高含氮類型市政污水深度脫氮工藝設計的研究

趙文祥(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 211800)

0 引言

十八大以來，隨著習近平新發展理念的不斷深入實踐，保護綠水青山成為各地共識。在水環境治理領域，隨著“水十條”“長江大保護”等一批戰略措施的逐步落實，以GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準為目標的上一輪市政污水處理廠的提標改造進入已經進入收尾階段，以地表準IV類水為目標的新一輪市政污水處理廠提標改造逐漸開始興起。

溫嶺牧嶼污水處理廠地處浙江臺州市，2016年，牧嶼污水處理廠啟動擴建提標改造工程，日污水處理量由1萬m3/d提高到5萬m3/d，出水水質由GB 18918—2002中的一級B標準提升到準地表IV類。

本文圍繞目前主流的深度脫氮工藝進行研究，以溫嶺市牧嶼污水處理廠改擴建工程的實際選擇的工藝設計參數，驗證多級缺氧好氧+反硝化深床濾池的組合深度脫氮工藝的對總氮指標實際處理效果。

1 污水處理方法

1.1 缺氧好氧(AO)法

活性污泥法脫氮包括氨化、硝化、反硝化三步反應。污水中的有機氮化合物在氨化菌(好氧或厭氧條件)的作用下分解成氨態氮(NH4+-N)，在硝化菌(好氧條件)作用下氨態氮(NH4+-N)進一步分解氧化成亞硝酸鹽氮(NO2--N)、硝酸鹽氮 (NO3--N)，在反硝化菌(缺氧條件)作用下，硝酸鹽氮(NO3--N)被還原為亞硝酸鹽氮(NO2--N)、氮氣(N2)。反硝化過程的電子受體是硝酸根和亞硝酸根，電子供體為各種各樣的有機基質。

根據反硝化反應器在整個工藝中的位置，兩相生物脫氮系統可分為前置脫氮和后置脫氮兩種工藝。前置脫氮工藝前置脫氮工藝是將厭氧段放在前面，硝化后的出水回流至厭氧池[1]。

1.2 厭氧氨氧化技術

厭氧氨氧化反應是在厭氧條件下，由厭氧氨氧化菌將NH4+-N與NO2--N轉化為N2的過程。厭氧氨氧化菌是自養微生物，細胞的產率低，世代周期在10～12 d左右，該特點決定了厭氧氨氧化反應器啟動慢和污泥產量低的特征。

工藝上常與短程硝化聯用，解決NO2--N的來源問題，亞硝化-厭氧氨氧化工藝短程硝化-厭氧氨氧化技術要分兩部分完成，并需要在不同的反應器中[2]。在兩個反應器內完成相對更容易控制，運行和維護的難度較低。一般認為SBR是厭氧氨氧化工藝的理想反應器。

1.3 反硝化濾池深床工藝

污水經生化處理后，為進一步降低TN濃度，需要進行深度脫氮處理，一般采用下向流生物濾池即深床濾池。深床濾池石英砂濾料及池體構造反硝化濾池采用特殊規格及形狀的石英砂作為反硝化生物的掛膜介質，同時深床又是硝酸氮(NO3--N)及懸浮物極好的去除構筑物[3]。同時，深床濾池對TN的去除具有很高的保證率。

另外，深床濾池可通過微絮凝直接過濾除磷，通過在進水中投加除磷絮凝劑，經機械混合后進入濾池，可穩定保證SS和TP的去除效果。

2 牧嶼污水廠改造工藝介紹

2.1 提標前工藝

牧嶼污水處理廠提標前工藝采用改良氧化溝生化處理+消毒的處理工藝流程。出水水質按國家GB 18918—2002一級B標準執行。

2015年，全年進水水量單月平均值在5 000～7 000 m3/d之間；進水水質污染物年平均濃度見表1，屬于典型的低碳源污水。

表1 2015年平均進水水質 單位：mg/L

2015年，全年出水COD準IV類達標率見為67.7%，SS達標率為15%，氨氮達標率為17.7%，總磷標率為0%。

2.2 提標工藝

牧嶼污水廠改擴建工程規模確定為4萬m3/d，深度處理規模確定為5萬m3/d。

提標后要求出水水質達到準地表IV類水標準。設計進水水質為 COD360 mg/L，BOD180 mg/L，SS300 mg/L，氨氮 40 mg/L。

設計主要工藝為“粗格柵+細格柵+旋流沉砂池+多級AAO+二沉池+超級格柵+高效沉淀池+反硝化濾池+紫外消毒”。

3 脫氮效果分析

3.1 脫氮工藝參數

在本次提標設計中，為強化脫氮效果，在生化二級過程，采用兩級缺氧，為保證氨氮達標，對總氮負荷進行復核。20 ℃脫氮速率按0.05 kg NO3--N/(kgMLSS·d)核算，15 ℃脫氮速率按0.034 kg NO3--N/(kgMLSS·d)核算，12 ℃脫氮速率按 0.027 kg NO3--N/(kgMLSS·d)核算。核算結果顯示水溫20 ℃時候出水TN=8 mg/L，水溫15 ℃時候出水TN=11 mg/L，水溫12 ℃時候出水TN=12.5 mg/L。

AAO+AO各池水力停留時間見表2。

表2 AAO+AO各池水力停留時間 單位：h

深度處理單元，采用深床濾池，進一步確保出水能穩定達標。深床濾池設計進水TN=20 mg/L，出水TN≤12 mg/L，TN去除量為0.56 kg/(m3·d)，負荷低于反硝化濾池0.8～1.2 kg/m3的常規數據。

深床濾池的主要工藝參數如表3所示。

表3 深床濾池主要工藝參數

3.2 改造后進出水水質分析

2019年，全年實際進水水量單月平均值在37 000～52 000 m3/d之間，年平均進水量為46 754 m3/d；實際進水水質污染物年平均濃度如表4所示。

表4 2019年年平均進水水質 單位：mg/L

通過對比可以看出，相對于2015年，2019年進水的COD濃度明顯提高，SS略有下降，氨氮、總氮及總磷基本維持一致。

2019年，提標后實際出水水質污染物年平均濃度如表5所示。

表5 改造后年平均出水水質 單位：mg/L

綜上，2019年，提標后實際出水水質年達標率(按照準地表IV類水標準)整體達標率為100%。

4 結語

以準地表IV類水為目標的新一輪市政污水處理廠提標改造過程中，在傳統AAO工藝基礎上，二級生化段采用多級缺氧好氧工藝，深度處理段采用深床濾池技術，在工程上可以滿足氨氮及總氮穩定達標，并具有一定的經濟優勢。未來，從減少外加碳源投加量及提高脫氮效率、減少占地面積、縮短停留時間上優化考慮，可以采用SBR反應器，利用短程硝化-厭氧氨氧化技術進行脫氮。