悬浮滤料在上向流反硝化滤池中试装置中的应用

宋永莲，杨丹丹，郑 侠

（安徽中环环保科技股份有限公司，安徽 合肥 230000）

活性污泥法是我国污水处理厂处理污水的主流工艺，出水虽然可以达标，但出水中较高浓度的氮磷污染物直接排入水体仍会对水体造成危害［1］，因此有必要对其进行深度处理。针对污水处理厂出水中硝态氮浓度高的特点，一般采用反硝化滤池对其进行深度脱氮［2-3］。而经过二级生化处理的出水中底物浓度较低，可生化性较差，需要投加碳源，以提高反硝化滤池的脱氮能力［4］。碳源的投加量、滤池填料（简称滤料）的种类以及水力停留时间（HRT）等均是影响反硝化效果的重要因素［5］。

常用的反硝化滤池滤料有石英砂、陶粒、火山岩等［6］。由聚苯乙烯发泡制成的轻质滤料比表面积大、不易破碎、吸附能力强、结构均匀、使用寿命长［7］，反洗时动力消耗也更小。虽然聚苯乙烯滤料比其他人工合成高分子有机滤料应用更广泛，但将其应用在水处理工艺中的研究报道还较缺乏。

本研究考察了聚苯乙烯滤料在上向流反硝化滤池中试装置中的脱氮和过滤效果，探讨了碳氮质量比（简称碳氮比）、HRT等工艺参数对脱氮效果的影响，以及滤料沿层的污染物变化规律，旨在为反硝化滤池深度处理工程提供技术支持。

1 试验部分

1.1 试验水质

中试试验在某污水处理厂进行，试验用水为污水厂高效沉淀池出水，DO 2.55~4.61 mg/L，COD 20~45 mg/L，ρ（NO3--N）9~17 mg/L，ρ（NH4+-N）0.2~1.5 mg/L，SS 14~32 mg/L。

1.2 装置与材料

试验流程及装置示意见图1。滤池为1.5 m×1.5 m×6.0 m的长方体钢制结构。聚苯乙烯泡沫滤料为球状，粒径为2~4 mm，堆积密度约为80 kg/m3，孔隙率约为50%，装填高度为1.8 m。滤料上方有滤板，通过上部长柄滤头出水，滤料下方有高度为20 mm的斜板，以期能在反冲洗时对滤料起到搅动擦洗作用，提高反冲洗效果，降低能耗。沿滤料层（满水悬浮状态下）每隔30 cm设置一个取样口，共设置5个取样口。

图1 试验流程及装置示意

该装置采用下进上出的形式运行，废水流量为9.0~22.5 m3/h，HRT为36~90 min。

1.3 装置的启动

试验采用逐渐增加负荷的自然挂膜法［8］。在进行污泥培养与驯化时，平均进水温度为12 ℃，平均进水DO为4.5 mg/L，进水流量由3.0 m3/h逐渐增加到9.0 m3/h，同时增加碳源投加量。采用质量分数为25%的乙酸钠作为碳源［9-11］。通过测定滤池中NO3--N的去除率与生物膜的生长情况判断挂膜启动的进程。

1.4 分析方法

分别按照《水和废水监测分析方法》测定废水中COD［12］216-219、ρ（NO3--N ）［12］266-268、ρ（NH4+-N）［12］276-281和SS［12］107-108；采用便携式溶解氧仪（HQ30d型，美国哈希公司）测定废水中DO。

2 结果与讨论

2.1 启动与挂膜

污泥培养驯化过程的前15天，NO3--N没有明显的去除效果，去除率均值为18.71%；随着碳源投加量的增大，微生物增长速率加快，滤料上累积的生物膜增多，呈较淡的棕黄色，生物膜较紧密，挂膜稳定性越来越好，NO3--N去除率显著提高，其他各项指标也都达到排放要求，可认为系统内已培养出反硝化菌［13］。挂膜过程历时一个月，NO3--N去除率稳定在85%左右，反硝化菌逐渐成为优势菌种，反硝化脱氮效果稳定。

2.2 碳氮比对脱氮效果的影响

反硝化滤池脱氮属于生物膜法脱氮，主要通过挂膜在滤料上的反硝化菌结合污水中有机物提供的电子来去除NO3--N。在进水流量为13.5 m3/h的情况下，碳氮比对NO3--N去除率及出水COD的影响见图2和图3。由图2可见：随着碳氮比的升高，NO3--N去除率逐渐提高；当碳氮比由3升高到4时，NO3--N去除率没有明显提高；当碳氮比提高到5时，NO3--N去除率明显提高。由图3可见：随着碳氮比的升高，出水COD也逐渐提高；当碳氮比小于5时，出水COD小于50 mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）一级 A 标准［14］的要求，可达标排放；当碳氮比为6时，出水COD有50%的超标风险，COD最高达65.7 mg/L。研究表明，碳氮比并不是越高越好，当碳源达到一定浓度后，再增加碳氮比不仅会造成资源浪费，还可能对脱氮效率产生抑制作用，同时导致出水COD超标［15］。故本试验选择碳氮比为5较适宜。

图2 碳氮比对NO3--N去除率的影响

图3 碳氮比对出水COD的影响

2.3 HRT对脱氮效果的影响

在反硝化滤池碳氮比为5的条件下，HRT对NO3--N去除率的影响见图4。由图4可见，随着HRT的延长，NO3--N去除率逐渐升高；当HRT为36 min时，脱氮效果较差，NO3--N平均去除率为27.8%；当HRT为90 min时，NO3--N去除率最高达92.6%，出水ρ（NO3--N ）只有1.2 mg/L。这是因为，HRT太短，污染物没有充足的时间与微生物接触反应，所以脱氮效果不理想［16］；而过长的HRT会降低处理水量。本试验选择HRT为60 min较适宜。

图4 HRT对NO3--N去除率的影响

2.4 废水流速对滤池出水SS的影响

在反硝化滤池碳氮比为5的条件下，废水流速对滤池出水SS的影响见图5。由图5可见：当废水流速为6 m/h和8 m/h时，滤池出水SS均在10 mg/L以下；当流速增加到10 m/h时，出水SS有时超过10 mg/L，不能保证稳定达标。这可能是由于废水流速越快，前段滤料的负荷越高，异养菌增殖较快，微生物积累的越多，水流剪切力随之加大，会把部分前段滤料表面的生物膜冲刷掉，并随水流携带至出水，从而导致SS超标。故本实验应控制废水流速在6~8 m/h。

图5 废水流速对滤池出水SS的影响

2.5 污染物在滤池沿层高度上的变化情况

控制滤池中废水流速为6~7 m/h、碳氮比为4~5，连续进行了2周的试验，探究滤池沿层高度上污染物的变化情况，结果见表1。

通过试验观察，滤池中沿水流方向的后半段滤料清洁度明显好于前半段。表1的数据也表明该滤池对污染物的去除主要集中在沿水流方向的前半段，在滤池沿层高度0~30 cm段对NH4+-N和NO3--N的去除率贡献最大，分别为52.56%和47.66%，此阶段溶解氧比较充足，同时存在着硝化、好氧反硝化和异养反硝化作用，导致pH上升，整个过程微生物对氧量的需求较大，DO急剧下降。在30~60 cm段NH4+-N和NO3--N的去除率贡献分别为32.43%和39.3%；在沿层高度的0~90 cm区域基本就已经完成了对NH4+-N和NO3--N的去除，NH4+-N和NO3--N的去除率贡献分别达到96.99%和96.87%，而剩余的后半部分滤料对污染物的去除效果微弱。可能是由于前半段的环境，包括DO、pH、基质浓度等为微生物的生长提供了较好的条件，有利于硝化菌和反硝化菌的快速生长和繁殖，生物活性较高，对NH4+-N和NO3--N的去除效果较好［17］。随着滤池沿层高度的上升，基质大多已被前段微生物所利用，剩余的基质浓度较低，不足以支撑微生物的大量繁殖，所以在90~150 cm段污染物的去除效果很微弱。

表1 滤池沿层高度上污染物的变化情况

3 结论

a）在上向流反硝化滤池中试装置中，在进水流量为13.5 m3/h的情况下，随着碳氮比的升高，

NO3--N去除率逐渐提高，出水COD也逐渐提高；本试验选择碳氮比为5，此条件下出水COD小于50 mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）一级 A 标准的要求。

b）在反硝化滤池碳氮比为5的条件下，随着HRT的延长，NO3--N去除率逐渐升高。HRT太短，污染物没有充足的时间与微生物接触反应，脱氮效果不理想；而过长的HRT会降低处理水量。本试验选择HRT为60 min。

c）本实验应控制废水流速在6~8 m/h，以使滤池出水SS在10 mg/L以下，达标排放。

d）该滤池对污染物的去除主要集中在沿水流方向的前半段，在沿层高度的0~90 cm区域基本完成了对NH4+-N和NO3--N的去除，NH4+-N和NO3--N的去除率贡献分别达到96.99%和96.87%，而剩余的后半部分滤料对污染物的去除效果微弱。