反硝化濾池用于上海市城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造工程實例！
摘 要：在上海市水污染防治行動中，城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)要求達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》( GB 18918—2002) 一級 A 標準，技術(shù)重點是實現(xiàn)總氮指標的控制。某城鎮(zhèn)污水處理廠在提標改造工程中，深度處理采用反硝化濾池，總設計規(guī)模為 24 × 104 m³ /d，其中設備結(jié)合實際運行情況按 18 × 104 m³ /d 規(guī)模配置。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)對硝態(tài)氮、總氮具有非常穩(wěn)定的去除效果，出水總氮穩(wěn)定在 10 mg /L 以下; 濾池微生物群落特征和溶解氧變化，可以作為考察濾池運行狀態(tài)的必要輔助。經(jīng)估算，該工程新增的直接運行費用為 0． 012 元/m³。
關(guān)鍵詞：反硝化濾池; 提標改造; 總氮; 微生物特征; 溶解氧
為持續(xù)改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，上海市于 2016 年—2017 年實施了 30 余座城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造和新建、擴建工程，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》( GB 18918—2002) 一級 A 標準，其重點在于氮、磷等污染物的深度處理。近年來，作為深度處理生物脫氮的重要工藝———反硝化濾池已在國內(nèi)得到廣泛應用。夏文輝等、嚴國奇等介紹了反硝化濾池在大型污水廠的設計、調(diào)試與運行情況，系統(tǒng)脫氮效果穩(wěn)定。周曉黎等依托實驗室反硝化生物濾池，研究了生物膜胞外聚合物( EPS) 的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)沿水流方向 EPS 含量呈先升高后降低的變化趨勢，在濾料層中間段最高。但受多種條件影響，其實際處理效果報道不多，且較少結(jié)合微生物特征來判斷運行狀態(tài)。以某城鎮(zhèn)污水處理廠工程為依托，探討了反硝化濾池的調(diào)試運行情況，并提出設備選擇的建議，旨在為該工藝的推廣應用積累實際工程經(jīng)驗，為污水廠的運行管理提供參考。
1 工程概況
上海市某城鎮(zhèn)污水處理廠于 2017 年初開始實施提標改造工程，改造后主體工藝流程為“粗/細格柵—曝氣沉砂池—初沉池—改良型 Bardenpho—二沉池—磁混凝沉淀池—反硝化濾池—消毒池”，其中深度處理段“磁混凝沉淀池—反硝化濾池”為新增單體。反硝化濾池集生物脫氮和過濾為一體，結(jié)合傳統(tǒng)過濾和反硝化作用，同時去除懸浮物和總氮。土建按遠期 24 × 104 m³ /d 設計，共 14 格。近期運行按 18 × 104 m³ /d，投產(chǎn) 10 格。濾池設計進、出水水質(zhì)見表 1( 其中，設計最低水溫為 12 ℃，出水指標優(yōu)于一級 A 標準) 。
2 主要構(gòu)（建）筑物及設備配置
①反硝化濾池
磁混凝沉淀池出水總渠分兩路管道進入反硝化濾池，濾池為東西兩側(cè)布置，每側(cè)布置混合池，設置1 臺混合攪拌機，功率為 5． 5 kW，用于快速混合碳源。濾池共 14 格，單 格 尺 寸 ( L × B × H ) 為 22． 75 m × 4． 88 m × 5．85 m。池底安裝高密度聚乙烯濾磚，作為配水布氣系統(tǒng)，收集濾液至池底中央的集水槽; 反沖洗過程中，均勻分布反沖洗氣流和水流; 同時作為濾料層的承載結(jié)構(gòu)。由下至上布置承托層和石英砂層，規(guī)格依次為 5 層礫石( 19 mm × 13 mm、13 mm × 6 mm、6 mm × 3 mm、13 mm × 6 mm、 19 mm × 13 mm) ，以及石英砂層。石英砂粒徑為1． 70 ～ 3． 35 mm，均勻系數(shù)為 1． 35，濾層高度為 2 m，球形度 ＞ 0． 8，莫氏硬度為 7。
② 反沖洗清水池
尺寸( L × B × H) 為 21． 0 m × 9． 0 m × 4． 3 m( 有效水深為 3． 3 m) ，與清水渠連通。設反沖洗水泵( 潛水泵 3 臺，2 用 1 備) ，流量為 839 m3 /h，揚程為98 kPa，功率為 35 kW。
③ 廢水池
尺寸( L × B × H) 為 19． 7 m × 9． 0 m × 6． 1 m( 有效水深為 5． 1 m) ，與清水渠連通。設置廢水泵( 潛水泵 2 臺，1 用 1 備) ，流量為 296 m³ /h，揚程為 81 kPa，功率為 10 kW。設潛水攪拌機 2 臺，功率為 4 kW。
④ 鼓風機房
尺寸( L × B × H) 為 22． 0 m × 9． 3 m × 8． 2 m，與濾池合建。設反沖洗鼓風機 3 臺( 2 用 1 備) ，風量為 5 074 m³ /h，風壓為 0． 07 MPa，功率為 160 kW。
設空壓機 2 套，風量為 0． 84 m3 /min，風壓為 0． 7 MPa，功率為 5． 5 kW，配套冷干機、儲氣罐等。
⑤ 碳源投加系統(tǒng)
新建儲液池，設投加泵 2 臺，互為備用，流量為1 500 L /h，壓力為 0． 3 MPa，功率為 0． 75 kW，分別投加至東西兩側(cè)碳源混合池。
⑥ 控制系統(tǒng)
每格濾池設置 5 個氣動蝶閥/閘門，分別為進水閘門、出水調(diào)節(jié)蝶閥、反沖洗進水蝶閥、反沖洗空氣蝶閥、廢水蝶閥。反沖洗水泵出口總管設置 1 個調(diào)節(jié)蝶閥，反沖洗鼓風機出口總管設置 1 個電動放空閥。系統(tǒng)內(nèi)主要儀表包括: 進水流量計、反沖洗水流量計、超聲波液位計、進出水硝酸鹽分析儀、進水溶氧儀，以及配套所需的壓力開關(guān)和液位開關(guān)等。濾池配套 1 個主控柜，防護等級 IP55，含 PLC 及人機界面，用于控制濾池運行，包括反沖洗鼓風機、反沖洗水泵、廢水泵及所有自動控制閥門和儀表。
3 運行效果及分析
3.1 調(diào)試啟動
該工程于 2017 年 12 月建設完工，12 月底正式進入調(diào)試運行階段。初期進水量為 12 × 104 m³ /d， 以 8 格運行。調(diào)試階段正值冬季，啟動初期水溫為10 ～ 12 ℃，進水 DO 為 8． 5 ～ 9． 7 mg /L，SS 較低，為 3 ～ 14 mg /L，COD 為 15． 2 ～ 44． 2 mg /L，平均值為24． 6 mg /L。啟動方案有兩種: ①采用污泥接種，降低濾池的液位至砂面上 300 ～ 500 mm，連接污泥泵和軟管后，開啟污泥泵，首批投泥; 將二沉池污泥分別投加到每格濾池作為接種污泥，并通過曝氣使污泥均勻分布。②當水質(zhì)濃度較低或外部因素受限時，采用自然培養(yǎng)掛膜的方式，依靠前端二沉池出水SS 所攜帶的微生物完成污泥培養(yǎng)及積累，在啟動的前 2 ～ 3 天，系統(tǒng)可超越磁混凝沉淀池運行或者暫停混凝加藥。方案①接種生化污泥，在缺氧環(huán)境下可能出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象，存在磷超標的風險。因此，該工程采用自然培養(yǎng)的方式掛膜，依靠前段出水 SS 所攜帶的微生物完成污泥培養(yǎng)及積累，培養(yǎng)反硝化細菌。
根據(jù)水量和進水中硝酸鹽濃度，計算醋酸鈉投加量( Q) 。啟動時，先按 25% Q 投加碳源( 20% 的醋酸鈉) 。由于濾池初期無反硝化效果，在這個階段出水 COD 會有所上升，但因少量投加醋酸鈉， COD 濃度上升不明顯，不致引起出水有機物超標。每天早晨 8 點取樣，根據(jù)出水硝酸鹽濃度逐步提高碳源投加量。在冬季建議投加比例分別按 45% 、 65% 、85% 和 100% ，略微過量供給，以促使反硝化細菌盡快占據(jù)主導地位。
3.2 微生物特征
生物培養(yǎng)馴化 過 程 中 采 用 雙 目 生 物 顯 微 鏡( XSP － 4C) 鏡檢。在反沖洗過程中，氣水沖洗約 10 min( 2 /3 進程) 時取反沖洗廢水鏡檢。培養(yǎng)初期( 第 1 周內(nèi)) 污泥鏡檢圖片見圖 1。鏡檢發(fā)現(xiàn)菌膠團、微生物種類和數(shù)量較少，只能看到少量扭頭蟲、楯纖蟲，偶爾發(fā)現(xiàn) 1 ～ 2 只線蟲。
2 周后，出水硝酸鹽濃度呈降低趨勢，在碳源供給穩(wěn)定的情況下，一旦反硝化效果產(chǎn)生，脫氮效果增長明顯，2 ～ 3 d 內(nèi)趨于穩(wěn)定。培養(yǎng)后期的污泥鏡檢結(jié)果見圖 2。
由圖 2 可以觀察到，隨著調(diào)試的進行，首先是絲狀菌大量出現(xiàn)，再逐漸出現(xiàn)原生動物和后生動物，如累枝蟲、鐘蟲、輪蟲、線蟲等，微生物種類豐富，對照硝酸鹽的去除效果，說明系統(tǒng)已具備反硝化功能。后期運行期間也發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)受到外界沖擊時，微生物種群特征變化，菌種種類和數(shù)量減少，特別是絲狀菌明顯減少。這種情況也與劉凱等的研究報道一致。絲狀菌作為反硝化作用的指示生物之一，既有助于其他菌落圍繞其生長，也能依靠菌絲體的交織作用增加膜塊的機械強度。因不同的污水處理廠水源水質(zhì)的差異，主要微生物種類也存在較大差異，應按照全廠構(gòu)筑物的流向進行觀察，尋找優(yōu)勢種群的生態(tài)演替規(guī)律，指示系統(tǒng)運行的狀態(tài)和判斷處理效果。
3.3 溶解氧的變化
采用 HACH HQ40d 溶解氧分析儀，浸入式檢測濾池內(nèi) DO 的變化情況，分別測定 2#、10#濾池進水渠內(nèi)、濾池內(nèi)( 高低液位及砂面) 、清水池內(nèi)幾處，其中高液位為液面淹沒進水堰堰口( 距濾料頂 1． 75 m) ，低液位為經(jīng)出水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后的最低液位( 距濾料頂 1． 55 m) ，調(diào)試初期高低液位波動為 ± 0． 1 m。1 月—2 月水溫維持在 11 ～ 13 ℃，2#、10#濾池DO 濃度相近，進水渠內(nèi)、濾池內(nèi)高低液位的 DO 變化范圍依次為 8． 47 ～ 9． 31、8． 49 ～ 9． 63、8． 46 ～ 9． 48 mg /L，且高低液位的 DO 無明顯變化。許多研究認 為，應控制恒液位避免跌水而產(chǎn)生二次充氧。而上述數(shù)據(jù)與現(xiàn)有研究結(jié)果不同，分析因進水 DO 接近飽和，此階段跌水對 DO 影響較小。
圖 3 為濾池內(nèi) DO 的變化情況。通過對比發(fā)現(xiàn)啟動初期清水池 DO 略降低，約為 6 ～ 8 mg /L，此時進、出水 NO －3 － N 無明顯變化; 隨著清水池 DO 逐漸降至 3 mg /L 以下，進、出水 NO －3 － N 呈下降趨勢;當清水池 DO ＜ 1 mg /L 時，系統(tǒng)對 NO －3 － N 的去除趨于穩(wěn)定。按設計規(guī)范，活性污泥法缺氧反硝化要求 DO ＜ 0． 5 mg /L，而在實際反應中，由于污泥顆粒尺寸較大，沿粒徑方向存在 DO 濃度梯度，故反硝化對 DO 的要求顯著降低。但當同時存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時，氧會與硝酸鹽競爭電子供體，DO 會優(yōu)先消耗掉碳源有機物，造成無效的藥耗，且不利于反硝化菌的優(yōu)勢生長，并且可能使反硝化反應集中在填料區(qū)后段，從而造成反硝化濾池空間利用不足，影響脫氮效率。
3.4 系統(tǒng)運行效果
經(jīng)連續(xù)運行，系統(tǒng)整體、各子系統(tǒng)和設備運行正常，穩(wěn)定可靠。主要監(jiān)測項目有進、出水的 COD、SS、 TP、TN、NH3 － N、NO－3 － N、NO－2 － N 等，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到且優(yōu)于一級 A 標準。2018 年 3 月主要水質(zhì)指標變化如圖 4 所示。
由圖 4 可見，系統(tǒng)對 NO－3 － N、 TN 具有非常穩(wěn)定的去除效果，出水 TN 穩(wěn)定在 ＜ 10 mg /L。
穩(wěn)定運行后，初期水量為 12 × 104 m³ /d，以 8 格運行; 反沖洗頻率每 48 h 一格; 驅(qū)氮頻率為每 3 ～ 4 h 一次; 碳源采用 20% 的乙酸鈉溶液，自動投加，投加比率為 6 ～ 11; 碳源前饋計算依據(jù)為( 進水硝態(tài)氮－ 目標硝態(tài)氮) × 投加比率/碳源濃度 × 進水流量/密度; 碳源后饋計算依據(jù)為比較出水硝態(tài)氮和目標硝態(tài)氮，系統(tǒng)自動調(diào)整投加比率。
3.5 技術(shù)經(jīng)濟分析
該工程投資為 2 012 萬元，主要直接運行費用包括電費、藥劑費、人工費。其中，系統(tǒng)裝機容量為668 kW，電耗為 0． 006 2 kW·h /m³，電價按 0． 76 元/( kW·h) 計，則電費為 0． 004 7 元/m³。藥劑主要為 20% 的乙酸鈉溶液，用量平均為 0． 58 t /d，單價按 1 500 元/t 計，藥劑費為 0． 00 73 元/m³。運行管理依托廠內(nèi)現(xiàn)有定員，故人工費未單獨計算。該工程新增的直接運行費用為 0． 012 元/m³。
4 技術(shù)難點分析
① 濾池單格面積大，安裝精度要求高。濾池單格面積與池型、生產(chǎn)規(guī)模、操作運行方式等有關(guān)，也與濾后水匯集和沖洗水分配的均勻性有較大關(guān)系。從運行經(jīng)濟性和反沖洗均勻性方面考慮，單格濾池面積一般不宜大于 100 ㎡。從土建、設備等方面綜合考慮，該工程單格面積為 111． 02 m2，尺寸為22． 75 m( 長) × 4． 88 m( 寬) 。為了保證布水布氣的均勻性，安裝精度要求高，空氣支管管頂位于濾磚 2個配氣孔之間，空氣主管安裝偏差在 ± 3 mm 范圍內(nèi)，單條濾磚長度方向水平度偏差為 ± 3 mm，整格濾磚水平度偏差不超過 ± 6 mm。
② 下向流的濾池由于進水渠起始端和末端水位的差異，以及受土建施工精度影響，常存在內(nèi)部配水不均勻的問題，容易導致局部水質(zhì)穿透。采用兩側(cè)對稱布置，因廠區(qū)占地受限，從前序單元的出水總渠由兩路管道分別向兩側(cè)進水，更增加了進水分配的難度。單格濾池進水槽設置可調(diào)整高度的堰板，槽縱向堰頂水平偏差為 ± 1 mm，池與池之間堰頂豎向偏差為 ± 2 mm，進水后再根據(jù)所有濾池的進水速度微調(diào)，以保證進水流量均衡。在實際運行過程中，由于進水水量的波動，特別是在小流量時，單格流量不能完全均勻，因此考慮后期在每格濾池進水閘門之后增設一道堰板，作為一級布水堰板，在進水渠道內(nèi)進一步削弱水流的動能，促使水流分布更為均勻。
③ 反硝化最合適的溫度為 20 ～ 40 ℃，低溫會降低反硝化細菌的繁殖速率和代謝速率，溫度 ＜ 15 ℃反硝化速率明顯降低，在 5 ℃ 以下時反硝化速率極低，不到 30 ℃ 條件下的 1 /7［4，10］。該工程的系統(tǒng)調(diào)試啟動期正好在冬季，進水水溫較低( 10 ～ 12 ℃ ) ，處于反硝化細菌生長溫度的低限，成為影響微生物培養(yǎng)周期的主要問題。調(diào)試階段濾池實際進水負荷較低，選用自然培養(yǎng)的方式，啟動周期相對較長，在前 2 周內(nèi)基本上未出現(xiàn)明顯的反硝化效果，2周后反硝化效果逐漸明顯并穩(wěn)定。
④ 由于進水溶解氧過高，會增加碳源的用量。在調(diào)試期間，追蹤了從二沉池到清水池的溶解氧濃度變化情況( 見表 2) 。
由表 2 可知，受前端生化池的影響，二沉池出水DO 已高于 4 mg /L，且波動較大，經(jīng)過提升泵提升后DO 達到 6 ～ 8 mg /L，再經(jīng)后續(xù)單元逐級升高，造成濾池進水 DO 居高不下。在后期將考慮優(yōu)化前端工藝，控制溶解氧的升高。建議設計階段在全廠系統(tǒng)內(nèi)考慮溶解氧的變化，而不僅從濾池單元考慮。
為了降低水頭跌落對充氧的影響，在反硝化濾池中普遍采用恒液位的運行模式，而控制恒液位要求液位和出水調(diào)節(jié)閥開度之間實時響應，這對液位計的精度和靈敏度，以及閥門動作速度和閥板動作次數(shù)都提出了更高要求，需要在運行成本和設備壽命之間綜合考慮。
5 結(jié)論
① 上海某城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造工程采用反硝化濾池，脫氮效果顯著，直接運行費用 為0． 012 元/m³，能穩(wěn)定實現(xiàn)出水總氮指標達到并優(yōu)于一級 A 標準。
② 在冬季低溫條件下采用自然培養(yǎng)污泥的方式調(diào)試，約 2 周后反硝化效果逐漸顯現(xiàn)并在 2 ～ 3 d內(nèi)趨于穩(wěn)定。微生物特征變化明顯，直接反映系統(tǒng)運行狀態(tài)，建議作為日常運行必要的檢測項目。
③ 觀察濾池進、出水 DO 變化，有助于了解反硝化的運行環(huán)境。通過優(yōu)化控制全廠系統(tǒng)內(nèi) DO，從而降低濾池進水 DO，對反硝化的經(jīng)濟運行具有重要意義。
④ 在長期運行過程中，需要運營人員積累運行數(shù)據(jù)，分析濾池的運行狀態(tài)，在保證系統(tǒng)出水各項水質(zhì)指標的前提下，對反洗周期、碳源投加量等重要運行參數(shù)進行調(diào)整，摸索系統(tǒng)在不同工況、不同季節(jié)下的最佳運行參數(shù)，進一步降低處理能耗。
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