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北極星水處理網訊:摘 要：在上海市水污染防治行動中，城鎮污水處理廠出水水質要求達到《城鎮污水處理廠污染物排放标準》( GB 18918—2002) 一級 A 标準，技術重點是實作總氮名額的控制。某城鎮污水處理廠在提标改造工程中，深度處理采用反硝化濾池，總設計規模為 24 × 104 m³ /d，其中裝置結合實際運作情況按 18 × 104 m³ /d 規模配置。運作結果表明，系統對硝态氮、總氮具有非常穩定的去除效果，出水總氮穩定在 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作狀态的必要輔助。經估算，該工程新增的直接運作費用為 0． 012 元/m³。
關鍵詞：反硝化濾池; 提标改造; 總氮; 微生物特征; 溶解氧
為持續改善區域水環境品質，上海市于 2016 年—2017 年實施了 30 餘座城鎮污水處理廠提标改造和建立、擴建工程，執行《城鎮污水處理廠污染物排放标準》( GB 18918—2002) 一級 A 标準，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———反硝化濾池已在國内得到廣泛應用。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、調試與運作情況，系統脫氮效果穩定。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，發現沿水流方向 EPS 含量呈先升高後降低的變化趨勢，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，且較少結合微生物特征來判斷運作狀态。以某城鎮污水處理廠工程為依托，探讨了反硝化濾池的調試運作情況，并提出裝置選擇的建議，旨在為該工藝的推廣應用積累實際工程經驗，為污水廠的運作管理提供參考。
1 工程概況
上海市某城鎮污水處理廠于 2017 年初開始實施提标改造工程，改造後主體工藝流程為“粗/細格栅—曝氣沉砂池—初沉池—改良型 Bardenpho—二沉池—磁混凝沉澱池—反硝化濾池—消毒池”，其中深度處理段“磁混凝沉澱池—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，結合傳統過濾和反硝化作用，同時去除懸浮物和總氮。土建按遠期 24 × 104 m³ /d 設計，共 14 格。近期運作按 18 × 104 m³ /d，投産 10 格。濾池設計進、出水水質見表 1( 其中，設計最低水溫為 12 ℃，出水名額優于一級 A 标準) 。
2 主要構（建）築物及裝置配置
①反硝化濾池
磁混凝沉澱池出水總渠分兩路管道進入反硝化濾池，濾池為東西兩側布置，每側布置混合池，設定1 台混合攪拌機，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，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構。由下至上布置承托層和石英砂層，規格依次為 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 台，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。設定廢水泵( 潛水泵 2 台，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 台，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 台( 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，配套冷幹機、儲氣罐等。
⑤ 碳源投加系統
建立儲液池，設投加泵 2 台，互為備用，流量為1 500 L /h，壓力為 0． 3 MPa，功率為 0． 75 kW，分别投加至東西兩側碳源混合池。
⑥ 控制系統
每格濾池設定 5 個氣動蝶閥/閘門，分别為進水閘門、出水調節蝶閥、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定 1 個調節蝶閥，反沖洗鼓風機出口總管設定 1 個電動放空閥。系統内主要儀表包括: 進水流量計、反沖洗水流量計、超音波液位計、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和液位開關等。濾池配套 1 個主要櫃，防護等級 IP55，含 PLC 及人機界面，用于控制濾池運作，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 運作效果及分析
3.1 調試啟動
該工程于 2017 年 12 月建設完工，12 月底正式進入調試運作階段。初期進水量為 12 × 104 m³ /d， 以 8 格運作。調試階段正值冬季，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，連接配接污泥泵和軟管後，開啟污泥泵，首批投泥; 将二沉池污泥分别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當水質濃度較低或外部因素受限時，采用自然培養挂膜的方式，依靠前端二沉池出水SS 所攜帶的微生物完成污泥培養及積累，在啟動的前 2 ～ 3 天，系統可超越磁混凝沉澱池運作或者暫停混凝加藥。方案①接種生化污泥，在缺氧環境下可能出現釋磷現象，存在磷超标的風險。是以，該工程采用自然培養的方式挂膜，依靠前段出水 SS 所攜帶的微生物完成污泥培養及積累，培養反硝化細菌。
根據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，不緻引起出水有機物超标。每天早晨 8 點取樣，根據出水硝酸鹽濃度逐漸提高碳源投加量。在冬季建議投加比例分别按 45% 、 65% 、85% 和 100% ，略微過量供給，以促使反硝化細菌盡快占據主導地位。
3.2 微生物特征
生物培養馴化 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 程序) 時取反沖洗廢水鏡檢。培養初期( 第 1 周内) 污泥鏡檢圖檔見圖 1。鏡檢發現菌膠團、微生物種類和數量較少，隻能看到少量扭頭蟲、楯纖蟲，偶爾發現 1 ～ 2 隻線蟲。
2 周後，出水硝酸鹽濃度呈降低趨勢，在碳源供給穩定的情況下，一旦反硝化效果産生，脫氮效果增長明顯，2 ～ 3 d 内趨于穩定。培養後期的污泥鏡檢結果見圖 2。
由圖 2 可以觀察到，随着調試的進行，首先是絲狀菌大量出現，再逐漸出現原生動物和後生動物，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，說明系統已具備反硝化功能。後期運作期間也發現，當系統受到外界沖擊時，微生物種群特征變化，菌種種類和數量減少，特别是絲狀菌明顯減少。這種情況也與劉凱等的研究報道一緻。絲狀菌作為反硝化作用的訓示生物之一，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的差異，主要微生物種類也存在較大差異，應按照全廠構築物的流向進行觀察，尋找優勢種群的生态演替規律，訓示系統運作的狀态和判斷處理效果。
3.3 溶解氧的變化
采用 HACH HQ40d 溶解氧分析儀，浸入式檢測濾池内 DO 的變化情況，分别測定 2#、10#濾池進水渠内、濾池内( 高低液位及砂面) 、清水池内幾處，其中高液位為液面淹沒進水堰堰口( 距濾料頂 1． 75 m) ，低液位為經出水調節閥調節後的最低液位( 距濾料頂 1． 55 m) ，調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，進水渠内、濾池内高低液位的 DO 變化範圍依次為 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産生二次充氧。而上述資料與現有研究結果不同，分析因進水 DO 接近飽和，此階段跌水對 DO 影響較小。
圖 3 為濾池内 DO 的變化情況。通過對比發現啟動初期清水池 DO 略降低，約為 6 ～ 8 mg /L，此時進、出水 NO －3 － N 無明顯變化; 随着清水池 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，系統對 NO －3 － N 的去除趨于穩定。按設計規範，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。但當同時存在分子态氧和硝酸鹽時，氧會與硝酸鹽競争電子供體，DO 會優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勢生長，并且可能使反硝化反應集中在填料區後段，進而造成反硝化濾池空間利用不足，影響脫氮效率。
3.4 系統運作效果
經連續運作，系統整體、各子系統和裝置運作正常，穩定可靠。主要監測項目有進、出水的 COD、SS、 TP、TN、NH3 － N、NO－3 － N、NO－2 － N 等，出水水質穩定達到且優于一級 A 标準。2018 年 3 月主要水質名額變化如圖 4 所示。
由圖 4 可見，系統對 NO－3 － N、 TN 具有非常穩定的去除效果，出水 TN 穩定在 ＜ 10 mg /L。
穩定運作後，初期水量為 12 × 104 m³ /d，以 8 格運作; 反沖洗頻率每 48 h 一格; 驅氮頻率為每 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; 碳源前饋計算依據為( 進水硝态氮－ 目标硝态氮) × 投加比率/碳源濃度 × 進水流量/密度; 碳源後饋計算依據為比較出水硝态氮和目标硝态氮，系統自動調整投加比率。
3.5 技術經濟分析
該工程投資為 2 012 萬元，主要直接運作費用包括電費、藥劑費、人工費。其中，系統裝機容量為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。運作管理依托廠内現有定員，故人工費未單獨計算。該工程新增的直接運作費用為 0． 012 元/m³。
4 技術難點分析
① 濾池單格面積大，安裝精度要求高。濾池單格面積與池型、生産規模、操作運作方式等有關，也與濾後水彙集和沖洗水配置設定的均勻性有較大關系。從運作經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、裝置等方面綜合考慮，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 範圍内，單條濾磚長度方向水準度偏差為 ± 3 mm，整格濾磚水準度偏差不超過 ± 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，常存在内部配水不均勻的問題，容易導緻局部水質穿透。采用兩側對稱布置，因廠區占地受限，從前序單元的出水總渠由兩路管道分别向兩側進水，更增加了進水配置設定的難度。單格濾池進水槽設定可調整高度的堰闆，槽縱向堰頂水準偏差為 ± 1 mm，池與池之間堰頂豎向偏差為 ± 2 mm，進水後再根據所有濾池的進水速度微調，以保證進水流量均衡。在實際運作過程中，由于進水水量的波動，特别是在小流量時，單格流量不能完全均勻，是以考慮後期在每格濾池進水閘門之後增設一道堰闆，作為一級布水堰闆，在進水管道内進一步削弱水流的動能，促使水流分布更為均勻。
③ 反硝化最合适的溫度為 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］。該工程的系統調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周期的主要問題。調試階段濾池實際進水負荷較低，選用自然培養的方式，啟動周期相對較長，在前 2 周内基本上未出現明顯的反硝化效果，2周後反硝化效果逐漸明顯并穩定。
④ 由于進水溶解氧過高，會增加碳源的用量。在調試期間，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，經過提升泵提升後DO 達到 6 ～ 8 mg /L，再經後續單元逐級升高，造成濾池進水 DO 居高不下。在後期将考慮優化前端工藝，控制溶解氧的升高。建議設計階段在全廠系統内考慮溶解氧的變化，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作模式，而控制恒液位要求液位和出水調節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闆動作次數都提出了更高要求，需要在運作成本和裝置壽命之間綜合考慮。
5 結論
① 上海某城鎮污水處理廠提标改造工程采用反硝化濾池，脫氮效果顯著，直接運作費用 為0． 012 元/m³，能穩定實作出水總氮名額達到并優于一級 A 标準。
② 在冬季低溫條件下采用自然培養污泥的方式調試，約 2 周後反硝化效果逐漸顯現并在 2 ～ 3 d内趨于穩定。微生物特征變化明顯，直接反映系統運作狀态，建議作為日常運作必要的檢測項目。
③ 觀察濾池進、出水 DO 變化，有助于了解反硝化的運作環境。通過優化控制全廠系統内 DO，進而降低濾池進水 DO，對反硝化的經濟運作具有重要意義。
④ 在長期運作過程中，需要營運人員積累運作資料，分析濾池的運作狀态，在保證系統出水各項水質名額的前提下，對反洗周期、碳源投加量等重要運作參數進行調整，摸索系統在不同工況、不同季節下的最佳運作參數，進一步降低處理能耗。
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