反硝化深床滤池工艺在污水处理厂的应用分析

2022-11-27朱国普

皮革制作与环保科技 2022年1期

朱国普

（合肥首创长岗水务有限责任公司，安徽合肥 230000）

为了改善污水中总氮的排放，国家大力支持反硝化深床滤池工艺在污水处理厂的建设与升级，多地已经执行了《城镇污水处理厂污染物排放标准》。为了满足其中的A级标准，本文以某污水处理厂为例，对反硝化深床滤池的深度处理工艺选择及设计进行了介绍，并对反硝化深床滤池工艺在污水处理厂的应用进行了分析。

1 污水类型及排放规律

1.1 生活污水

生活污水主要是由卫生间排放的废水、厨房烹饪废水以及日常洗涤废水构成，根据统计，卫生间排污废水占人均生活污水量的1/4左右，但其中排放的COD、氮、磷要占每人每年污染物排放总量的58%、86%、80%，占比远超其他类型的生活污水排放，是生活污水中大量污染物的主要来源；厨房烹饪废水虽然只占总量的16%，但是BOD的排放量很高，是生活污水中BOD排放的主要来源；日常洗涤排水占总排水量的一半以上，但是相较于其他的废水来源、其中污染物的含量较少，对生活污水污染物的贡献率分别是BOD为8.2%、COD为7.8%、氮为7.8%、磷为11.5%。

1.2 工业生产废水

随着科技的快速发展，工业也在飞速进步，工业污水对环境的影响也在不断加大。排放工业污水的企业众多、排放的水质复杂、监管难度高，废水中成分非常复杂，不仅含有铜、锌、镍、镉、铬等多种重金属离子，还含有大量酸、碱、氰化物等有害物质。对工业污水的排放不够重视、对环境保护的投入不足等原因，导致大量的工业污水无序排放，而大多数污水处理厂的污水处理技术较为落后，很难彻底地处理这些工业污水中的污染物，对居民生活污水的排放造成了影响。

1.3 农业生产废水

我国是农业生产大国，而畜牧业养殖是我国农业养殖的重要组成部分，以养猪场为例，会产生大量的排污废水，其中不仅含有大量的COD、氮、磷，还含有大量的病原菌，味道刺鼻。在种植业的生产过程中需要使用大量的农药和化肥，降雨后农药残留和化肥中剩余的营养物质也会进入污水管网。然而，在我国农村地区，由于对污水排放重视不够、缺乏资金、缺乏环保意识等原因，大量养殖污水直接进入污水处理厂，给污水处理厂带来了巨大的负担[1]。

1.4 每日排放规律

污水排放在一天中主要集中在早中晚三个时间段，其他时间的排放量较低，在凌晨之后污水排放基本就停止了。在早晨，污水排放主要是来源于卫生间排污、厨房烹饪和日常洗涤；中午排污主要是厨房烹饪和厨房的日常洗涤；晚上污水的排放也主要是厨房烹饪和日常洗涤洗浴。经过对生活污水的调查，污水中的氮、磷等污染物质也会同污水排放一样出现早中晚三个高峰期。

1.5 季节排放规律

污水排放在夏季进入高峰期，早中晚三个时段的高峰期时长也有所增长，但是平均污染物的含量会降低，但是COD、TN还有TP等污染物的浓度明显偏高。在我国北方地区每年11月至次年3月的排放量不足全年的30%，而在7至10月的排放量超过了40%。相较于冬季，夏季日常洗涤衣物和洗浴的用水量更大，所以污水排放量也会增加。并且夏季降雨量更大，对污水排放造成了影响。

2 反硝化深床滤池系统介绍

反硝化深床滤池是在生物膜上固定其表面生长的脱氮微生物，在无氧条件下以NO3--N为电子受体，将有机生底作为电子供体，NO3--N经过NO3--N→NO2--N→NO→N2O→N2的过程，将污水中的硝化氮还原成氮气释放，从而实现污水中的氮去除。

反硝化深床滤池的池体主要结构由滤料层、承托层、布水布气系统、出水系统和反冲洗排泥系统组成。滤料层是生物滤池的重要组成部分，是反硝化深床滤池工作的核心，作为生物膜的附着场所，其质量直接影响生物膜的脱氮微生物数量，从而影响脱氮的效果。反硝化深床滤池多采用石英砂与陶粒等硬质无机物，有效粒径为2～3 mm之间，均匀系数为1.4，球形度I＞8.0，莫氏硬度要在6～7之间，滤料深度为1.83 m。脱氮微生物反硝化脱氮需要消耗有机物，是生物脱氮反应的一个重要因素，平常有机物来源于废水，但是废水有机物不足的时候，脱氮微生物的脱氮作用衰弱，需要向硝化污水中加入碳源，常用的碳源物质为乙酸钠、乙酸、甲醇等，可以为脱氮微生物提供足够生长所需的能量，通过滤池筛选掉剩余的悬浮固体，并对在生物膜上生长的脱氮微生物进行反硝化脱氮，减少污水中的含氮量[2]。

在具体工作中可以灵活转化反硝化深床滤池的脱氮和过滤功能，在没有添加碳源时，滤池的主要作用就是过滤，滤池中的废水含有少量的BOD仍可满足反硝化脱氮微生物的活性，进行反硝化脱氮工作，当氮含量超标的时候，废水中的BOD不能满足反硝化的消耗，就需要添加碳源，使反硝化功能加强，在过滤的同时进一步加强反硝化脱氮。

滤床中的石英砂可以保证悬浮固体的深度截留和微生物的生长环境，随着悬浮固体与氮气在滤池中逐渐累积，需要周期性地冲洗干净被截留的固体，清除截留的气体，让水流和气流逆向通过水池，使空气带动滤料互相摩擦，以去除杂物。利用这种方法清洁滤料需要依赖滤料的质量，其形状要接近圆形，球形度要达到0.8以上的石英砂。另一方面还要依靠高强度的配水配气系统。所以反硝化深床滤池系统的主要功能是通过滤去水中的悬浮物、通过反硝化脱氧去除水中的总氮，并通过微絮凝直接过滤去除总磷。

3 反硝化深床滤池设计要点

3.1 滤池容积的计算

一般通过反硝化所需容积来计算反硝化深床滤池的容量，根据水质等诸多情况的不同，反硝化容积的负荷一般取0.45～0.8 kg NO3-N/（m3·d）。假设工程的反硝化容积负荷取0.54 kg NO3-N/（m3·d），那么水量应该为5000 m3/ d，则NO3-N去除总量为50 kg NO3-N/d，滤料的容积也就应该为90.2 m3。所以这个工程的单格滤池应该为L×B=5.70 m×2.80 m，滤层的厚度取1.83 m，则滤池格数为：2.93格，取整为3格。

3.2 设计滤速与空床停留时间

在设计滤速的时候，主要是设计控制平均滤速、平均水量强制滤速、最大水量滤速、最大水量强制滤速。具体根据运行的工况与进水量的变化来进行调整。一般情况下滤速小于等于10 m/ h，强制滤速要小于等于12 m/h。日均处理量和滤池总容积的比值为平均滤速，设定为4.0 m/h。正常运行时的滤速设定为 6.1 m/h；而本工程最大水量滤速为最大污水量时的滤速7.0 m/h。考虑到正常运转时的强制滤速，最大水量强制滤速为最大瞬时的水量10.5 m/h，一般来说空床停留时间为12至30分钟。

3.3 反冲洗系统

无论是深床滤池的过滤模式，还是反硝化深床滤池的反硝化模式，均需要反复地冲洗来满足运行，冲洗过程一般有三个阶段，首先是3～5 min的气洗，然后是15 min的水气联合清洗，最后是5 min漂洗，反复冲洗的水为总水量的2%。冲水强度取4.2 L/m2·s，反冲洗气体取25.5 L/m2·s。所以吸水泵的流量为245 m3/h，风量为26 m3/h。一般分别采购吸水泵和风机各两台，一个主要使用，另一个以备不时之需。为了保证水气分布均匀，采用气水分布滤砖，当空气与水充分混合之后，从砖的空隙喷出[3]。

3.4 碳源投加装置

为补充反硝化反应所需要的碳源，经过进水流量信号、进水溶解氧浓度信号、进水硝基氮浓度信号、出水硝基氮浓度信号等一系列判断之后，由系统控制碳源的投加量，同时也可以通过人工进行控制。

3.5 除磷试剂投加装置

通过投加化学除磷剂、利用微絮凝技术去除磷时，是将投加点设置在深床滤池的进水机械混合井内，系统地检测水量并进行投加量控制，同时也为了减少反硝化反应在深床滤池中反复冲洗的频率，生化池将设置除磷药剂的投加点。自控系统通过联网系统连接反硝化深床滤池中的各种检查设备和操控设备，并根据各种检测设备返回的数据链进行计算来控制碳源和除磷试剂的投加，控制反冲洗周期与频率，调节反冲洗鼓风机，还可以控制气动阀门与电动阀门等，保证整个系统的稳定运行。

4 混凝池+反硝化深床滤池的工艺描述

一般反硝化深床滤池的滤料会采用形状接近圆形，球形度要达到0.8以上的石英砂，滤床的深度要达到1.83，且要有足够的水深来保护滤床，防止出现被水质击穿的情况，在面对前端处理出现问题时导致水质中的污泥过多，或有异常情况出现时也不会造成水力穿透，能够应对峰值流量或者污泥膨胀等情况。水中的固体物会提升负荷，而优质的石英砂滤床会使固体杂质穿过滤床的表层，进入到滤料之中，并将固体物拦截在滤料里。还需要周期性地冲洗干净被截留的固体，清除截留的气体，使水流和气流逆向通过水池，使空气带动滤料互相摩擦，从而去除杂物。在采用排泥反冲洗模式时，用水量不会超过处理厂水量的2%。在降低有机氮含量的时候，适当使用优质碳源，刺激在石英砂表面的反硝化细菌转化成氮气，完成脱氮反应。经过长久的实验与历史研究表明，经过反硝化菌的反应后，可以稳定地达到有机氮含量不超过10 mg/L，而且由于在反应过程中产生了大量的氮气，深床滤池中的氮气会反复穿梭于气体与污水之间，增加了水流中有机氮与微生物接触的面积，同时也提高了过滤效率。但是当氮气积累过多的时候，会形成氮气气泡，造成一定的损耗，所以这个时候就要适当地排除氮气，恢复运行效率[4]。在去除水中悬浮物的同时，也同时去除了水中的BOD5，以及悬浮物中夹带的氮、磷、重金属等物质。所以通过适当的化学处理可以去除悬浮物并有效地将水中的磷含量降到0.5 mg/ L以下，所以反硝化滤池可以轻松地满足去除固体悬浮物的要求。在去除有机磷时，只需要在深床滤池前加絮凝反应池就可以有效地去除水中的有机磷，达到A级标准。微絮凝技术可以直接省去沉淀过程，将混凝与过滤相结合，在滤池中同步处理磷含量的一种工艺技术，这种技术一般是在二沉池投加混凝剂，混合后直接进入滤池，在这个过程中还能去除大量的重金属，不仅可以简化流程，还可降低运营费用，提高产出量及水质。

5 反硝化深床滤池脱氮的影响因素

5.1 碳源的投加量

反硝化菌多为异养或者兼性的厌氧细菌，一般来说B0D5/ TN速率约在3～5 h，不需要额外投加碳源，而以好氧的反硝化菌为优势菌种的系统C/N更高。所以通过污水处理厂二级处理后的水质碳源含量更低，并且硝酸盐氮与亚硝酸盐氮去除效率低，造成后续的碳源不足，需要额外投加碳源。

经过不停地应用实践后，在反硝化深床滤池中投加乙酸钠、甲醇以及葡萄糖等物质可以有效增加水中的C/N，促进反硝化菌的功能，保证脱氮工作的完成。通过在污水处理厂反硝化滤池里投加碳源量来进行实验，在调试初期，投加量高的时候，有机氮总量的去除率达到了40%～60%，经过多次测试，乙酸钠的最佳投加浓度是0.1 g/L。而采用投加甲醇的方式，投加量为20 kg/L～50 kg/L，能使出水的有机氮总量控制在5 mL/L以下[5]，可通过多次实验对碳源投加量进行调整。当多级AO和高效沉淀池和反硝化深床滤池工艺中进水TN波动很大时，应该在缺氧池里投加葡萄糖，在滤池中投加乙酸钠，以避免COD和BOD5可能过高的现象，并且相较于其他的投加方案，碳源消耗量较低。将甲醇和乙酸钠两种碳源的投加效率进行比对结果表明，乙酸钠对滤池中与反硝化有关的反应占58.38%，比投加甲醇的滤池要高出36.68%，虽然乙酸钠生物产量高、运行周期短，但是甲醇更加稳定、成本更加低廉。

5.2 氧气的含量

在反硝化反应过程中，是通过用硝酸盐的氨代替氧分子作为电子受体的方式，在一个无氧的环境中进行呼吸并分解其中的含氮有机质。反硝化深床滤池中滤料层所附着的反硝化菌通过在水下进行反应将水中的硝酸盐氨还原成氮气。而反硝化深床滤池环境中的氧气含量过高的时候，反硝化菌就会以氧气中的氧为电子受体，优先与氧结合反应，大大降低了对水中硝酸盐氨的消耗，影响了整个滤池的脱氧效率。通过实验，当反硝化深床滤池中水的溶解氧气小于0.5 mg/L的时候，反硝化菌才能够以硝酸盐氨为主要反应物质，完成脱氨的目的。当反硝化深床滤池中水中氧的溶解量大于5 mg/L时，对有机氮含量的去除率将小于20%。当反硝化深床滤池中水中氧的溶解量小于1 mg/L时，对有机氮的去除率在60%～80%之间。所以如果水中氧的溶解含量过高会严重影响反硝化菌的反应，导致对碳源的消耗增大，所以要严格控制水中的氧溶解量，对进水严格把控。

5.3 环境温度

反硝化菌合适的反应温度在30 ℃左右，当温度低于5 ℃的时候，反硝化菌的反硝化反应基本停止，所以当冬季低温来临时，反硝化菌的脱氧效率会受到很大影响，比如杭州冬天最低温度在10 ℃左右，反硝化菌的作用效率就会大大降低，而夏季气温较高，在进行反硝化时能够使有机氮含量达标。所以应该在冬季时加投碳源，促进反硝化菌进行反硝化反应，保证在冬季的氮含量达标。