反硝化深床濾池工藝在污水深度處理中的脫氮研究

蔣 悅，花春文

（1.成都紡織高等專科學(xué)校材料與環(huán)保學(xué)院，四川 成都 611731；2.四川中測(cè)環(huán)境技術(shù)有限公司，四川 成都 610036）

近年來(lái)，由于城市建設(shè)高速發(fā)展，人口逐年增加，用水量和排水量與日俱增，水環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。根據(jù) 《2009年成都市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》，岷江水系成都入境斷面 “都江堰水文站”水質(zhì)為Ⅱ類水域標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；岷江成都出境斷面 “雙流縣黃龍溪”水質(zhì)為劣Ⅴ類，未達(dá)到劃定的Ⅲ類水域標(biāo)準(zhǔn)，主要污染項(xiàng)目為NH3-N（劣Ⅴ）、DO（Ⅳ）、BOD（Ⅳ）。就大流域來(lái)看，提升污水收集處理水平的需求依然迫切，同時(shí) 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）、《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB51／2311-2016）等標(biāo)準(zhǔn)也直接對(duì)污水處理工藝的脫氮除磷功能提出了更高的要求。

本文以成都市某市政污水處理廠為例，著重分析了濾池HRT、碳源投加量、DO等對(duì)脫氮效果的影響，希望為反硝化濾池應(yīng)用于其他污水廠的運(yùn)行管理提供借鑒與參考。

1 材料和方法

1.1 處理工藝

某市政污水廠處理規(guī)模，近期 5000m3／d，采用一體化A2／O生化池+高密度沉淀池+反硝化深床濾池的水處理工藝，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)，總氮執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 （GB18918-2002）一級(jí)A標(biāo)，其余各水質(zhì)指標(biāo)執(zhí)行 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 （GB3838-2002），進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。工藝流程如圖1所示。

表1 污水廠近期設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì) mg／L

1.2 反硝化深床濾池設(shè)計(jì)參數(shù)

該污水處理廠反硝化深床濾池最大設(shè)計(jì)流量362.5m3／h，設(shè)計(jì)濾速6m／h，強(qiáng)制濾速9m／h，

最大過(guò)濾水頭2.5m。濾池共4格，總尺寸為L(zhǎng)×B×H ＝21.24×13.4×8m，單格過(guò)濾面積20.13m2，濾床深度1.83m，濾池前設(shè)置混合攪拌器，混合時(shí)間30s。反沖洗周期為24h，分為氣洗、氣水洗、水洗三個(gè)階段，歷時(shí)分別為2min、7min、5min，強(qiáng)度分別為 92m3／（m2·h），92m3／（m2·h）、15 m3／（m2·h）；驅(qū)氮周期 4h，驅(qū)氮水反沖洗強(qiáng)度 15m3／（m2·h），歷時(shí) 2min。

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)

該污水處理廠服務(wù)于周邊居民及某工業(yè)園區(qū)，工業(yè)廢水所占比例70%，園區(qū)內(nèi)企業(yè)執(zhí)行 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，2019年主要進(jìn)水水質(zhì)情況見(jiàn)表2。分析污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)，平均BOD5／CODcr＝0.48，生化性較好；平均 CODcr／TN＝6.62，當(dāng)廢水經(jīng)過(guò)高密度沉淀池后，m（C）／m（N）已下降至不足2，需要在反硝化環(huán)節(jié)外加碳源強(qiáng)化脫氮。

表2 2019年主要進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo) mg／L

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)反硝化深床濾池前段工藝的出水水質(zhì)、濾池的運(yùn)行特點(diǎn)與要求，選擇合適的碳源進(jìn)行投加，確定碳源投加量對(duì)氮的去除率及COD去除率的影響；通過(guò)改變HRT，確定HRT與脫氮效果之間存在的關(guān)系；尋找DO對(duì)于總氮去除率的影響［1］。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 投加碳源對(duì)脫氮效果的影響

廢水在該污水處理廠經(jīng)過(guò)二級(jí)處理后，高密度沉淀池出水中碳源含量低，m（C）／m（N）無(wú)法滿足后續(xù)反硝化的要求，碳源不足成為脫氮的限值因素。為促進(jìn)反硝化菌的培養(yǎng)，強(qiáng)化反硝化脫氮功能，在反硝化深床濾池中需要投加外加碳源。綜合考慮投加藥劑的經(jīng)濟(jì)成本和效益，同時(shí)兼顧碳源本身的安全性，以及在生物池內(nèi)的實(shí)際有效停留時(shí)間等因素，選定乙酸鈉作為外加碳源［2］。

反硝化深床濾池流量220m3／h，在此情況下調(diào)節(jié)進(jìn)水m（C）／m（N）值分別為3、4、5、6，測(cè)定TN、NO3--N、COD的去除情況［3］，如圖1～圖3所示。

圖1 不同m（C）／m（N）值條件下TN的去除情況

圖2 不同C／N值條件下NO3--N的去除情況

圖3 不同C／N值條件下COD的去除情況

總體上看m（C）／m（N）值為5時(shí)，脫氮效果最好，繼續(xù)增大m（C）／m（N）時(shí)，NO3--N的去除效果會(huì)繼續(xù)提升，但TN的去除率有所回落，同時(shí)也無(wú)法保證COD的出水濃度。綜合考慮，m（C）／m（N）值考慮選定在5，當(dāng)COD濃度較大時(shí)，要減少外加碳源的投加量，確保COD達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，提高乙酸鈉的利用率，避免造成藥劑浪費(fèi)。

2.2 HRT對(duì)反硝化效果的影響

在m（C）／m（N）值為5的情況下，改變進(jìn)水流速，控制 HRT為40、30、20min。討論不同HRT情況下，TN和 COD的去除效果［4］，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 HRT對(duì)TN去除效果的影響

圖5 HRT對(duì)COD去除效果的影響

由圖4可知，隨著HRT的降低，TN的去除率從85.7%、82.42%降到74.57%，出水平均濃度在增大，分別為 2.49mg／L、2.73mg／L、3.77mg／L，說(shuō)明HRT的變化對(duì)TN的去除有一定影響，但影響不是十分顯著，40min和30min時(shí)對(duì)應(yīng)的TN出水濃度差異極小。

由圖5可知，隨著HRT的降低，COD的去除率從20.2%、17.3%降到11.3%，變化趨勢(shì)與TN去除率隨HRT減小而減小一致，COD出水平均濃度均保持在20mg／L以內(nèi)，均能達(dá)標(biāo)排放。綜合分析TN、COD的變化趨勢(shì)，其主要原因是，HRT越長(zhǎng)，反硝化消耗的COD會(huì)增多，同時(shí)濾料層對(duì)于溶解性COD也會(huì)產(chǎn)生一定的截留和吸附作用。在水處理的過(guò)程中，既要保證處理效果，同時(shí)也要考慮處理的效率，HRT選擇30min較為合理。

2.3 DO對(duì)反硝化效果的影響

在濾池流量 220m3／h，m （C）／m（N）值為5，HRT為30min的情況下，討論不同DO濃度下NO3--N的去除效果。由圖6可知，濾池進(jìn)水DO較高時(shí)TN的去除效果有所降低。分析其原因，通常在缺氧的情況下，作為電子受體的硝基氮與作為電子供體的碳源，在反硝化菌的作用下生成N2，完成反硝化反應(yīng)。然而，反硝化菌是一種兼氧微生物，在有氧、無(wú)氧情況下均能進(jìn)行呼吸作用，且當(dāng)分子態(tài)氧和NO3--N同時(shí)存在時(shí)，它會(huì)優(yōu)先進(jìn)行能產(chǎn)生較多能量的有氧呼吸［5］，從而影響反硝化的脫氮效果，同時(shí)消耗外加碳源，造成浪費(fèi)。

圖6 DO對(duì)NO3--N去除效果的影響

反硝化深床濾池的平均DO為2.86mg／L，導(dǎo)致其無(wú)法降低的原因是工藝流程中存在多處因高差造成的跌水復(fù)氧。建議采取措施消除或減弱跌水復(fù)氧，盡可能降低反硝化深床濾池進(jìn)水中DO的濃度，保證反硝化的順利進(jìn)行，使整個(gè)工藝的脫氮效果得以保證。

3 結(jié)論

①控制m（C）／m（N）值為5時(shí)，脫氮效果最好，繼續(xù)增大m（C）／m（N）時(shí)，NO3--N的去除效果會(huì)繼續(xù)提升，但無(wú)法保證COD出水濃度。當(dāng)進(jìn)入反硝化深床濾池的COD濃度較大時(shí)，應(yīng)減少外加碳源投加量，在確保COD達(dá)標(biāo)排放同時(shí)，提高乙酸鈉的利用率，避免造成藥劑浪費(fèi)。

②通過(guò)反硝化深床濾池HRT為20min、30min、40min的脫氮效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，脫氮效果越好，COD去除率越高。但由于40min和30min對(duì)應(yīng)TN出水濃度差異極小，COD去除率差異也不大，且均可達(dá)標(biāo)排放，選擇30min較為合理。

③反硝化反應(yīng)過(guò)程中，由于工藝流程高差造成的跌水復(fù)氧導(dǎo)致濾池的進(jìn)水DO無(wú)法降低，直接影響脫氮效果，同時(shí)多消耗外加碳源，建議在后續(xù)的運(yùn)行中，采取適當(dāng)措施，消除或減少工藝流程中的跌水復(fù)氧，降低濾池中DO的濃度，從而提高外加碳源的利用率，減少多余DO對(duì)其的消耗［6］。