污水處理反硝化濾池的應用綜述

余琴芳，余太平，杜 敬，鎮(zhèn)祥華

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，湖北武漢 430010；3.武漢市城市排水發(fā)展有限公司，湖北武漢 430010)

2015年發(fā)布的《水污染防治行動計劃》要求現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設施因地制宜進行改造，敏感區(qū)域的污水處理廠全面達到一級A排放標準，其中總氮(TN)≤15 mg/L。一些地區(qū)/流域還發(fā)布了更嚴格的地方標準，如北京、天津、湖南、安徽巢湖地標的最高級別標準要求TN≤10 mg/L，昆明地標的最高級別標準要求TN≤5 mg/L，某些工程甚至需要達到地表IV類水質標準TN≤1.5 mg/L。反硝化濾池是實現(xiàn)高TN排放標準的有效途徑。反硝化濾池占地小、具有較好的脫氮效果和過濾性能，已成為城鎮(zhèn)污水深度處理領域研究和應用的熱點，近年來在污水處理廠提標改造和再生水處理利用中廣泛應用。我國污水處理廠生物處理段工藝多采用活性污泥工藝，但某些污水處理廠用地不足，生物濾池因其占地小也在二級生物處理中和硝化濾池串聯(lián)使用。

國內(nèi)外關于反硝化濾池的研究和應用案例很多，包括脫氮機理和微生物群落研究[1-3]，C/N、水力停留時間、溫度等因素對脫氮的影響[4-8]，不同類型濾料和碳源的脫氮效果等[9-11]。反硝化濾池在污水處理廠提標改造中的應用案例很多，采用反硝化濾池提標至一級A標準，調試中可達到TN≤5 mg/L[12-15]。雖然已有一些研究和應用，但反硝化濾池的動力學尚不明確，其對工程應用具有很大的指導意義；濾池的濾料種類繁多，仍需探索更經(jīng)濟高效的濾料，以及不同脫氮目標下的最適宜濾料；工程應用中反硝化濾池跌水充氧現(xiàn)象嚴重，外加碳源的混合效率也有待提高。反硝化濾池雖然占地小且脫氮效果好，但其對進水SS要求較高，需前處理設施，進水一般需要泵提升，需要定期反沖洗。武漢某污水處理廠一、二期采用氧化溝工藝，三期采用“前置反硝化濾池+硝化濾池+后置反硝化濾池”生物濾池工藝；2種工藝進水水質基本相同(進水TN為20～50 mg/L，均值為30 mg/L，進水BOD均值為90 mg/L)，出水執(zhí)行一級A排放標準；一、二期無需外加碳源可達到TN≤15 mg/L的標準，四期不外加碳源時，TN只能達到17～22 mg/L，均值為19 mg/L，四期需要外加COD當量約50 mg/L的乙酸鈉碳源去除TN約8 mg/L才能使TN穩(wěn)定達標，且生物濾池工藝每天需要反沖洗，與活性污泥工藝相比，生物濾池工藝運行管理更復雜且成本更高。

本文對城鎮(zhèn)污水處理廠反硝化濾池的研究和工程應用進行調研總結，分析不同應用場景下的主要設計和運行參數(shù)，以期為城鎮(zhèn)污水處理廠反硝化濾池的設計及運行提供依據(jù)。

1 反硝化濾池概述

1.1 原理

濾料是生物濾池工藝的重要組成，是生物膜的附著場所，可以影響生物量，從而影響脫氮負荷和效果。反硝化生物濾池濾料多采用陶粒和石英砂[9,16]。反硝化脫氮需要消耗有機物，是生物脫氮的另一個重要因素，通常來源于廢水中可生物降解的有機物，但廢水中有機物不足時，外加的碳源物質常用乙酸鈉、乙酸、甲醇等，COD/N是決定脫氮效果的重要因素[5,17]。根據(jù)過濾流向，反硝化濾池分為上向流和下向流濾池，2種形式各有優(yōu)劣及適用場景。

1.2 濾池種類與相關規(guī)程

表1 標準規(guī)范中反硝化濾池主要設計參數(shù)Tab.1 Main Design Parameters of Denitrification Filter in Standards

1.3 工程應用

調研反硝化生物濾池的工程應用案例，一級B出水標準的污水處理廠采用生物濾池工藝的主流程一般為“反硝化生物濾池+曝氣生物濾池”或“曝氣生物濾池+反硝化生物濾池”，一級A出水標準的污水處理廠主流程一般為“活性污泥法生物池+反硝化濾池”和“前置反硝化生物濾池+曝氣生物濾池+后置反硝化生物濾池”，蘇伊士的陶粒生物濾池和威立雅的聚苯乙烯輕質濾料濾池應用最多。調研反硝化深床濾池工程應用案例，為使出水達到一級A標準，其在二級生物處理工藝后增加“反硝化深床濾池”進一步去除SS，低溫時通過外加碳源和微絮凝過濾保證TN、SS、TP同時穩(wěn)定達標[12-13,15]。

一級A排放標準的污水處理廠再次提標，對TN的去除一般再增加反硝化生物濾池，通過投加碳源甚至能將TN降至1.5 mg/L以下。南京某中水回用項目在一級A出水后增加反硝化生物濾池，要求水溫>12 ℃時TN≤5 mg/L，水溫<12 ℃時TN≤8 mg/L；實際運行數(shù)據(jù)表明，通過碳源投加能使出水TN穩(wěn)定達標[21]。近幾年，作者單位進行了一系列深度脫氮的中試試驗，試驗以一級A污水廠的二級生物處理出水為原水，考察反硝化濾池的效果，冬季(水溫為13～17 ℃)在武漢某污水處理廠的試驗中，反硝化濾池進水TN為8.9～14.8 mg/L，投加COD當量為60 mg/L的乙酸鈉能使TN穩(wěn)定在5 mg/L以下；夏季(溫度為25～30 ℃)在珠海某污水處理廠的試驗中，反硝化濾池進水TN為11.0～15.8 mg/L，投加乙酸的COD當量為60 mg/L，能使出水TN穩(wěn)定≤1.5 mg/L。

2 濾料

反硝化生物濾池設計時，面臨濾料種類、濾料粒徑、填裝高度的選擇。濾料的主要作用是生物載體和過濾攔截SS，密度、粒徑、比表面積等都是重要因素，現(xiàn)使用較多的是陶粒和石英砂，陶粒的比表面積遠大于石英砂，但是石英砂的過濾效果更好，因此有更好的SS和TP去除效果。除此之外，也有生物濾池使用聚苯乙烯(表觀密度為0.2 g/cm3)輕質濾料。

2.1 不同濾料反硝化濾池

上述研究表明，在脫氮效果方面，陶粒濾料優(yōu)于石英砂濾料，二者的差異大小與外加碳源的種類有關，陶粒濾池對碳源的利用率更高。陶粒濾池出水TN可達到1.5 mg/L以下，而石英砂濾池在不同的研究中其出水TN分別可達到3 mg/L以下和4～7 mg/L。陶粒和石英砂濾池反沖洗周期的差別與濾池進水水質有關，進水為濾池出水SS較低時，二種反沖洗周期差別不大。

2.2 濾料與脫氮要求

根據(jù)不同濾料反硝化濾池的研究，陶粒濾池出水TN更低，要達到非常高的出水TN標準，如TN≤3 mg/L或1.5 mg/L，采用陶粒濾料更有保障，現(xiàn)有工程暫不需要達到如此高的標準。

2.3 濾料選擇的建議

對于濾料的選擇，應綜合考慮其脫氮要求、進水SS與反沖洗頻率等因素。工程案例調研發(fā)現(xiàn)，設在預處理工藝后的二級處理前置反硝化濾池一般選用粒徑為6～9 mm或4～6 mm的陶粒生物濾池；深度處理后置反硝化濾池一般選用粒徑為3～5 mm的陶粒生物濾池，或粒徑為1.5～3.5 mm的石英砂深床濾池。陶粒濾池后一般設有高效沉淀池，石英砂濾池可作為消毒前的最后一級工藝。建議二級處理采用反硝化生物濾池，選擇陶粒濾池；深度處理采用石英砂濾池。陶粒有較大的比表面積來培養(yǎng)附著微生物膜，而石英砂濾池的生物量有限。一般采用反硝化濾池時，需要去除的TN>10 mg/L，為保證反硝化效果不宜采用石英砂濾料。但是，同時對TN、SS、TP的去除均有較高要求，且TN出水標準為一級A時，宜選用石英砂濾料，可分別通過碳源投加、過濾和微絮凝過濾同時完成TN、SS、TP的去除。相同濾床深度的情況下，采用石英砂濾料，其出水SS優(yōu)于陶粒。

3 碳源

除了二級處理前置反硝化濾池可利用污水中的碳源外，一般反硝化濾池均需外加碳源，碳源選擇與投加量是反硝化濾池工藝的重要參數(shù)。

3.1 不同碳源

綜上，甲醇為外加碳源時消耗的COD/N為3.5～5.5，乙酸/乙酸鈉為外加碳源時消耗的COD/N為3.4～7.3，葡萄糖為外加碳源時消耗的COD/N為7.0～9.7。不同碳源去除單位氮消耗的COD/N不同，同一種碳源在不同條件下所需的COD/N也存在不同。在實際工程中，某種碳源的選擇需綜合考慮處理效果與運行成本，投加量需根據(jù)出水TN標準、進水DO濃度、水力負荷、溫度等因素綜合確定，減少跌水充氧是減少碳源用量的有效途徑。

3.2 新型碳源和新型技術

基于巨大的碳源市場，一些生物公司開始研發(fā)高效復合碳源，如公司A的生物發(fā)酵復合碳源，以多種農(nóng)業(yè)生物質為原料，利用特定酶進行水解發(fā)酵后提純濃縮，再通過復配形成高效碳源；公司B的多核復合型碳源，以淀粉為底物水解并添加益生因子等，形成的由多種低分子糖、酸、醇和微生物益生因子組成的多核復合型碳源。市面上復合碳源專利產(chǎn)品的核心為不同分子量及結構的碳源組分和微生物益生因子，聲稱在使用中能夠提高反硝化菌群的多樣性和活性，從而提高脫氮效果，降低運行成本。

除了有機碳外，硫也能作為反硝化脫氮的電子供體[26]。研究提出的活性自持深度脫氮技術，是一種非碳源依賴污水脫氮技術，利用復合活性生物載體為脫氮微生物提供多元電子供體，復合生物載體由硫、天然礦物、電子介導體、生物促生劑等組成。某污水處理廠應用該技術，將深床反硝化濾池濾料更換為該復合填料，擺脫了對碳源的投加依賴。

3.3 碳源選擇的建議

傳統(tǒng)碳源與新型碳源的性質及成本如表2所示。甲醇、乙酸、乙酸鈉的脫氮效果均很好，乙酸鈉雖然藥劑成本最高，但現(xiàn)今仍然是污水處理廠使用最廣泛的碳源。甲醇藥劑成本低，脫氮效果好，但甲醇易燃、易爆，其運輸、儲存、投加有特殊要求，建設成本會較高，且一旦管理不當發(fā)生爆炸事故，后果不堪設想，使用甲醇時需綜合考慮甲醇運輸路線、管理水平等因素。乙酸的凝固點低至16.6 ℃，冬季低溫會凝固，適合溫度高的南方城市使用。葡萄糖藥劑成本較低，但脫氮效果相對較差，污泥產(chǎn)量高導致反沖洗周期短，執(zhí)行一級A排放標準的污水處理廠若對反硝化濾池脫氮負荷要求不高，碳源投加量較少，可以選擇投加葡萄糖。而對于某公司的專利產(chǎn)品，其價格相對于乙酸鈉有一定的優(yōu)勢，但其應用還不夠成熟，且專利產(chǎn)品采購來源受限。

表2 不同外加碳源的性質及成本Tab.2 Characteristic and Costs of Different Carbon Sources

4 過濾流向

4.1 不同流向的濾速

《脫氮生物濾池通用技術規(guī)范》(GB/T 37528—2019)[19]建議：上向流反硝化生物濾池平均濾速宜為10～15 m/h，濾料表觀密度宜≥1.4 g/cm3，濾料填裝高度宜≥2.5 m；下向流反硝化生物濾池平均濾速宜為5～8.5 m/h，濾料表觀密度應≥2.5 g/cm3，濾料填裝高度宜≥1.8 m。這表明，上向流濾池可采用更高的濾速，濾料可采用陶粒、石英砂等，而根據(jù)密度的要求，下向流濾池應采用石英砂濾料。

4.2 反硝化濾池代表工藝

工程應用中，幾種典型的反硝化濾池代表工藝如表3所示。蘇伊士Biofor DN生物濾池采用上向流，濾料為專利濾料Biolite(進口火山巖，粒徑為2～6 mm)，濾料高度可達4 m，濾速可高達27 m/h，武漢某污水處理廠采用該工藝設計濾速22 m/h；威立雅Biostyr DN生物濾池采用上向流，根據(jù)應用場景濾速可為6～30 m/h，濾料為聚苯乙烯輕質濾料，屬懸浮濾料，存在濾料流失的風險，反沖洗采用向下的重力反沖洗，節(jié)省能耗。迪諾拉STS/Tetra反硝化深床濾池采用下向流過濾，填裝1.8 m厚的粒徑為2～4 mm的石英砂，濾速為5～10 m/h；賽萊默Leopold反硝化深床濾池采用下向流過濾，填裝1.8 m厚的粒徑為1.7～3.35 mm的石英砂；蘇伊士的DeniforV深度脫氮V型濾池結合了Biofor生物濾池和V型濾池的優(yōu)點，采用下向流過濾，濾料為粒徑為2.0 mm或2.5 mm的專利濾料Biolite(進口火山巖)，填裝高度為1.5～2.0 m，濾速為5～10 m/h；深圳清泉公司的上向流反硝化深床濾池采用上向流，填裝3 m厚的粒徑為2～4 mm的石英砂，濾速為6～9 m/h。綜合這幾家代表工藝，二級處理用反硝化生物濾池宜采用上向流過濾，其濾料填充高度更高，濾速高則占地??；深度處理用反硝化深床濾池一般采用下向流過濾，而深圳清泉公司的深床濾池采用上向流，相比于下向流深床濾池，其濾料填充高度更高，濾速也可更高。

表3 反硝化濾池代表工藝比較Tab.3 Comparison of Representative Processes of Denitrification Filter

4.3 過濾流向選擇的建議

反硝化濾池的作用包括生物膜去除污染物和過濾去除懸浮物，主要作用是生物膜中微生物對污染物的去除，反硝化產(chǎn)生的氮氣氣泡可能會包裹濾料，上向流濾池水流可將附著在濾料上的氣泡帶走，有利于污染物與生物膜接觸，從而被去除。下向流濾池由于水流向下，濾料的堆積更致密，過濾效果更好，出水SS更低，下向流濾池反沖洗周期一般短于上向流濾池，相對來說，上向流不易堵塞，進水SS和生物膜生長量是影響生物濾池運行周期的重要因素。反硝化濾池運行過程中，老化的生物膜會脫落，濾池本身的過濾作用會截留脫落的生物膜，上向流濾池的截留作用較差，水力負荷越大，其濾料微懸浮程度越大，濾料間空隙越大，懸浮物的截留效果越差，存在脫落生物膜進入出水導致水質變差的問題。

綜上，反硝化濾池不同流向的選擇應綜合考慮濾池設置位置、污染物去除目標、水力負荷及其沖擊情況等因素。反硝化濾池作為深度處理最后一級過濾時，宜采用下向流深床濾池，對TN、SS、TP均有一定去除要求，需去除的TN負荷宜<5 mg/L，若負荷更高，則污泥產(chǎn)生量更大，反洗周期頻繁，同時下向流濾池應保障進水SS較低，從而減少反沖洗周期；若反硝化深床濾池采用上向流，濾速更高則節(jié)省占地，但上向流過濾效果上存在出水SS超標的風險。工程上，深度處理反硝化深床濾池采用下向流較多，近些年深圳清泉公司的上向流深床濾池也有一些應用。反硝化濾池作為二級處理的工程，一般采用上向流，可設計較高的負荷，從而減少占地，且上向流進水可帶走氣泡，無需驅氮。

5 結論與展望

反硝化濾池適用于污水處理廠提標改造和深度處理，用于二級處理可大幅減少占地，已在城鎮(zhèn)污水處理廠廣泛使用。研究者下一步可在以下方面進行探索。

(1)對不同TN出水標準下(5、3、1.5、1.0 mg/L)，反硝化濾池的運行參數(shù)和效果進行研究，為工程應用提供依據(jù)。

(2)研發(fā)原料易得的經(jīng)濟高效碳源和傳統(tǒng)碳源的高效組合，解決硫自養(yǎng)反硝化的工程應用限值因素，減少碳源成本。

(3)研發(fā)可釋放電子供體的多功能濾料，減少碳源投加運行成本。

工程應用中，應注重精細管理與運行，減少跌水充氧，智能控制水質反饋的加藥量，探索最優(yōu)的水力負荷與反沖洗周期及強度。