反硝化深床滤池工艺在污水处理厂的应用效果

吕瑞滨，汪喜生，沈怡雯，赵林辉

(1.上海城投污水处理有限公司石洞口污水处理厂，上海 200942；2.上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

市政生活污水经污水处理厂处理后排入河、江流域，为改善重点流域水环境质量，各地污水处理厂通过提标改造工程实现污染减排，多地区已执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，甚至提高至类Ⅳ类、Ⅲ类水质标准[1]。其中，出水总氮(TN)是提标改造的关键之一。

污水处理厂多采用活性污泥法进行生物脱氮处理，二级出水TN在11.6～18.5 mg/L[2]，有些污水处理厂波动范围更大。由于生化系统缺氧池停留时间有限、回流、碳源等问题，前置反硝化能力较差，需要在后端建立深度脱氮工艺进一步脱氮[3]。通过研究对比生物滤池、深床滤池、活性砂滤池3种工艺，都有较好的去除效果，其中反硝化深床滤池通过外加碳源，出水硝酸盐氮可达到1 mg/L以下[2]。且反硝化深床滤池集生物脱氮及过滤功能，能同时满足对TN和悬浮物的去除。

1 反硝化深床滤池系统

反硝化深床滤池系统在介质固定表面生长的脱氮微生物，在兼性-无氧条件下将污水中的硝态氮转化成氮气。为提高脱氮作用，一般可以在硝化污水中加入碳源，以便为新陈代谢和细胞生长提供脱氮所需要的能量，投加有机碳源后，滤池将截留其中的悬浮固体，同时在滤料上生长的反硝化菌进行反硝化脱氮去除污水中氮含量。

相对粗颗粒且圆整的介质通过提供足够的孔隙，确保悬浮固体的深度截留和生物群落的生长。悬浮固体和氮气的累积在滤池中逐步累积水头损失，需要周期性的反冲洗去除截留的固体，用驱氮去除截留的气体。反冲洗结合逆向的水流与气流通过滤池，大量强有力的空气使滤料相互搓擦，冲洗用水仅为总量的2%。“搓手”模式的成功一方面依赖于特殊的滤料，接近于圆形、球形度0.8的天然石英砂；另一方面依赖于安全可靠、反冲洗强度很大的配水配气系统，即专用于污水处理的滤砖。

反硝化深床滤池的功能包括：①去除进水中悬浮物SS；②反硝化脱氮，即去除TN；③采用微絮凝直接过滤去除TP。

图1 反硝化深床滤池工作原理Fig.1 Working Principles of Denitrification Deep Bed Filter

2 反硝化深床滤池脱氮影响因素

2.1 碳源投加

反硝化菌多数属于异养、兼性厌氧细菌，一般认为BOD5/TN约在3～5时，不需要投加碳源，而以好氧反硝化菌为优势菌种的系统C/N更高。污水处理厂尤其经过二级处理的水质碳源含量低，而硝酸盐氮与亚硝酸盐氮去除效率低，使得后续深度处理碳源不足。在反硝化深床滤池应用实践中有投加乙酸钠、甲醇、葡萄糖等，根据进水水质中C/N含量进行适量投加，能促进反硝化菌的培养，强化反硝化脱氮功能。东港污水处理厂反硝化滤池调试时对乙酸钠投加量进行试验，调试初期投加量较高时，TN去除率达40%～60%，经过调控，0.1 g/L的乙酸钠投加浓度为最佳运行投加量[4]。合肥市某污水处理厂采用AAO，通过调控投加甲醇20～50 mg/L，能使出水TN控制5 mg/L以下[5]。碳源投加种类及投加量需要结合厂内处理水质及工艺进行调整。多级AO+高效沉淀池+反硝化深床滤池工艺中进水TN波动很大时，改在缺氧池投加葡萄糖和滤池前投加乙酸钠，以此来避免出水COD和BOD5可能过高的现象，并且碳源成本较低[1]。某污水处理厂以甲醇、乙酸钠为碳源研究对反硝化生物滤池的影响，结果表明：乙酸钠微生物产量高、运行周期短，滤池中与反硝化有关均属占58.38%，高于投加甲醇滤池的36.68%，但甲醇运行稳定、成本较低[6]。

2.2 氧气含量

反硝化反应过程中以硝酸盐代替分子氧作为电子受体，进行无氧呼吸分解有机质。反硝化深床滤池的滤料层附着的脱氮微生物在缺氧环境下将水中的硝酸盐氮还原成氮气。当反硝化深床滤池构筑物环境中氧气含量高时，反硝化菌会以氧为电子受体，优先消耗氧气，或降低对硝酸盐氮的消耗，影响脱氮效率。研究表明，系统中溶解氧保持在0.5 mg/L时，反硝化才能正常进行[7]。出水溶解氧大于5 mg/L时，TN去除率小于20%，而出水溶解氧小于1 mg/L时，TN去除率达到60%～80%[4]。溶解氧过高会增加外加碳源的投加量，不利于反硝化作用[8]。因此，在反硝化深床滤池运行管理中需要控制溶解氧含量，而在水头跌落中充氧，有工程采用恒水位过滤或弧形堰进水等技术进行改进。

2.3 环境温度

反硝化菌适宜环境温度一般为30 ℃，低于5 ℃时反硝化反应几乎停止。因此，在低温(如冬季)运行时，反硝化脱氮效率会受到影响，如上海冬季温度基本上在10 ℃左右，反硝化作用效率较低，深床滤池反硝化生物膜驯化周期延长。夏季运行TN能达标时，反硝化深床滤池不投加碳源，作为普通滤池使用，过滤水中悬浮颗粒。冬季运行时，投加合适碳源，深床滤料上的生物膜消耗碳源，生长迅速，逐渐富集反硝化菌群，对二级出水进行反硝化脱氮，保障TN达标。颍南污水处理厂冬季运行时计算得出：去除1 mg TN 需乙酸钠9.3 mg，需BOD54.82 mg，高于理论值[2.86 g BOD/(g硝态氮)][9-10]。

3 反硝化深床滤池运行管理

一些污水处理厂的碳源种类和投加量，根据工艺、水质的不同，投加量会有区别。并且反硝化滤池驯化时间一般在一个月内，驯化培养阶段，需要投加足够的碳源，而运行稳定后，可控制为正常投加量[12]。

表1 污水处理厂碳源投加量分析Tab.1 Analysis of Carbon Source Dosage in WWTP

(2)进水SS控制。反硝化深床滤池的过滤作用可以降低部分SS，但是前端来水中SS含量高时，易造成短时间内液位升高，导致在自动化程序下反冲洗的次数增加，增加能耗，反冲洗导致的很多碳源也相应流失。因此，应充分控制前端出水悬浮物含量。

(3)液位控制。反冲洗程序启动主要参数是滤池水位，通过液位控制调整反冲洗频次，去除截留的固体。提高滤池液位，可以减少进水跌落，降低深层区氧气量，提升反硝化脱氮效果。

(4)滤池功能切换。污水处理厂生物反应池能发挥一定功能的反硝化脱氮作用，改造后增加反硝化深床滤池补充脱氮功能，同时发挥前置反硝化与后置反硝化作用，保障水质出水要求。前置反硝化一般来说碳源充足，补充投加碳源量较少，夏季时甚至能达到一级A排放标准。此时，反硝化深床滤池可切换至滤池功能，减少碳源投加，节约运行成本。芦村污水厂反硝化滤池同时具备过滤及脱氮功能，作为脱氮保障设施，效果明显，TN平均去除率达82.3%，出水为2.33 mg/L[15]。

4 结论

反硝化深床滤池在污水处理厂实际运行过程中，可根据前期水质情况、环境温度、氧气含量进行调整，综合应用案例，根据反硝化菌富集情况选择投加碳源种类，并可投加菌种进行驯养以较快达到处理效果。碳源投加地点可在反硝化深床滤池，也可同时在二级处理单元缺氧池，投加量在20～100 mg/L，出水能达到一级A排放标准，甚至5 mg/L以下。通过控制进水SS含量和液位加强反冲洗频次管理，且降低深层区氧气量能提高反硝化脱氮效果。在前端出水较差时，反硝化深床滤池由滤池切换为反硝化+滤池功能，加强脱氮及悬浮颗粒去除，为污水处理厂水质处理运行提供保障。