反硝化深床濾池在實(shí)際工程中的優(yōu)化研究

楊延鑫

摘 要：反硝化深床濾池是一種深床濾池系統(tǒng)，能夠同步去除TN（總氮）、SS（懸浮物）和TP（總磷）等污染物，濾料通常采用特殊形狀和規(guī)格的石英砂，生長在石英砂上的反硝化優(yōu)勢菌種通過生物作用去除TN（總氮），深層濾池能夠過濾去除SS（懸浮物），同時通過投加PAC藥劑實(shí)現(xiàn)TP（總磷）的去除。本文解析了反硝化深床濾池在實(shí)際深度處理工程中溶解氧過高、碳源和除磷藥劑投加不精準(zhǔn)、反洗和驅(qū)氮頻次過密或過疏等問題，基于低濃度進(jìn)水特性，研究對比優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù)，旨在為其深度處理實(shí)際應(yīng)用中提供借鑒。

關(guān)鍵詞：反硝化深床濾池；優(yōu)化；碳源；溶解氧；反沖洗

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-9655（2024）02-00-04

0 引言

隨著我國“水十條”等相關(guān)政策的出臺，越來越多的地區(qū)不斷提高污水排放標(biāo)準(zhǔn)，以緩解城市污水對環(huán)境的壓力[1]。反硝化深床濾池工藝集成度高，運(yùn)行靈活，可以同時起到物理過濾截留 SS、化學(xué)微絮凝除 TP、生物反硝化去除TN 的作用[2]。

反硝化濾池現(xiàn)廣泛應(yīng)用在城市污水處理廠提標(biāo)改造中。由于反硝化濾池具有較好的脫氮效果，該工藝成為城市污水深度處理領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[3]。區(qū)永杰介紹了反硝化深床濾池的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在提標(biāo)改造深度處理工藝中選用反硝化深床濾池工藝，可有效保證出水各項(xiàng)指標(biāo)尤其是總氮的去除率[4]。李鵬飛等通過分析沿程水質(zhì)、創(chuàng)新改造、調(diào)控優(yōu)化，探索提出三方面的精細(xì)脫氮運(yùn)行管控措施，保障總氮精準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)大型再生水廠的精細(xì)化運(yùn)行管控[5]。王雄設(shè)計(jì)采用 “細(xì)格柵及旋流沉砂池+調(diào)節(jié)池+水解酸化+改良型A2/O+二沉池+高效沉淀+反硝化深床濾池+次氯酸鈉消毒”的廢水處理工藝處理紡織工業(yè)廢水[6]。本研究解析了反硝化深床濾池在實(shí)際深度處理工程中的整體運(yùn)行參數(shù)，包括溶解氧過高、碳源和除磷藥劑投加不精準(zhǔn)、反洗和驅(qū)氮頻次過密或過疏等問題，基于低濃度進(jìn)水特性，研究對比優(yōu)化其整體運(yùn)行參數(shù)，旨在為其深度處理實(shí)際應(yīng)用中提供借鑒。

1 試驗(yàn)裝置、方法與問題

1.1 反硝化深床濾池結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

以廣東省東莞市某生活污水廠反硝化深床濾池為試驗(yàn)裝置，濾層總高3 m，承托層卵石0.5 m，石英砂濾料2.5 m，布水區(qū)高1.6 m。濾池?cái)嗝娴某叽鐬?0 m×4.5 m。進(jìn)水系統(tǒng)包括進(jìn)水渠、進(jìn)水閘板以及配水槽等；過濾系統(tǒng)包括石英砂過濾層、出水管及布水布?xì)獯u等；反沖洗系統(tǒng)包括反洗鼓風(fēng)機(jī)、反洗水泵、反洗進(jìn)水管及反洗排水管等。

反硝化深床濾池是一種深床濾池系統(tǒng)，能夠同步去除TN（總氮）、SS（懸浮物）和TP（總磷）等污染物，濾料通常采用特殊形狀和規(guī)格的石英砂，生長在石英砂上的反硝化優(yōu)勢菌種通過生物作用去除TN（總氮），深層濾池能夠過濾去除SS（懸浮物），同時通過投加PAC藥劑實(shí)現(xiàn)TP（總磷）的去除。

1.2 研究方法

試驗(yàn)原水為廣東省東莞市某市政污水廠二沉池出水，其水質(zhì)特點(diǎn)如表2所示。

本試驗(yàn)主要監(jiān)測溶解氧、總氮、懸浮物、總磷和流量指標(biāo)。溶解氧采用溶解氧儀測定，總氮采用堿性過硫酸鉀法測定，懸浮物采用精密分析天平測定，總磷采用鉬酸鹽光度法測定，流量采用管道流量計(jì)測定。

1.3 存在問題

反硝化深床濾池的日常控制一般為進(jìn)水溶解氧控制、碳源投加、除磷藥劑投加、反沖洗和驅(qū)氮調(diào)控等，控制調(diào)整不合理或不及時往往導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定，也會存在濾池過水不及導(dǎo)致溢流的情況。如何既保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)又保證濾池過水通暢需要優(yōu)化相關(guān)措施。

2 反硝化深床濾池在實(shí)際工程中的優(yōu)化

2.1 進(jìn)水溶解氧優(yōu)化控制

濾池進(jìn)水跌水造成濾池內(nèi)水體溶解氧升高影響反硝化效果[7]。溶解氧影響反硝化菌的活動及呼吸，由于進(jìn)水碳源低，特別是剛剛反洗后，濾速較快，濾池跌水高度最高，水中溶解氧上升最多，總氮去除率偏低，往往總氮較高時難以達(dá)標(biāo)。

本項(xiàng)目監(jiān)測進(jìn)入反硝化濾池的溶解氧和進(jìn)出水總氮。通過反硝化濾池出水閥門控制，保持反硝化濾池液位與進(jìn)水堰板基本平齊，減少跌水充氧，且在濾池頂部進(jìn)行密封蓋板處理，內(nèi)外氣體隔絕，降低渠道內(nèi)空氣含量，平衡氣水兩相氧氣溶解度，復(fù)氧現(xiàn)象大幅下降。具體數(shù)據(jù)見圖2。

由圖可知，優(yōu)化前平均溶解氧升高值平均為2.9～3.5 mg/L，總氮去除值為0.8～1.2 mg/L。優(yōu)化后平均溶解氧升高值平均為0.8～1.5 mg/L，總氮去除值為1.1～1.8 mg/L。原因是采取上述措施后，水中溶解氧處于較低水平，反硝化細(xì)菌較為活躍，反硝化性能提高，總氮降低較多；同時，由于遮擋陽光，堰板和濾池表面青苔基本不生長，減少濾池阻力，減少了反沖洗頻率。

2.2 碳源優(yōu)化投加控制

當(dāng)進(jìn)水總氮較高時，需要投加碳源加大碳氮比去除總氮。一般來說，理論上達(dá)到完全反硝化所需的C/N為3～4，但在實(shí)際工程中該值會受到多種因素的影響，如生物膜的生長狀態(tài)、碳源品質(zhì)及操作條件（溫度、水力負(fù)荷、溶解氧濃度）等[8]。本文以乙酸鈉藥劑為碳源進(jìn)行研究，理論反應(yīng)方程式如下：

8NO3-+5CH3COONa=10CO2+H2O+4N2+5NaOH+8OH-

理論反硝化1 g硝酸鹽氮需消耗3.66 g乙酸鈉，實(shí)際投加過程中由于各種因素影響需要較高濃度的乙酸鈉。同種碳源，因?yàn)楣に嚒⑦\(yùn)行條件等因素不同，反硝化速率出現(xiàn)不同的變化[9]，往往導(dǎo)致出水水質(zhì)波動較大。設(shè)計(jì)投加函數(shù)公式，以進(jìn)水總氮、進(jìn)出水流量為變量，累計(jì)經(jīng)驗(yàn)碳源投加率為投加梯度，制定出符合現(xiàn)場的投加公式。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，實(shí)測出水總氮削減濃度與乙酸鈉投藥量的關(guān)系如圖3。

根據(jù)圖3，實(shí)際過程中7 mg/L乙酸鈉能夠去除1 mg/L總氮，考慮時間和空間的滯后性，出水控制基準(zhǔn)總氮設(shè)為10 mg/L，乙酸鈉以7 mg/L為投加濃度梯度，投加的濃度計(jì)算公式如下：

T＝7×（T2-10）×Q2/Q1 （2）

式中：T-乙酸鈉投加濃度（mg/L）；T2-進(jìn)水總氮值（mg/L）；Q1-出水量（m3/h）；Q2-進(jìn)水量（m3/h）。

應(yīng)用上述公式運(yùn)行一段時間后，出水水質(zhì)更加穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，數(shù)值平穩(wěn)，碳源投加更加精準(zhǔn)，碳源單耗下降約25%，起到節(jié)能降耗的作用。原因是乙酸鈉是碳源，投加乙酸鈉可以有效優(yōu)化水質(zhì)碳氮比，反硝化細(xì)菌吸收碳源能量后，能夠?qū)⑾跛猁}氮還原為氮?dú)猓又荚赐都訒r，從公式得出精確投加量，減少了粗放式投加，碳源單耗下降。

2.3 除磷藥劑優(yōu)化投加控制

化學(xué)除磷是輔助生物除磷的有效手段之一，根據(jù)除磷位置可分為前置除磷、同步除磷和后置除磷[10]。在反硝化深床濾池實(shí)際應(yīng)用過程中往往采取前置投加方式。反硝化深層濾池本身能夠過濾去除SS（懸浮物），便于去除總磷，同時通過投加除磷藥劑去除TP（總磷）。本文試驗(yàn)進(jìn)行二次提升泵房和反硝化濾池進(jìn)水渠的投加聚合氯化鋁藥劑試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可知，無論在泵房還是在進(jìn)水渠投加，出水SS穩(wěn)定在4～5 mg/L，原因是濾池濾層深，具有較好的過濾性能。投加聚合氯化鋁濃度為9 mg/L左右時效果最好。當(dāng)投藥量較多時，出水總磷削減值不減反增。原因是絮凝劑投加量過大時，膠粒表面呈飽和態(tài)，產(chǎn)生脫穩(wěn)現(xiàn)象，造成除磷效果下降。泵房投加聚合氯化鋁的除磷效果優(yōu)于進(jìn)水渠，原因是聚合氯化鋁與污水經(jīng)過水泵提升后在管道充分混合，反應(yīng)時間較長，除磷化學(xué)反應(yīng)更加充分，效果更佳。由此可知，選擇合適的投藥量和投藥點(diǎn)會取得優(yōu)良的深度除磷效果，此試驗(yàn)中在泵房處投加7～10 mg/L的聚合氯化鋁藥量后，除磷效果顯著。

2.4 反沖洗和驅(qū)氮優(yōu)化調(diào)控

反硝化生物濾池在運(yùn)行一段時間后，出水水質(zhì)達(dá)不到要求，要對濾池進(jìn)行反沖洗，提高濾池的反應(yīng)效率[3]。反硝化深床濾池一般利用氣水聯(lián)合方式進(jìn)行沖洗，反洗頻率過快，不利于反硝化菌生長，總氮去除效果不佳；反洗頻率過慢，濾速過低，減少了過水量。在氣水聯(lián)合反沖洗方式作用下，填料的剪切和碰撞作用不斷加強(qiáng)，使濾層處于最合適條件下進(jìn)行反沖，可以減少反沖洗用水量，使反沖洗周期變長，增大濾池的留污能力，提高出水水質(zhì)[11]。

污泥停留時間（SRT）的確定直接影響系統(tǒng)的脫氮除磷效果，具有重要意義[12]。此試驗(yàn)裝置反洗水強(qiáng)度為4.4 L/（s·m2），氣沖洗強(qiáng)度為24.3 L/（s·m2），設(shè)定12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h為反洗間隔，以進(jìn)出水總氮去除值和通水量乘積絕對值大小評定，絕對值越大，反沖洗效果越好。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，氣洗3 min～氣水洗10 min～水洗5 min～氣水洗4 min～水洗4 min、反洗周期48 h效果最佳，既有效保證了反硝化菌的生產(chǎn)周期又確保了較快的通水量。

由于反硝化的作用，濾池運(yùn)行一段時間后由于氮?dú)鈹D壓過濾空間會導(dǎo)致通水量減少。驅(qū)氮步驟為水沖5 min，驅(qū)氮間隔時間設(shè)置1 h、2 h、3 h、4 h、5 h進(jìn)行試驗(yàn)，以進(jìn)出水總氮去除值和通水量乘積絕對值大小評定，結(jié)果證明每2～3 h一次驅(qū)氮最為合適，過濾性能恢復(fù)最好。原因是反硝化菌2 h左右能夠?qū)⒋蟛糠窒跛猁}轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓獨(dú)庾疃喑錆M間隙時啟動驅(qū)氮措施能夠快速恢復(fù)通水效率。

2.5 各生物濾池負(fù)荷優(yōu)化調(diào)控

反硝化生物濾池來水藻類懸浮物和垃圾較多，設(shè)置進(jìn)水孔直徑2 mm的精細(xì)機(jī)械格柵裝置，避免造成生物濾池過水不足、反洗頻繁。存在10個濾池，在運(yùn)行過程中，由于安裝質(zhì)量和調(diào)試質(zhì)量不同等情況，每個生物濾池運(yùn)營參數(shù)不同，主要體現(xiàn)在進(jìn)水負(fù)荷，過水效率，除磷驅(qū)氮能力等。通過一段時間分析各個濾池的過水能力和除磷驅(qū)氮效率，對指標(biāo)靠前的生物濾池進(jìn)行深入研究，得出最佳的運(yùn)營參數(shù)，根據(jù)最佳運(yùn)營參數(shù)制定措施如濾料微調(diào)、局部培菌，調(diào)整反洗強(qiáng)度、均衡進(jìn)水等，將調(diào)整指標(biāo)靠后的生物濾池逐步調(diào)整至最佳效能。通過結(jié)合實(shí)際來水水質(zhì)情況，參考運(yùn)營較好的某個池體，優(yōu)化調(diào)控其余各濾池的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)反硝化濾池最大效益。

3 結(jié)論

（1）采取密封蓋板處理，保持液位與堰板平齊，降低進(jìn)水溶解氧升高值，強(qiáng)化反硝化性能。

（2）采取符合實(shí)際情況的函數(shù)公式投加碳源，出水水質(zhì)更穩(wěn)定達(dá)標(biāo)同時減少了碳源單耗。

（3）采取前置投藥在泵房投加7～11 mg/L的聚合氯化鋁藥量絮凝過濾，除磷效果顯著。

（4）采取周期48 h、順序?yàn)闅庀? min～氣水洗10 min～水洗5 min～氣水洗4 min～水洗4 min的氣水聯(lián)合反沖洗，以及周期2～3 h、水沖5 min的驅(qū)氮步驟，能有效恢復(fù)濾料的反硝化和過濾性能，長期穩(wěn)定保證反硝化深床濾池系統(tǒng)的運(yùn)行。

（5）設(shè)置精細(xì)機(jī)械格柵，避免濾池過水不足。分析各個濾池過水能力和除磷去氮效率，采取措施逐步調(diào)整指標(biāo)靠后的生物濾池，確保最佳效能。

采取上述反硝化濾池的整體運(yùn)行控制優(yōu)化措施，發(fā)揮反硝化濾池最大效益，能夠?yàn)閷?shí)際工程提供整體參考意見。

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