低碳源投加：自養(yǎng)脫氮濾池運行案例

全康環(huán)保:導(dǎo) 讀

自養(yǎng)脫氮濾池作為污水處理廠二級生化后的深度脫氮技術(shù)，選用2～3 mm粒徑的自養(yǎng)活性濾料，穩(wěn)定實現(xiàn)出水TN≤10 mg/L，且零（或低）碳源添加，助力降碳排量。下向流的自養(yǎng)脫氮濾池，HRT約20 min，進水DO高于4 mg/L時，平均脫氮濃度仍達8.50 mg/L，脫氮率67%，脫氮負(fù)荷0.64 kg/（m3?d），其藥耗較異養(yǎng)脫氮時可降耗30%～50%，宜控制脫氮濾池的進水DO≤2 mg/L。自養(yǎng)脫氮濾池需長期關(guān)注NO₂^-N、S₂^-、SO₄^2-等副產(chǎn)物累積的不利影響。

1 項目工程概況

1.1 項目基本概況

某園區(qū)污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模4萬m3/d，污水處理流程采用預(yù)處理-多級AO生化-深床脫氮濾池-臭氧接觸池-BAF-高效沉淀池-濾布濾池-接觸消毒池。項目設(shè)計水質(zhì)見表1，未列進水指標(biāo)需達到《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962-2015），建成初期出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002)一級A，其中COD≤40 mg/L，2019年12月底前完成進一步提標(biāo)改造，尾水從2020年1月起達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）準(zhǔn)Ⅳ類。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)

注：括號內(nèi)為溫度≤12 ℃時指標(biāo)。

1.2 自養(yǎng)脫氮濾池技改及啟動情況

原異養(yǎng)深床脫氮濾池情況：采用一組4格并聯(lián)，下向流過流形式，設(shè)計濾速5.4 m/h，停留時間20 min，填充石英砂濾料（粒徑2.0～3.0 mm），填充深度1.85m。濾料下設(shè)礫石承托層，進水通過上層堰槽配水，出水及反洗之配水配氣采用HDPE材質(zhì)的T型濾磚（中心用水泥密實填充），見圖1所示。

圖1 脫氮濾池結(jié)構(gòu)示意

自養(yǎng)脫氮濾池技改實施情況：將4格砂濾料升級替換為自養(yǎng)緩釋活性濾料（硫系多核復(fù)合物改性），粒徑2.0～3.5 mm；1～4分格濾床填充同高度的活性濾料，其底部預(yù)留0、10cm、20cm、30 cm砂濾料，以考察雙層復(fù)合濾床對SS過濾截留對比效果。

自養(yǎng)脫氮濾池接種啟動與馴化：初始啟動時，從生化池直接取活性污泥作為種泥，單格分3～4批次投泥（每批次間隔1～2 d，并同步進水、停止出水、開啟底部放空，便于污泥與原水滲透至濾料深層、與活性濾料充分接觸附著掛膜），每次投加污泥量按濾料區(qū)容補充1 000～1 500 mg/L污泥濃度左右，并投加少量活化菌液,平均4周左右完成啟動馴化。

2 污染處理效能

2.1 污染物去除情況

2.1.1 TN、NO3-N指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池（后文簡稱：濾池）整體及1～4分格濾床的進出水TN、NO₃^-N濃度的變化見圖2～圖3，濾池進水的TN濃度在13.1～19.5 mg/L（均值15.3 mg/L）、NO₃^-N濃度為9.38～17.0 mg/L（均值12.9 mg/L），濾池出水的TN濃度在2.92～10.9 mg/L（均值6.63 mg/L）、NO₃^-N濃度為0.53～7.93 mg/L（均值4.40 mg/L）。

圖2 自養(yǎng)脫氮濾池的進出水TN指標(biāo)變化

圖3 自養(yǎng)脫氮濾池進出水NO3-N指標(biāo)變化

自養(yǎng)脫氮濾池的TN、NO₃^-N濃度的消減見圖4～圖5，總體TN、NO₃^-N平均分別消減8.75 mg/L、8.50 mg/L；其中1～4分格NO₃^-N平均消減濃度依次為：8.31 mg/L、8.46 mg/L、8.51 mg/L、8.86 mg/L。TN、NO₃^-N平均脫氮率分別為58%、67%。

圖4 自養(yǎng)脫氮濾池的進出水TN消減濃度變化

圖5 自養(yǎng)脫氮濾池的進出水NO3-N消減濃度變化

2.1.2 SS指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池的SS濃度變化見圖6，濾池進水SS濃度為17.6～32.4 mg/L（均值26.1 mg/L），濾池出水SS濃度為6.5～9.1 mg/L（均值7.6 mg/L）；其中1～4分格出水SS濃度均值依次為7.3 mg/L、7.0 mg/L、6.9 mg/L、7.1 mg/L。

圖6 自養(yǎng)脫氮濾池的進出水SS指標(biāo)變化

2.2 副效物累積情況

2.2.1 NO2-N、S2-指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池的NO₂^-N、S₂濃度的變化見圖7，濾池進、出水及1～4分格的NO₂^-N濃度在0.12～0.21 mg/L變化，S₂^-濃度在0.01～0.02 mg/L變化。

圖7 自養(yǎng)脫氮濾池的進出水NO2-N、S2-指標(biāo)變化

2.2.2 SO42-指標(biāo)

自養(yǎng)脫氮濾池的SO₄^2-濃度的變化見圖8，濾池進、出水SO₄^2-濃度均值分別為391 mg/L、480mg/L，SO₄^2-濃度平均增幅89 mg/L。采用氣體檢測儀對濾池濾料層及池頂部環(huán)境布點、檢測H₂S濃度為0。

圖8 自養(yǎng)脫氮濾池的進出水SO2-4指標(biāo)變化

2.3 脫氮、耗料的實際參數(shù)

2.3.1 脫氮負(fù)荷

自養(yǎng)脫氮濾池的NO₃^-N去除容積負(fù)荷（簡稱脫氮負(fù)荷，以DNv計）的變化見圖9，總體DNv值為0.56～0.78 kgNO₃^-N/（m3?d），均值0.64。

圖9 自養(yǎng)脫氮濾池的NO3-N去除容積負(fù)荷變化

2.3.2 濾料損耗

自養(yǎng)脫氮濾池的料/氮比計算如式（1）所示，其變化見圖10，總體（SO₄²）△/N△比在8.79～13.20（均值10.55），近似折算S0△/N△比約為3.1～4.63（均值3.70）。

式中 S0△N△――濾池的料/氮比，g/g；

S0△――每日進出濾池的活性濾料平均消耗濃度，mg/L；

N△――每日進出濾池的NO₃^-N平均去除濃度，mg/L；

(SO₄²)△――每日進出濾池的SO₂^-4平均產(chǎn)生濃度，mg/L；

32――硫的摩爾質(zhì)量，g/mol；

96――硫酸鹽的摩爾質(zhì)量，g/mol;

a――濾料中硫質(zhì)活性有效成分比例，約為0.95。

圖10 自養(yǎng)脫氮濾池的料/氮比指標(biāo)變化

2.3.3 參數(shù)關(guān)聯(lián)性

自養(yǎng)脫氮濾池的脫氮負(fù)荷、水力停留時間、氮濃度、濾料深度、過流濾速等參數(shù)在工程設(shè)計時應(yīng)平衡考量、合理定值，特別與過流方式有關(guān)（上向流或下向流），參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)見式（2），一定的NO₃^-N底物濃度范圍，脫氮負(fù)荷與脫氮濃度、過流濾速正相關(guān)，與水力停留時間、濾料深度負(fù)相關(guān)。

式中 DNv――濾池的脫氮負(fù)荷，kgNO₃^-N/（m3?d）；

Q――進出濾池的處理水量，m3/d；

V――濾池濾料層的容積，m3；

N△――每日進出濾池NO3-N的平均去除濃度，mg/L；

HRT――空床水力停留時間，h；

H――自養(yǎng)濾料的填充深度，m；

q――平均過流濾速或水力表面負(fù)荷，m/h。

3 討論與分析

3.1 自養(yǎng)與異養(yǎng)脫氮濾池的效費對比

3.1.1 污染消減效益

自養(yǎng)脫氮濾池作為二級生化后的深度脫氮技術(shù)，對于TN、SS具有協(xié)同脫氮降濁效果，由于零（或低）碳源添加，且能降碳排量。非碳自養(yǎng)活性濾料作為電子供體、以無機碳作為能源實現(xiàn)化能自養(yǎng)生物反應(yīng)，無需添加有機碳源、避免如異養(yǎng)脫氮濾池外碳源帶來的COD穿透風(fēng)險。作為新建單元或基于原有DN濾池（陶粒濾料）、異養(yǎng)深床濾池（石英砂濾料）的利舊技改中，通過引入活性自養(yǎng)濾料、優(yōu)化濾池配置參數(shù)，在優(yōu)Ⅴ類高標(biāo)出水處理技術(shù)保障中具有良好的應(yīng)用前景。

3.1.2 運行藥耗

對比相較于異養(yǎng)脫氮濾池，自養(yǎng)脫氮濾池既節(jié)省了砂濾料的一次基建采購費用，且脫氮藥耗相較于異養(yǎng)碳源節(jié)省30%～50%，這與相關(guān)試驗研究結(jié)論相近，對比分析見表2示。

表2 自養(yǎng)與異養(yǎng)脫氮濾池的經(jīng)濟對比

注：兩脫氮濾池對比結(jié)果：每萬噸處理規(guī)模，均去除5 mgN/L時，第一年即可收回濾料更換費用并盈余，第2年起可節(jié)約50萬元/年以上的脫氮費用。

需說明的時，每1～2月開展一次濾池濾料表層的縱向位移，復(fù)核活性濾料的月度累積損耗量，以便與式（1）的計算損耗量進行兩種方法比對校核。當(dāng)脫氮效果持續(xù)一周低于預(yù)期目標(biāo)時、或于冬季低水溫到來前，進行適當(dāng)補料（補料操作前需降水位露出濾料表層，補料后應(yīng)攤鋪均勻）。當(dāng)自養(yǎng)脫氮濾池進水TN本底值已較低、單元無脫氮需求時，可通過增設(shè)超越管線，或減少濾池投運系列等措施（人為減少HRT），避免自養(yǎng)濾料無效損耗。

3.2 自養(yǎng)脫氮濾池的設(shè)計參數(shù)

3.2.1 濾料優(yōu)選

傳統(tǒng)的單質(zhì)硫粉、硫化鈉、硫代硫酸鈉、硫鐵礦等單一或復(fù)合物，均可作為硫循環(huán)反硝化的電子供體，實現(xiàn)硫基自養(yǎng)生物脫氮。周婭等采用液體硫代硫酸鈉（替代硫磺）聯(lián)合硫鐵礦，實現(xiàn)廢水脫氮，并改善微生物與電子供體之間的傳質(zhì)并減緩系統(tǒng)堵塞。利用單質(zhì)硫為電子供體進行生物脫氮時，高硝氮進水負(fù)荷下出水中存在大量SO₄^2-，當(dāng)硫酸鹽還原菌SRB存在時可能會釋放大量H₂S氣體；采用硫化物為電子供體時，系統(tǒng)中的微生物可能受到硫化物的毒性抑制，導(dǎo)致低脫氮效率。郭啟臣等開展人工濕地硫自養(yǎng)研究時，對比硫單質(zhì)、硫代硫酸鹽、硫鐵礦不同的硫基供體，脫氮率優(yōu)先排序為：硫代硫酸鹽>硫鐵礦>硫單質(zhì)。硫載體顆粒粒徑對脫氮的影響研究較少，馬航等采用0.8 mm的硫粒也取得較高的脫氮率。

本工程采用自養(yǎng)緩釋活性濾料（硫系多核復(fù)合物改性）作為媒介(見圖11)，集成自養(yǎng)脫氮與精過濾功能，粒徑2～3.5 mm。濾料表觀密度宜≥1.4 g/cm3（上向流時）或≥2.5 g/cm3（下向流時）。活性濾料可與砂濾料（砂濾料填充約20cm或可省去）形成雙層復(fù)合凈化功能，或僅優(yōu)選2～3 mm的低粒徑單一活性濾料作為均質(zhì)濾料。

圖11 自養(yǎng)活性濾料

3.2.2 濾池參數(shù)

自養(yǎng)脫氮濾池參數(shù)的經(jīng)驗取值見表3，從表3可知，上向流過流形式時的脫氮效能優(yōu)于下向流方式。本工程采用下向流方式，設(shè)計及實際HRT約20 min，脫氮負(fù)荷基本符合經(jīng)驗范圍。

表3 自養(yǎng)脫氮濾池參數(shù)的工程經(jīng)驗取值

3.3 運行優(yōu)化

3.3.1 DO的抑制

自養(yǎng)脫氮濾池1～4分格縱深的水樣中DO與NO₃^-N分布見圖12，濾池深層水樣采集裝置見圖13。濾料表層原水DO約4 mg/L，當(dāng)原水NO₃^-N在10～15 mg/L時，濾料縱深同時發(fā)生消氧和除氮反應(yīng)，DO和NO₃^-N同步消減，一方面DO對于自養(yǎng)脫氮具有抑制作用，高DO下的兼（好）氧環(huán)境會造成活性自養(yǎng)濾料被氧化而無效消耗，但在活性濾料絮核生物膜產(chǎn)生微環(huán)境、發(fā)生了同步脫氧脫氮作用。應(yīng)調(diào)控前端二級生化出水低DO濃度，以及排查前端流程的水力跌氧，必要時在濾池進水渠設(shè)置消氧還原劑投藥系統(tǒng)（優(yōu)選硫代硫酸鈉等速溶快釋型硫化合物；干溶濕投），盡力控制脫氮濾池的進水DO水平≤2 mg/L，并輔以硫代硫酸鹽以強化硫系雙料（活性濾料+硫代硫酸鹽）電子供體的供給。

圖12 自養(yǎng)脫氮濾池濾床縱深的DO、NO3-N指標(biāo)變化

圖13 濾池深層水樣采集的簡易裝置

進水中DO對于脫氮濾池運行影響較大，對于下向流形式，需要設(shè)置出水調(diào)節(jié)閥調(diào)控水位近似恒水位運行，降低配水堰與水位的落差、避免進一步加劇大氣復(fù)氧；上向流形式通過淹沒在濾床的底部布水系統(tǒng)進入，有一定消氧作用，很少增加復(fù)氧。任爭鳴等中試研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濾床高DO時，部分脫氮層填料參與脫氧，形成脫氧、脫氮分層反應(yīng)，減少了脫氮的有效反應(yīng)時間。要提高反應(yīng)器的脫氮效率，應(yīng)盡量降低反應(yīng)器進水中的DO濃度，以創(chuàng)造良好的反硝化環(huán)境。反硝化產(chǎn)物N₂在濾床不斷累積，水頭損失逐漸增加，需定期進行驅(qū)氮操作：每次采用停止進水、單獨水洗操作，推薦驅(qū)氮歷時2～5 min，驅(qū)氮周期一般為4～8 h。

3.3.2 水溫及pH的影響

反應(yīng)水溫對于脫氮反應(yīng)速率有一定影響，本工程水溫及pH見圖14（于濾池配水渠道、出水總管路設(shè)置采樣口），進水水溫在20～23 ℃的適宜條件，低溫下的處理效能需通過長期運行予以評估。當(dāng)濾池進水pH在6.9～7.1時，經(jīng)自養(yǎng)脫氮后pH降幅約0.2。若要求系統(tǒng)去除15 mg/L或更高NO₃^-N濃度時，需定期監(jiān)測濾池進出水堿度（或pH）變化，避免出現(xiàn)酸化環(huán)境（pH降至6.0 mg/L或以下），必要時設(shè)置堿液投藥系統(tǒng)。

圖14 自養(yǎng)脫氮濾池的水溫、pH指標(biāo)變化

潘永月等處理印染廢水研究時，提出在20～30 ℃，自養(yǎng)反硝化速率隨水溫的升高而提高，20 ℃及較低的水溫可能會降低反硝化速率?？姴┑忍岢龅蜏貤l件下（≤15 ℃）硫自養(yǎng)反硝化脫氮作用明顯受到抑制，低溫下投加硫代硫酸鹽或乙酸鹽后可提升反應(yīng)速率。

3.3.3 副效產(chǎn)物的控制

自養(yǎng)脫氮濾池作為深度處理的提標(biāo)應(yīng)用技術(shù)，其進水NO₃^-N濃度多小于25mg/L，一般不會發(fā)生NO2-N中間產(chǎn)物累積情況。本工程脫氮濾池出水NO2-N＜1 mg/L，未發(fā)生反硝化進程不徹底的情況。但當(dāng)自養(yǎng)反硝化處理高濃度NO₃^-N廢水或低溫環(huán)境條件時，由于濾料層HRT有限或低溫下反應(yīng)速率低，可能存在NO₂^-N累積的現(xiàn)象。

本工程自養(yǎng)脫氮濾池出水S2-多小于0.05 mg/L，遠低于GB 3838-2002的Ⅱ～Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定S₂^-限值（0.1～1.0 mg/L）。無H₂S產(chǎn)生（堿度、DO的存在一定程度抑制其產(chǎn)生）。脫氮濾池進出水SO₄^2-受污水處理廠進水本底高值影響，但現(xiàn)行污水排放或再生回用（非飲用）標(biāo)準(zhǔn)對于SO₄^2-指標(biāo)未作限值規(guī)定，因此無需約束，見表4分析。

表4 受納水體或再生水對于SO42-指標(biāo)的限值規(guī)定

4 結(jié)論

自養(yǎng)脫氮濾池作為二級生化后的深度脫氮技術(shù)，選用2～3 mm粒徑的自養(yǎng)活性濾料，穩(wěn)定實現(xiàn)出水TN≤10 mg/L。

采用下向流的自養(yǎng)脫氮濾池時，HRT約20 min、進水水溫在20～23℃，平均脫氮濃度8.50 mg/L，脫氮率67%，脫氮負(fù)荷0.64 kgNO3-N/（m3?d）。

自養(yǎng)脫氮濾池較異養(yǎng)脫氮（采用30%乙酸鈉碳源時）可降耗30%～50%。

一定的NO₃^-N進水范圍內(nèi)，脫氮負(fù)荷與脫氮濃度、濾速正相關(guān)，與水力停留時間、濾料深度負(fù)關(guān)聯(lián)。

進水高DO對于自養(yǎng)脫氮有抑制，致活性自養(yǎng)濾料無效損耗；活性濾料生物膜發(fā)生協(xié)同脫氧脫氮，宜采取措施控制脫氮濾池的進水DO≤2 mg/L。

自養(yǎng)脫氮濾池需長期關(guān)注低溫（≤15℃）下的脫氮效率，NO₂^-N、H₂S、S₂^-、SO₄^2-副產(chǎn)物累積的不利影響，以及堿度和pH的降低影響。