反硝化深床濾池在實際工程中的優化研究

楊延鑫

摘 要：反硝化深床濾池是一種深床濾池系統，能夠同步去除TN（總氮）、SS（懸浮物）和TP（總磷）等污染物，濾料通常采用特殊形狀和規格的石英砂，生長在石英砂上的反硝化優勢菌種通過生物作用去除TN（總氮），深層濾池能夠過濾去除SS（懸浮物），同時通過投加PAC藥劑實現TP（總磷）的去除。本文解析了反硝化深床濾池在實際深度處理工程中溶解氧過高、碳源和除磷藥劑投加不精準、反洗和驅氮頻次過密或過疏等問題，基于低濃度進水特性，研究對比優化其運行參數，旨在為其深度處理實際應用中提供借鑒。

關鍵詞：反硝化深床濾池；優化；碳源；溶解氧；反沖洗

中圖分類號：X703文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）02-00-04

0 引言

隨著我國“水十條”等相關政策的出臺，越來越多的地區不斷提高污水排放標準，以緩解城市污水對環境的壓力[1]。反硝化深床濾池工藝集成度高，運行靈活，可以同時起到物理過濾截留 SS、化學微絮凝除 TP、生物反硝化去除TN 的作用[2]。

反硝化濾池現廣泛應用在城市污水處理廠提標改造中。由于反硝化濾池具有較好的脫氮效果，該工藝成為城市污水深度處理領域研究和應用的熱點[3]。區永杰介紹了反硝化深床濾池的主要設計參數及設計要點，在提標改造深度處理工藝中選用反硝化深床濾池工藝，可有效保證出水各項指標尤其是總氮的去除率[4]。李鵬飛等通過分析沿程水質、創新改造、調控優化，探索提出三方面的精細脫氮運行管控措施，保障總氮精準達標，實現大型再生水廠的精細化運行管控[5]。王雄設計采用 “細格柵及旋流沉砂池+調節池+水解酸化+改良型A2/O+二沉池+高效沉淀+反硝化深床濾池+次氯酸鈉消毒”的廢水處理工藝處理紡織工業廢水[6]。本研究解析了反硝化深床濾池在實際深度處理工程中的整體運行參數，包括溶解氧過高、碳源和除磷藥劑投加不精準、反洗和驅氮頻次過密或過疏等問題，基于低濃度進水特性，研究對比優化其整體運行參數，旨在為其深度處理實際應用中提供借鑒。

1 試驗裝置、方法與問題

1.1 反硝化深床濾池結構試驗裝置如圖1所示。

以廣東省東莞市某生活污水廠反硝化深床濾池為試驗裝置，濾層總高3 m，承托層卵石0.5 m，石英砂濾料2.5 m，布水區高1.6 m。濾池斷面的尺寸為20 m×4.5 m。進水系統包括進水渠、進水閘板以及配水槽等；過濾系統包括石英砂過濾層、出水管及布水布氣磚等；反沖洗系統包括反洗鼓風機、反洗水泵、反洗進水管及反洗排水管等。

反硝化深床濾池是一種深床濾池系統，能夠同步去除TN（總氮）、SS（懸浮物）和TP（總磷）等污染物，濾料通常采用特殊形狀和規格的石英砂，生長在石英砂上的反硝化優勢菌種通過生物作用去除TN（總氮），深層濾池能夠過濾去除SS（懸浮物），同時通過投加PAC藥劑實現TP（總磷）的去除。

1.2 研究方法

試驗原水為廣東省東莞市某市政污水廠二沉池出水，其水質特點如表2所示。

本試驗主要監測溶解氧、總氮、懸浮物、總磷和流量指標。溶解氧采用溶解氧儀測定，總氮采用堿性過硫酸鉀法測定，懸浮物采用精密分析天平測定，總磷采用鉬酸鹽光度法測定，流量采用管道流量計測定。

1.3 存在問題

反硝化深床濾池的日?？刂埔话銥檫M水溶解氧控制、碳源投加、除磷藥劑投加、反沖洗和驅氮調控等，控制調整不合理或不及時往往導致出水水質不穩定，也會存在濾池過水不及導致溢流的情況。如何既保證出水水質穩定達標又保證濾池過水通暢需要優化相關措施。

2 反硝化深床濾池在實際工程中的優化

2.1 進水溶解氧優化控制

濾池進水跌水造成濾池內水體溶解氧升高影響反硝化效果[7]。溶解氧影響反硝化菌的活動及呼吸，由于進水碳源低，特別是剛剛反洗后，濾速較快，濾池跌水高度最高，水中溶解氧上升最多，總氮去除率偏低，往往總氮較高時難以達標。

本項目監測進入反硝化濾池的溶解氧和進出水總氮。通過反硝化濾池出水閥門控制，保持反硝化濾池液位與進水堰板基本平齊，減少跌水充氧，且在濾池頂部進行密封蓋板處理，內外氣體隔絕，降低渠道內空氣含量，平衡氣水兩相氧氣溶解度，復氧現象大幅下降。具體數據見圖2。

由圖可知，優化前平均溶解氧升高值平均為2.9～3.5 mg/L，總氮去除值為0.8～1.2 mg/L。優化后平均溶解氧升高值平均為0.8～1.5 mg/L，總氮去除值為1.1～1.8 mg/L。原因是采取上述措施后，水中溶解氧處于較低水平，反硝化細菌較為活躍，反硝化性能提高，總氮降低較多；同時，由于遮擋陽光，堰板和濾池表面青苔基本不生長，減少濾池阻力，減少了反沖洗頻率。

2.2 碳源優化投加控制

當進水總氮較高時，需要投加碳源加大碳氮比去除總氮。一般來說，理論上達到完全反硝化所需的C/N為3～4，但在實際工程中該值會受到多種因素的影響，如生物膜的生長狀態、碳源品質及操作條件（溫度、水力負荷、溶解氧濃度）等[8]。本文以乙酸鈉藥劑為碳源進行研究，理論反應方程式如下：

8NO3-+5CH3COONa=10CO2+H2O+4N2+5NaOH+8OH-

理論反硝化1 g硝酸鹽氮需消耗3.66 g乙酸鈉，實際投加過程中由于各種因素影響需要較高濃度的乙酸鈉。同種碳源，因為工藝、運行條件等因素不同，反硝化速率出現不同的變化[9]，往往導致出水水質波動較大。設計投加函數公式，以進水總氮、進出水流量為變量，累計經驗碳源投加率為投加梯度，制定出符合現場的投加公式。經過反復試驗，實測出水總氮削減濃度與乙酸鈉投藥量的關系如圖3。

根據圖3，實際過程中7 mg/L乙酸鈉能夠去除1 mg/L總氮，考慮時間和空間的滯后性，出水控制基準總氮設為10 mg/L，乙酸鈉以7 mg/L為投加濃度梯度，投加的濃度計算公式如下：

T＝7×（T2-10）×Q2/Q1 （2）

式中：T-乙酸鈉投加濃度（mg/L）；T2-進水總氮值（mg/L）；Q1-出水量（m3/h）；Q2-進水量（m3/h）。

應用上述公式運行一段時間后，出水水質更加穩定達標，數值平穩，碳源投加更加精準，碳源單耗下降約25%，起到節能降耗的作用。原因是乙酸鈉是碳源，投加乙酸鈉可以有效優化水質碳氮比，反硝化細菌吸收碳源能量后，能夠將硝酸鹽氮還原為氮氣，加之碳源投加時，從公式得出精確投加量，減少了粗放式投加，碳源單耗下降。

2.3 除磷藥劑優化投加控制

化學除磷是輔助生物除磷的有效手段之一，根據除磷位置可分為前置除磷、同步除磷和后置除磷[10]。在反硝化深床濾池實際應用過程中往往采取前置投加方式。反硝化深層濾池本身能夠過濾去除SS（懸浮物），便于去除總磷，同時通過投加除磷藥劑去除TP（總磷）。本文試驗進行二次提升泵房和反硝化濾池進水渠的投加聚合氯化鋁藥劑試驗，試驗結果見圖4。

由圖4可知，無論在泵房還是在進水渠投加，出水SS穩定在4～5 mg/L，原因是濾池濾層深，具有較好的過濾性能。投加聚合氯化鋁濃度為9 mg/L左右時效果最好。當投藥量較多時，出水總磷削減值不減反增。原因是絮凝劑投加量過大時，膠粒表面呈飽和態，產生脫穩現象，造成除磷效果下降。泵房投加聚合氯化鋁的除磷效果優于進水渠，原因是聚合氯化鋁與污水經過水泵提升后在管道充分混合，反應時間較長，除磷化學反應更加充分，效果更佳。由此可知，選擇合適的投藥量和投藥點會取得優良的深度除磷效果，此試驗中在泵房處投加7～10 mg/L的聚合氯化鋁藥量后，除磷效果顯著。

2.4 反沖洗和驅氮優化調控

反硝化生物濾池在運行一段時間后，出水水質達不到要求，要對濾池進行反沖洗，提高濾池的反應效率[3]。反硝化深床濾池一般利用氣水聯合方式進行沖洗，反洗頻率過快，不利于反硝化菌生長，總氮去除效果不佳；反洗頻率過慢，濾速過低，減少了過水量。在氣水聯合反沖洗方式作用下，填料的剪切和碰撞作用不斷加強，使濾層處于最合適條件下進行反沖，可以減少反沖洗用水量，使反沖洗周期變長，增大濾池的留污能力，提高出水水質[11]。

污泥停留時間（SRT）的確定直接影響系統的脫氮除磷效果，具有重要意義[12]。此試驗裝置反洗水強度為4.4 L/（s·m2），氣沖洗強度為24.3 L/（s·m2），設定12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h為反洗間隔，以進出水總氮去除值和通水量乘積絕對值大小評定，絕對值越大，反沖洗效果越好。經過反復試驗，氣洗3 min～氣水洗10 min～水洗5 min～氣水洗4 min～水洗4 min、反洗周期48 h效果最佳，既有效保證了反硝化菌的生產周期又確保了較快的通水量。

由于反硝化的作用，濾池運行一段時間后由于氮氣擠壓過濾空間會導致通水量減少。驅氮步驟為水沖5 min，驅氮間隔時間設置1 h、2 h、3 h、4 h、5 h進行試驗，以進出水總氮去除值和通水量乘積絕對值大小評定，結果證明每2～3 h一次驅氮最為合適，過濾性能恢復最好。原因是反硝化菌2 h左右能夠將大部分硝酸鹽轉化為氮氣，氮氣最多充滿間隙時啟動驅氮措施能夠快速恢復通水效率。

2.5 各生物濾池負荷優化調控

反硝化生物濾池來水藻類懸浮物和垃圾較多，設置進水孔直徑2 mm的精細機械格柵裝置，避免造成生物濾池過水不足、反洗頻繁。存在10個濾池，在運行過程中，由于安裝質量和調試質量不同等情況，每個生物濾池運營參數不同，主要體現在進水負荷，過水效率，除磷驅氮能力等。通過一段時間分析各個濾池的過水能力和除磷驅氮效率，對指標靠前的生物濾池進行深入研究，得出最佳的運營參數，根據最佳運營參數制定措施如濾料微調、局部培菌，調整反洗強度、均衡進水等，將調整指標靠后的生物濾池逐步調整至最佳效能。通過結合實際來水水質情況，參考運營較好的某個池體，優化調控其余各濾池的運行參數，實現反硝化濾池最大效益。

3 結論

（1）采取密封蓋板處理，保持液位與堰板平齊，降低進水溶解氧升高值，強化反硝化性能。

（2）采取符合實際情況的函數公式投加碳源，出水水質更穩定達標同時減少了碳源單耗。

（3）采取前置投藥在泵房投加7～11 mg/L的聚合氯化鋁藥量絮凝過濾，除磷效果顯著。

（4）采取周期48 h、順序為氣洗3 min～氣水洗10 min～水洗5 min～氣水洗4 min～水洗4 min的氣水聯合反沖洗，以及周期2～3 h、水沖5 min的驅氮步驟，能有效恢復濾料的反硝化和過濾性能，長期穩定保證反硝化深床濾池系統的運行。

（5）設置精細機械格柵，避免濾池過水不足。分析各個濾池過水能力和除磷去氮效率，采取措施逐步調整指標靠后的生物濾池，確保最佳效能。

采取上述反硝化濾池的整體運行控制優化措施，發揮反硝化濾池最大效益，能夠為實際工程提供整體參考意見。

參考文獻：

[1] 黃瀟.多級AO-深床濾池工藝深度處理城市污水效能及微生物特征[D].哈爾濱：哈爾濱大學，2019.

[2] 高飛亞，郭慶英，余浩，等.反硝化深床濾池在一級A提標項目中的應用及運行效果[J].中國給水排水，2019，35（6）：63-66.

[3] 楊碧印.不同外加碳源反硝化生物濾池的深度脫氮研究[D].長沙：湖南大學，2015.

[4] 區永杰.反硝化深床濾池在南方污水處理廠提標改造的應用[J].節能環保，2021：59-60.

[5] 李鵬飛，蔣奇海，張達飛，等.北京某大型再生水廠反硝化生物濾池運行管控實踐[J].給水排水，2021，47（4）：39-44.

[6] 王雄，賈 鵬，鄭澤鑫.A2/ O－高效沉淀 －反硝化深床濾池工藝處理紡織工業廢水[J].廣州化工，2021，49（3）：94-96.

[7] 張萬里，周平，毛小偉，等.改良型A2/O +反硝化濾池工藝用于污水處理擴建工程[J].中國給水排水，2015，31（24）：52-55.

[8] Anette Aesoy，Hallvard Qdegaard.Denitrification in a packed bed biofilm reactor（biofor）-experiments with different carbon sources[J].Water Res，1998，32（5）：1463-1470.

[9] 白婷婷.低碳源污水硝化及固體碳源反硝化系統的微生物特性[D].重慶：重慶大學，2016：48.

[10] 吳婭.曝氣生物濾池化學除磷藥劑的選擇[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010：77.

[11] 張寶杰，閆立龍，甄捷.曝氣生物濾池最佳反沖洗周期及反沖洗方式研究[J].哈爾濱工業大學學報，2006，38（7）：1045-1050.

[12] Pei L，Wan Q，Wang Z，et al.Effect of Long-Term Bioaugmentation on Nitrogen Removal and Microbial Ecology for an A2O? Pilot-Scale Plant Operated in Low SRT[J].Desalination and Water Treatment，2015，55（6）：1567-1574.