反硝化深床滤池海砂滤料截污特性研究

董聿森，王涛，张梦利

（1.北京航天试验技术研究所，北京 100074；2.西安中交环境工程有限公司，陕西 西安 710075；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

反硝化深床滤池是一种集成了反硝化脱氮与过滤功能的生物滤池，起源于传统的生物滤池[1]。其因为优秀的污水脱氮效果、较高的池深比、较小的占地面积、较高的处理效率、较低的工程投资费用而受到污水厂提标改造行业广泛的关注[2]。反硝化深床滤池实用工程中较多选用天然海砂，以保证微生物挂膜效果，尚有陶粒、火山岩等新兴滤料移植至反硝化深床滤池中使用多在研究阶段或小试、中试阶段[3]。本文希望通过试验探究反硝化深床滤池海砂滤料正向过滤过程中截污特性，为滤池海砂滤料的选配及运行参数确定提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 模型滤柱的构建

含污水流在滤料等多孔介质层中重力沉降穿流运动主要受流动的水利条件影响，当模拟实验的穿层流动水利条件与实际条件相近，可忽略实验装置与实际滤池的几何相似性，以模拟条件来代表实际滤池的运行情况[4]。

本文构建的实验装置为两个内径为100mm的滤柱，高度2m，底部预置多孔板保证滤料不泄露，同时不影响水流穿层。滤柱与多孔板材质均为有机玻璃。

实验选取恒温18℃，流动相恒定pH 值7.0。

两种参与实验对比滤料主要参数如下表所示：

表1 两种海砂滤料主要实验参数

1.2 实验滤程的确定

实验滤程依据水厂实际运行工艺确定，常见后置反硝化深床滤池置于前置生物段之后。实验滤速控制为10m/s。

1.3 流动相浊度确定

本研究浊度考量指标依散射浊度（NTU）计，并配置40NTU浊度标准液。溶液Ⅰ—溶解1g 硫酸肼与蒸馏水中，并定容稀释至100mL。溶液Ⅱ—溶解10g 六次甲基四氨与蒸馏水中，并定容稀释至100mL。在100mL 容量瓶中将5mL溶液Ⅰ与5mL溶液Ⅱ混合，稀释至刻度并混合，在5℃±3℃条件下恒温静置保存24h，得到400NTU 标准液。取10mL 400NTU 标准液稀释至100mL 得到40NTU 标准液作为本研究标准浊度悬浊液[5]。

本研究配置浊度30NTU 废水作为模拟进水，实验水样通过齐威便携式WGZ-1A散射式浊度计测定。

2 结果与讨论

2.1 滤料穿透确定

实验海砂滤料出水浊度依下图所示：

图1 两种实验滤料出水浊度随时间变化

两种海砂滤料，实验前29h 均保证出水浊度在10NTU以下，当实验持续时间超过29h，实验滤料出水浊度迅速恶化至近30NTU，此时认为滤料达到最大分离效果，无法再存蓄水中悬浮物。

认为连续过滤实验达到29h 滤料穿透，即完成一个过滤周期。

2.2 海砂滤料过滤特性

反硝化深床滤池采用均质、低分形度的海砂作为反硝化微生物的挂膜载体，同时又是污水中硝酸氮及悬浮物优秀的去除构筑物[6]。实验完成一个过滤周期将滤柱剖开，在不破坏原滤柱堆积状态情况下分层取出堆积海砂滤料进行截污量检测。两种实验滤料累计截留固形物垂向堆积百分比如下图所示：

图2 两种实验滤料累计截留固形物堆积百分比

D=1mm、K80=1.1 与D=1.5mm、K80=1.1 海砂滤料截留污水中固形物的量在整个穿透周期内，随滤料层深度升高，单位检测单元内截留污水中固形物量逐渐下降，堆积截留固形物的量逐渐升高且呈增速放缓趋势。采用D=1mm、K80=1.1海砂滤料进行过滤特性试验结果表明200mm 深度时截留固形物达到63.33%，400mm 深度时截留固形物达到77.5%，600mm深度时截留固形物达到84.25%；采用D=1.5mm、K80=1.1 海砂滤料进行过滤特性试验结果表明200mm 深度时截留固形物达到72.25%，400mm深度时截留固形物便超过80%达到85.58%。

实验结果表明，在过滤进程不断推进的过程中，流动相中悬浮固形物受海砂滤料截留、惯性、沉降作用表现为含量不断降低，污水穿透滤料堆积层存在时序间的差距，前置滤料对污水完成过滤减轻了后续滤料层的冲击压力，后置滤料层进水浊度相对较低有着较低的固形物截留量。另一方面，前序滤料截留污水悬浮固形物，悬浮固形物沉积在海砂颗粒表面，不仅相对增大了滤料的粒径，同时填补了一定的滤料堆积空隙，进一步增大了前序滤料堆积层的悬浮固形物截留能力，增大了前置滤料层的截留量[7]。

200mm 深度条件下，1.5mm 粒径海砂截留固形物的量较1mm 海砂提升14.08%；400mm深度条件下，1.5mm 粒径海砂截留固形物的量较1mm 海砂提升6.77%；600mm 深度条件下，1.5mm 粒径海砂截留固形物的量较1mm 海砂提升1.58%。

实验结果表明，在一定范围内提升海砂滤料直径有助于出水水质的提升。石英砂质滤料堆积孔隙一般在42%左右，且几乎不随滤料粒径变化而变化，当滤料粒径较低时滤料堆积区域有着更多数量的孔隙，相应的单个空隙将会降低。水流对滤料颗粒表面剪切力在单纯过滤期间可简化为下式：

式中：f 为水流对滤料颗粒剪切力；k 为与水运动粘度相关的系数；v为空床流速；m为滤层堆积孔隙率；de为滤床堆积孔隙当量直径[4]。

从上式可以看出，过滤流动相对滤料剪切力与滤层堆积孔隙率及孔隙当量直径的乘积呈反比。当滤料颗粒较小，相应孔隙当量直径较小，流动相对滤料颗粒的剪切力较大，容易超过滤料截留固形物最大阻力造成滤料穿透，过滤失效。

在相同过滤时间内，D=1.5mm、K80=1.1 滤料相较D=1mm、K80=1.1 滤料有着较高的固形物截留量，但反硝化深床滤池常见床深达1.83m，合理配置反冲洗周期可使滤料粒径对截污能力的影响降到最低。小粒径滤料对滤速的提升、延长反冲洗周期、减缓水头损失均由一定的不利影响。在一定范围内可通过提升滤料的粒径或滤料的多层级配在保证水质的情况下提升反硝化深床滤池的运行效率。

3 结论

反硝化深床滤池两种海砂堆积滤料在滤速10m/s 进水浊度30NTU 压力下进水持续29h达到滤料穿透。在一定范围内，增大滤料粒径可降低流动相对滤料剪切力，有助于微生物层挂膜及充分利用滤池深床特性提升反硝化深床滤池运行效率。