間水池，通過提升泵進入中試裝置，經過該裝置處理后的出水排入水廠后續處理工藝設施。運行工藝圖如圖2所示。

圖2 自養-異養協同生物濾池運行工藝

本中試裝置設置反沖洗系統。反沖洗水也取自中間水池。進水及反沖洗水管以及進氣管裝有流量計，以便記錄數據。

2.2.3 工藝特點

生物濾池設備結合的新型脫氮填料工藝具有以下特點：

(1)該填料比表面積大，材料孔隙結構豐富，負載微生物能力強，易掛膜，保證單位容積濾池中較高的生物量。

(2)抗沖擊負荷能力強：對生活污水水質、水量變化有較強的適應性，運行穩定性好。

(3)反硝化濾池結構設計合理：采用負壓+氣水聯合反沖洗，可在較低的沖洗強度下，獲得較好的沖洗效果，可使生物濾池長期保持理想的運行效果。

(4)濾池污泥產量少，反沖洗頻率低，中試過程設置每15 d進行水反沖洗一次，相比傳統反硝化濾池1 d反沖洗一次，在運行管理和能耗節約方面具有非常大的優勢。

(5)生物膜含水率低，不會發生污泥膨脹，運行管理較方便。

(6)占地面積小：其池容和占地面積僅為常規二級生物處理的1/5左右，不需要二沉池。

(7)脫氮效果：總氮去除率50%～95%，出水可接軌地表水標準。

(8)處理成本低：節約了高額的碳源投加費用及相關投加設備費用，可以節約30%～70%運行成本。

(9)運行維護簡單，自動化程度高，對運行管理人員要求較低。

3 設備運行

啟動階段主要為實現微生物的馴化培養，具體運行操作如下：

(1)設備安裝完成后加入缺氧池混合液至反沖洗出水口，靜置24 h。

(2)靜置24 h后，打開反沖洗排水閥，打開進水閥(進沉淀池出水)，以2.0 m3/h左右流量，沖洗40 min，隨后繼續靜置24 h，之后再進水40 min。

(3)按上述操作循環，間歇性進水約2～3 d，隨后以2.0 m3/h連續進水，之后開始以設計流量(4.1 m3/h)進水，檢測出水總氮達標后關閉反沖洗排水閥，打開出水閥正常出水。

計劃啟動階段約需要5～7 d左右，實際從馴化至設計流量出水用時6 d。

4 結果分析

4.1 化學需氧量(COD)

圖3為中試運行過程中濾池進出水COD的檢測結果，由圖3可以看出，在運行期內設備進水COD維持在10～24 mg//L，平均濃度為17 mg/L，出水COD相對于進水并沒有明顯變化，這可能是因為污水經過前端A2O的生化段反應之后，容易被微生物利用的COD已經降解消耗完全，中間水池主要殘留的是難生物降解COD。表明該反硝化濾池對COD幾乎沒有消耗，也沒有增加出水COD濃度，因此可判斷濾池設備在脫氮過程沒有利用有機碳源，實現了在無碳源條件下對總氮的極限去除。反硝化濾池設備實際停留時間約25 min，中試實驗中最大運行容積負荷為0.85 kg N/(m3·d)，相比于傳統的碳源，在實際運行中可抗擊更高的總氮負荷。

圖3 設備進、出水COD變化

4.2 總氮

設備運行期間的總氮變化情況如圖4所示，由于該濾池的進水為二沉池的出水，故設備進水總氮平均濃度較低，約為10 mg/L。在反應過程中，最高進水總氮濃度為14.74 mg/L，當天出水濃度為2.37 mg/L，出水的總氮平均濃度為4 mg/L，最低僅為0.67 mg/L，且每次的出水濃度均低于5 mg/L，濾池設備對污水總氮的平均去除率為70.3%，運行期間濾池有良好的抗沖擊負荷能力，可實現對總氮的深度處理。

4.3 硝態氮

如圖5所示為濾池進出水硝態氮的變化情況，進水硝態氮的平均濃度為9 mg/，出水中的硝態氮平均濃度約為3 mg/L，硝態氮的去除率為72.6%。因為該新型反硝化濾池協同了反硝化脫氮技術(NSAD)利用復合活性礦物材料激活水中相關微生物群落，并構建自養-異養協同反硝化體系。自養反硝化過程利用濾池中的減氮材料為微生物提供電子供體，不再依賴外部有機碳源，硝酸鹽作為最終電子受體，將其轉化為氮氣，達到去除水中氮污染的目的。在NSAD脫氮體系中，低濃度的有機物還可以通過有機碳與無機碳之間轉化的微循環，被充分利用。該濾池同時集成了先進的微生物抗逆技術，有助于微生物菌群始終保持高水平生物活性，從而使得濾池脫氮系統能夠啟動迅速、反沖洗后恢復迅速，始終保持高效脫氮性能。

圖4 設備進、出水總氮變化

圖5 設備進、出水硝態氮變化

4.4 氨氮

中試運行過程中對氨氮進行檢測，由圖6可以看出，進水中的氨氮平均濃度約為0.5 mg/L，含量較低，這是因為濾池設備為二沉池出水，污水經過前端好氧池曝氣之后，氨氮充分轉化為硝態氮，所以濃度較低，同時濾池出水氨氮濃度沒有明顯變化，平均濃度也約為0.5 mg/L，表明該型濾池對氨氮影響較小。出水氨氮有時相較進水略有升高，但仍保持在很低水平，這是由于中試設備接種污泥量過大所引起的，在其他運行項目中未發現此現象。

4.5 掃描電鏡分析

圖7是濾料表面電子掃描電鏡圖，結果表明，反硝化后材料表面有桿棒狀和球狀微生物大量存在，生物膜最厚。從材料表面的殘缺程度和堿度材料晶束結構的不完整性可以看出，其整體和關鍵成分都得到了較大程度的運移和利用。濾料具有負載微生物能力強，微生物能夠通過材料表面孔隙進入填料內部，對填料進行利用材料多孔且具備空隙發育，比表面積大、能為微生物提供豐富的附著位點等優勢。

圖6 設備進、出水氨氮變化

圖7 濾料表面電子掃描電鏡圖

5 結論

本項目中，針對較高進水溶解氧(約7.0 mg/L)和反沖洗后的劇烈環境變化，濾池的脫氮效果并未受到干擾，始終保持較高的總氮去除效果，硝氮去除率能夠達到70%以上，出水硝氮濃度可以保持在4 mg/L以下。此外，在本實驗項目中，由于濾池設備耦合了新型脫氮填料以及反沖洗方式，噸水脫氮成本降至約為0.12～0.25元/t，相比傳統工藝設備新型反硝化濾池總運行成本降低約46.5%，其中脫氮成本降低38.1%。主要節省了藥劑投入和相關加藥設備運行的能耗費用以及維護和管理設備的人工成本。

(1)該技術能夠適應本項目實際水質，在去除總氮的同時不會造成其他二次污染，且在不外加碳源條件下實現對總氮的去除(最低出水0.67 mg/L)。

(2)裝置去除總氮速率快，停留時間短，工藝占地面積小；其技術穩定性好，微生物活性高，啟動馴化時間短、反沖洗后恢復迅速，具有抵抗進水負荷變化、溶解氧條件變化的能力。

(3)裝置污泥產量低，反沖洗頻率低，運行維護簡單，很大程度減輕成本和管理壓力。