反硝化深床濾池工藝在污水處理廠的應用分析

朱國普

（合肥首創(chuàng)長崗水務有限責任公司，安徽 合肥 230000）

為了改善污水中總氮的排放，國家大力支持反硝化深床濾池工藝在污水處理廠的建設與升級，多地已經執(zhí)行了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》。為了滿足其中的A級標準，本文以某污水處理廠為例，對反硝化深床濾池的深度處理工藝選擇及設計進行了介紹，并對反硝化深床濾池工藝在污水處理廠的應用進行了分析。

1 污水類型及排放規(guī)律

1.1 生活污水

生活污水主要是由衛(wèi)生間排放的廢水、廚房烹飪廢水以及日常洗滌廢水構成，根據統(tǒng)計，衛(wèi)生間排污廢水占人均生活污水量的1/4左右，但其中排放的COD、氮、磷要占每人每年污染物排放總量的58%、86%、80%，占比遠超其他類型的生活污水排放，是生活污水中大量污染物的主要來源；廚房烹飪廢水雖然只占總量的16%，但是BOD的排放量很高，是生活污水中BOD排放的主要來源；日常洗滌排水占總排水量的一半以上，但是相較于其他的廢水來源、其中污染物的含量較少，對生活污水污染物的貢獻率分別是BOD為8.2%、COD為7.8%、氮為7.8%、磷為11.5%。

1.2 工業(yè)生產廢水

隨著科技的快速發(fā)展，工業(yè)也在飛速進步，工業(yè)污水對環(huán)境的影響也在不斷加大。排放工業(yè)污水的企業(yè)眾多、排放的水質復雜、監(jiān)管難度高，廢水中成分非常復雜，不僅含有銅、鋅、鎳、鎘、鉻等多種重金屬離子，還含有大量酸、堿、氰化物等有害物質。對工業(yè)污水的排放不夠重視、對環(huán)境保護的投入不足等原因，導致大量的工業(yè)污水無序排放，而大多數(shù)污水處理廠的污水處理技術較為落后，很難徹底地處理這些工業(yè)污水中的污染物，對居民生活污水的排放造成了影響。

1.3 農業(yè)生產廢水

我國是農業(yè)生產大國，而畜牧業(yè)養(yǎng)殖是我國農業(yè)養(yǎng)殖的重要組成部分，以養(yǎng)豬場為例，會產生大量的排污廢水，其中不僅含有大量的COD、氮、磷，還含有大量的病原菌，味道刺鼻。在種植業(yè)的生產過程中需要使用大量的農藥和化肥，降雨后農藥殘留和化肥中剩余的營養(yǎng)物質也會進入污水管網。然而，在我國農村地區(qū)，由于對污水排放重視不夠、缺乏資金、缺乏環(huán)保意識等原因，大量養(yǎng)殖污水直接進入污水處理廠，給污水處理廠帶來了巨大的負擔[1]。

1.4 每日排放規(guī)律

污水排放在一天中主要集中在早中晚三個時間段，其他時間的排放量較低，在凌晨之后污水排放基本就停止了。在早晨，污水排放主要是來源于衛(wèi)生間排污、廚房烹飪和日常洗滌；中午排污主要是廚房烹飪和廚房的日常洗滌；晚上污水的排放也主要是廚房烹飪和日常洗滌洗浴。經過對生活污水的調查，污水中的氮、磷等污染物質也會同污水排放一樣出現(xiàn)早中晚三個高峰期。

1.5 季節(jié)排放規(guī)律

污水排放在夏季進入高峰期，早中晚三個時段的高峰期時長也有所增長，但是平均污染物的含量會降低，但是COD、TN還有TP等污染物的濃度明顯偏高。在我國北方地區(qū)每年11月至次年3月的排放量不足全年的30%，而在7至10月的排放量超過了40%。相較于冬季，夏季日常洗滌衣物和洗浴的用水量更大，所以污水排放量也會增加。并且夏季降雨量更大，對污水排放造成了影響。

2 反硝化深床濾池系統(tǒng)介紹

反硝化深床濾池是在生物膜上固定其表面生長的脫氮微生物，在無氧條件下以NO3--N為電子受體，將有機生底作為電子供體，NO3--N經過NO3--N→NO2--N→NO→N2O→N2的過程，將污水中的硝化氮還原成氮氣釋放，從而實現(xiàn)污水中的氮去除。

反硝化深床濾池的池體主要結構由濾料層、承托層、布水布氣系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和反沖洗排泥系統(tǒng)組成。濾料層是生物濾池的重要組成部分，是反硝化深床濾池工作的核心，作為生物膜的附著場所，其質量直接影響生物膜的脫氮微生物數(shù)量，從而影響脫氮的效果。反硝化深床濾池多采用石英砂與陶粒等硬質無機物，有效粒徑為2～3 mm之間，均勻系數(shù)為1.4，球形度I＞8.0，莫氏硬度要在6～7之間，濾料深度為1.83 m。脫氮微生物反硝化脫氮需要消耗有機物，是生物脫氮反應的一個重要因素，平常有機物來源于廢水，但是廢水有機物不足的時候，脫氮微生物的脫氮作用衰弱，需要向硝化污水中加入碳源，常用的碳源物質為乙酸鈉、乙酸、甲醇等，可以為脫氮微生物提供足夠生長所需的能量，通過濾池篩選掉剩余的懸浮固體，并對在生物膜上生長的脫氮微生物進行反硝化脫氮，減少污水中的含氮量[2]。

在具體工作中可以靈活轉化反硝化深床濾池的脫氮和過濾功能，在沒有添加碳源時，濾池的主要作用就是過濾，濾池中的廢水含有少量的BOD仍可滿足反硝化脫氮微生物的活性，進行反硝化脫氮工作，當?shù)砍瑯说臅r候，廢水中的BOD不能滿足反硝化的消耗，就需要添加碳源，使反硝化功能加強，在過濾的同時進一步加強反硝化脫氮。

濾床中的石英砂可以保證懸浮固體的深度截留和微生物的生長環(huán)境，隨著懸浮固體與氮氣在濾池中逐漸累積，需要周期性地沖洗干凈被截留的固體，清除截留的氣體，讓水流和氣流逆向通過水池，使空氣帶動濾料互相摩擦，以去除雜物。利用這種方法清潔濾料需要依賴濾料的質量，其形狀要接近圓形，球形度要達到0.8以上的石英砂。另一方面還要依靠高強度的配水配氣系統(tǒng)。所以反硝化深床濾池系統(tǒng)的主要功能是通過濾去水中的懸浮物、通過反硝化脫氧去除水中的總氮，并通過微絮凝直接過濾去除總磷。

3 反硝化深床濾池設計要點

3.1 濾池容積的計算

一般通過反硝化所需容積來計算反硝化深床濾池的容量，根據水質等諸多情況的不同，反硝化容積的負荷一般取0.45～0.8 kg NO3-N/（m3·d）。假設工程的反硝化容積負荷取0.54 kg NO3-N/（m3·d），那么水量應該為5000 m3/ d，則NO3-N去除總量為50 kg NO3-N/d，濾料的容積也就應該為90.2 m3。所以這個工程的單格濾池應該為L×B=5.70 m×2.80 m，濾層的厚度取1.83 m，則濾池格數(shù)為：2.93格，取整為3格。

3.2 設計濾速與空床停留時間

在設計濾速的時候，主要是設計控制平均濾速、平均水量強制濾速、最大水量濾速、最大水量強制濾速。具體根據運行的工況與進水量的變化來進行調整。一般情況下濾速小于等于10 m/ h，強制濾速要小于等于12 m/h。日均處理量和濾池總容積的比值為平均濾速，設定為4.0 m/h。正常運行時的濾速設定為 6.1 m/h；而本工程最大水量濾速為最大污水量時的濾速7.0 m/h。考慮到正常運轉時的強制濾速，最大水量強制濾速為最大瞬時的水量10.5 m/h，一般來說空床停留時間為12至30分鐘。

3.3 反沖洗系統(tǒng)

無論是深床濾池的過濾模式，還是反硝化深床濾池的反硝化模式，均需要反復地沖洗來滿足運行，沖洗過程一般有三個階段，首先是3～5 min的氣洗，然后是15 min的水氣聯(lián)合清洗，最后是5 min漂洗，反復沖洗的水為總水量的2%。沖水強度取4.2 L/m2·s，反沖洗氣體取25.5 L/m2·s。所以吸水泵的流量為245 m3/h，風量為26 m3/h。一般分別采購吸水泵和風機各兩臺，一個主要使用，另一個以備不時之需。為了保證水氣分布均勻，采用氣水分布濾磚，當空氣與水充分混合之后，從磚的空隙噴出[3]。

3.4 碳源投加裝置

為補充反硝化反應所需要的碳源，經過進水流量信號、進水溶解氧濃度信號、進水硝基氮濃度信號、出水硝基氮濃度信號等一系列判斷之后，由系統(tǒng)控制碳源的投加量，同時也可以通過人工進行控制。

3.5 除磷試劑投加裝置

通過投加化學除磷劑、利用微絮凝技術去除磷時，是將投加點設置在深床濾池的進水機械混合井內，系統(tǒng)地檢測水量并進行投加量控制，同時也為了減少反硝化反應在深床濾池中反復沖洗的頻率，生化池將設置除磷藥劑的投加點。自控系統(tǒng)通過聯(lián)網系統(tǒng)連接反硝化深床濾池中的各種檢查設備和操控設備，并根據各種檢測設備返回的數(shù)據鏈進行計算來控制碳源和除磷試劑的投加，控制反沖洗周期與頻率，調節(jié)反沖洗鼓風機，還可以控制氣動閥門與電動閥門等，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4 混凝池+反硝化深床濾池的工藝描述

一般反硝化深床濾池的濾料會采用形狀接近圓形，球形度要達到0.8以上的石英砂，濾床的深度要達到1.83，且要有足夠的水深來保護濾床，防止出現(xiàn)被水質擊穿的情況，在面對前端處理出現(xiàn)問題時導致水質中的污泥過多，或有異常情況出現(xiàn)時也不會造成水力穿透，能夠應對峰值流量或者污泥膨脹等情況。水中的固體物會提升負荷，而優(yōu)質的石英砂濾床會使固體雜質穿過濾床的表層，進入到濾料之中，并將固體物攔截在濾料里。還需要周期性地沖洗干凈被截留的固體，清除截留的氣體，使水流和氣流逆向通過水池，使空氣帶動濾料互相摩擦，從而去除雜物。在采用排泥反沖洗模式時，用水量不會超過處理廠水量的2%。在降低有機氮含量的時候，適當使用優(yōu)質碳源，刺激在石英砂表面的反硝化細菌轉化成氮氣，完成脫氮反應。經過長久的實驗與歷史研究表明，經過反硝化菌的反應后，可以穩(wěn)定地達到有機氮含量不超過10 mg/L，而且由于在反應過程中產生了大量的氮氣，深床濾池中的氮氣會反復穿梭于氣體與污水之間，增加了水流中有機氮與微生物接觸的面積，同時也提高了過濾效率。但是當?shù)獨夥e累過多的時候，會形成氮氣氣泡，造成一定的損耗，所以這個時候就要適當?shù)嘏懦獨猓謴瓦\行效率[4]。在去除水中懸浮物的同時，也同時去除了水中的BOD5，以及懸浮物中夾帶的氮、磷、重金屬等物質。所以通過適當?shù)幕瘜W處理可以去除懸浮物并有效地將水中的磷含量降到0.5 mg/ L以下，所以反硝化濾池可以輕松地滿足去除固體懸浮物的要求。在去除有機磷時，只需要在深床濾池前加絮凝反應池就可以有效地去除水中的有機磷，達到A級標準。微絮凝技術可以直接省去沉淀過程，將混凝與過濾相結合，在濾池中同步處理磷含量的一種工藝技術，這種技術一般是在二沉池投加混凝劑，混合后直接進入濾池，在這個過程中還能去除大量的重金屬，不僅可以簡化流程，還可降低運營費用，提高產出量及水質。

5 反硝化深床濾池脫氮的影響因素

5.1 碳源的投加量

反硝化菌多為異養(yǎng)或者兼性的厭氧細菌，一般來說B0D5/ TN速率約在3～5 h，不需要額外投加碳源，而以好氧的反硝化菌為優(yōu)勢菌種的系統(tǒng)C/N更高。所以通過污水處理廠二級處理后的水質碳源含量更低，并且硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮去除效率低，造成后續(xù)的碳源不足，需要額外投加碳源。

經過不停地應用實踐后，在反硝化深床濾池中投加乙酸鈉、甲醇以及葡萄糖等物質可以有效增加水中的C/N，促進反硝化菌的功能，保證脫氮工作的完成。通過在污水處理廠反硝化濾池里投加碳源量來進行實驗，在調試初期，投加量高的時候，有機氮總量的去除率達到了40%～60%，經過多次測試，乙酸鈉的最佳投加濃度是0.1 g/L。而采用投加甲醇的方式，投加量為20 kg/L～50 kg/L，能使出水的有機氮總量控制在5 mL/L以下[5]，可通過多次實驗對碳源投加量進行調整。當多級AO和高效沉淀池和反硝化深床濾池工藝中進水TN波動很大時，應該在缺氧池里投加葡萄糖，在濾池中投加乙酸鈉，以避免COD和BOD5可能過高的現(xiàn)象，并且相較于其他的投加方案，碳源消耗量較低。將甲醇和乙酸鈉兩種碳源的投加效率進行比對結果表明，乙酸鈉對濾池中與反硝化有關的反應占58.38%，比投加甲醇的濾池要高出36.68%，雖然乙酸鈉生物產量高、運行周期短，但是甲醇更加穩(wěn)定、成本更加低廉。

5.2 氧氣的含量

在反硝化反應過程中，是通過用硝酸鹽的氨代替氧分子作為電子受體的方式，在一個無氧的環(huán)境中進行呼吸并分解其中的含氮有機質。反硝化深床濾池中濾料層所附著的反硝化菌通過在水下進行反應將水中的硝酸鹽氨還原成氮氣。而反硝化深床濾池環(huán)境中的氧氣含量過高的時候，反硝化菌就會以氧氣中的氧為電子受體，優(yōu)先與氧結合反應，大大降低了對水中硝酸鹽氨的消耗，影響了整個濾池的脫氧效率。通過實驗，當反硝化深床濾池中水的溶解氧氣小于0.5 mg/L的時候，反硝化菌才能夠以硝酸鹽氨為主要反應物質，完成脫氨的目的。當反硝化深床濾池中水中氧的溶解量大于5 mg/L時，對有機氮含量的去除率將小于20%。當反硝化深床濾池中水中氧的溶解量小于1 mg/L時，對有機氮的去除率在60%～80%之間。所以如果水中氧的溶解含量過高會嚴重影響反硝化菌的反應，導致對碳源的消耗增大，所以要嚴格控制水中的氧溶解量，對進水嚴格把控。

5.3 環(huán)境溫度

反硝化菌合適的反應溫度在30 ℃左右，當溫度低于5 ℃的時候，反硝化菌的反硝化反應基本停止，所以當冬季低溫來臨時，反硝化菌的脫氧效率會受到很大影響，比如杭州冬天最低溫度在10 ℃左右，反硝化菌的作用效率就會大大降低，而夏季氣溫較高，在進行反硝化時能夠使有機氮含量達標。所以應該在冬季時加投碳源，促進反硝化菌進行反硝化反應，保證在冬季的氮含量達標。

6 結論

反硝化深床濾池工藝在污水處理廠可以有效地進行污水處理，并且反硝化深床濾池工藝具有多功能性、成本低，工藝靈活、運行成本少等諸多優(yōu)點，可以有效縮短工藝流程，減少污水處理廠面積，為促進生態(tài)環(huán)境的治理做出貢獻。