反硝化深床滤池在实际工程中的优化研究

杨延鑫

摘 要：反硝化深床滤池是一种深床滤池系统，能够同步去除TN（总氮）、SS（悬浮物）和TP（总磷）等污染物，滤料通常采用特殊形状和规格的石英砂，生长在石英砂上的反硝化优势菌种通过生物作用去除TN（总氮），深层滤池能够过滤去除SS（悬浮物），同时通过投加PAC药剂实现TP（总磷）的去除。本文解析了反硝化深床滤池在实际深度处理工程中溶解氧过高、碳源和除磷药剂投加不精准、反洗和驱氮频次过密或过疏等问题，基于低浓度进水特性，研究对比优化其运行参数，旨在为其深度处理实际应用中提供借鉴。

关键词：反硝化深床滤池；优化；碳源；溶解氧；反冲洗

中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）02-00-04

0 引言

随着我国“水十条”等相关政策的出台，越来越多的地区不断提高污水排放标准，以缓解城市污水对环境的压力[1]。反硝化深床滤池工艺集成度高，运行灵活，可以同时起到物理过滤截留 SS、化学微絮凝除 TP、生物反硝化去除TN 的作用[2]。

反硝化滤池现广泛应用在城市污水处理厂提标改造中。由于反硝化滤池具有较好的脱氮效果，该工艺成为城市污水深度处理领域研究和应用的热点[3]。区永杰介绍了反硝化深床滤池的主要设计参数及设计要点，在提标改造深度处理工艺中选用反硝化深床滤池工艺，可有效保证出水各项指标尤其是总氮的去除率[4]。李鹏飞等通过分析沿程水质、创新改造、调控优化，探索提出三方面的精细脱氮运行管控措施，保障总氮精准达标，实现大型再生水厂的精细化运行管控[5]。王雄设计采用 “细格栅及旋流沉砂池+调节池+水解酸化+改良型A2/O+二沉池+高效沉淀+反硝化深床滤池+次氯酸钠消毒”的废水处理工艺处理纺织工业废水[6]。本研究解析了反硝化深床滤池在实际深度处理工程中的整体运行参数，包括溶解氧过高、碳源和除磷药剂投加不精准、反洗和驱氮频次过密或过疏等问题，基于低浓度进水特性，研究对比优化其整体运行参数，旨在为其深度处理实际应用中提供借鉴。

1 试验装置、方法与问题

1.1 反硝化深床滤池结构试验装置如图1所示。

以广东省东莞市某生活污水厂反硝化深床滤池为试验装置，滤层总高3 m，承托层卵石0.5 m，石英砂滤料2.5 m，布水区高1.6 m。滤池断面的尺寸为20 m×4.5 m。进水系统包括进水渠、进水闸板以及配水槽等；过滤系统包括石英砂过滤层、出水管及布水布气砖等；反冲洗系统包括反洗鼓风机、反洗水泵、反洗进水管及反洗排水管等。

反硝化深床滤池是一种深床滤池系统，能够同步去除TN（总氮）、SS（悬浮物）和TP（总磷）等污染物，滤料通常采用特殊形状和规格的石英砂，生长在石英砂上的反硝化优势菌种通过生物作用去除TN（总氮），深层滤池能够过滤去除SS（悬浮物），同时通过投加PAC药剂实现TP（总磷）的去除。

1.2 研究方法

试验原水为广东省东莞市某市政污水厂二沉池出水，其水质特点如表2所示。

本试验主要监测溶解氧、总氮、悬浮物、总磷和流量指标。溶解氧采用溶解氧仪测定，总氮采用碱性过硫酸钾法测定，悬浮物采用精密分析天平测定，总磷采用钼酸盐光度法测定，流量采用管道流量计测定。

1.3 存在问题

反硝化深床滤池的日常控制一般为进水溶解氧控制、碳源投加、除磷药剂投加、反冲洗和驱氮调控等，控制调整不合理或不及时往往导致出水水质不稳定，也会存在滤池过水不及导致溢流的情况。如何既保证出水水质稳定达标又保证滤池过水通畅需要优化相关措施。

2 反硝化深床滤池在实际工程中的优化

2.1 进水溶解氧优化控制

滤池进水跌水造成滤池内水体溶解氧升高影响反硝化效果[7]。溶解氧影响反硝化菌的活动及呼吸，由于进水碳源低，特别是刚刚反洗后，滤速较快，滤池跌水高度最高，水中溶解氧上升最多，总氮去除率偏低，往往总氮较高时难以达标。

本项目监测进入反硝化滤池的溶解氧和进出水总氮。通过反硝化滤池出水阀门控制，保持反硝化滤池液位与进水堰板基本平齐，减少跌水充氧，且在滤池顶部进行密封盖板处理，内外气体隔绝，降低渠道内空气含量，平衡气水两相氧气溶解度，复氧现象大幅下降。具体数据见图2。

由图可知，优化前平均溶解氧升高值平均为2.9～3.5 mg/L，总氮去除值為0.8～1.2 mg/L。优化后平均溶解氧升高值平均为0.8～1.5 mg/L，总氮去除值为1.1～1.8 mg/L。原因是采取上述措施后，水中溶解氧处于较低水平，反硝化细菌较为活跃，反硝化性能提高，总氮降低较多；同时，由于遮挡阳光，堰板和滤池表面青苔基本不生长，减少滤池阻力，减少了反冲洗频率。

2.2 碳源优化投加控制

当进水总氮较高时，需要投加碳源加大碳氮比去除总氮。一般来说，理论上达到完全反硝化所需的C/N为3～4，但在实际工程中该值会受到多种因素的影响，如生物膜的生长状态、碳源品质及操作条件（温度、水力负荷、溶解氧浓度）等[8]。本文以乙酸钠药剂为碳源进行研究，理论反应方程式如下：

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

理论反硝化1 g硝酸盐氮需消耗3.66 g乙酸钠，实际投加过程中由于各种因素影响需要较高浓度的乙酸钠。同种碳源，因为工艺、运行条件等因素不同，反硝化速率出现不同的变化[9]，往往导致出水水质波动较大。设计投加函数公式，以进水总氮、进出水流量为变量，累计经验碳源投加率为投加梯度，制定出符合现场的投加公式。经过反复试验，实测出水总氮削减浓度与乙酸钠投药量的关系如图3。

根据图3，实际过程中7 mg/L乙酸钠能够去除1 mg/L总氮，考虑时间和空间的滞后性，出水控制基准总氮设为10 mg/L，乙酸钠以7 mg/L为投加浓度梯度，投加的浓度计算公式如下：

T＝7×（T2-10）×Q2/Q1 （2）

式中：T-乙酸钠投加浓度（mg/L）；T2-进水总氮值（mg/L）；Q1-出水量（m3/h）；Q2-进水量（m3/h）。

应用上述公式运行一段时间后，出水水质更加稳定达标，数值平稳，碳源投加更加精准，碳源单耗下降约25%，起到节能降耗的作用。原因是乙酸钠是碳源，投加乙酸钠可以有效优化水质碳氮比，反硝化细菌吸收碳源能量后，能够将硝酸盐氮还原为氮气，加之碳源投加时，从公式得出精确投加量，减少了粗放式投加，碳源单耗下降。

2.3 除磷药剂优化投加控制

化学除磷是辅助生物除磷的有效手段之一，根据除磷位置可分为前置除磷、同步除磷和后置除磷[10]。在反硝化深床滤池实际应用过程中往往采取前置投加方式。反硝化深层滤池本身能够过滤去除SS（悬浮物），便于去除总磷，同时通过投加除磷药剂去除TP（总磷）。本文试验进行二次提升泵房和反硝化滤池进水渠的投加聚合氯化铝药剂试验，试验结果见图4。

由图4可知，无论在泵房还是在进水渠投加，出水SS稳定在4～5 mg/L，原因是滤池滤层深，具有较好的过滤性能。投加聚合氯化铝浓度为9 mg/L左右时效果最好。当投药量较多时，出水总磷削减值不减反增。原因是絮凝剂投加量过大时，胶粒表面呈饱和态，产生脱稳现象，造成除磷效果下降。泵房投加聚合氯化铝的除磷效果优于进水渠，原因是聚合氯化铝与污水经过水泵提升后在管道充分混合，反应时间较长，除磷化学反应更加充分，效果更佳。由此可知，选择合适的投药量和投药点会取得优良的深度除磷效果，此试验中在泵房处投加7～10 mg/L的聚合氯化铝药量后，除磷效果显著。

2.4 反冲洗和驱氮优化调控

反硝化生物滤池在运行一段时间后，出水水质达不到要求，要对滤池进行反冲洗，提高滤池的反应效率[3]。反硝化深床滤池一般利用气水联合方式进行冲洗，反洗频率过快，不利于反硝化菌生长，总氮去除效果不佳；反洗频率过慢，滤速过低，减少了过水量。在气水联合反冲洗方式作用下，填料的剪切和碰撞作用不断加强，使滤层处于最合适条件下进行反冲，可以减少反冲洗用水量，使反冲洗周期变长，增大滤池的留污能力，提高出水水质[11]。

污泥停留时间（SRT）的确定直接影响系统的脱氮除磷效果，具有重要意义[12]。此试验装置反洗水强度为4.4 L/（s·m2），气冲洗强度为24.3 L/（s·m2），设定12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h为反洗间隔，以进出水总氮去除值和通水量乘积绝对值大小评定，绝对值越大，反冲洗效果越好。经过反复试验，气洗3 min～气水洗10 min～水洗5 min～气水洗4 min～水洗4 min、反洗周期48 h效果最佳，既有效保证了反硝化菌的生产周期又确保了较快的通水量。

由于反硝化的作用，滤池运行一段时间后由于氮气挤压过滤空间会导致通水量减少。驱氮步骤为水冲5 min，驱氮间隔时间设置1 h、2 h、3 h、4 h、5 h进行试验，以进出水总氮去除值和通水量乘积绝对值大小评定，结果证明每2～3 h一次驱氮最为合适，过滤性能恢复最好。原因是反硝化菌2 h左右能够将大部分硝酸盐转化为氮气，氮气最多充满间隙时启动驱氮措施能够快速恢复通水效率。

2.5 各生物滤池负荷优化调控

反硝化生物滤池来水藻类悬浮物和垃圾较多，设置进水孔直径2 mm的精细机械格栅装置，避免造成生物滤池过水不足、反洗频繁。存在10个滤池，在运行过程中，由于安装质量和调试质量不同等情况，每个生物滤池运营参数不同，主要体现在进水负荷，过水效率，除磷驱氮能力等。通过一段时间分析各个滤池的过水能力和除磷驱氮效率，对指标靠前的生物滤池进行深入研究，得出最佳的运营参数，根据最佳运营参数制定措施如滤料微调、局部培菌，调整反洗强度、均衡进水等，将调整指标靠后的生物滤池逐步调整至最佳效能。通过结合实际来水水质情况，参考运营较好的某个池体，优化调控其余各滤池的运行参数，实现反硝化滤池最大效益。

3 结论

（1）采取密封盖板处理，保持液位与堰板平齐，降低进水溶解氧升高值，强化反硝化性能。

（2）采取符合实际情况的函数公式投加碳源，出水水质更稳定达标同时减少了碳源单耗。

（3）采取前置投药在泵房投加7～11 mg/L的聚合氯化铝药量絮凝过滤，除磷效果显著。

（4）采取周期48 h、顺序为气洗3 min～气水洗10 min～水洗5 min～气水洗4 min～水洗4 min的气水联合反冲洗，以及周期2～3 h、水冲5 min的驱氮步骤，能有效恢复滤料的反硝化和过滤性能，长期稳定保证反硝化深床滤池系统的运行。

（5）设置精细机械格栅，避免滤池过水不足。分析各个滤池过水能力和除磷去氮效率，采取措施逐步调整指标靠后的生物滤池，确保最佳效能。

采取上述反硝化滤池的整体运行控制优化措施，发挥反硝化滤池最大效益，能够为实际工程提供整体参考意见。

参考文献：

[1] 黄潇.多级AO-深床滤池工艺深度处理城市污水效能及微生物特征[D].哈尔滨：哈尔滨大学，2019.

[2] 高飞亚，郭庆英，余浩，等.反硝化深床滤池在一级A提标项目中的应用及运行效果[J].中国给水排水，2019，35（6）：63-66.

[3] 杨碧印.不同外加碳源反硝化生物滤池的深度脱氮研究[D].长沙：湖南大学，2015.

[4] 区永杰.反硝化深床滤池在南方污水处理厂提标改造的应用[J].节能环保，2021：59-60.

[5] 李鵬飞，蒋奇海，张达飞，等.北京某大型再生水厂反硝化生物滤池运行管控实践[J].给水排水，2021，47（4）：39-44.

[6] 王雄，贾 鹏，郑泽鑫.A2/ O－高效沉淀 －反硝化深床滤池工艺处理纺织工业废水[J].广州化工，2021，49（3）：94-96.

[7] 张万里，周平，毛小伟，等.改良型A2/O +反硝化滤池工艺用于污水处理扩建工程[J].中国给水排水，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体碳源反硝化系统的微生物特性[D].重庆：重庆大学，2016：48.

[10] 吴娅.曝气生物滤池化学除磷药剂的选择[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010：77.

[11] 张宝杰，闫立龙，甄捷.曝气生物滤池最佳反冲洗周期及反冲洗方式研究[J].哈尔滨工业大学学报，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.