反硝化深床滤池在污水厂提标改造工程中的运行分析

吴绍国

（珠海市城市排水有限公司，广东 珠海 519000）

根据《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）关于全面控制污染物排放的要求，各地污水处理厂陆续进行提标和改扩建工程来实现污水减排的目标，其中，出水总氮（TN）是提标改造的难点之一[1]。在执行更严格的TN 排放标准的工艺设备中[2-3]，反硝化深床滤池获得了水处理行业的认可[4]。反硝化深床滤池具有占地面积小、有较好的过滤性能和脱氮效果以及工程投资费用少等特点[5]，成为了目前城镇污水深度处理工艺的研究和应用重点。但是关于如何合理有效地将反硝化深床滤池应用于提标改造工程方面的研究报道较少。本文以珠海市某污水厂提标改造工程为例，分析了反硝化深床滤池从中试试验到实际运行的效果，为同类提标改造工程提供技术参考。

1 项目概况及工艺流程

1.1 项目概况

珠海市某污水处理厂于2011 年8 月投产运行，一期设计处理规模为3.5 万m3/d，设计采用的主要处理工艺为“CASS 池+转盘滤池”，设计出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B 标准。污水收集范围为工业园内经工厂处理后的工业废水和园区周边少量生活污水，其中工业废水量约占总水量60%，由于服务范围内的工业企业存在超标排放现象，导致进水水质波动大，该污水厂常年处于水质超负荷运行状态，处理工艺出水不能稳定达到设计出水水质要求。

2018 年启动提标改造工程，处理规模不变，出水指标由《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 1 8918—2002）一级B 标准提高至一级A 标准及广东省地方标准《水污染物排放限值》（DB 44/26—2001）的较严值，主要设计出水水质排放指标如表1 所示。

表1 改造工程设计出水水质

1.2 改造后工艺流程

根据水质监测记录，高浓度废水负荷对该污水厂进水水质带来的冲击较大，并考虑到原水中非溶解性污染物浓度较高，因此设置强化预处理措施，即在CASS 池前增加调节池、磁混凝沉淀池、水解池。原有生物池处理能力不能满足出水水质要求且由于用地红线限制，新增池容困难，考虑在生物好氧池中投加悬浮填料，提高系统的硝化稳定性和相关的反硝化能力。二级强化处理出水NH3-N 及TN 仍不能稳定达到一级A 标准，考虑增加生物深度处理反硝化处理单元，并在处理构筑物前补充必要的外加碳源，确保NH3-N 及TN 稳定达标。

本次提标改造工程完整的工艺流程：

原污水→粗格栅→进水泵房（现状）→细格栅间曝气沉砂池（现状）→均质调节池（新建）→磁混凝高效沉淀池（新建）→水解池（新建）→水解池（现状）→CASS 池（改造投加填料）→提升泵房（新建）→深床滤池（新建）→转盘滤池（现状）→消毒（改造）→巴氏计量槽（现状）→出水。

2 中试全流程试验及结果分析

2.1 试验工艺流程

中试试验目的在于考察在目前实际进水水质及模拟高氨氮和总氮进水水质条件下，全流程工艺对现有水质及高浓度氨氮和总氮模拟废水的运行处理能力以及实际出水水质，考察系统的出水达标率。

中试试验规模100m3/d，反硝化深床滤池（100m3/d）直接采用成套设备，调节池、CASS 池等构筑物现场制作。各主体构筑物、设备的规格及运行参数如下：

2.1.1 调节池

设计停留时间9 h，规模240 m3/d，有效水深3 m，净空尺寸6.2 m×5.2 m，超高0.3 m，调节池有效容积97 m3。对角设置2 台推流器。

2.1.2 CASS 池

1 座CASS 池设置为2 格，设计规模100 m3/d，设计停留时间18 h，单格容积42.24 m3，有效水深取3 m，超高0.3 m，单格尺寸（B×L×H）为3.2 m×4.4 m×3.3 m，滗水深度约0.65 m～0.95 m。CASS 池每周期运行时间为4 h 和6 h，4 h 时曝气2.5 h、沉淀1 h、排水0.5 h，6 h 时曝气4 h、沉淀1 h、排水1 h。后期根据实际情况相应调整。采用曝气鼓风机，池底布设穿孔曝气管，鼓风机选用2 台0.92 m3/min，34.3 kPa 罗茨风机，气水比5∶1～10∶1。出水方式采用管道出水，排水管上设置阀门。1#池填料投配率：填料量约为池体体积的20%，2# 池不投加填料。填料为Φ25 mm×12 mm MBBR 活性生物悬浮填料，材质为HDPE，有效表面积大于500 m2/m3，相对密度为0.96～0.98，孔隙率大于90%，使用寿命大于15 年。

碳源投加量为0（注：现状水质下CASS 池出水ρ（TN）基本在15 mg/L 左右，为了考察后续反硝化深床滤池脱氮效率，此处碳源未投加）；PAC 投加量为0；碱度碳酸钠投加量为0，后期在氨氮高负荷时根据实际需要投加。

2.1.3 出水池净空尺寸（B×L×H）为5 m×5 m×2.9 m，有效水深2.6 m，超高0.3 m，有效容积65 m3。

2.1.4 反硝化深床滤池（试验车）

设计流量100 m3/d。单滤柱直径Φ=413 mm，高度H=6 030 mm，有效过滤面积0.168 m2，滤料层高度1.83 m，1.5 mm～3.0 mm 石英砂。2 座并联，水力负荷4 m3/m2·h～8 m3/m2·h，空床停留时间15 min～30 min。反冲洗周期24 h～48 h。乙酸（99%）投加量为20 mg/L～80 mg/L，根据进水TN 确定，一般比例为5∶1。

2.2 试验结果分析

2.2.1 中试全流程进出水水质

中试全流程试验于2018 年4 月23 日开始运行，8 月31 号结束。按照工艺流程顺序对进水、调节池出水、CASS 池出水和反硝化深床滤池出水每10 d 取样一次，并检测出水COD、SS、TP、NH3-N、TP 这5 个主要水质指标。试验阶段的各主要污染物进出水数据如图1～图4 所示。

图1 中试全流程系统进出水COD 图

由图1 可知，进厂原水的COD 值在4 月底至5 月底较高，这是由于这期间污水厂在进行滗水器更换，生物池轮流排空，大部分污泥与进水混合，导致中试系统的进水COD 大幅飙升，后期在试验稳定运行阶段，进水COD 值基本保持在108 mg/L 左右，经过调节池调节后，COD 高峰值有了一定程度的降低。从4 个月的累积进水平均值来看，污水厂的进水COD变化较大，主要是和进水SS 相关，SS 较高时对应的COD 值较高，但是其中可溶解性COD 基本比较稳定，基本保持在37 mg/L 的情况，可见原水中溶解性COD的浓度并不高，大部分污染物是非溶解态COD。原水经过调节池后的混合水样，COD 测定还略有升高的现象，主要是部分污泥、SS在调节池内累积。经过CASS池处理之后，出水COD 基本在32 mg/L～33 mg/L，去除率基本保持在10.73%～13.28%。深床滤池出水COD 基本在18 mg/L 左右，可能其中一部分COD 表现为SS，还有部分COD 在深床滤池前段的好氧环境中得到了少部分降解。

由图2 可知，进水TP 的变化范围较大，高峰值能到12.80 mg/L，低值能到0.92 mg/L，大部分质量浓度分布在3 mg/L～5 mg/L。经过调节池之后能大幅降低进水TP 质量浓度。TP 的去除规律与SS 去除类似，深床滤池的去除效率较高，CASS 池出水由于进水COD浓度低，排泥量很少，对磷几乎没有去除能力，同时由于污泥沉降性能稍差，导致出水TP 中混有部分污泥而导致TP 质量浓度有微弱的上升，基本保持在1.3 mg/L～1.5 mg/L左右，而后续的深床滤池由于对SS 等悬浮物有很好的去除作用，因此，出水的ρ（TP）也保持在较低值，在0.10 mg/L～0.12 mg/L之间，能满足现在更加严格的某些地方标准排放限值（0.3 mg/L）。

图2 中试全流程系统进出水TP 图

由图3 和图4 可知，TN 的进水平均质量浓度在26.54 mg/L～28.65 mg/L，ρ（NH3-N）在12.88 mg/L～15.12 mg/L 变动，在TN 及NH3-N 进水质量浓度较低的情况下，为了考察反硝化深床滤池的脱氮效果，没有在CASS 缺氧区投加反硝化碳源，导致CASS 出水的TN 质量浓度在15.53 mg/L～15.75 mg/L 变动，没有达到出水水质标准。因此，在实际进水水质情况下，CASS 池主要考察其硝化能力，深床滤池主要考察反硝化能力。CASS 池出水中ρ（NH3-N）前期较高，主要是硝化细菌增长适应较慢，后来运行稳定后基本保持在0.50 mg/L左右，试验期间平均值为1.77 mg/L～2.07 mg/L，证明CASS 池硝化作用良好。

图3 中试全流程系统进出水NH3-N 图

图4 中试全流程系统进出水TN 图

反硝化深床滤池中，由于进水绝大部分为硝态氮，经过深床滤池的反硝化处理后，深床滤池的出水TN质量浓度为5.11 mg/～5.79 mg/L，去除率为62.97%～67.30%，NH3-N 质量浓度为0.74 mg/L～0.82 mg/L，去除率为57.06%～61.36%，出水远优于设计水质要求。所以在碳源投加量合适的情况下，反硝化深床滤池工艺在进水ρ（NH3-N）≤1.5 mg/L，保证碳源投加碳氮比5∶1 足够的情况下，反硝化脱氮能力基本能稳定保持在90%以上，在进水ρ（TN）=15 mg/L～18 mg/L，空床停留时间30 min，水力负荷5 m/h 时可以将ρ（TN）稳定控制在5 mg/L以内，大部分时间控制在3 mg/L以内，完全能满足以后的类地表水排放标准。

2.2.2 中试NH3-N、TN 高浓度负荷试验进出水质

试验期间运行参数同上，仅调节池NH4Cl 投加量由60 mg/L～180 mg/L逐步增加，CASS 池碳酸钠投加量为60 mg/L～190 mg/L。CASS 池、深床滤池的碳源乙酸（99%）投加量控制在碳氮比为5∶1 左右。试验从8 月29 日开始进行提负荷试验，高浓度氨氮废水经过CASS 池硝化反硝化处理之后去除绝大部分NH3-N，部分TN，然后进入深床滤池进一步进行反硝化处理去除TN。提负荷试验共分三个阶段：

第一阶段：8 月29 日至9 月28 日，将进水NH3-N 负荷控制在35 mg/L左右，然后在试验运行稳定1 个月左右的时间后，将NH3-N 负荷进一步提升，进入第二阶段，以达到设计值。

第二阶段：9 月28 日至10 月18 日，将进水ρ（NH3-N）负荷控制在50 mg/L左右，已达到设计值确定的45 mg/L的进水NH3-N 指标。

第三阶段：10 月19 日至10 月29 日，进一步提升NH3-N 负荷到为70 mg/L左右，考察整个系统对TN 的去除能力。

NH3-N 负荷提升三个运行阶段系统进出水水质如图5、图6 所示。从图5、图6 可以看出，进水的NH3-N、TN 三阶段浓度的变化区别明显，均控制在设计指标左右，以此考察系统的脱氮能力。

图5 系统对NH3-N 的去除效果图

图6 系统对TN 的去除效果图

提负荷第一阶段，进水ρ（NH3-N）基本保持在25.66 mg/L附近运行，ρ（TN）保持在34.94 mg/L附近运行，NH3-N 质量浓度最大最小比值为1.46，TN 质量浓度最大最小比值为1.52，水质波动小，进水稳定。CASS1#，2#出水NH3-N 质量浓度平均值保持在5 mg/L以下，分别是4.99 mg/L和4.46 mg/L，去除率分别为80.55%和82.62%。两者对NH3-N 的去除效果相差不大，同时，出水TN 质量浓度分别为19.65 mg/L和19.12 mg/L，去除率分别为43.76%和45.28%。CASS池的出水NH3-N 达标，但是ρ（TN）还是在15 mg/L的限值之上，没有达到排放标准。经过反硝化深床滤池之后，NH3-N 的出水质量浓度进一步降低到3.68 mg/L～4.43 mg/L，ρ（TN）也降低到5.97 mg/L～6.81 mg/L，最终出水达到排放标准。

提负荷第二阶段，进水ρ（NH3-N）基本保持在42.54 mg/L左右运行，TN 质量浓度保持在50.98 mg/L左右运行。CASS1#，2#的出水NH3-N 质量浓度平均值为10.01 mg/L、8.24 mg/L，去除率分别为76.47%、80.63%；CASS1#，2# 出水的TN 质量浓度平均值为22.52 mg/L、20.59 mg/L，去除率分别为55.83%、59.61%。总的来看，CASS 池的出水NH3-N、TN 大部分时间不能达到排放标准。经过反硝化深床滤池处理之后，ρ（NH3-N）的出水进一步降低到4.25 mg/L～4.56 mg/L，去除率为50.03%～53.42%，TN 质量浓度也能达到6.91 mg/L～7.78 mg/L，去除率为63.91%～67.94%，达到了排放标准。CASS 池的NH3-N、TN 均不能达标，主要是这一提负荷运行主要分成两个阶段。第一阶段是9 月29 日至10 月12 日，这一阶段为间歇运行阶段，由于中试CASS 系统的自控没有完成安装，所以前期试验均为间歇运行，而13 日开始正式进行连续运行工作。从图5、图6 可以看出，CASS 系统在连续运行之后，污泥活性越来越好，系统的出水水质也越来越好。

提负荷第三阶段为高NH3-N 负荷试验研究，TN质量浓度控制在72.01 mg/L左右，NH3-N 质量浓度也高达60.98 mg/L，在这种情况下，CASS 在连续运行之后，污泥的活性越来越高，特别是对于高浓度的氨氮废水，已经完全适应，因此，即使NH3-N 质量浓度平均值为60.98 mg/L的情况下，CASS 池1#，2# 出水的NH3-N 质量浓度基本保持在5.75 mg/L、6.07 mg/L，平均去除率达到了90.57%和90.05%，可见，生物池的硝化菌生长良好，硝化效果较好。相应的TN 质量浓度进水平均值为72.01 mg/L，CASS 池1#，2#的出水TN质量浓度为23.87 mg/L，23.18 mg/L。其中大部分为硝态氮。在反硝化深床滤池中被进一步降低，出水TN 质量浓度在9.64 mg/L～9.82 mg/L之间，完全达到排放标准。而同期的NH3-N 出水质量浓度在6.92 mg/L～7.11 mg/L之间，比CASS 池略有升高，可能原因在于反硝化深床滤池取样数据较少，在NH3-N 高峰值取样导致整体结果偏高。

3 工程设计与应用

3.1 工程设计

本项目中试完成后进行工程化设计。反硝化深床滤池平面尺寸（L×B）为37.6 m×29.1 m，共分6 格过滤，单格18.29 m×3.6 m，平均滤速3.7 m/h，反硝化容积负荷0.36 kg/（m3·d）。滤池设计采用气水反冲洗，气冲强度92 m3/（m2·h）；水冲洗强度：15 m3/（m2·h），两台反冲洗水泵，一用一备，Q=988 m3/h，H=11 m；3 台离心风机，两用一备，Q=51 m3/min，79.3 kPa。

3.1.1 主要核心设备

1）滤料介质：石英砂，粒径2 mm～3 mm，滤床深h=2.44 m。

2）支撑介质：天然鹅卵石，粒径3 mm～38 mm，滤床深h=0.45m，分5 层分层排列。

3）布水布气系统：滤砖外壳为高密度聚乙烯材料HDPE，内部充填混凝土，每格65.1 m2。

反硝化深床滤池为重力流沙滤池，水从上面进入水池流入，依次经过粒径为英砂滤料、天然鹅卵石承托层、布水布气系统，最终从底部的集水渠流出。

3.1.2 控制系统

采用反硝化深床滤池碳源反馈投加机制，实现碳源的精确投加。主要收集“进水流量信号+进水硝酸盐浓度信号”，计算出理论碳源投加量，再通过“出水硝酸盐浓度信号”反馈定期调整实际碳源投加量，通过换算实现碳源的精确投加。

3.2 运行效果

该项目于2021 年4 月建成并培菌挂膜投入试运行，试运行期间由于受到进水复氧的影响，导致进水溶解氧偏高，达8 mg/L～10 mg/L，消耗了部分碳源，致使碳源投加量高达70 mg/L～80 mg/L，反硝化能力降低，经现场综合分析复氧原因主要由于CASS 池排水为间歇式，流量不稳定，导致中间提升泵房液位变化，反硝化深床滤池进水流量不稳定所致，通过调整中间提升泵房运行模式为恒液位控制，同时反硝化深床滤池保持恒液位运行，即将进水溶解氧控制在低于5 mg/L，同时碳源投加量约在50 mg/L～60 mg/L，而且进一步提高了反硝化能力。

反硝化深床滤池系统进出水水质见表2。

表2 反硝化深床滤池系统进出水水质

经生物深度处理反硝化深床滤池处理后稳定达到了出水水质要求，连续5d 运行数据如153 页表3所示。COD 出水为14 mg/L～26 mg/L，TN 出水质量浓度为9.72 mg/L～12.3 mg/L，NH3-N 出水质量浓度为0.43 mg/L～2.87 mg/L，TP 出水质量浓度为0.17 mg/L～0.41 mg/L，SS出水质量浓度都小于4 mg/L。

4 结语

通过中试试验，确保系统的技术可靠性及稳定性，为工程设计提供依据并能有效缩短工程调试周期。

表3 连续5d 运行记录mg/L

反硝化深床滤池弥补了前端工艺不能保证TN和NH3-N 稳定一级A 标准的缺点，该工艺还具有灵活转换成深床滤池的特点，当前段工艺具备脱氮功能时，可简单调整工艺去除碳源投加系统，即可转换成滤池，去除SS。

反硝化深床滤池在设计阶段建议考虑复氧的控制，下流时考虑采用弧形堰板技术和恒液位控制。

作为后置式反硝化深床滤池，进水有机物含量很低，反硝化深床滤池需要投加碳源，碳源的投加精确直接影响运行费用和反硝化滤池脱氮效果。碳源的过量投加不仅造成运行成本过高，且有出水COD 升高的风险，而当碳源投加量不足时，反硝化脱氮反应受到影响，出水硝态氮又不达标。建议碳源投加系统，结合滤池的进、出水硝酸盐浓度，溶解氧DO 浓度，精确投加碳源，避免碳源投加过量和不足。

采用磁混凝高效沉淀池+CASS+反硝化深床滤池工艺是基本可行的。2021 年11 月至2022 年3 月期间，该工艺处理效果稳定，出水各项指标稳定达到一级A 标准。