复合滤层深床滤池用于污水深度处理

杨瑾涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

健康的城市水环境是现代化城市的一个基本标志，现阶段城镇污水厂尾水已成为影响水环境质量的重要因素[1]，而全面提升城镇污水厂出水水质是改善城市水环境质量的重要举措。2017年，国务院印发的《水污染防治行动计划》对水环境质量和城镇污水厂升级改造都提出了明确的要求[2]，全面改善水质，提高水环境质量至关重要。

为了进一步去除城市污水中氮、磷、悬浮物等污染物，污水厂在二级处理工艺后增设深度处理工艺，使其出水达到更高的排放标准[3-4]。现有的深度处理工艺在一定程度上能够提高污水厂出水水质，但在实际运行中仍存在一些问题[5-6]。如混凝沉淀过滤组合工艺只能去除少量有机氮，对无机氮几乎无去除效果，很难降低总氮含量；膜过滤工艺可以有效去除水中的污染物，但处理成本较高，对水资源的损耗率较大[7]；胡香等[8]的研究表明，在投加适量碳源的条件下，反硝化滤池对总氮的平均去除率为61.7%，对硝酸盐氮的平均去除率为63.3%。吕瑞滨等[9]分析深床滤池工艺在污水处理厂应用效果，关键因素之一就是碳源投加。深床滤池工艺的脱氮效能与微生物可降解的碳源量成正比，而污水厂二级出水中碳源含量较低，且主要以难降解有机物为主。因此，单纯采用深床滤池工艺很难实现良好的处理效能，需通过外加碳源来保证脱氮效能，但增加处理成本[10-11]，同时，碳源投加量还随着环境温度、水中溶解氧含量等因素不断调整，增加水厂运营管理难度。针对现有深度处理工艺中存在的不足，以污水厂二级出水的水质特征为基础，构建复合滤层深床滤池，在不外加碳源的基础上，通过铁碳内电解工艺、生物工艺和过滤工艺有效结合，改善有机物分子结构，有效利用污水中残留的有机物进行生物降解作用，旨在全面提升二级出水水质，改善水环境质量。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置

复合滤层深床滤池工艺是由深床滤池工艺延伸出来的新型污水深度处理工艺，复合滤层深床滤池由3部分组成：铁碳材料层、生物活性炭层、石英砂滤层。铁碳材料层通过内电解工艺改善污水中有机物结构，提高污水可生化性，强化后续生物工艺的处理效能，还能够破坏水中的显色基团，降低色度。生物活性炭层通过生物降解作用对总氮、总磷、有机物等污染物进行去除。石英砂滤层有效去除水中的悬浮物，进一步保证出水水质。各个单元互相配合，进而达到全面改善水质的目的。

如图1所示，生产性试验装置采用复合滤层深床过滤器，过滤器主要材质为金属质(内涂防腐材料)，其截面为圆形，直径为2 m。进水为南京J污水处理厂二沉池出水，通过潜污泵将其提升至复合滤层深床滤池过滤器，采用顶部进水，底部出水的运行方式，运行滤速为2 m/h[12]。装置采用气洗—水洗方式进行反冲洗，气洗强度为10 L/(m2·s)，冲洗时间为3 min，水洗强度为8 L/(m2·s)，冲洗时间为5 min。铁碳材料为圆柱状，直径为2～4 mm，长度为6～10 mm。其中：铁碳质量比为2∶1，抗压强度≥1 100 kg/cm3，堆密度在1.0～1.2 g/cm3；活性炭滤料是椰壳颗粒碳，碘值在500～600 mg/g，粒径为3～8目；石英砂粒径为0.5～1 mm，孔隙率为45%，比重为2.66 g/cm3；填料层的高度分别为0.8、1.5、0.6 m。

图1 装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Device

1.2 试验水质

本研究选择南京J污水处理厂作为试验基地，该水厂处理规模为67万t/d。水厂采用的工艺流程如图2所示。

图2 南京J污水处理厂工艺流程图Fig.2 Technological Process of Nanjing J WWTP

检测南京J污水处理厂二级出水的总氮、硝酸盐氮、氨氮、总磷、CODCr等污染物指标的浓度，结合水厂化验室提供的检测数据，统计近1年水厂二级出水中各项污染物浓度，结果如表1所示。

表1 南京J污水处理厂二级出水水质指标Tab.1 Secondary Effluent Quality Index of Nanjing J WWTP

由表1可知，经过二级生物工艺处理后，南京J污水处理厂出水水质较好，大部分污染物指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A的标准，但是总氮、总磷仍存在超标的情况；同时，还检测二级出水浑浊度、色度、BOD5/CODCr的年平均值分别为6 NTU、13、0.092。

1.3 分析项目、方法及试剂

各指标分析方法均参考国家环保总局《水和废水监测分析方法》(第四版)。总氮采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法；硝酸盐氮采用紫外分光光度法；氨氮采用纳氏试剂光度法；亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；CODCr采用重铬酸盐法；BOD5采用稀释接种法；总磷采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法；浑浊度采用便携式浊度计法；色度采用便携式色度仪法。

主要试验试剂：氢氧化钠、硝酸钾、盐酸、过硫酸钾、氯化铵、纳氏试剂、磷酸二氢钾、钼酸铵、酒石酸锑钾、浓硫酸、磷酸、重铬酸钾、硫酸银、硫酸汞、邻菲罗啉等；试验中所用水为超纯水(由Mill-Q纯水净化系统制备)。

2 结果与讨论

2.1 复合滤层深床滤池工艺对二级出水中污染物的去除效能

通过对南京J污水处理厂二级出水中各项污染物指标进行为期1年的调研，发现该水厂处理效能较好，二级出水水质基本满足城镇污水处理厂污染物排放一级A标准，但是在运行过程中仍存在部分指标不达标的情况，特别是在冬季，处理效能不能得到保证。因此，以该水厂作为试验基地来探究复合滤层深床滤池工艺对二级出水水质改善效果有重要意义。在试验过程中，同时检测复合滤层深床滤池装置进水和出水中总氮、硝酸盐氮、氨氮、CODCr、总磷、浑浊度、色度等污染物指标的浓度，明确对各项污染物的去除效果，为复合滤层深床滤池用于污水深度处理提供理论依据。

2.1.1 氮类污染物的去除效能

连续运行生产性试验装置，挂膜成熟后检测进出水中总氮、硝酸盐氮、氨氮浓度，结果如图3所示。

图3 对氮类污染物的去除效能 (a) 总氮；(b) 硝酸盐氮；(c) 氨氮Fig.3 Removal Efficiency of Nitrogen Pollutants (a) Total Nitrogen; (b) Nitrate Nitrogen;(c) Ammonia Nitrogen

由图3可知，复合滤层深床滤池装置对总氮、硝酸盐氮、氨氮的平均去除量分别为2.91、2.57、0.28 mg/L。对硝酸盐氮的去除量占据总氮去除量的88.3%，这也进一步表明城镇污水处理厂二级出水中硝酸盐氮为总氮的主要成分，降低总氮的浓度，主要是去除硝酸盐氮的含量。铁碳材料层出水中氮类污染物的浓度并没有出现明显变化，表明铁碳材料层对氮类污染物去除效果较小。沿着水流方向，0～50、50～100、100～150 cm的生物滤层对总氮去除所贡献的比重分别为60.45%、23.28%、11.20%。对总氮的去除效能沿程降低，对氨氮的去除效能也出现类似的规律，分析认为0～50 cm的生物滤层最先与二级出水接触，水中的有机物、氮类污染物的浓度较高，有利于反硝化微生物的生长繁殖。同时，由于铁碳滤料层的存在，在铁碳材料内部发生的原电池反应消耗了水中的溶解氧[13]，为反硝化微生物的生长创造了良好的缺氧环境，有利于反硝化过程的进行。铁碳内电解反应产生的亚铁离子和还原态氢可以作为自养反硝化微生物还原硝酸盐氮的电子供体，能够有效促进后续生物反硝化过程的进行，加强生物反硝化的脱氮效能[14]。

2.1.2 有机物的去除效能

为了明确复合滤层深床滤池工艺对二级出水中有机物的去除效能以及对其可生化性的改善程度，在生物活性炭滤层挂膜成熟后，分析装置进出水中有机物浓度的变化以及铁碳材料层进出水可生化性的变化，结果如图4、图5所示。

图4 对有机物的去除效能Fig.4 Removal Efficiency of Organic Compounds

图5 二级出水可生化性的变化Fig.5 Change of Biodegradability in Secondary Effluent

由图4可知：进水CODCr的平均浓度为34.19 mg/L，复合滤层深床滤池装置对CODCr的平均去除量为18.95 mg/L；0～50、50～100、100～150 cm生物滤层对CODCr去除量占总去除量的比重分别为64.76%、27.48%、7.73%，这与对总氮的去除规律相似。由图5可知，二级出水经过铁碳材料层处理后，可生化性得到有效改善，水中BOD5的平均浓度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，B/C由0.094增至0.288。表明水溶液中易被微生物利用的有机物含量增加，有利于生物活性炭滤层中微生物的生长繁殖，这也是该工艺能有效去除有机物、氮类污染物的直接原因。

2.1.3 总磷的去除效能

由图6可知，进水总磷的平均浓度为1.02 mg/L，复合滤层深床滤池工艺对总磷的平均去除量为0.670 mg/L，铁碳内电解层对总磷的平均去除量为0.278 mg/L，占比为41.49%。铁碳内电解层对总磷具有良好的去除效能，这是因为铁碳内电解层内部发生的原电池反应，反应产物铁离子与磷酸根形成磷酸铁沉淀；另一方面，铁离子水解产生的氢氧化铁胶体具有良好的絮凝作用，与磷酸根发生共沉淀作用，能有效去除总磷[15]。同时，铁碳内电解反应的产物促进了后续微生物的生物量以及种类，加强了生物除磷的效果。

图6 对总磷的去除效能Fig.6 Removal Efficiency of Total Phosphorus

2.1.4 浑浊度和色度的去除效能

为了进一步考察复合滤层深床滤池工艺对二级出水的物理感官性指标改善效果，连续检测装置进出水中浑浊度、色度的变化情况，结果如图7所示。

图7 对浑浊度、色度的去除效能Fig.7 Removal Efficiency of Turbidity and Chroma

由图7可知，进水的浑浊度在1.8～3.1 NTU，出水浑浊度稳定在0.3 NTU以下，反冲洗前后浑浊度偶有上升，但整体分析，复合滤层深床滤池装置对浑浊度具有良好的去除效果。进水的色度在9.4～13.5，均值为11.6，出水的色度均值为1.3，去除率达88.8%，表明复合滤层深床滤池工艺能够有效去除色度。装置出水中色度和浑浊度这2个指标不仅满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A的标准，同时还满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅳ类水的要求。由此可知，复合滤层深床滤池工艺可以有效改善二级出水的感官性指标，具有良好的应用前景。

2.2 处理成本分析

2.2.1 建设成本

根据该工艺的形式及运行参数的控制，结合目前污水厂已建深床滤池的建设成本，估算复合滤层深床滤池的建设成本约为400～450元/(m3·d)。考虑到部分水厂已设置有混凝、沉淀、过滤的污水深度处理装置，可以将现有的深度处理装置进行适当改造以节约建设成本，可降低约50～100元/(m3·d)。

2.2.2 运行费用

复合滤层深床滤池的运行结果表明，在运行过程中主要涉及的运行费用包括反冲洗费用、运行中动力费用及铁碳层中的更换费用，各部分费用的基本计算如下。

反冲洗费用：约为0.01元/m3。

动力费用：根据实际结果，运行中动力费用主要来源于对二沉池出水的动力提升，由现场反馈的信息可知，该部分费用约为每处理单位水量需消耗的动力费用，即0.02元/m3。

铁碳更换费用：铁碳单价为4 200元/t，处理单位水量需消耗铁碳5 g/m3，则铁碳费用约为0.021元/m3；更换过程人工费用约为0.01元/m3。

总运行费用：0.01+0.02+0.021+0.01=0.061元/m3，单位水量处理成本的增加量在一个合理的范围之内。

3 结论

(1)在水温为19～24 ℃、滤速为2 m/h条件下，复合滤层深床滤池工艺对总氮、硝酸盐氮、氨氮、CODCr、总磷、浑浊度、色度的平均去除率为33.3%、32.2%、73.4%、55.4%、65.2%、91.2%、88.8%。二级出水经过铁碳材料层处理后，可生化得到很大改善，BOD5的平均浓度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，BOD5/CODCr由0.094增至0.288。

(2)复合滤层深床滤池工艺能有效提高污水厂二级出水的水质，可以同步去除二级出水中氮、磷、有机物、浑浊度和色度等污染物，处理效能较好且稳定，同时，每吨水处理成本增加的费用约为0.061元，在合理的范围之内。因此，具有广阔的应用前景，对水环境质量的改善具有重要的意义。