污水處理反硝化濾池的應用綜述

余琴芳，余太平，杜 敬，鎮祥華

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.長江生態環保集團有限公司，湖北武漢 430010；3.武漢市城市排水發展有限公司，湖北武漢 430010)

2015年發布的《水污染防治行動計劃》要求現有城鎮污水處理設施因地制宜進行改造，敏感區域的污水處理廠全面達到一級A排放標準，其中總氮(TN)≤15 mg/L。一些地區/流域還發布了更嚴格的地方標準，如北京、天津、湖南、安徽巢湖地標的最高級別標準要求TN≤10 mg/L，昆明地標的最高級別標準要求TN≤5 mg/L，某些工程甚至需要達到地表IV類水質標準TN≤1.5 mg/L。反硝化濾池是實現高TN排放標準的有效途徑。反硝化濾池占地小、具有較好的脫氮效果和過濾性能，已成為城鎮污水深度處理領域研究和應用的熱點，近年來在污水處理廠提標改造和再生水處理利用中廣泛應用。我國污水處理廠生物處理段工藝多采用活性污泥工藝，但某些污水處理廠用地不足，生物濾池因其占地小也在二級生物處理中和硝化濾池串聯使用。

國內外關于反硝化濾池的研究和應用案例很多，包括脫氮機理和微生物群落研究[1-3]，C/N、水力停留時間、溫度等因素對脫氮的影響[4-8]，不同類型濾料和碳源的脫氮效果等[9-11]。反硝化濾池在污水處理廠提標改造中的應用案例很多，采用反硝化濾池提標至一級A標準，調試中可達到TN≤5 mg/L[12-15]。雖然已有一些研究和應用，但反硝化濾池的動力學尚不明確，其對工程應用具有很大的指導意義；濾池的濾料種類繁多，仍需探索更經濟高效的濾料，以及不同脫氮目標下的最適宜濾料；工程應用中反硝化濾池跌水充氧現象嚴重，外加碳源的混合效率也有待提高。反硝化濾池雖然占地小且脫氮效果好，但其對進水SS要求較高，需前處理設施，進水一般需要泵提升，需要定期反沖洗。武漢某污水處理廠一、二期采用氧化溝工藝，三期采用“前置反硝化濾池+硝化濾池+后置反硝化濾池”生物濾池工藝；2種工藝進水水質基本相同(進水TN為20～50 mg/L，均值為30 mg/L，進水BOD均值為90 mg/L)，出水執行一級A排放標準；一、二期無需外加碳源可達到TN≤15 mg/L的標準，四期不外加碳源時，TN只能達到17～22 mg/L，均值為19 mg/L，四期需要外加COD當量約50 mg/L的乙酸鈉碳源去除TN約8 mg/L才能使TN穩定達標，且生物濾池工藝每天需要反沖洗，與活性污泥工藝相比，生物濾池工藝運行管理更復雜且成本更高。

本文對城鎮污水處理廠反硝化濾池的研究和工程應用進行調研總結，分析不同應用場景下的主要設計和運行參數，以期為城鎮污水處理廠反硝化濾池的設計及運行提供依據。

1 反硝化濾池概述

1.1 原理

濾料是生物濾池工藝的重要組成，是生物膜的附著場所，可以影響生物量，從而影響脫氮負荷和效果。反硝化生物濾池濾料多采用陶粒和石英砂[9,16]。反硝化脫氮需要消耗有機物，是生物脫氮的另一個重要因素，通常來源于廢水中可生物降解的有機物，但廢水中有機物不足時，外加的碳源物質常用乙酸鈉、乙酸、甲醇等，COD/N是決定脫氮效果的重要因素[5,17]。根據過濾流向，反硝化濾池分為上向流和下向流濾池，2種形式各有優劣及適用場景。

1.2 濾池種類與相關規程

表1 標準規范中反硝化濾池主要設計參數Tab.1 Main Design Parameters of Denitrification Filter in Standards

1.3 工程應用

調研反硝化生物濾池的工程應用案例，一級B出水標準的污水處理廠采用生物濾池工藝的主流程一般為“反硝化生物濾池+曝氣生物濾池”或“曝氣生物濾池+反硝化生物濾池”，一級A出水標準的污水處理廠主流程一般為“活性污泥法生物池+反硝化濾池”和“前置反硝化生物濾池+曝氣生物濾池+后置反硝化生物濾池”，蘇伊士的陶粒生物濾池和威立雅的聚苯乙烯輕質濾料濾池應用最多。調研反硝化深床濾池工程應用案例，為使出水達到一級A標準，其在二級生物處理工藝后增加“反硝化深床濾池”進一步去除SS，低溫時通過外加碳源和微絮凝過濾保證TN、SS、TP同時穩定達標[12-13,15]。

一級A排放標準的污水處理廠再次提標，對TN的去除一般再增加反硝化生物濾池，通過投加碳源甚至能將TN降至1.5 mg/L以下。南京某中水回用項目在一級A出水后增加反硝化生物濾池，要求水溫>12 ℃時TN≤5 mg/L，水溫<12 ℃時TN≤8 mg/L；實際運行數據表明，通過碳源投加能使出水TN穩定達標[21]。近幾年，作者單位進行了一系列深度脫氮的中試試驗，試驗以一級A污水廠的二級生物處理出水為原水，考察反硝化濾池的效果，冬季(水溫為13～17 ℃)在武漢某污水處理廠的試驗中，反硝化濾池進水TN為8.9～14.8 mg/L，投加COD當量為60 mg/L的乙酸鈉能使TN穩定在5 mg/L以下；夏季(溫度為25～30 ℃)在珠海某污水處理廠的試驗中，反硝化濾池進水TN為11.0～15.8 mg/L，投加乙酸的COD當量為60 mg/L，能使出水TN穩定≤1.5 mg/L。

2 濾料

反硝化生物濾池設計時，面臨濾料種類、濾料粒徑、填裝高度的選擇。濾料的主要作用是生物載體和過濾攔截SS，密度、粒徑、比表面積等都是重要因素，現使用較多的是陶粒和石英砂，陶粒的比表面積遠大于石英砂，但是石英砂的過濾效果更好，因此有更好的SS和TP去除效果。除此之外，也有生物濾池使用聚苯乙烯(表觀密度為0.2 g/cm3)輕質濾料。

2.1 不同濾料反硝化濾池

上述研究表明，在脫氮效果方面，陶粒濾料優于石英砂濾料，二者的差異大小與外加碳源的種類有關，陶粒濾池對碳源的利用率更高。陶粒濾池出水TN可達到1.5 mg/L以下，而石英砂濾池在不同的研究中其出水TN分別可達到3 mg/L以下和4～7 mg/L。陶粒和石英砂濾池反沖洗周期的差別與濾池進水水質有關，進水為濾池出水SS較低時，二種反沖洗周期差別不大。

2.2 濾料與脫氮要求

根據不同濾料反硝化濾池的研究，陶粒濾池出水TN更低，要達到非常高的出水TN標準，如TN≤3 mg/L或1.5 mg/L，采用陶粒濾料更有保障，現有工程暫不需要達到如此高的標準。

2.3 濾料選擇的建議

對于濾料的選擇，應綜合考慮其脫氮要求、進水SS與反沖洗頻率等因素。工程案例調研發現，設在預處理工藝后的二級處理前置反硝化濾池一般選用粒徑為6～9 mm或4～6 mm的陶粒生物濾池；深度處理后置反硝化濾池一般選用粒徑為3～5 mm的陶粒生物濾池，或粒徑為1.5～3.5 mm的石英砂深床濾池。陶粒濾池后一般設有高效沉淀池，石英砂濾池可作為消毒前的最后一級工藝。建議二級處理采用反硝化生物濾池，選擇陶粒濾池；深度處理采用石英砂濾池。陶粒有較大的比表面積來培養附著微生物膜，而石英砂濾池的生物量有限。一般采用反硝化濾池時，需要去除的TN>10 mg/L，為保證反硝化效果不宜采用石英砂濾料。但是，同時對TN、SS、TP的去除均有較高要求，且TN出水標準為一級A時，宜選用石英砂濾料，可分別通過碳源投加、過濾和微絮凝過濾同時完成TN、SS、TP的去除。相同濾床深度的情況下，采用石英砂濾料，其出水SS優于陶粒。

3 碳源

除了二級處理前置反硝化濾池可利用污水中的碳源外，一般反硝化濾池均需外加碳源，碳源選擇與投加量是反硝化濾池工藝的重要參數。

3.1 不同碳源

綜上，甲醇為外加碳源時消耗的COD/N為3.5～5.5，乙酸/乙酸鈉為外加碳源時消耗的COD/N為3.4～7.3，葡萄糖為外加碳源時消耗的COD/N為7.0～9.7。不同碳源去除單位氮消耗的COD/N不同，同一種碳源在不同條件下所需的COD/N也存在不同。在實際工程中，某種碳源的選擇需綜合考慮處理效果與運行成本，投加量需根據出水TN標準、進水DO濃度、水力負荷、溫度等因素綜合確定，減少跌水充氧是減少碳源用量的有效途徑。

3.2 新型碳源和新型技術

基于巨大的碳源市場，一些生物公司開始研發高效復合碳源，如公司A的生物發酵復合碳源，以多種農業生物質為原料，利用特定酶進行水解發酵后提純濃縮，再通過復配形成高效碳源；公司B的多核復合型碳源，以淀粉為底物水解并添加益生因子等，形成的由多種低分子糖、酸、醇和微生物益生因子組成的多核復合型碳源。市面上復合碳源專利產品的核心為不同分子量及結構的碳源組分和微生物益生因子，聲稱在使用中能夠提高反硝化菌群的多樣性和活性，從而提高脫氮效果，降低運行成本。

除了有機碳外，硫也能作為反硝化脫氮的電子供體[26]。研究提出的活性自持深度脫氮技術，是一種非碳源依賴污水脫氮技術，利用復合活性生物載體為脫氮微生物提供多元電子供體，復合生物載體由硫、天然礦物、電子介導體、生物促生劑等組成。某污水處理廠應用該技術，將深床反硝化濾池濾料更換為該復合填料，擺脫了對碳源的投加依賴。

3.3 碳源選擇的建議

傳統碳源與新型碳源的性質及成本如表2所示。甲醇、乙酸、乙酸鈉的脫氮效果均很好，乙酸鈉雖然藥劑成本最高，但現今仍然是污水處理廠使用最廣泛的碳源。甲醇藥劑成本低，脫氮效果好，但甲醇易燃、易爆，其運輸、儲存、投加有特殊要求，建設成本會較高，且一旦管理不當發生爆炸事故，后果不堪設想，使用甲醇時需綜合考慮甲醇運輸路線、管理水平等因素。乙酸的凝固點低至16.6 ℃，冬季低溫會凝固，適合溫度高的南方城市使用。葡萄糖藥劑成本較低，但脫氮效果相對較差，污泥產量高導致反沖洗周期短，執行一級A排放標準的污水處理廠若對反硝化濾池脫氮負荷要求不高，碳源投加量較少，可以選擇投加葡萄糖。而對于某公司的專利產品，其價格相對于乙酸鈉有一定的優勢，但其應用還不夠成熟，且專利產品采購來源受限。

表2 不同外加碳源的性質及成本Tab.2 Characteristic and Costs of Different Carbon Sources

4 過濾流向

4.1 不同流向的濾速

《脫氮生物濾池通用技術規范》(GB/T 37528—2019)[19]建議：上向流反硝化生物濾池平均濾速宜為10～15 m/h，濾料表觀密度宜≥1.4 g/cm3，濾料填裝高度宜≥2.5 m；下向流反硝化生物濾池平均濾速宜為5～8.5 m/h，濾料表觀密度應≥2.5 g/cm3，濾料填裝高度宜≥1.8 m。這表明，上向流濾池可采用更高的濾速，濾料可采用陶粒、石英砂等，而根據密度的要求，下向流濾池應采用石英砂濾料。

4.2 反硝化濾池代表工藝

工程應用中，幾種典型的反硝化濾池代表工藝如表3所示。蘇伊士Biofor DN生物濾池采用上向流，濾料為專利濾料Biolite(進口火山巖，粒徑為2～6 mm)，濾料高度可達4 m，濾速可高達27 m/h，武漢某污水處理廠采用該工藝設計濾速22 m/h；威立雅Biostyr DN生物濾池采用上向流，根據應用場景濾速可為6～30 m/h，濾料為聚苯乙烯輕質濾料，屬懸浮濾料，存在濾料流失的風險，反沖洗采用向下的重力反沖洗，節省能耗。迪諾拉STS/Tetra反硝化深床濾池采用下向流過濾，填裝1.8 m厚的粒徑為2～4 mm的石英砂，濾速為5～10 m/h；賽萊默Leopold反硝化深床濾池采用下向流過濾，填裝1.8 m厚的粒徑為1.7～3.35 mm的石英砂；蘇伊士的DeniforV深度脫氮V型濾池結合了Biofor生物濾池和V型濾池的優點，采用下向流過濾，濾料為粒徑為2.0 mm或2.5 mm的專利濾料Biolite(進口火山巖)，填裝高度為1.5～2.0 m，濾速為5～10 m/h；深圳清泉公司的上向流反硝化深床濾池采用上向流，填裝3 m厚的粒徑為2～4 mm的石英砂，濾速為6～9 m/h。綜合這幾家代表工藝，二級處理用反硝化生物濾池宜采用上向流過濾，其濾料填充高度更高，濾速高則占地小；深度處理用反硝化深床濾池一般采用下向流過濾，而深圳清泉公司的深床濾池采用上向流，相比于下向流深床濾池，其濾料填充高度更高，濾速也可更高。

表3 反硝化濾池代表工藝比較Tab.3 Comparison of Representative Processes of Denitrification Filter

4.3 過濾流向選擇的建議

反硝化濾池的作用包括生物膜去除污染物和過濾去除懸浮物，主要作用是生物膜中微生物對污染物的去除，反硝化產生的氮氣氣泡可能會包裹濾料，上向流濾池水流可將附著在濾料上的氣泡帶走，有利于污染物與生物膜接觸，從而被去除。下向流濾池由于水流向下，濾料的堆積更致密，過濾效果更好，出水SS更低，下向流濾池反沖洗周期一般短于上向流濾池，相對來說，上向流不易堵塞，進水SS和生物膜生長量是影響生物濾池運行周期的重要因素。反硝化濾池運行過程中，老化的生物膜會脫落，濾池本身的過濾作用會截留脫落的生物膜，上向流濾池的截留作用較差，水力負荷越大，其濾料微懸浮程度越大，濾料間空隙越大，懸浮物的截留效果越差，存在脫落生物膜進入出水導致水質變差的問題。

綜上，反硝化濾池不同流向的選擇應綜合考慮濾池設置位置、污染物去除目標、水力負荷及其沖擊情況等因素。反硝化濾池作為深度處理最后一級過濾時，宜采用下向流深床濾池，對TN、SS、TP均有一定去除要求，需去除的TN負荷宜<5 mg/L，若負荷更高，則污泥產生量更大，反洗周期頻繁，同時下向流濾池應保障進水SS較低，從而減少反沖洗周期；若反硝化深床濾池采用上向流，濾速更高則節省占地，但上向流過濾效果上存在出水SS超標的風險。工程上，深度處理反硝化深床濾池采用下向流較多，近些年深圳清泉公司的上向流深床濾池也有一些應用。反硝化濾池作為二級處理的工程，一般采用上向流，可設計較高的負荷，從而減少占地，且上向流進水可帶走氣泡，無需驅氮。

5 結論與展望

反硝化濾池適用于污水處理廠提標改造和深度處理，用于二級處理可大幅減少占地，已在城鎮污水處理廠廣泛使用。研究者下一步可在以下方面進行探索。

(1)對不同TN出水標準下(5、3、1.5、1.0 mg/L)，反硝化濾池的運行參數和效果進行研究，為工程應用提供依據。

(2)研發原料易得的經濟高效碳源和傳統碳源的高效組合，解決硫自養反硝化的工程應用限值因素，減少碳源成本。

(3)研發可釋放電子供體的多功能濾料，減少碳源投加運行成本。

工程應用中，應注重精細管理與運行，減少跌水充氧，智能控制水質反饋的加藥量，探索最優的水力負荷與反沖洗周期及強度。