吳紹國

（珠海市城市排水有限公司，廣東 珠海 519000）

根據(jù)《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）關于全面控制污染物排放的要求，各地污水處理廠陸續(xù)進行提標和改擴建工程來實現(xiàn)污水減排的目標，其中，出水總氮（TN）是提標改造的難點之一[1]。在執(zhí)行更嚴格的TN 排放標準的工藝設備中[2-3]，反硝化深床濾池獲得了水處理行業(yè)的認可[4]。反硝化深床濾池具有占地面積小、有較好的過濾性能和脫氮效果以及工程投資費用少等特點[5]，成為了目前城鎮(zhèn)污水深度處理工藝的研究和應用重點。但是關于如何合理有效地將反硝化深床濾池應用于提標改造工程方面的研究報道較少。本文以珠海市某污水廠提標改造工程為例，分析了反硝化深床濾池從中試試驗到實際運行的效果，為同類提標改造工程提供技術(shù)參考。

1 項目概況及工藝流程

1.1 項目概況

珠海市某污水處理廠于2011 年8 月投產(chǎn)運行，一期設計處理規(guī)模為3.5 萬m3/d，設計采用的主要處理工藝為“CASS 池+轉(zhuǎn)盤濾池”，設計出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B 標準。污水收集范圍為工業(yè)園內(nèi)經(jīng)工廠處理后的工業(yè)廢水和園區(qū)周邊少量生活污水，其中工業(yè)廢水量約占總水量60%，由于服務范圍內(nèi)的工業(yè)企業(yè)存在超標排放現(xiàn)象，導致進水水質(zhì)波動大，該污水廠常年處于水質(zhì)超負荷運行狀態(tài)，處理工藝出水不能穩(wěn)定達到設計出水水質(zhì)要求。

2018 年啟動提標改造工程，處理規(guī)模不變，出水指標由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 1 8918—2002）一級B 標準提高至一級A 標準及廣東省地方標準《水污染物排放限值》（DB 44/26—2001）的較嚴值，主要設計出水水質(zhì)排放指標如表1 所示。

表1 改造工程設計出水水質(zhì)

1.2 改造后工藝流程

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測記錄，高濃度廢水負荷對該污水廠進水水質(zhì)帶來的沖擊較大，并考慮到原水中非溶解性污染物濃度較高，因此設置強化預處理措施，即在CASS 池前增加調(diào)節(jié)池、磁混凝沉淀池、水解池。原有生物池處理能力不能滿足出水水質(zhì)要求且由于用地紅線限制，新增池容困難，考慮在生物好氧池中投加懸浮填料，提高系統(tǒng)的硝化穩(wěn)定性和相關的反硝化能力。二級強化處理出水NH3-N 及TN 仍不能穩(wěn)定達到一級A 標準，考慮增加生物深度處理反硝化處理單元，并在處理構(gòu)筑物前補充必要的外加碳源，確保NH3-N 及TN 穩(wěn)定達標。

本次提標改造工程完整的工藝流程：

原污水→粗格柵→進水泵房（現(xiàn)狀）→細格柵間曝氣沉砂池（現(xiàn)狀）→均質(zhì)調(diào)節(jié)池（新建）→磁混凝高效沉淀池（新建）→水解池（新建）→水解池（現(xiàn)狀）→CASS 池（改造投加填料）→提升泵房（新建）→深床濾池（新建）→轉(zhuǎn)盤濾池（現(xiàn)狀）→消毒（改造）→巴氏計量槽（現(xiàn)狀）→出水。

2 中試全流程試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗工藝流程

中試試驗目的在于考察在目前實際進水水質(zhì)及模擬高氨氮和總氮進水水質(zhì)條件下，全流程工藝對現(xiàn)有水質(zhì)及高濃度氨氮和總氮模擬廢水的運行處理能力以及實際出水水質(zhì)，考察系統(tǒng)的出水達標率。

中試試驗規(guī)模100m3/d，反硝化深床濾池（100m3/d）直接采用成套設備，調(diào)節(jié)池、CASS 池等構(gòu)筑物現(xiàn)場制作。各主體構(gòu)筑物、設備的規(guī)格及運行參數(shù)如下：

2.1.1 調(diào)節(jié)池

設計停留時間9 h，規(guī)模240 m3/d，有效水深3 m，凈空尺寸6.2 m×5.2 m，超高0.3 m，調(diào)節(jié)池有效容積97 m3。對角設置2 臺推流器。

2.1.2 CASS 池

1 座CASS 池設置為2 格，設計規(guī)模100 m3/d，設計停留時間18 h，單格容積42.24 m3，有效水深取3 m，超高0.3 m，單格尺寸（B×L×H）為3.2 m×4.4 m×3.3 m，潷水深度約0.65 m～0.95 m。CASS 池每周期運行時間為4 h 和6 h，4 h 時曝氣2.5 h、沉淀1 h、排水0.5 h，6 h 時曝氣4 h、沉淀1 h、排水1 h。后期根據(jù)實際情況相應調(diào)整。采用曝氣鼓風機，池底布設穿孔曝氣管，鼓風機選用2 臺0.92 m3/min，34.3 kPa 羅茨風機，氣水比5∶1～10∶1。出水方式采用管道出水，排水管上設置閥門。1#池填料投配率：填料量約為池體體積的20%，2# 池不投加填料。填料為Φ25 mm×12 mm MBBR 活性生物懸浮填料，材質(zhì)為HDPE，有效表面積大于500 m2/m3，相對密度為0.96～0.98，孔隙率大于90%，使用壽命大于15 年。

碳源投加量為0（注：現(xiàn)狀水質(zhì)下CASS 池出水ρ（TN）基本在15 mg/L 左右，為了考察后續(xù)反硝化深床濾池脫氮效率，此處碳源未投加）；PAC 投加量為0；堿度碳酸鈉投加量為0，后期在氨氮高負荷時根據(jù)實際需要投加。

2.1.3 出水池凈空尺寸（B×L×H）為5 m×5 m×2.9 m，有效水深2.6 m，超高0.3 m，有效容積65 m3。

2.1.4 反硝化深床濾池（試驗車）

設計流量100 m3/d。單濾柱直徑Φ=413 mm，高度H=6 030 mm，有效過濾面積0.168 m2，濾料層高度1.83 m，1.5 mm～3.0 mm 石英砂。2 座并聯(lián)，水力負荷4 m3/m2·h～8 m3/m2·h，空床停留時間15 min～30 min。反沖洗周期24 h～48 h。乙酸（99%）投加量為20 mg/L～80 mg/L，根據(jù)進水TN 確定，一般比例為5∶1。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 中試全流程進出水水質(zhì)

中試全流程試驗于2018 年4 月23 日開始運行，8 月31 號結(jié)束。按照工藝流程順序?qū)M水、調(diào)節(jié)池出水、CASS 池出水和反硝化深床濾池出水每10 d 取樣一次，并檢測出水COD、SS、TP、NH3-N、TP 這5 個主要水質(zhì)指標。試驗階段的各主要污染物進出水數(shù)據(jù)如圖1～圖4 所示。

圖1 中試全流程系統(tǒng)進出水COD 圖

由圖1 可知，進廠原水的COD 值在4 月底至5 月底較高，這是由于這期間污水廠在進行潷水器更換，生物池輪流排空，大部分污泥與進水混合，導致中試系統(tǒng)的進水COD 大幅飆升，后期在試驗穩(wěn)定運行階段，進水COD 值基本保持在108 mg/L 左右，經(jīng)過調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)后，COD 高峰值有了一定程度的降低。從4 個月的累積進水平均值來看，污水廠的進水COD變化較大，主要是和進水SS 相關，SS 較高時對應的COD 值較高，但是其中可溶解性COD 基本比較穩(wěn)定，基本保持在37 mg/L 的情況，可見原水中溶解性COD的濃度并不高，大部分污染物是非溶解態(tài)COD。原水經(jīng)過調(diào)節(jié)池后的混合水樣，COD 測定還略有升高的現(xiàn)象，主要是部分污泥、SS在調(diào)節(jié)池內(nèi)累積。經(jīng)過CASS池處理之后，出水COD 基本在32 mg/L～33 mg/L，去除率基本保持在10.73%～13.28%。深床濾池出水COD 基本在18 mg/L 左右，可能其中一部分COD 表現(xiàn)為SS，還有部分COD 在深床濾池前段的好氧環(huán)境中得到了少部分降解。

由圖2 可知，進水TP 的變化范圍較大，高峰值能到12.80 mg/L，低值能到0.92 mg/L，大部分質(zhì)量濃度分布在3 mg/L～5 mg/L。經(jīng)過調(diào)節(jié)池之后能大幅降低進水TP 質(zhì)量濃度。TP 的去除規(guī)律與SS 去除類似，深床濾池的去除效率較高，CASS 池出水由于進水COD濃度低，排泥量很少，對磷幾乎沒有去除能力，同時由于污泥沉降性能稍差，導致出水TP 中混有部分污泥而導致TP 質(zhì)量濃度有微弱的上升，基本保持在1.3 mg/L～1.5 mg/L左右，而后續(xù)的深床濾池由于對SS 等懸浮物有很好的去除作用，因此，出水的ρ（TP）也保持在較低值，在0.10 mg/L～0.12 mg/L之間，能滿足現(xiàn)在更加嚴格的某些地方標準排放限值（0.3 mg/L）。

圖2 中試全流程系統(tǒng)進出水TP 圖

由圖3 和圖4 可知，TN 的進水平均質(zhì)量濃度在26.54 mg/L～28.65 mg/L，ρ（NH3-N）在12.88 mg/L～15.12 mg/L 變動，在TN 及NH3-N 進水質(zhì)量濃度較低的情況下，為了考察反硝化深床濾池的脫氮效果，沒有在CASS 缺氧區(qū)投加反硝化碳源，導致CASS 出水的TN 質(zhì)量濃度在15.53 mg/L～15.75 mg/L 變動，沒有達到出水水質(zhì)標準。因此，在實際進水水質(zhì)情況下，CASS 池主要考察其硝化能力，深床濾池主要考察反硝化能力。CASS 池出水中ρ（NH3-N）前期較高，主要是硝化細菌增長適應較慢，后來運行穩(wěn)定后基本保持在0.50 mg/L左右，試驗期間平均值為1.77 mg/L～2.07 mg/L，證明CASS 池硝化作用良好。

圖3 中試全流程系統(tǒng)進出水NH3-N 圖

圖4 中試全流程系統(tǒng)進出水TN 圖

反硝化深床濾池中，由于進水絕大部分為硝態(tài)氮，經(jīng)過深床濾池的反硝化處理后，深床濾池的出水TN質(zhì)量濃度為5.11 mg/～5.79 mg/L，去除率為62.97%～67.30%，NH3-N 質(zhì)量濃度為0.74 mg/L～0.82 mg/L，去除率為57.06%～61.36%，出水遠優(yōu)于設計水質(zhì)要求。所以在碳源投加量合適的情況下，反硝化深床濾池工藝在進水ρ（NH3-N）≤1.5 mg/L，保證碳源投加碳氮比5∶1 足夠的情況下，反硝化脫氮能力基本能穩(wěn)定保持在90%以上，在進水ρ（TN）=15 mg/L～18 mg/L，空床停留時間30 min，水力負荷5 m/h 時可以將ρ（TN）穩(wěn)定控制在5 mg/L以內(nèi)，大部分時間控制在3 mg/L以內(nèi)，完全能滿足以后的類地表水排放標準。

2.2.2 中試NH3-N、TN 高濃度負荷試驗進出水質(zhì)

試驗期間運行參數(shù)同上，僅調(diào)節(jié)池NH4Cl 投加量由60 mg/L～180 mg/L逐步增加，CASS 池碳酸鈉投加量為60 mg/L～190 mg/L。CASS 池、深床濾池的碳源乙酸（99%）投加量控制在碳氮比為5∶1 左右。試驗從8 月29 日開始進行提負荷試驗，高濃度氨氮廢水經(jīng)過CASS 池硝化反硝化處理之后去除絕大部分NH3-N，部分TN，然后進入深床濾池進一步進行反硝化處理去除TN。提負荷試驗共分三個階段：

第一階段：8 月29 日至9 月28 日，將進水NH3-N 負荷控制在35 mg/L左右，然后在試驗運行穩(wěn)定1 個月左右的時間后，將NH3-N 負荷進一步提升，進入第二階段，以達到設計值。

第二階段：9 月28 日至10 月18 日，將進水ρ（NH3-N）負荷控制在50 mg/L左右，已達到設計值確定的45 mg/L的進水NH3-N 指標。

第三階段：10 月19 日至10 月29 日，進一步提升NH3-N 負荷到為70 mg/L左右，考察整個系統(tǒng)對TN 的去除能力。

NH3-N 負荷提升三個運行階段系統(tǒng)進出水水質(zhì)如圖5、圖6 所示。從圖5、圖6 可以看出，進水的NH3-N、TN 三階段濃度的變化區(qū)別明顯，均控制在設計指標左右，以此考察系統(tǒng)的脫氮能力。

圖5 系統(tǒng)對NH3-N 的去除效果圖

圖6 系統(tǒng)對TN 的去除效果圖

提負荷第一階段，進水ρ（NH3-N）基本保持在25.66 mg/L附近運行，ρ（TN）保持在34.94 mg/L附近運行，NH3-N 質(zhì)量濃度最大最小比值為1.46，TN 質(zhì)量濃度最大最小比值為1.52，水質(zhì)波動小，進水穩(wěn)定。CASS1#，2#出水NH3-N 質(zhì)量濃度平均值保持在5 mg/L以下，分別是4.99 mg/L和4.46 mg/L，去除率分別為80.55%和82.62%。兩者對NH3-N 的去除效果相差不大，同時，出水TN 質(zhì)量濃度分別為19.65 mg/L和19.12 mg/L，去除率分別為43.76%和45.28%。CASS池的出水NH3-N 達標，但是ρ（TN）還是在15 mg/L的限值之上，沒有達到排放標準。經(jīng)過反硝化深床濾池之后，NH3-N 的出水質(zhì)量濃度進一步降低到3.68 mg/L～4.43 mg/L，ρ（TN）也降低到5.97 mg/L～6.81 mg/L，最終出水達到排放標準。

提負荷第二階段，進水ρ（NH3-N）基本保持在42.54 mg/L左右運行，TN 質(zhì)量濃度保持在50.98 mg/L左右運行。CASS1#，2#的出水NH3-N 質(zhì)量濃度平均值為10.01 mg/L、8.24 mg/L，去除率分別為76.47%、80.63%；CASS1#，2# 出水的TN 質(zhì)量濃度平均值為22.52 mg/L、20.59 mg/L，去除率分別為55.83%、59.61%?？偟膩砜?，CASS 池的出水NH3-N、TN 大部分時間不能達到排放標準。經(jīng)過反硝化深床濾池處理之后，ρ（NH3-N）的出水進一步降低到4.25 mg/L～4.56 mg/L，去除率為50.03%～53.42%，TN 質(zhì)量濃度也能達到6.91 mg/L～7.78 mg/L，去除率為63.91%～67.94%，達到了排放標準。CASS 池的NH3-N、TN 均不能達標，主要是這一提負荷運行主要分成兩個階段。第一階段是9 月29 日至10 月12 日，這一階段為間歇運行階段，由于中試CASS 系統(tǒng)的自控沒有完成安裝，所以前期試驗均為間歇運行，而13 日開始正式進行連續(xù)運行工作。從圖5、圖6 可以看出，CASS 系統(tǒng)在連續(xù)運行之后，污泥活性越來越好，系統(tǒng)的出水水質(zhì)也越來越好。

提負荷第三階段為高NH3-N 負荷試驗研究，TN質(zhì)量濃度控制在72.01 mg/L左右，NH3-N 質(zhì)量濃度也高達60.98 mg/L，在這種情況下，CASS 在連續(xù)運行之后，污泥的活性越來越高，特別是對于高濃度的氨氮廢水，已經(jīng)完全適應，因此，即使NH3-N 質(zhì)量濃度平均值為60.98 mg/L的情況下，CASS 池1#，2# 出水的NH3-N 質(zhì)量濃度基本保持在5.75 mg/L、6.07 mg/L，平均去除率達到了90.57%和90.05%，可見，生物池的硝化菌生長良好，硝化效果較好。相應的TN 質(zhì)量濃度進水平均值為72.01 mg/L，CASS 池1#，2#的出水TN質(zhì)量濃度為23.87 mg/L，23.18 mg/L。其中大部分為硝態(tài)氮。在反硝化深床濾池中被進一步降低，出水TN 質(zhì)量濃度在9.64 mg/L～9.82 mg/L之間，完全達到排放標準。而同期的NH3-N 出水質(zhì)量濃度在6.92 mg/L～7.11 mg/L之間，比CASS 池略有升高，可能原因在于反硝化深床濾池取樣數(shù)據(jù)較少，在NH3-N 高峰值取樣導致整體結(jié)果偏高。

3 工程設計與應用

3.1 工程設計

本項目中試完成后進行工程化設計。反硝化深床濾池平面尺寸（L×B）為37.6 m×29.1 m，共分6 格過濾，單格18.29 m×3.6 m，平均濾速3.7 m/h，反硝化容積負荷0.36 kg/（m3·d）。濾池設計采用氣水反沖洗，氣沖強度92 m3/（m2·h）；水沖洗強度：15 m3/（m2·h），兩臺反沖洗水泵，一用一備，Q=988 m3/h，H=11 m；3 臺離心風機，兩用一備，Q=51 m3/min，79.3 kPa。

3.1.1 主要核心設備

1）濾料介質(zhì)：石英砂，粒徑2 mm～3 mm，濾床深h=2.44 m。

2）支撐介質(zhì)：天然鵝卵石，粒徑3 mm～38 mm，濾床深h=0.45m，分5 層分層排列。

3）布水布氣系統(tǒng)：濾磚外殼為高密度聚乙烯材料HDPE，內(nèi)部充填混凝土，每格65.1 m2。

反硝化深床濾池為重力流沙濾池，水從上面進入水池流入，依次經(jīng)過粒徑為英砂濾料、天然鵝卵石承托層、布水布氣系統(tǒng)，最終從底部的集水渠流出。

3.1.2 控制系統(tǒng)

采用反硝化深床濾池碳源反饋投加機制，實現(xiàn)碳源的精確投加。主要收集“進水流量信號+進水硝酸鹽濃度信號”，計算出理論碳源投加量，再通過“出水硝酸鹽濃度信號”反饋定期調(diào)整實際碳源投加量，通過換算實現(xiàn)碳源的精確投加。

3.2 運行效果

該項目于2021 年4 月建成并培菌掛膜投入試運行，試運行期間由于受到進水復氧的影響，導致進水溶解氧偏高，達8 mg/L～10 mg/L，消耗了部分碳源，致使碳源投加量高達70 mg/L～80 mg/L，反硝化能力降低，經(jīng)現(xiàn)場綜合分析復氧原因主要由于CASS 池排水為間歇式，流量不穩(wěn)定，導致中間提升泵房液位變化，反硝化深床濾池進水流量不穩(wěn)定所致，通過調(diào)整中間提升泵房運行模式為恒液位控制，同時反硝化深床濾池保持恒液位運行，即將進水溶解氧控制在低于5 mg/L，同時碳源投加量約在50 mg/L～60 mg/L，而且進一步提高了反硝化能力。

反硝化深床濾池系統(tǒng)進出水水質(zhì)見表2。

表2 反硝化深床濾池系統(tǒng)進出水水質(zhì)

經(jīng)生物深度處理反硝化深床濾池處理后穩(wěn)定達到了出水水質(zhì)要求，連續(xù)5d 運行數(shù)據(jù)如153 頁表3所示。COD 出水為14 mg/L～26 mg/L，TN 出水質(zhì)量濃度為9.72 mg/L～12.3 mg/L，NH3-N 出水質(zhì)量濃度為0.43 mg/L～2.87 mg/L，TP 出水質(zhì)量濃度為0.17 mg/L～0.41 mg/L，SS出水質(zhì)量濃度都小于4 mg/L。

4 結(jié)語

通過中試試驗，確保系統(tǒng)的技術(shù)可靠性及穩(wěn)定性，為工程設計提供依據(jù)并能有效縮短工程調(diào)試周期。

表3 連續(xù)5d 運行記錄mg/L

反硝化深床濾池彌補了前端工藝不能保證TN和NH3-N 穩(wěn)定一級A 標準的缺點，該工藝還具有靈活轉(zhuǎn)換成深床濾池的特點，當前段工藝具備脫氮功能時，可簡單調(diào)整工藝去除碳源投加系統(tǒng)，即可轉(zhuǎn)換成濾池，去除SS。

反硝化深床濾池在設計階段建議考慮復氧的控制，下流時考慮采用弧形堰板技術(shù)和恒液位控制。

作為后置式反硝化深床濾池，進水有機物含量很低，反硝化深床濾池需要投加碳源，碳源的投加精確直接影響運行費用和反硝化濾池脫氮效果。碳源的過量投加不僅造成運行成本過高，且有出水COD 升高的風險，而當碳源投加量不足時，反硝化脫氮反應受到影響，出水硝態(tài)氮又不達標。建議碳源投加系統(tǒng)，結(jié)合濾池的進、出水硝酸鹽濃度，溶解氧DO 濃度，精確投加碳源，避免碳源投加過量和不足。

采用磁混凝高效沉淀池+CASS+反硝化深床濾池工藝是基本可行的。2021 年11 月至2022 年3 月期間，該工藝處理效果穩(wěn)定，出水各項指標穩(wěn)定達到一級A 標準。