上向流反硝化深床濾池在污水廠提標改造工程中的應用
摘要：廣東省某水質凈化廠一期工程原采用SBR+纖維轉盤濾池為主體工藝，要求提標改造后主要出水指標達到《地表水環境質量標準》V類標準（TN≤15mg/L），實際出水TP偶爾超標，TN嚴重超標。提標改造工程在現有SBR工藝后端新增了上向流反硝化深床濾池模塊化水處理裝備，出水COD≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、TN≤12 mg/L、TP≤0.3 mg/L和SS≤5 mg/L，達到了地表準Ⅳ類標準，表明上向流反硝化深床濾池脫氮除磷效果好，尤其是脫氮效率極高，最大去除量高達29.4 mg/L，相應的反硝化負荷達到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。
01
概述
廣東省某水質凈化廠一期工程，設計規模為10.00萬m3/d，采用SBR生物處理作為主體工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB/T18918-2002）一級B標準。2012年，為提高出水水質，在原有基礎上新增了纖維轉盤濾池，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB/T18918-2002）一級A級標準（TN除外）。隨著“水十條”的提出，深圳市政府對污水廠出水要求提高至《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）準V類標準（TN≤15mg/L）。根據污水廠實際運行水質數據可知，出水污染物因子COD、BOD、氨氮均能穩定達到地表V類，總磷偶爾超標，但總氮嚴重超標。因此，需要進行深度處理，即對SBR的出水TN、TP進行處理。由于污水處理廠可利用的占地有限，施工工期也比較緊張，采用傳統的高效沉淀池+反硝化深床濾池不適合該工程，最終選擇了上向流反硝化深床濾池模塊化水處理裝備于2019年進行提標改造。主要建設內容有：增加精細格柵、上向流反硝化深床濾池、碳源投加設施等。其中上向流反硝化深床濾池是此次提標改造工程的重點設施，該濾池需要承擔大部分的TN去除功能，確保出水TN穩定低于15mg/L，同時需要進一步去除水中的懸浮物。
02
設計進出水水質
根據污水廠提供的水質數據進行分析，確定上向流反硝化深床濾池設計進、出水水質如下表1所示。
03
改造后工藝流程
根據原工藝流程實際運行來看，SBR工藝出水SS不穩定，容易造成纖維轉盤濾池堵塞，清洗維護麻煩；同時，需要脫氮處磷。為此，在SBR池后新增精細格柵和上向流反硝化深床濾池，確保出水水質達標排放，改造后詳細工藝流程如下圖1：
新建的上向流反硝化深床濾池主要設計參數如下：上向流反硝化深床濾池裝備呈兩側對稱布置，每側8格，每2格為1組，共計8組（16格），采用碳鋼防腐結構；單格尺寸（L×B×H）為12.0 m×3.0 m×4.5m，單格有效過濾面積為36 m2；設計處理規模為10.00萬 m3/d，最大流量為13.00萬m3/d（Kz= 1.3）；平均濾速為7.2m/h，強制濾速為8.3m/h，最大濾速為9.4m/h；濾料采用石英砂，粒徑為2-4mm，濾料層高2.5m，空床停留時間為20.8min。
04
運行效果分析
該水質凈化廠（一期）提標改造項目從2018年12月底通水調試，運行至今已有2年，運行期間其出水水質穩定達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）準Ⅳ類標準，并達到設計產水規模。上向流反硝化深床濾池運行過程中采用含量25%乙酸鈉溶液（NaAC）作為外加碳源，記錄了2019年4月份至2019年12月份脫氮效果，結果如表所示：
表2 不同月份乙酸鈉投加量脫氮效果
由上表2數據可知，經過上向流反硝化深床濾池的處理后，出水TN平均濃度能夠低于10 mg/L，可以發現隨著總氮去除量的增加相應的碳源投加量也會隨之增加，其中在12月份碳源投加量達到了最大值，為178.31 mg/L，相對應的總氮去除量為13.69 mg/L。根據表2中乙酸鈉投加濃度與TN去除量的數據，可以計算出4月～12月反硝化深床濾池去除單位硝態氮消耗的乙酸鈉投加量（NaAC/△TN），結果可見圖2。
圖2 不同月份單位硝態氮消耗的乙酸鈉投加量
從圖2可以看出，廣東省某水質凈化廠（一期）提標改造工程采用的上向流反硝化深床濾池單位硝態氮消耗的乙酸鈉投加量（NaAC/△TN）在2.47～3.83 kgNaAC/（kgNO3- N），其中最大值為3.83，其余均不超過理論投加量3.67，表明本工程的反硝化深床濾池碳源利用率較高，主要是因為上向流進水方式不存在配水跌落充氧的現象，從而有效避免進水溶解氧（DO）二次升高，可以節約這部分DO作為電子受體所消耗的碳源。根據相關報道，常規的下向流反硝化深床濾池會因進水渠道配水跌落引起DO 值平均上升2.19 mg/L，由此消耗了大量的碳源。在相同條件下，上向流反硝化深床濾池相比于下向流反硝化深床濾池的碳源投加量可節省30%以上。此外發現，上向流反硝化濾池水頭損失達到3m左右時，濾池需要進行反沖洗，相對應的反洗周期為24h。
圖3是該水質凈化廠（一期）提標改造后上向流反硝化深床濾池4月份TN的處理效果，結果顯示在進水TN為10～20mg/L之間，出水TN≤5mg/L，TN去除率為50%～80%。同時，可以發現深床濾池具有良好的抗沖擊負荷能力，在進水TN波動較大的情況下也能夠保證出水在10mg/L以下。
隨著三部委印發《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019-2021年)》，2020年廣東省某水質凈化廠（一期）污水管網修復、雨污分流的逐步完善，污水廠進水水質濃度提高，提質增效后上向流反硝化濾池進水總氮較2019年明顯升高，結果可見圖4。
圖5是上向流反硝化深床濾池11月份和12月份的TN處理效果，從運行的數據可以看出，進水TN為 22.7～38.2 mg/L之間，經深床濾池處理后出水能夠穩定低于12 mg/L，去除率高達57.5%～80.6%。與此同時，還發現濾池最大的TN去除量高達29.4 mg/L，相應的反硝化負荷達到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。即使在進水TN超設計值90% 的情況下，出水TN依舊能穩定低于12mg/L，說明上向流反硝化濾池脫氮效率極高。因此，針對一些生化池TN處理效果不理想且具備改造條件的工程，上向流反硝化深床濾池是非常適合作為其深度處理工藝。同時，該深床濾池脫氮能力極強，能夠為用戶后續再次提標升級留有充分的空間。
此外，上向流反硝化深床濾池采用石英砂的固定濾床，具有較好的同步脫氮除磷功能，運行過程中在SBR池投加除磷劑，經上向流反硝化濾池截留過濾，TP去除率能夠達到20%～40%，出水TP能夠穩定低于0.3 mg/L。同時上向流反硝化濾池能夠進一步確保出水達標排放，出水COD≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L 、SS≤5 mg/L。反硝化深床濾池進、出水COD、BOD5、SS和TP濃度見下表3所示。
表3 深床濾池進、出水COD、BOD5、SS及TP
05
技術經濟分析
本提標改造工程新增精細格柵和上向流反硝化濾池模塊化裝備，新增占地面積僅1300 m2，新增裝機功率600 kW，運行功率480 kW，新增噸水電耗費用約為0.05元；乙酸鈉消耗量為4187.4 t，乙酸鈉市場價按照1600元/t，新增噸水乙酸鈉費用為0.177元，共計新增噸水直接運行費用為0.227元。
06
處理工藝及模塊化裝備特點
（1）具有同步脫氮除磷功能，脫氮效率高，出水TN可低至5mg/L
上向流反硝化深床濾池采用底部進水、上部出水的上向流過濾方式，利用管道封閉式進水，解決下向流濾池進水時跌水增加溶解氧濃度的問題，通過控制較低的溶解氧濃度，可有效提高脫氮效率。根據工程應用情況，上向流反硝化深床濾池可通過過濾作用，實現SS和TP的去除，經反硝化作用去除TN，其出水可穩定達到TN≤10mg/L，且通過工程試驗驗證，處理出水TN可低至5mg/L。
（2）進水不復氧，碳源投加量可節省30%以上
根據工程經驗總結，反硝化濾池碳源投加量的計算公式為：碳源投加量=2.86×去除NO3-量+1.71×去除NO2-量+去除DO量。常規下向流反硝化深床濾池因進水跌落充氧，會造成碳源大量浪費，同時因DO濃度高而濾料繁殖大量異養菌；上向流反硝化深床濾池進水與空氣隔絕，避免了復氧過程。實踐發現，相較于下向流反硝化深床濾池，上向流反硝化深床濾池碳源投加量可節省30%以上。
（3）納污量大，反洗周期長，可省去高效沉淀池
上向流過濾是基于“反粒度”理論，在過濾過程中，水流由下而上先通過粒徑較粗的濾層而后通過較細的濾層，整個濾層截污均勻，大大提高了濾料層的納污量，延長了反沖洗周期，根據一些工程項目，上向流反硝化濾池反洗周期通常為24～48h，相對應的水頭損失達到3m左右。而下向流濾池大部分截污集中在表層50cm，沒有發揮下部的截留作用。據試驗數據表明，同等條件下，上向流濾池的納污量為下向流的5倍以上。因此，上向流反硝化深床濾池在納污量提高的基礎上，延長了反沖洗周期，可以更好地發揮出同步除磷性能，在用地緊張的污水廠提標項目中，可省去高效沉淀池，大大節省投資成本。
（4）無需驅氮設施，且進一步保證微生物活性
在下向流反硝化深床脫氮過程中，點狀氮氣氣泡會聚集在介質的表層，形成“氣堵”現象，濾速低，必須借助外力進行驅氮，恢復水頭。根據相關工程，下向流反硝化深床濾池通常每間隔2-5h開啟反沖洗水泵2-3min驅氮一次，在驅氮過程中，懸浮微生物和部分附著型微生物會隨著水流流失，會減弱其反硝化效果。而上向流反硝化深床濾池產生的氮氣釋放與水流同向，氮氣能夠得到及時排放，可有效避免氣阻。因此，上向流反硝化深床濾池濾速可適當提高，無需進行驅氮，簡化了設備與操作程序，避免了驅氮過程中對微生物沖擊及微生物總量的影響，進一步保證了微生物活性，總氮去除效率更高。
（5）碳源投加的精準控制
上向流反硝化深床濾池碳源的投加采用“模糊控制”法，設置總進水流量計、進出水溶解氧濃度及進出水硝酸鹽氮含量的反饋，通過建立數學模型，動態控制碳源加藥量。在保證出水COD、BOD5達標的前提下，能精確的控制總氮的去除。
（6）獨特的布水布氣系統，反洗更均勻
反硝化深床濾池應用于深度處理，需要投加碳源及除磷劑，截留的固體雜質多，產泥相對增加，因此對反沖洗系統的技術要求較高。上向流反硝化濾池運用獨特的布水布氣技術，采用上向流多功能濾管實現過濾的布水、反洗布水及反洗布氣，能確保布水布氣更加均勻，反沖洗無死區，能有效防止濾料堵塞。
（7）采用模塊化裝備的建造模式
將上向流反硝化深床濾池工藝設計成標準化設備，統一尺寸，模塊化裝配，大大節省工期，安裝便捷，易于搬遷，可循環利用，并可根據近期、遠期處理規模大小，分期靈活配置，不受安裝場地及施工周期限制。同時，采用模塊化裝備的建造模式，將其與園林綠化結合，打造成公園化嵌入式污水處理廠，整體景觀效果可媲美地下式污水處理廠，可達到環境友好的目的，解決污水處理廠建設存在的鄰避問題。
07
結語
①基于該提標改造工程，經上向流反硝化深床濾池深度處理后，污水處理廠出水能夠穩定達到COD≤30 mg/L，BOD5≤6 mg/L，TN≤12 mg/L，SS≤5 mg/L，TP≤0.3 mg/L，且最大的TN去除量高達29.4 mg/L，相應的反硝化負荷達到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。同時，在進水TN為10～20mg/L之間，其出水總氮可低至5 mg/L以下。
②上向流反硝化深床濾池脫氮除磷效果好，納污量大，無需設置高效沉淀池，可以用于污水處理廠提標擴容或新建項目，對于場地受限的污水處理廠特別適用。
③上向流反硝化深床濾池進水不存在跌落充氧的現象，可以有效避免進水DO二次提升，碳源的利用率高，再完美結合精準的碳源投加控制方式，比傳統反硝化深床濾池的碳源投加量節省30%以上。
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