高含氮类型市政污水深度脱氮工艺设计的研究

赵文祥(中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 211800)

0 引言

十八大以来，随着习近平新发展理念的不断深入实践，保护绿水青山成为各地共识。在水环境治理领域，随着“水十条”“长江大保护”等一批战略措施的逐步落实，以GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准为目标的上一轮市政污水处理厂的提标改造进入已经进入收尾阶段，以地表准IV类水为目标的新一轮市政污水处理厂提标改造逐渐开始兴起。

温岭牧屿污水处理厂地处浙江台州市，2016年，牧屿污水处理厂启动扩建提标改造工程，日污水处理量由1万m3/d提高到5万m3/d，出水水质由GB 18918—2002中的一级B标准提升到准地表IV类。

本文围绕目前主流的深度脱氮工艺进行研究，以温岭市牧屿污水处理厂改扩建工程的实际选择的工艺设计参数，验证多级缺氧好氧+反硝化深床滤池的组合深度脱氮工艺的对总氮指标实际处理效果。

1 污水处理方法

1.1 缺氧好氧(AO)法

活性污泥法脱氮包括氨化、硝化、反硝化三步反应。污水中的有机氮化合物在氨化菌(好氧或厌氧条件)的作用下分解成氨态氮(NH4+-N)，在硝化菌(好氧条件)作用下氨态氮(NH4+-N)进一步分解氧化成亚硝酸盐氮(NO2--N)、硝酸盐氮 (NO3--N)，在反硝化菌(缺氧条件)作用下，硝酸盐氮(NO3--N)被还原为亚硝酸盐氮(NO2--N)、氮气(N2)。反硝化过程的电子受体是硝酸根和亚硝酸根，电子供体为各种各样的有机基质。

根据反硝化反应器在整个工艺中的位置，两相生物脱氮系统可分为前置脱氮和后置脱氮两种工艺。前置脱氮工艺前置脱氮工艺是将厌氧段放在前面，硝化后的出水回流至厌氧池[1]。

1.2 厌氧氨氧化技术

厌氧氨氧化反应是在厌氧条件下，由厌氧氨氧化菌将NH4+-N与NO2--N转化为N2的过程。厌氧氨氧化菌是自养微生物，细胞的产率低，世代周期在10～12 d左右，该特点决定了厌氧氨氧化反应器启动慢和污泥产量低的特征。

工艺上常与短程硝化联用，解决NO2--N的来源问题，亚硝化-厌氧氨氧化工艺短程硝化-厌氧氨氧化技术要分两部分完成，并需要在不同的反应器中[2]。在两个反应器内完成相对更容易控制，运行和维护的难度较低。一般认为SBR是厌氧氨氧化工艺的理想反应器。

1.3 反硝化滤池深床工艺

污水经生化处理后，为进一步降低TN浓度，需要进行深度脱氮处理，一般采用下向流生物滤池即深床滤池。深床滤池石英砂滤料及池体构造反硝化滤池采用特殊规格及形状的石英砂作为反硝化生物的挂膜介质，同时深床又是硝酸氮(NO3--N)及悬浮物极好的去除构筑物[3]。同时，深床滤池对TN的去除具有很高的保证率。

另外，深床滤池可通过微絮凝直接过滤除磷，通过在进水中投加除磷絮凝剂，经机械混合后进入滤池，可稳定保证SS和TP的去除效果。

2 牧屿污水厂改造工艺介绍

2.1 提标前工艺

牧屿污水处理厂提标前工艺采用改良氧化沟生化处理+消毒的处理工艺流程。出水水质按国家GB 18918—2002一级B标准执行。

2015年，全年进水水量单月平均值在5 000～7 000 m3/d之间；进水水质污染物年平均浓度见表1，属于典型的低碳源污水。

表1 2015年平均进水水质 单位：mg/L

2015年，全年出水COD准IV类达标率见为67.7%，SS达标率为15%，氨氮达标率为17.7%，总磷标率为0%。

2.2 提标工艺

牧屿污水厂改扩建工程规模确定为4万m3/d，深度处理规模确定为5万m3/d。

提标后要求出水水质达到准地表IV类水标准。设计进水水质为 COD360 mg/L，BOD180 mg/L，SS300 mg/L，氨氮 40 mg/L。

设计主要工艺为“粗格栅+细格栅+旋流沉砂池+多级AAO+二沉池+超级格栅+高效沉淀池+反硝化滤池+紫外消毒”。

3 脱氮效果分析

3.1 脱氮工艺参数

在本次提标设计中，为强化脱氮效果，在生化二级过程，采用两级缺氧，为保证氨氮达标，对总氮负荷进行复核。20 ℃脱氮速率按0.05 kg NO3--N/(kgMLSS·d)核算，15 ℃脱氮速率按0.034 kg NO3--N/(kgMLSS·d)核算，12 ℃脱氮速率按 0.027 kg NO3--N/(kgMLSS·d)核算。核算结果显示水温20 ℃时候出水TN=8 mg/L，水温15 ℃时候出水TN=11 mg/L，水温12 ℃时候出水TN=12.5 mg/L。

AAO+AO各池水力停留时间见表2。

表2 AAO+AO各池水力停留时间 单位：h

深度处理单元，采用深床滤池，进一步确保出水能稳定达标。深床滤池设计进水TN=20 mg/L，出水TN≤12 mg/L，TN去除量为0.56 kg/(m3·d)，负荷低于反硝化滤池0.8～1.2 kg/m3的常规数据。

深床滤池的主要工艺参数如表3所示。

表3 深床滤池主要工艺参数

3.2 改造后进出水水质分析

2019年，全年实际进水水量单月平均值在37 000～52 000 m3/d之间，年平均进水量为46 754 m3/d；实际进水水质污染物年平均浓度如表4所示。

表4 2019年年平均进水水质 单位：mg/L

通过对比可以看出，相对于2015年，2019年进水的COD浓度明显提高，SS略有下降，氨氮、总氮及总磷基本维持一致。

2019年，提标后实际出水水质污染物年平均浓度如表5所示。

表5 改造后年平均出水水质 单位：mg/L

综上，2019年，提标后实际出水水质年达标率(按照准地表IV类水标准)整体达标率为100%。

4 结语

以准地表IV类水为目标的新一轮市政污水处理厂提标改造过程中，在传统AAO工艺基础上，二级生化段采用多级缺氧好氧工艺，深度处理段采用深床滤池技术，在工程上可以满足氨氮及总氮稳定达标，并具有一定的经济优势。未来，从减少外加碳源投加量及提高脱氮效率、减少占地面积、缩短停留时间上优化考虑，可以采用SBR反应器，利用短程硝化-厌氧氨氧化技术进行脱氮。