懸浮濾料在上向流反硝化濾池中試裝置中的應用

宋永蓮，楊丹丹，鄭 俠

（安徽中環環保科技股份有限公司，安徽 合肥 230000）

活性污泥法是我國污水處理廠處理污水的主流工藝，出水雖然可以達標，但出水中較高濃度的氮磷污染物直接排入水體仍會對水體造成危害［1］，因此有必要對其進行深度處理。針對污水處理廠出水中硝態氮濃度高的特點，一般采用反硝化濾池對其進行深度脫氮［2-3］。而經過二級生化處理的出水中底物濃度較低，可生化性較差，需要投加碳源，以提高反硝化濾池的脫氮能力［4］。碳源的投加量、濾池填料（簡稱濾料）的種類以及水力停留時間（HRT）等均是影響反硝化效果的重要因素［5］。

常用的反硝化濾池濾料有石英砂、陶粒、火山巖等［6］。由聚苯乙烯發泡制成的輕質濾料比表面積大、不易破碎、吸附能力強、結構均勻、使用壽命長［7］，反洗時動力消耗也更小。雖然聚苯乙烯濾料比其他人工合成高分子有機濾料應用更廣泛，但將其應用在水處理工藝中的研究報道還較缺乏。

本研究考察了聚苯乙烯濾料在上向流反硝化濾池中試裝置中的脫氮和過濾效果，探討了碳氮質量比（簡稱碳氮比）、HRT等工藝參數對脫氮效果的影響，以及濾料沿層的污染物變化規律，旨在為反硝化濾池深度處理工程提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 試驗水質

中試試驗在某污水處理廠進行，試驗用水為污水廠高效沉淀池出水，DO 2.55~4.61 mg/L，COD 20~45 mg/L，ρ（NO3--N）9~17 mg/L，ρ（NH4+-N）0.2~1.5 mg/L，SS 14~32 mg/L。

1.2 裝置與材料

試驗流程及裝置示意見圖1。濾池為1.5 m×1.5 m×6.0 m的長方體鋼制結構。聚苯乙烯泡沫濾料為球狀，粒徑為2~4 mm，堆積密度約為80 kg/m3，孔隙率約為50%，裝填高度為1.8 m。濾料上方有濾板，通過上部長柄濾頭出水，濾料下方有高度為20 mm的斜板，以期能在反沖洗時對濾料起到攪動擦洗作用，提高反沖洗效果，降低能耗。沿濾料層（滿水懸浮狀態下）每隔30 cm設置一個取樣口，共設置5個取樣口。

圖1 試驗流程及裝置示意

該裝置采用下進上出的形式運行，廢水流量為9.0~22.5 m3/h，HRT為36~90 min。

1.3 裝置的啟動

試驗采用逐漸增加負荷的自然掛膜法［8］。在進行污泥培養與馴化時，平均進水溫度為12 ℃，平均進水DO為4.5 mg/L，進水流量由3.0 m3/h逐漸增加到9.0 m3/h，同時增加碳源投加量。采用質量分數為25%的乙酸鈉作為碳源［9-11］。通過測定濾池中NO3--N的去除率與生物膜的生長情況判斷掛膜啟動的進程。

1.4 分析方法

分別按照《水和廢水監測分析方法》測定廢水中COD［12］216-219、ρ（NO3--N ）［12］266-268、ρ（NH4+-N）［12］276-281和SS［12］107-108；采用便攜式溶解氧儀（HQ30d型，美國哈希公司）測定廢水中DO。

2 結果與討論

2.1 啟動與掛膜

污泥培養馴化過程的前15天，NO3--N沒有明顯的去除效果，去除率均值為18.71%；隨著碳源投加量的增大，微生物增長速率加快，濾料上累積的生物膜增多，呈較淡的棕黃色，生物膜較緊密，掛膜穩定性越來越好，NO3--N去除率顯著提高，其他各項指標也都達到排放要求，可認為系統內已培養出反硝化菌［13］。掛膜過程歷時一個月，NO3--N去除率穩定在85%左右，反硝化菌逐漸成為優勢菌種，反硝化脫氮效果穩定。

2.2 碳氮比對脫氮效果的影響

反硝化濾池脫氮屬于生物膜法脫氮，主要通過掛膜在濾料上的反硝化菌結合污水中有機物提供的電子來去除NO3--N。在進水流量為13.5 m3/h的情況下，碳氮比對NO3--N去除率及出水COD的影響見圖2和圖3。由圖2可見：隨著碳氮比的升高，NO3--N去除率逐漸提高；當碳氮比由3升高到4時，NO3--N去除率沒有明顯提高；當碳氮比提高到5時，NO3--N去除率明顯提高。由圖3可見：隨著碳氮比的升高，出水COD也逐漸提高；當碳氮比小于5時，出水COD小于50 mg/L，符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918－2002）一級 A 標準［14］的要求，可達標排放；當碳氮比為6時，出水COD有50%的超標風險，COD最高達65.7 mg/L。研究表明，碳氮比并不是越高越好，當碳源達到一定濃度后，再增加碳氮比不僅會造成資源浪費，還可能對脫氮效率產生抑制作用，同時導致出水COD超標［15］。故本試驗選擇碳氮比為5較適宜。

圖2 碳氮比對NO3--N去除率的影響

圖3 碳氮比對出水COD的影響

2.3 HRT對脫氮效果的影響

在反硝化濾池碳氮比為5的條件下，HRT對NO3--N去除率的影響見圖4。由圖4可見，隨著HRT的延長，NO3--N去除率逐漸升高；當HRT為36 min時，脫氮效果較差，NO3--N平均去除率為27.8%；當HRT為90 min時，NO3--N去除率最高達92.6%，出水ρ（NO3--N ）只有1.2 mg/L。這是因為，HRT太短，污染物沒有充足的時間與微生物接觸反應，所以脫氮效果不理想［16］；而過長的HRT會降低處理水量。本試驗選擇HRT為60 min較適宜。

圖4 HRT對NO3--N去除率的影響

2.4 廢水流速對濾池出水SS的影響

在反硝化濾池碳氮比為5的條件下，廢水流速對濾池出水SS的影響見圖5。由圖5可見：當廢水流速為6 m/h和8 m/h時，濾池出水SS均在10 mg/L以下；當流速增加到10 m/h時，出水SS有時超過10 mg/L，不能保證穩定達標。這可能是由于廢水流速越快，前段濾料的負荷越高，異養菌增殖較快，微生物積累的越多，水流剪切力隨之加大，會把部分前段濾料表面的生物膜沖刷掉，并隨水流攜帶至出水，從而導致SS超標。故本實驗應控制廢水流速在6~8 m/h。

圖5 廢水流速對濾池出水SS的影響

2.5 污染物在濾池沿層高度上的變化情況

控制濾池中廢水流速為6~7 m/h、碳氮比為4~5，連續進行了2周的試驗，探究濾池沿層高度上污染物的變化情況，結果見表1。

通過試驗觀察，濾池中沿水流方向的后半段濾料清潔度明顯好于前半段。表1的數據也表明該濾池對污染物的去除主要集中在沿水流方向的前半段，在濾池沿層高度0~30 cm段對NH4+-N和NO3--N的去除率貢獻最大，分別為52.56%和47.66%，此階段溶解氧比較充足，同時存在著硝化、好氧反硝化和異養反硝化作用，導致pH上升，整個過程微生物對氧量的需求較大，DO急劇下降。在30~60 cm段NH4+-N和NO3--N的去除率貢獻分別為32.43%和39.3%；在沿層高度的0~90 cm區域基本就已經完成了對NH4+-N和NO3--N的去除，NH4+-N和NO3--N的去除率貢獻分別達到96.99%和96.87%，而剩余的后半部分濾料對污染物的去除效果微弱。可能是由于前半段的環境，包括DO、pH、基質濃度等為微生物的生長提供了較好的條件，有利于硝化菌和反硝化菌的快速生長和繁殖，生物活性較高，對NH4+-N和NO3--N的去除效果較好［17］。隨著濾池沿層高度的上升，基質大多已被前段微生物所利用，剩余的基質濃度較低，不足以支撐微生物的大量繁殖，所以在90~150 cm段污染物的去除效果很微弱。

表1 濾池沿層高度上污染物的變化情況

3 結論

a）在上向流反硝化濾池中試裝置中，在進水流量為13.5 m3/h的情況下，隨著碳氮比的升高，

NO3--N去除率逐漸提高，出水COD也逐漸提高；本試驗選擇碳氮比為5，此條件下出水COD小于50 mg/L，符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918－2002）一級 A 標準的要求。

b）在反硝化濾池碳氮比為5的條件下，隨著HRT的延長，NO3--N去除率逐漸升高。HRT太短，污染物沒有充足的時間與微生物接觸反應，脫氮效果不理想；而過長的HRT會降低處理水量。本試驗選擇HRT為60 min。

c）本實驗應控制廢水流速在6~8 m/h，以使濾池出水SS在10 mg/L以下，達標排放。

d）該濾池對污染物的去除主要集中在沿水流方向的前半段，在沿層高度的0~90 cm區域基本完成了對NH4+-N和NO3--N的去除，NH4+-N和NO3--N的去除率貢獻分別達到96.99%和96.87%，而剩余的后半部分濾料對污染物的去除效果微弱。