低碳源投加：自養(yǎng)脫氮濾池運(yùn)行案例

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自養(yǎng)脫氮濾池作為污水處理廠二級(jí)生化后的深度脫氮技術(shù)，選用2～3 mm粒徑的自養(yǎng)活性濾料，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出水TN≤10 mg/L，且零（或低）碳源添加，助力降碳排量。下向流的自養(yǎng)脫氮濾池，HRT約20 min，進(jìn)水DO高于4 mg/L時(shí)，平均脫氮濃度仍達(dá)8.50 mg/L，脫氮率67%，脫氮負(fù)荷0.64 kg/（m3·d），其藥耗較異養(yǎng)脫氮時(shí)可降耗30%～50%，宜控制脫氮濾池的進(jìn)水DO≤2 mg/L。自養(yǎng)脫氮濾池需長期關(guān)注NO2-N、S2-、SO42-等副產(chǎn)物累積的不利影響。

1 項(xiàng)目工程概況

1.1 項(xiàng)目基本概況

某園區(qū)污水處理廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模4萬m3/d，污水處理流程采用預(yù)處理-多級(jí)AO生化-深床脫氮濾池-臭氧接觸池-BAF-高效沉淀池-濾布濾池-接觸消毒池。項(xiàng)目設(shè)計(jì)水質(zhì)見表1，未列進(jìn)水指標(biāo)需達(dá)到《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962-2015），建成初期出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002)一級(jí)A，其中COD≤40 mg/L，2019年12月底前完成進(jìn)一步提標(biāo)改造，尾水從2020年1月起達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）準(zhǔn)Ⅳ類。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

注：括號(hào)內(nèi)為溫度≤12 ℃時(shí)指標(biāo)。

1.2 自養(yǎng)脫氮濾池技改及啟動(dòng)情況

原異養(yǎng)深床脫氮濾池情況：采用一組4格并聯(lián)，下向流過流形式，設(shè)計(jì)濾速5.4 m/h，停留時(shí)間20 min，填充石英砂濾料（粒徑2.0～3.0 mm），填充深度1.85m。濾料下設(shè)礫石承托層，進(jìn)水通過上層堰槽配水，出水及反洗之配水配氣采用HDPE材質(zhì)的T型濾磚（中心用水泥密實(shí)填充），見圖1所示。

圖1 脫氮濾池結(jié)構(gòu)示意

自養(yǎng)脫氮濾池技改實(shí)施情況：將4格砂濾料升級(jí)替換為自養(yǎng)緩釋活性濾料（硫系多核復(fù)合物改性），粒徑2.0～3.5 mm；1～4分格濾床填充同高度的活性濾料，其底部預(yù)留0、10cm、20cm、30 cm砂濾料，以考察雙層復(fù)合濾床對(duì)SS過濾截留對(duì)比效果。

自養(yǎng)脫氮濾池接種啟動(dòng)與馴化：初始啟動(dòng)時(shí)，從生化池直接取活性污泥作為種泥，單格分3～4批次投泥（每批次間隔1～2 d，并同步進(jìn)水、停止出水、開啟底部放空，便于污泥與原水滲透至濾料深層、與活性濾料充分接觸附著掛膜），每次投加污泥量按濾料區(qū)容補(bǔ)充1 000～1 500 mg/L污泥濃度左右，并投加少量活化菌液,平均4周左右完成啟動(dòng)馴化。

2 污染處理效能

2.1 污染物去除情況

2.1.1 TN、NO3-N指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池（后文簡(jiǎn)稱：濾池）整體及1～4分格濾床的進(jìn)出水TN、NO3-N濃度的變化見圖2～圖3，濾池進(jìn)水的TN濃度在13.1～19.5 mg/L（均值15.3 mg/L）、NO3-N濃度為9.38～17.0 mg/L（均值12.9 mg/L），濾池出水的TN濃度在2.92～10.9 mg/L（均值6.63 mg/L）、NO3-N濃度為0.53～7.93 mg/L（均值4.40 mg/L）。

圖2 自養(yǎng)脫氮濾池的進(jìn)出水TN指標(biāo)變化

圖3 自養(yǎng)脫氮濾池進(jìn)出水NO3-N指標(biāo)變化

自養(yǎng)脫氮濾池的TN、NO3-N濃度的消減見圖4～圖5，總體TN、NO3-N平均分別消減8.75 mg/L、8.50 mg/L；其中1～4分格NO3-N平均消減濃度依次為：8.31 mg/L、8.46 mg/L、8.51 mg/L、8.86 mg/L。TN、NO3-N平均脫氮率分別為58%、67%。

圖4 自養(yǎng)脫氮濾池的進(jìn)出水TN消減濃度變化

圖5 自養(yǎng)脫氮濾池的進(jìn)出水NO3-N消減濃度變化

2.1.2 SS指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池的SS濃度變化見圖6，濾池進(jìn)水SS濃度為17.6～32.4 mg/L（均值26.1 mg/L），濾池出水SS濃度為6.5～9.1 mg/L（均值7.6 mg/L）；其中1～4分格出水SS濃度均值依次為7.3 mg/L、7.0 mg/L、6.9 mg/L、7.1 mg/L。

圖6 自養(yǎng)脫氮濾池的進(jìn)出水SS指標(biāo)變化

2.2 副效物累積情況

2.2.1 NO2-N、S2-指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池的NO2-N、S2濃度的變化見圖7，濾池進(jìn)、出水及1～4分格的NO2-N濃度在0.12～0.21 mg/L變化，S2-濃度在0.01～0.02 mg/L變化。

圖7 自養(yǎng)脫氮濾池的進(jìn)出水NO2-N、S2-指標(biāo)變化

2.2.2 SO42-指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池的SO42-濃度的變化見圖8，濾池進(jìn)、出水SO42-濃度均值分別為391 mg/L、480mg/L，SO42-濃度平均增幅89 mg/L。采用氣體檢測(cè)儀對(duì)濾池濾料層及池頂部環(huán)境布點(diǎn)、檢測(cè)H2S濃度為0。

圖8 自養(yǎng)脫氮濾池的進(jìn)出水SO2-4指標(biāo)變化

2.3 脫氮、耗料的實(shí)際參數(shù)

2.3.1 脫氮負(fù)荷

自養(yǎng)脫氮濾池的NO3-N去除容積負(fù)荷（簡(jiǎn)稱脫氮負(fù)荷，以DNv計(jì)）的變化見圖9，總體DNv值為0.56～0.78 kgNO3-N/（m3·d），均值0.64。

圖9 自養(yǎng)脫氮濾池的NO3-N去除容積負(fù)荷變化

2.3.2 濾料損耗

自養(yǎng)脫氮濾池的料/氮比計(jì)算如式（1）所示，其變化見圖10，總體（SO42）△/N△比在8.79～13.20（均值10.55），近似折算S0△/N△比約為3.1～4.63（均值3.70）。

式中 S0△N△——濾池的料/氮比，g/g；

S0△——每日進(jìn)出濾池的活性濾料平均消耗濃度，mg/L；

N△——每日進(jìn)出濾池的NO3-N平均去除濃度，mg/L；

(SO42)△——每日進(jìn)出濾池的SO2-4平均產(chǎn)生濃度，mg/L；

32——硫的摩爾質(zhì)量，g/mol；

96——硫酸鹽的摩爾質(zhì)量，g/mol;

a——濾料中硫質(zhì)活性有效成分比例，約為0.95。

圖10 自養(yǎng)脫氮濾池的料/氮比指標(biāo)變化

2.3.3 參數(shù)關(guān)聯(lián)性

自養(yǎng)脫氮濾池的脫氮負(fù)荷、水力停留時(shí)間、氮濃度、濾料深度、過流濾速等參數(shù)在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)平衡考量、合理定值，特別與過流方式有關(guān)（上向流或下向流），參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)見式（2），一定的NO3-N底物濃度范圍，脫氮負(fù)荷與脫氮濃度、過流濾速正相關(guān)，與水力停留時(shí)間、濾料深度負(fù)相關(guān)。

式中 DNv——濾池的脫氮負(fù)荷，kgNO3-N/（m3·d）；

Q——進(jìn)出濾池的處理水量，m3/d；

V——濾池濾料層的容積，m3；

N△——每日進(jìn)出濾池NO3-N的平均去除濃度，mg/L；

HRT——空床水力停留時(shí)間，h；

H——自養(yǎng)濾料的填充深度，m；

q——平均過流濾速或水力表面負(fù)荷，m/h。

3 討論與分析

3.1 自養(yǎng)與異養(yǎng)脫氮濾池的效費(fèi)對(duì)比

3.1.1 污染消減效益

自養(yǎng)脫氮濾池作為二級(jí)生化后的深度脫氮技術(shù)，對(duì)于TN、SS具有協(xié)同脫氮降濁效果，由于零（或低）碳源添加，且能降碳排量。非碳自養(yǎng)活性濾料作為電子供體、以無機(jī)碳作為能源實(shí)現(xiàn)化能自養(yǎng)生物反應(yīng)，無需添加有機(jī)碳源、避免如異養(yǎng)脫氮濾池外碳源帶來的COD穿透風(fēng)險(xiǎn)。作為新建單元或基于原有DN濾池（陶粒濾料）、異養(yǎng)深床濾池（石英砂濾料）的利舊技改中，通過引入活性自養(yǎng)濾料、優(yōu)化濾池配置參數(shù)，在優(yōu)Ⅴ類高標(biāo)出水處理技術(shù)保障中具有良好的應(yīng)用前景。

3.1.2 運(yùn)行藥耗

對(duì)比相較于異養(yǎng)脫氮濾池，自養(yǎng)脫氮濾池既節(jié)省了砂濾料的一次基建采購費(fèi)用，且脫氮藥耗相較于異養(yǎng)碳源節(jié)省30%～50%，這與相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)論相近，對(duì)比分析見表2示。

表2 自養(yǎng)與異養(yǎng)脫氮濾池的經(jīng)濟(jì)對(duì)比

注：兩脫氮濾池對(duì)比結(jié)果：每萬噸處理規(guī)模，均去除5 mgN/L時(shí)，第一年即可收回濾料更換費(fèi)用并盈余，第2年起可節(jié)約50萬元/年以上的脫氮費(fèi)用。

需說明的時(shí)，每1～2月開展一次濾池濾料表層的縱向位移，復(fù)核活性濾料的月度累積損耗量，以便與式（1）的計(jì)算損耗量進(jìn)行兩種方法比對(duì)校核。當(dāng)脫氮效果持續(xù)一周低于預(yù)期目標(biāo)時(shí)、或于冬季低水溫到來前，進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)料（補(bǔ)料操作前需降水位露出濾料表層，補(bǔ)料后應(yīng)攤鋪均勻）。當(dāng)自養(yǎng)脫氮濾池進(jìn)水TN本底值已較低、單元無脫氮需求時(shí)，可通過增設(shè)超越管線，或減少濾池投運(yùn)系列等措施（人為減少HRT），避免自養(yǎng)濾料無效損耗。

3.2 自養(yǎng)脫氮濾池的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 濾料優(yōu)選

傳統(tǒng)的單質(zhì)硫粉、硫化鈉、硫代硫酸鈉、硫鐵礦等單一或復(fù)合物，均可作為硫循環(huán)反硝化的電子供體，實(shí)現(xiàn)硫基自養(yǎng)生物脫氮。周婭等采用液體硫代硫酸鈉（替代硫磺）聯(lián)合硫鐵礦，實(shí)現(xiàn)廢水脫氮，并改善微生物與電子供體之間的傳質(zhì)并減緩系統(tǒng)堵塞。利用單質(zhì)硫?yàn)殡娮庸w進(jìn)行生物脫氮時(shí)，高硝氮進(jìn)水負(fù)荷下出水中存在大量SO42-，當(dāng)硫酸鹽還原菌SRB存在時(shí)可能會(huì)釋放大量H2S氣體；采用硫化物為電子供體時(shí)，系統(tǒng)中的微生物可能受到硫化物的毒性抑制，導(dǎo)致低脫氮效率。郭啟臣等開展人工濕地硫自養(yǎng)研究時(shí)，對(duì)比硫單質(zhì)、硫代硫酸鹽、硫鐵礦不同的硫基供體，脫氮率優(yōu)先排序?yàn)椋毫虼蛩猁}>硫鐵礦>硫單質(zhì)。硫載體顆粒粒徑對(duì)脫氮的影響研究較少，馬航等采用0.8 mm的硫粒也取得較高的脫氮率。

本工程采用自養(yǎng)緩釋活性濾料（硫系多核復(fù)合物改性）作為媒介(見圖11)，集成自養(yǎng)脫氮與精過濾功能，粒徑2～3.5 mm。濾料表觀密度宜≥1.4 g/cm3（上向流時(shí)）或≥2.5 g/cm3（下向流時(shí)）?；钚詾V料可與砂濾料（砂濾料填充約20cm或可省去）形成雙層復(fù)合凈化功能，或僅優(yōu)選2～3 mm的低粒徑單一活性濾料作為均質(zhì)濾料。

圖11 自養(yǎng)活性濾料

3.2.2 濾池參數(shù)

自養(yǎng)脫氮濾池參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值見表3，從表3可知，上向流過流形式時(shí)的脫氮效能優(yōu)于下向流方式。本工程采用下向流方式，設(shè)計(jì)及實(shí)際HRT約20 min，脫氮負(fù)荷基本符合經(jīng)驗(yàn)范圍。

表3 自養(yǎng)脫氮濾池參數(shù)的工程經(jīng)驗(yàn)取值

3.3 運(yùn)行優(yōu)化

3.3.1 DO的抑制

自養(yǎng)脫氮濾池1～4分格縱深的水樣中DO與NO3-N分布見圖12，濾池深層水樣采集裝置見圖13。濾料表層原水DO約4 mg/L，當(dāng)原水NO3-N在10～15 mg/L時(shí)，濾料縱深同時(shí)發(fā)生消氧和除氮反應(yīng)，DO和NO3-N同步消減，一方面DO對(duì)于自養(yǎng)脫氮具有抑制作用，高DO下的兼（好）氧環(huán)境會(huì)造成活性自養(yǎng)濾料被氧化而無效消耗，但在活性濾料絮核生物膜產(chǎn)生微環(huán)境、發(fā)生了同步脫氧脫氮作用。應(yīng)調(diào)控前端二級(jí)生化出水低DO濃度，以及排查前端流程的水力跌氧，必要時(shí)在濾池進(jìn)水渠設(shè)置消氧還原劑投藥系統(tǒng)（優(yōu)選硫代硫酸鈉等速溶快釋型硫化合物；干溶濕投），盡力控制脫氮濾池的進(jìn)水DO水平≤2 mg/L，并輔以硫代硫酸鹽以強(qiáng)化硫系雙料（活性濾料+硫代硫酸鹽）電子供體的供給。

圖12 自養(yǎng)脫氮濾池濾床縱深的DO、NO3-N指標(biāo)變化

圖13 濾池深層水樣采集的簡(jiǎn)易裝置

進(jìn)水中DO對(duì)于脫氮濾池運(yùn)行影響較大，對(duì)于下向流形式，需要設(shè)置出水調(diào)節(jié)閥調(diào)控水位近似恒水位運(yùn)行，降低配水堰與水位的落差、避免進(jìn)一步加劇大氣復(fù)氧；上向流形式通過淹沒在濾床的底部布水系統(tǒng)進(jìn)入，有一定消氧作用，很少增加復(fù)氧。任爭(zhēng)鳴等中試研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濾床高DO時(shí)，部分脫氮層填料參與脫氧，形成脫氧、脫氮分層反應(yīng)，減少了脫氮的有效反應(yīng)時(shí)間。要提高反應(yīng)器的脫氮效率，應(yīng)盡量降低反應(yīng)器進(jìn)水中的DO濃度，以創(chuàng)造良好的反硝化環(huán)境。反硝化產(chǎn)物N2在濾床不斷累積，水頭損失逐漸增加，需定期進(jìn)行驅(qū)氮操作：每次采用停止進(jìn)水、單獨(dú)水洗操作，推薦驅(qū)氮?dú)v時(shí)2～5 min，驅(qū)氮周期一般為4～8 h。

3.3.2 水溫及pH的影響

反應(yīng)水溫對(duì)于脫氮反應(yīng)速率有一定影響，本工程水溫及pH見圖14（于濾池配水渠道、出水總管路設(shè)置采樣口），進(jìn)水水溫在20～23 ℃的適宜條件，低溫下的處理效能需通過長期運(yùn)行予以評(píng)估。當(dāng)濾池進(jìn)水pH在6.9～7.1時(shí)，經(jīng)自養(yǎng)脫氮后pH降幅約0.2。若要求系統(tǒng)去除15 mg/L或更高NO3-N濃度時(shí)，需定期監(jiān)測(cè)濾池進(jìn)出水堿度（或pH）變化，避免出現(xiàn)酸化環(huán)境（pH降至6.0 mg/L或以下），必要時(shí)設(shè)置堿液投藥系統(tǒng)。

圖14 自養(yǎng)脫氮濾池的水溫、pH指標(biāo)變化

潘永月等處理印染廢水研究時(shí)，提出在20～30 ℃，自養(yǎng)反硝化速率隨水溫的升高而提高，20 ℃及較低的水溫可能會(huì)降低反硝化速率。繆博等提出低溫條件下（≤15 ℃）硫自養(yǎng)反硝化脫氮作用明顯受到抑制，低溫下投加硫代硫酸鹽或乙酸鹽后可提升反應(yīng)速率。

3.3.3 副效產(chǎn)物的控制

自養(yǎng)脫氮濾池作為深度處理的提標(biāo)應(yīng)用技術(shù)，其進(jìn)水NO3-N濃度多小于25mg/L，一般不會(huì)發(fā)生NO2-N中間產(chǎn)物累積情況。本工程脫氮濾池出水NO2-N＜1 mg/L，未發(fā)生反硝化進(jìn)程不徹底的情況。但當(dāng)自養(yǎng)反硝化處理高濃度NO3-N廢水或低溫環(huán)境條件時(shí)，由于濾料層HRT有限或低溫下反應(yīng)速率低，可能存在NO2-N累積的現(xiàn)象。

本工程自養(yǎng)脫氮濾池出水S2-多小于0.05 mg/L，遠(yuǎn)低于GB 3838-2002的Ⅱ～Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定S2-限值（0.1～1.0 mg/L）。無H2S產(chǎn)生（堿度、DO的存在一定程度抑制其產(chǎn)生）。脫氮濾池進(jìn)出水SO42-受污水處理廠進(jìn)水本底高值影響，但現(xiàn)行污水排放或再生回用（非飲用）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于SO42-指標(biāo)未作限值規(guī)定，因此無需約束，見表4分析。

表4 受納水體或再生水對(duì)于SO42-指標(biāo)的限值規(guī)定

4 結(jié)論

自養(yǎng)脫氮濾池作為二級(jí)生化后的深度脫氮技術(shù)，選用2～3 mm粒徑的自養(yǎng)活性濾料，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出水TN≤10 mg/L。

采用下向流的自養(yǎng)脫氮濾池時(shí)，HRT約20 min、進(jìn)水水溫在20～23℃，平均脫氮濃度8.50 mg/L，脫氮率67%，脫氮負(fù)荷0.64 kgNO3-N/（m3·d）。

自養(yǎng)脫氮濾池較異養(yǎng)脫氮（采用30%乙酸鈉碳源時(shí)）可降耗30%～50%。

一定的NO3-N進(jìn)水范圍內(nèi)，脫氮負(fù)荷與脫氮濃度、濾速正相關(guān)，與水力停留時(shí)間、濾料深度負(fù)關(guān)聯(lián)。

進(jìn)水高DO對(duì)于自養(yǎng)脫氮有抑制，致活性自養(yǎng)濾料無效損耗；活性濾料生物膜發(fā)生協(xié)同脫氧脫氮，宜采取措施控制脫氮濾池的進(jìn)水DO≤2 mg/L。

自養(yǎng)脫氮濾池需長期關(guān)注低溫（≤15℃）下的脫氮效率，NO2-N、H2S、S2-、SO42-副產(chǎn)物累積的不利影響，以及堿度和pH的降低影響。