反硝化滤池用于上海市城镇污水处理厂提标改造工程实例！
摘 要：在上海市水污染防治行动中，城镇污水处理厂出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918—2002) 一级 A 标准，技术重点是实现总氮指标的控制。某城镇污水处理厂在提标改造工程中，深度处理采用反硝化滤池，总设计规模为 24 × 104 m³ /d，其中设备结合实际运行情况按 18 × 104 m³ /d 规模配置。运行结果表明，系统对硝态氮、总氮具有非常稳定的去除效果，出水总氮稳定在 10 mg /L 以下; 滤池微生物群落特征和溶解氧变化，可以作为考察滤池运行状态的必要辅助。经估算，该工程新增的直接运行费用为 0． 012 元/m³。
关键词：反硝化滤池; 提标改造; 总氮; 微生物特征; 溶解氧
为持续改善区域水环境质量，上海市于 2016 年—2017 年实施了 30 余座城镇污水处理厂提标改造和新建、扩建工程，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918—2002) 一级 A 标准，其重点在于氮、磷等污染物的深度处理。近年来，作为深度处理生物脱氮的重要工艺———反硝化滤池已在国内得到广泛应用。夏文辉等、严国奇等介绍了反硝化滤池在大型污水厂的设计、调试与运行情况，系统脱氮效果稳定。周晓黎等依托实验室反硝化生物滤池，研究了生物膜胞外聚合物( EPS) 的空间分布特征，发现沿水流方向 EPS 含量呈先升高后降低的变化趋势，在滤料层中间段最高。但受多种条件影响，其实际处理效果报道不多，且较少结合微生物特征来判断运行状态。以某城镇污水处理厂工程为依托，探讨了反硝化滤池的调试运行情况，并提出设备选择的建议，旨在为该工艺的推广应用积累实际工程经验，为污水厂的运行管理提供参考。
1 工程概况
上海市某城镇污水处理厂于 2017 年初开始实施提标改造工程，改造后主体工艺流程为“粗/细格栅—曝气沉砂池—初沉池—改良型 Bardenpho—二沉池—磁混凝沉淀池—反硝化滤池—消毒池”，其中深度处理段“磁混凝沉淀池—反硝化滤池”为新增单体。反硝化滤池集生物脱氮和过滤为一体，结合传统过滤和反硝化作用，同时去除悬浮物和总氮。土建按远期 24 × 104 m³ /d 设计，共 14 格。近期运行按 18 × 104 m³ /d，投产 10 格。滤池设计进、出水水质见表 1( 其中，设计最低水温为 12 ℃，出水指标优于一级 A 标准) 。
2 主要构（建）筑物及设备配置
①反硝化滤池
磁混凝沉淀池出水总渠分两路管道进入反硝化滤池，滤池为东西两侧布置，每侧布置混合池，设置1 台混合搅拌机，功率为 5． 5 kW，用于快速混合碳源。滤池共 14 格，单 格 尺 寸 ( L × B × H ) 为 22． 75 m × 4． 88 m × 5．85 m。池底安装高密度聚乙烯滤砖，作为配水布气系统，收集滤液至池底中央的集水槽; 反冲洗过程中，均匀分布反冲洗气流和水流; 同时作为滤料层的承载结构。由下至上布置承托层和石英砂层，规格依次为 5 层砾石( 19 mm × 13 mm、13 mm × 6 mm、6 mm × 3 mm、13 mm × 6 mm、 19 mm × 13 mm) ，以及石英砂层。石英砂粒径为1． 70 ～ 3． 35 mm，均匀系数为 1． 35，滤层高度为 2 m，球形度 ＞ 0． 8，莫氏硬度为 7。
② 反冲洗清水池
尺寸( L × B × H) 为 21． 0 m × 9． 0 m × 4． 3 m( 有效水深为 3． 3 m) ，与清水渠连通。设反冲洗水泵( 潜水泵 3 台，2 用 1 备) ，流量为 839 m3 /h，扬程为98 kPa，功率为 35 kW。
③ 废水池
尺寸( L × B × H) 为 19． 7 m × 9． 0 m × 6． 1 m( 有效水深为 5． 1 m) ，与清水渠连通。设置废水泵( 潜水泵 2 台，1 用 1 备) ，流量为 296 m³ /h，扬程为 81 kPa，功率为 10 kW。设潜水搅拌机 2 台，功率为 4 kW。
④ 鼓风机房
尺寸( L × B × H) 为 22． 0 m × 9． 3 m × 8． 2 m，与滤池合建。设反冲洗鼓风机 3 台( 2 用 1 备) ，风量为 5 074 m³ /h，风压为 0． 07 MPa，功率为 160 kW。
设空压机 2 套，风量为 0． 84 m3 /min，风压为 0． 7 MPa，功率为 5． 5 kW，配套冷干机、储气罐等。
⑤ 碳源投加系统
新建储液池，设投加泵 2 台，互为备用，流量为1 500 L /h，压力为 0． 3 MPa，功率为 0． 75 kW，分别投加至东西两侧碳源混合池。
⑥ 控制系统
每格滤池设置 5 个气动蝶阀/闸门，分别为进水闸门、出水调节蝶阀、反冲洗进水蝶阀、反冲洗空气蝶阀、废水蝶阀。反冲洗水泵出口总管设置 1 个调节蝶阀，反冲洗鼓风机出口总管设置 1 个电动放空阀。系统内主要仪表包括: 进水流量计、反冲洗水流量计、超声波液位计、进出水硝酸盐分析仪、进水溶氧仪，以及配套所需的压力开关和液位开关等。滤池配套 1 个主控柜，防护等级 IP55，含 PLC 及人机界面，用于控制滤池运行，包括反冲洗鼓风机、反冲洗水泵、废水泵及所有自动控制阀门和仪表。
3 运行效果及分析
3.1 调试启动
该工程于 2017 年 12 月建设完工，12 月底正式进入调试运行阶段。初期进水量为 12 × 104 m³ /d， 以 8 格运行。调试阶段正值冬季，启动初期水温为10 ～ 12 ℃，进水 DO 为 8． 5 ～ 9． 7 mg /L，SS 较低，为 3 ～ 14 mg /L，COD 为 15． 2 ～ 44． 2 mg /L，平均值为24． 6 mg /L。启动方案有两种: ①采用污泥接种，降低滤池的液位至砂面上 300 ～ 500 mm，连接污泥泵和软管后，开启污泥泵，首批投泥; 将二沉池污泥分别投加到每格滤池作为接种污泥，并通过曝气使污泥均匀分布。②当水质浓度较低或外部因素受限时，采用自然培养挂膜的方式，依靠前端二沉池出水SS 所携带的微生物完成污泥培养及积累，在启动的前 2 ～ 3 天，系统可超越磁混凝沉淀池运行或者暂停混凝加药。方案①接种生化污泥，在缺氧环境下可能出现释磷现象，存在磷超标的风险。因此，该工程采用自然培养的方式挂膜，依靠前段出水 SS 所携带的微生物完成污泥培养及积累，培养反硝化细菌。
根据水量和进水中硝酸盐浓度，计算醋酸钠投加量( Q) 。启动时，先按 25% Q 投加碳源( 20% 的醋酸钠) 。由于滤池初期无反硝化效果，在这个阶段出水 COD 会有所上升，但因少量投加醋酸钠， COD 浓度上升不明显，不致引起出水有机物超标。每天早晨 8 点取样，根据出水硝酸盐浓度逐步提高碳源投加量。在冬季建议投加比例分别按 45% 、 65% 、85% 和 100% ，略微过量供给，以促使反硝化细菌尽快占据主导地位。
3.2 微生物特征
生物培养驯化 过 程 中 采 用 双 目 生 物 显 微 镜( XSP － 4C) 镜检。在反冲洗过程中，气水冲洗约 10 min( 2 /3 进程) 时取反冲洗废水镜检。培养初期( 第 1 周内) 污泥镜检图片见图 1。镜检发现菌胶团、微生物种类和数量较少，只能看到少量扭头虫、楯纤虫，偶尔发现 1 ～ 2 只线虫。
2 周后，出水硝酸盐浓度呈降低趋势，在碳源供给稳定的情况下，一旦反硝化效果产生，脱氮效果增长明显，2 ～ 3 d 内趋于稳定。培养后期的污泥镜检结果见图 2。
由图 2 可以观察到，随着调试的进行，首先是丝状菌大量出现，再逐渐出现原生动物和后生动物，如累枝虫、钟虫、轮虫、线虫等，微生物种类丰富，对照硝酸盐的去除效果，说明系统已具备反硝化功能。后期运行期间也发现，当系统受到外界冲击时，微生物种群特征变化，菌种种类和数量减少，特别是丝状菌明显减少。这种情况也与刘凯等的研究报道一致。丝状菌作为反硝化作用的指示生物之一，既有助于其他菌落围绕其生长，也能依靠菌丝体的交织作用增加膜块的机械强度。因不同的污水处理厂水源水质的差异，主要微生物种类也存在较大差异，应按照全厂构筑物的流向进行观察，寻找优势种群的生态演替规律，指示系统运行的状态和判断处理效果。
3.3 溶解氧的变化
采用 HACH HQ40d 溶解氧分析仪，浸入式检测滤池内 DO 的变化情况，分别测定 2#、10#滤池进水渠内、滤池内( 高低液位及砂面) 、清水池内几处，其中高液位为液面淹没进水堰堰口( 距滤料顶 1． 75 m) ，低液位为经出水调节阀调节后的最低液位( 距滤料顶 1． 55 m) ，调试初期高低液位波动为 ± 0． 1 m。1 月—2 月水温维持在 11 ～ 13 ℃，2#、10#滤池DO 浓度相近，进水渠内、滤池内高低液位的 DO 变化范围依次为 8． 47 ～ 9． 31、8． 49 ～ 9． 63、8． 46 ～ 9． 48 mg /L，且高低液位的 DO 无明显变化。许多研究认 为，应控制恒液位避免跌水而产生二次充氧。而上述数据与现有研究结果不同，分析因进水 DO 接近饱和，此阶段跌水对 DO 影响较小。
图 3 为滤池内 DO 的变化情况。通过对比发现启动初期清水池 DO 略降低，约为 6 ～ 8 mg /L，此时进、出水 NO －3 － N 无明显变化; 随着清水池 DO 逐渐降至 3 mg /L 以下，进、出水 NO －3 － N 呈下降趋势;当清水池 DO ＜ 1 mg /L 时，系统对 NO －3 － N 的去除趋于稳定。按设计规范，活性污泥法缺氧反硝化要求 DO ＜ 0． 5 mg /L，而在实际反应中，由于污泥颗粒尺寸较大，沿粒径方向存在 DO 浓度梯度，故反硝化对 DO 的要求显著降低。但当同时存在分子态氧和硝酸盐时，氧会与硝酸盐竞争电子供体，DO 会优先消耗掉碳源有机物，造成无效的药耗，且不利于反硝化菌的优势生长，并且可能使反硝化反应集中在填料区后段，从而造成反硝化滤池空间利用不足，影响脱氮效率。
3.4 系统运行效果
经连续运行，系统整体、各子系统和设备运行正常，稳定可靠。主要监测项目有进、出水的 COD、SS、 TP、TN、NH3 － N、NO－3 － N、NO－2 － N 等，出水水质稳定达到且优于一级 A 标准。2018 年 3 月主要水质指标变化如图 4 所示。
由图 4 可见，系统对 NO－3 － N、 TN 具有非常稳定的去除效果，出水 TN 稳定在 ＜ 10 mg /L。
稳定运行后，初期水量为 12 × 104 m³ /d，以 8 格运行; 反冲洗频率每 48 h 一格; 驱氮频率为每 3 ～ 4 h 一次; 碳源采用 20% 的乙酸钠溶液，自动投加，投加比率为 6 ～ 11; 碳源前馈计算依据为( 进水硝态氮－ 目标硝态氮) × 投加比率/碳源浓度 × 进水流量/密度; 碳源后馈计算依据为比较出水硝态氮和目标硝态氮，系统自动调整投加比率。
3.5 技术经济分析
该工程投资为 2 012 万元，主要直接运行费用包括电费、药剂费、人工费。其中，系统装机容量为668 kW，电耗为 0． 006 2 kW·h /m³，电价按 0． 76 元/( kW·h) 计，则电费为 0． 004 7 元/m³。药剂主要为 20% 的乙酸钠溶液，用量平均为 0． 58 t /d，单价按 1 500 元/t 计，药剂费为 0． 00 73 元/m³。运行管理依托厂内现有定员，故人工费未单独计算。该工程新增的直接运行费用为 0． 012 元/m³。
4 技术难点分析
① 滤池单格面积大，安装精度要求高。滤池单格面积与池型、生产规模、操作运行方式等有关，也与滤后水汇集和冲洗水分配的均匀性有较大关系。从运行经济性和反冲洗均匀性方面考虑，单格滤池面积一般不宜大于 100 ㎡。从土建、设备等方面综合考虑，该工程单格面积为 111． 02 m2，尺寸为22． 75 m( 长) × 4． 88 m( 宽) 。为了保证布水布气的均匀性，安装精度要求高，空气支管管顶位于滤砖 2个配气孔之间，空气主管安装偏差在 ± 3 mm 范围内，单条滤砖长度方向水平度偏差为 ± 3 mm，整格滤砖水平度偏差不超过 ± 6 mm。
② 下向流的滤池由于进水渠起始端和末端水位的差异，以及受土建施工精度影响，常存在内部配水不均匀的问题，容易导致局部水质穿透。采用两侧对称布置，因厂区占地受限，从前序单元的出水总渠由两路管道分别向两侧进水，更增加了进水分配的难度。单格滤池进水槽设置可调整高度的堰板，槽纵向堰顶水平偏差为 ± 1 mm，池与池之间堰顶竖向偏差为 ± 2 mm，进水后再根据所有滤池的进水速度微调，以保证进水流量均衡。在实际运行过程中，由于进水水量的波动，特别是在小流量时，单格流量不能完全均匀，因此考虑后期在每格滤池进水闸门之后增设一道堰板，作为一级布水堰板，在进水渠道内进一步削弱水流的动能，促使水流分布更为均匀。
③ 反硝化最合适的温度为 20 ～ 40 ℃，低温会降低反硝化细菌的繁殖速率和代谢速率，温度 ＜ 15 ℃反硝化速率明显降低，在 5 ℃ 以下时反硝化速率极低，不到 30 ℃ 条件下的 1 /7［4，10］。该工程的系统调试启动期正好在冬季，进水水温较低( 10 ～ 12 ℃ ) ，处于反硝化细菌生长温度的低限，成为影响微生物培养周期的主要问题。调试阶段滤池实际进水负荷较低，选用自然培养的方式，启动周期相对较长，在前 2 周内基本上未出现明显的反硝化效果，2周后反硝化效果逐渐明显并稳定。
④ 由于进水溶解氧过高，会增加碳源的用量。在调试期间，追踪了从二沉池到清水池的溶解氧浓度变化情况( 见表 2) 。
由表 2 可知，受前端生化池的影响，二沉池出水DO 已高于 4 mg /L，且波动较大，经过提升泵提升后DO 达到 6 ～ 8 mg /L，再经后续单元逐级升高，造成滤池进水 DO 居高不下。在后期将考虑优化前端工艺，控制溶解氧的升高。建议设计阶段在全厂系统内考虑溶解氧的变化，而不仅从滤池单元考虑。
为了降低水头跌落对充氧的影响，在反硝化滤池中普遍采用恒液位的运行模式，而控制恒液位要求液位和出水调节阀开度之间实时响应，这对液位计的精度和灵敏度，以及阀门动作速度和阀板动作次数都提出了更高要求，需要在运行成本和设备寿命之间综合考虑。
5 结论
① 上海某城镇污水处理厂提标改造工程采用反硝化滤池，脱氮效果显著，直接运行费用 为0． 012 元/m³，能稳定实现出水总氮指标达到并优于一级 A 标准。
② 在冬季低温条件下采用自然培养污泥的方式调试，约 2 周后反硝化效果逐渐显现并在 2 ～ 3 d内趋于稳定。微生物特征变化明显，直接反映系统运行状态，建议作为日常运行必要的检测项目。
③ 观察滤池进、出水 DO 变化，有助于了解反硝化的运行环境。通过优化控制全厂系统内 DO，从而降低滤池进水 DO，对反硝化的经济运行具有重要意义。
④ 在长期运行过程中，需要运营人员积累运行数据，分析滤池的运行状态，在保证系统出水各项水质指标的前提下，对反洗周期、碳源投加量等重要运行参数进行调整，摸索系统在不同工况、不同季节下的最佳运行参数，进一步降低处理能耗。
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