上向流石英砂深床滤池攻克污水厂提标总氮达标难题？
大多数污水处理厂的提标重点和难点都在TN达标上。深床滤池是目前污水处理厂提标改造的主流脱氮工艺之一，具有占地面积小、动力消耗低、脱氮效果好等特点，在提标工程中得到了广泛应用。但由于采用的水流方向和滤料材质、滤速、滤料强度不同，脱氮效果也存在差异。实际工程应用中，上向流深床滤池滤料材质以生物陶粒及轻质滤料居多，鲜少见有关石英砂滤料的报道。栗文明等通过调研发现，上向流深床滤池的滤料主要有两种：生物陶粒及以威立雅公司的Biostyr为代表的聚苯乙烯小球轻质滤料（密度＜1.0 g/cm3）。本文以某城镇污水处理厂实际提标工程为例，介绍了上向流石英砂滤料深床滤池的工艺设计及运行效果。
01 工程概括
某城镇污水处理厂设计规模为10.0万m3/d，随着外部管网的不断完善，实际污水收集量已远超过设计规模。根据运行协议，该污水处理厂处理规模维持在10.0万m3/d，多余污水另外扩建污水处理厂进行处理。2019年月均处理水量为101 861~108 794 m3/d，2020年月均处理水量如表1所示。
提标改造前，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，采用“粗格栅+进水泵房+细格栅+旋流沉砂池+SBR生化池+滤布滤池+接触消毒”的污水处理工艺。其中SBR生化池设2座，每座4格，共8格，每天的4个周期，每个周期为6.0 h，各工序的时间依次为进水反应3.0 h、沉淀1.5 h、排水1.2 h、闲置0.3 h。
根据提标前运行数据分析，污水处理厂运行稳定，除TN外其他指标均能达到一级A标准。提标前污水处理厂实际进出水水质如表2所示。
随着受纳水体环境要求的不断提高，污水处理厂出水排放标准也不断提高，现有出水标准已不能满足要求。现阶段提出的要求是处理后出水达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中V类标准，其中TN≤15 mg/L，详细指标情况如表3所示。
02 提标工程的重难点分析
2.1 重点
对照污水处理厂提标改造要求，现状污水处理厂出水CODCr、BOD5、氨氮、SS达标率为100%，TP达标率为99%，TN达标率为52%（以d计）。该工程提标的重点是TN指标。此外，目前污水处理厂实际进水CODCr、BOD5、TN较低，随着区域内管网的不断完善和提质增效工作的逐步深入，预计污水处理厂实际进水水质会进一步提高。因此，提标工程在重点考虑TN指标的基础上，还需为将来进水水质提高后出水水质稳定达标留有余地。
2.1 难点
（1）现状SBR工艺处理能力有限
通过计算复核，在进水BOD5含量达到设计进水水质（150 mg/L）时，出水CODCr、BOD5、氨氮、TP、SS可以达到提标后要求的设计出水水质。但SBR工艺本身脱氮功能较差（该工程现状实际脱氮率约为60%），即使改用其他运行方式，也因池容不够而不能使TN达标。另因场地受限，该工程SBR池已无扩容可能。
（2）碳源不足
BOD5/TN是鉴别能否生物脱氮或脱氮程度的主要指标。
根据《室外排水设计标准》（GB 50014—2021），一般BOD5/TN≥4.0可认为污水有足够的碳源供生物脱氮。目前国内大部分污水处理厂都很难达到这一标准，均需要外加碳源。该工程实际进水BOD5/TN=1.5~3.5（平均为2.0），需另外补充碳源。
03 提标工程设计
3.1 总体设计
基于工艺可靠、运行管理方便、在施工期“不停水、不减量、不降标”的提标原则，结合现状设施和用地情况，经综合比较，采用在现状SBR池后、滤布滤池前增设深床滤池的工艺方案。与下向流深床滤池相比，上向流深床滤池脱氮效果好，无需设置“驱氮”装置，可以采用较高的滤速，且水头损失小，不存在跌落充氧的现象，可节省碳源，特别适合用于污水处理厂提标工程中去除TN。深圳某污水处理厂采用以石英砂为滤料的上向流深床滤池进行提标改造，将出水水质由不能稳定达到一级A标准提升至地表准Ⅳ类标准（TN≤10 mg/L）。
根据实际运行情况，现状SBR池在运行中仍有不少漂浮物和悬浮物进入滤布滤池，为防止后续构筑物堵塞和影响设备运行，在SBR池出水后设精细格栅。
现状SBR池采用浮筒式滗水器滗水，出水量变化较大，实际滗水出水量为3 000~6 670 m³/h。为使后续处理构筑物平稳运行，在精细格栅后设中间调节水池。
提标后污水处理流程如图1所示。
3.2 反硝化深床滤池工艺设计
（1）流向与滤料选择
目前，反硝化滤池按照水流方向可分为上向流和下向流两种。上向流反硝化滤池中的滤料级配是大颗粒滤料在底层，小颗粒滤料在上层。其过滤过程是含有一定浑浊度的水由纳污量大的滤层下部流入滤料层，而由空隙较小的上部滤层流出，可以更好地发挥滤料层的截污能力，过滤的周期更长且出水水质更好；同时因采用了下进水、上出水的反向过滤型式，带滤水完全与空气隔绝，更有利于营造反硝化微生物的生长环境，能更有效地进行脱氮。而下向流反硝化滤池在进水时不断地从空气中带入不利于反硝化微生物生长的氧气进入滤池，导致系统脱氮效率低下。其优缺点比较如表5所示。
鉴于上向流反硝化滤池不会产生气阻、不用设置“驱氮”装置、脱氮效率较高、可以采用较高的滤速、占地面积较小、水头损失小、运行管理简单，同时不存在跌落充氧的现象，相比传统的下向流反硝化滤池可节省约20%~30%的碳源[6]，因此，该工程选用上向流反硝化滤池。
滤料有石英砂、陶粒、轻质滤料、纤维丝滤料等多种材质，各有优势，其中应用较多的是陶粒及轻质滤料。相较于其他滤料，石英砂滤料具有硬度高、耐腐蚀性好、密度高、机械强度高、截污能力强、使用寿命长、原材料易得、经济效益佳等优点，因此，该工程采用石英砂滤料，滤料粒径为2~4 mm。砾石承托层粒径为2~40 mm，厚度为300 mm。
（2）滤速与滤料高度
滤速与滤料高度决定了接触时间，也决定了脱氮效果。滤速过低，滤池占地面积大；滤速过高，滤料表面生物膜容易脱落，出水水质难以保证。根据脱氮要求和用地情况，设计上升流速为7.2 m/h，滤料高度为3.0 m，空床接触时间为25.0 min，反硝化负荷为1.50 kg NO3--N/(m3·d)。
（3）滤池池型
为节省用地，防止和减少滤料流失，选用翻板滤池，单格滤池尺寸为L×B×H=12.0 m×6.0 m×4.8 m，共8格，分2组，每组4格。
（4）滤池冲洗
反硝化滤池的冲洗主要是为了将老化的生物膜脱落更新，防止滤料板结，增强处理效果并减少滤池水头损失，并不需要将滤料表面冲洗干净。该工程冲洗周期为48~72 h，采用三段式气水冲洗。
单独气冲：气冲强度为13.8 L/(m2·s)，冲洗时间为2.0~3.0 min；
气水联合冲洗：气冲强度为13.8 L/(m2·s)，水冲强度为4.5 L/(m2·s)，冲洗时间为4.0~6.0 min；
单独水冲：水冲强度为9.0 L/(m2·s)，冲洗时间为3.0~5.0 min；
配套冲洗水泵3台，2用1备，单泵流量Q=1 200 m3/h，扬程H=15 m。冲洗罗茨风机2台，1用1备，风机风量Q=60 m3/min，风压P=60 kPa。
（5）碳源投加
碳源采用液态乙酸钠，每组设1个投加点（共2个投加点），最大投加量为40 mg/L（20%液体）。
设隔膜计量泵3台，2用1备。投加泵流量Q=0~150 L/h，压力P=0.3 MPa。
投加系统可根据反硝化滤池进水流量和进水水质准确控制，实现精准投加。
04 技术经济分析
该工程建筑安装工程费用约为3 800万元，单位水量工程投资约为380元/m3；上向流石英砂反硝化深床滤池运行电耗为0.048 kW·h/m3；全年乙酸钠投加量平均为108 g/m3（乙酸钠含量为20%），以乙酸钠单价为1 500元/t计，碳源投加费用为0.162元/m3，其中夏季乙酸钠投加量平均为100 g/m3，冬季乙酸钠投加量平均为132 g/m3。与同类工程相比，该工程投资及运行费用略优。
05 提标工程运行效果
提标工程于2019年4月建成投产， 2021年月均实际进出水TN指标如表6所示。
表6 提标后（2021年）月均实际进出水TN含量
2021年进水TN月均值为41.20~46.60 mg/L，在进水浓度明显提高的情况下，出水TN月均值为9.10~9.50 mg/L，均明显优于提标要求的设计出水水质。
除TN外，其他几项出水指标为CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、氨氮≤0.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L、SS≤6 mg/L，明显优于提标要求的设计出水水质，均达到了地表Ⅳ类标准。
06 结论
（1）基于在施工期“不停水、不减量、不降标”的前提条件下，通过在原有SBR工艺基础上新增“精细格栅+中间调节水池+上向流石英砂滤料深床滤池”深度处理工艺，使出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中V类标准（其中TN≤15 mg/L）。实际运行效果良好，出水水质稳定达标。
（2）上向流深床滤池脱氮效果好，无需设置“驱氮”装置，可以采用较高的滤速、水头损失小、运行管理简单，不存在跌落充氧的现象，相比传统的下向流深床滤池可节省20%~30%的碳源，特别适合用于污水处理厂提标工程中去除TN。
（3）该工程上向流深床滤池未采用应用较广的陶粒及轻质滤料，而是选用应用较少的石英砂滤料，滤料粒径为2~4 mm，滤料高度为3.0 m，设计上升流速为7.2 m/h，空床接触时间为25.0 min。该项目可为以石英砂为滤料的上向流反硝化深床滤池在提标工程中的应用提供案例参考。
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