上向流反硝化深床滤池在污水厂提标改造工程中的应用
摘要：广东省某水质净化厂一期工程原采用SBR+纤维转盘滤池为主体工艺，要求提标改造后主要出水指标达到《地表水环境质量标准》V类标准（TN≤15mg/L），实际出水TP偶尔超标，TN严重超标。提标改造工程在现有SBR工艺后端新增了上向流反硝化深床滤池模块化水处理装备，出水COD≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、TN≤12 mg/L、TP≤0.3 mg/L和SS≤5 mg/L，达到了地表准Ⅳ类标准，表明上向流反硝化深床滤池脱氮除磷效果好，尤其是脱氮效率极高，最大去除量高达29.4 mg/L，相应的反硝化负荷达到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。
01
概述
广东省某水质净化厂一期工程，设计规模为10.00万m3/d，采用SBR生物处理作为主体工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18918-2002）一级B标准。2012年，为提高出水水质，在原有基础上新增了纤维转盘滤池，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18918-2002）一级A级标准（TN除外）。随着“水十条”的提出，深圳市政府对污水厂出水要求提高至《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）准V类标准（TN≤15mg/L）。根据污水厂实际运行水质数据可知，出水污染物因子COD、BOD、氨氮均能稳定达到地表V类，总磷偶尔超标，但总氮严重超标。因此，需要进行深度处理，即对SBR的出水TN、TP进行处理。由于污水处理厂可利用的占地有限，施工工期也比较紧张，采用传统的高效沉淀池+反硝化深床滤池不适合该工程，最终选择了上向流反硝化深床滤池模块化水处理装备于2019年进行提标改造。主要建设内容有：增加精细格栅、上向流反硝化深床滤池、碳源投加设施等。其中上向流反硝化深床滤池是此次提标改造工程的重点设施，该滤池需要承担大部分的TN去除功能，确保出水TN稳定低于15mg/L，同时需要进一步去除水中的悬浮物。
02
设计进出水水质
根据污水厂提供的水质数据进行分析，确定上向流反硝化深床滤池设计进、出水水质如下表1所示。
03
改造后工艺流程
根据原工艺流程实际运行来看，SBR工艺出水SS不稳定，容易造成纤维转盘滤池堵塞，清洗维护麻烦；同时，需要脱氮处磷。为此，在SBR池后新增精细格栅和上向流反硝化深床滤池，确保出水水质达标排放，改造后详细工艺流程如下图1：
新建的上向流反硝化深床滤池主要设计参数如下：上向流反硝化深床滤池装备呈两侧对称布置，每侧8格，每2格为1组，共计8组（16格），采用碳钢防腐结构；单格尺寸（L×B×H）为12.0 m×3.0 m×4.5m，单格有效过滤面积为36 m2；设计处理规模为10.00万 m3/d，最大流量为13.00万m3/d（Kz= 1.3）；平均滤速为7.2m/h，强制滤速为8.3m/h，最大滤速为9.4m/h；滤料采用石英砂，粒径为2-4mm，滤料层高2.5m，空床停留时间为20.8min。
04
运行效果分析
该水质净化厂（一期）提标改造项目从2018年12月底通水调试，运行至今已有2年，运行期间其出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）准Ⅳ类标准，并达到设计产水规模。上向流反硝化深床滤池运行过程中采用含量25%乙酸钠溶液（NaAC）作为外加碳源，记录了2019年4月份至2019年12月份脱氮效果，结果如表所示：
表2 不同月份乙酸钠投加量脱氮效果
由上表2数据可知，经过上向流反硝化深床滤池的处理后，出水TN平均浓度能够低于10 mg/L，可以发现随着总氮去除量的增加相应的碳源投加量也会随之增加，其中在12月份碳源投加量达到了最大值，为178.31 mg/L，相对应的总氮去除量为13.69 mg/L。根据表2中乙酸钠投加浓度与TN去除量的数据，可以计算出4月～12月反硝化深床滤池去除单位硝态氮消耗的乙酸钠投加量（NaAC/△TN），结果可见图2。
图2 不同月份单位硝态氮消耗的乙酸钠投加量
从图2可以看出，广东省某水质净化厂（一期）提标改造工程采用的上向流反硝化深床滤池单位硝态氮消耗的乙酸钠投加量（NaAC/△TN）在2.47～3.83 kgNaAC/（kgNO3- N），其中最大值为3.83，其余均不超过理论投加量3.67，表明本工程的反硝化深床滤池碳源利用率较高，主要是因为上向流进水方式不存在配水跌落充氧的现象，从而有效避免进水溶解氧（DO）二次升高，可以节约这部分DO作为电子受体所消耗的碳源。根据相关报道，常规的下向流反硝化深床滤池会因进水渠道配水跌落引起DO 值平均上升2.19 mg/L，由此消耗了大量的碳源。在相同条件下，上向流反硝化深床滤池相比于下向流反硝化深床滤池的碳源投加量可节省30%以上。此外发现，上向流反硝化滤池水头损失达到3m左右时，滤池需要进行反冲洗，相对应的反洗周期为24h。
图3是该水质净化厂（一期）提标改造后上向流反硝化深床滤池4月份TN的处理效果，结果显示在进水TN为10～20mg/L之间，出水TN≤5mg/L，TN去除率为50%～80%。同时，可以发现深床滤池具有良好的抗冲击负荷能力，在进水TN波动较大的情况下也能够保证出水在10mg/L以下。
随着三部委印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019-2021年)》，2020年广东省某水质净化厂（一期）污水管网修复、雨污分流的逐步完善，污水厂进水水质浓度提高，提质增效后上向流反硝化滤池进水总氮较2019年明显升高，结果可见图4。
图5是上向流反硝化深床滤池11月份和12月份的TN处理效果，从运行的数据可以看出，进水TN为 22.7～38.2 mg/L之间，经深床滤池处理后出水能够稳定低于12 mg/L，去除率高达57.5%～80.6%。与此同时，还发现滤池最大的TN去除量高达29.4 mg/L，相应的反硝化负荷达到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。即使在进水TN超设计值90% 的情况下，出水TN依旧能稳定低于12mg/L，说明上向流反硝化滤池脱氮效率极高。因此，针对一些生化池TN处理效果不理想且具备改造条件的工程，上向流反硝化深床滤池是非常适合作为其深度处理工艺。同时，该深床滤池脱氮能力极强，能够为用户后续再次提标升级留有充分的空间。
此外，上向流反硝化深床滤池采用石英砂的固定滤床，具有较好的同步脱氮除磷功能，运行过程中在SBR池投加除磷剂，经上向流反硝化滤池截留过滤，TP去除率能够达到20%～40%，出水TP能够稳定低于0.3 mg/L。同时上向流反硝化滤池能够进一步确保出水达标排放，出水COD≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L 、SS≤5 mg/L。反硝化深床滤池进、出水COD、BOD5、SS和TP浓度见下表3所示。
表3 深床滤池进、出水COD、BOD5、SS及TP
05
技术经济分析
本提标改造工程新增精细格栅和上向流反硝化滤池模块化装备，新增占地面积仅1300 m2，新增装机功率600 kW，运行功率480 kW，新增吨水电耗费用约为0.05元；乙酸钠消耗量为4187.4 t，乙酸钠市场价按照1600元/t，新增吨水乙酸钠费用为0.177元，共计新增吨水直接运行费用为0.227元。
06
处理工艺及模块化装备特点
（1）具有同步脱氮除磷功能，脱氮效率高，出水TN可低至5mg/L
上向流反硝化深床滤池采用底部进水、上部出水的上向流过滤方式，利用管道封闭式进水，解决下向流滤池进水时跌水增加溶解氧浓度的问题，通过控制较低的溶解氧浓度，可有效提高脱氮效率。根据工程应用情况，上向流反硝化深床滤池可通过过滤作用，实现SS和TP的去除，经反硝化作用去除TN，其出水可稳定达到TN≤10mg/L，且通过工程试验验证，处理出水TN可低至5mg/L。
（2）进水不复氧，碳源投加量可节省30%以上
根据工程经验总结，反硝化滤池碳源投加量的计算公式为：碳源投加量=2.86×去除NO3-量+1.71×去除NO2-量+去除DO量。常规下向流反硝化深床滤池因进水跌落充氧，会造成碳源大量浪费，同时因DO浓度高而滤料繁殖大量异养菌；上向流反硝化深床滤池进水与空气隔绝，避免了复氧过程。实践发现，相较于下向流反硝化深床滤池，上向流反硝化深床滤池碳源投加量可节省30%以上。
（3）纳污量大，反洗周期长，可省去高效沉淀池
上向流过滤是基于“反粒度”理论，在过滤过程中，水流由下而上先通过粒径较粗的滤层而后通过较细的滤层，整个滤层截污均匀，大大提高了滤料层的纳污量，延长了反冲洗周期，根据一些工程项目，上向流反硝化滤池反洗周期通常为24～48h，相对应的水头损失达到3m左右。而下向流滤池大部分截污集中在表层50cm，没有发挥下部的截留作用。据试验数据表明，同等条件下，上向流滤池的纳污量为下向流的5倍以上。因此，上向流反硝化深床滤池在纳污量提高的基础上，延长了反冲洗周期，可以更好地发挥出同步除磷性能，在用地紧张的污水厂提标项目中，可省去高效沉淀池，大大节省投资成本。
（4）无需驱氮设施，且进一步保证微生物活性
在下向流反硝化深床脱氮过程中，点状氮气气泡会聚集在介质的表层，形成“气堵”现象，滤速低，必须借助外力进行驱氮，恢复水头。根据相关工程，下向流反硝化深床滤池通常每间隔2-5h开启反冲洗水泵2-3min驱氮一次，在驱氮过程中，悬浮微生物和部分附着型微生物会随着水流流失，会减弱其反硝化效果。而上向流反硝化深床滤池产生的氮气释放与水流同向，氮气能够得到及时排放，可有效避免气阻。因此，上向流反硝化深床滤池滤速可适当提高，无需进行驱氮，简化了设备与操作程序，避免了驱氮过程中对微生物冲击及微生物总量的影响，进一步保证了微生物活性，总氮去除效率更高。
（5）碳源投加的精准控制
上向流反硝化深床滤池碳源的投加采用“模糊控制”法，设置总进水流量计、进出水溶解氧浓度及进出水硝酸盐氮含量的反馈，通过建立数学模型，动态控制碳源加药量。在保证出水COD、BOD5达标的前提下，能精确的控制总氮的去除。
（6）独特的布水布气系统，反洗更均匀
反硝化深床滤池应用于深度处理，需要投加碳源及除磷剂，截留的固体杂质多，产泥相对增加，因此对反冲洗系统的技术要求较高。上向流反硝化滤池运用独特的布水布气技术，采用上向流多功能滤管实现过滤的布水、反洗布水及反洗布气，能确保布水布气更加均匀，反冲洗无死区，能有效防止滤料堵塞。
（7）采用模块化装备的建造模式
将上向流反硝化深床滤池工艺设计成标准化设备，统一尺寸，模块化装配，大大节省工期，安装便捷，易于搬迁，可循环利用，并可根据近期、远期处理规模大小，分期灵活配置，不受安装场地及施工周期限制。同时，采用模块化装备的建造模式，将其与园林绿化结合，打造成公园化嵌入式污水处理厂，整体景观效果可媲美地下式污水处理厂，可达到环境友好的目的，解决污水处理厂建设存在的邻避问题。
07
结语
①基于该提标改造工程，经上向流反硝化深床滤池深度处理后，污水处理厂出水能够稳定达到COD≤30 mg/L，BOD5≤6 mg/L，TN≤12 mg/L，SS≤5 mg/L，TP≤0.3 mg/L，且最大的TN去除量高达29.4 mg/L，相应的反硝化负荷达到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。同时，在进水TN为10～20mg/L之间，其出水总氮可低至5 mg/L以下。
②上向流反硝化深床滤池脱氮除磷效果好，纳污量大，无需设置高效沉淀池，可以用于污水处理厂提标扩容或新建项目，对于场地受限的污水处理厂特别适用。
③上向流反硝化深床滤池进水不存在跌落充氧的现象，可以有效避免进水DO二次提升，碳源的利用率高，再完美结合精准的碳源投加控制方式，比传统反硝化深床滤池的碳源投加量节省30%以上。
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