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北極星水處理網訊:摘 要：在上海市水汙染防治行動中，城鎮汙水處理廠出水水質要求達到《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》( GB 18918—2002) 一級 A 標準，技術重點是實現總氮指標的控制。某城鎮汙水處理廠在提標改造工程中，深度處理採用反硝化濾池，總設計規模為 24 × 104 m /d，其中設備結合實際運行情況按 18 × 104 m /d 規模配置。運行結果表明，系統對硝態氮、總氮具有非常穩定的去除效果，出水總氮穩定在 10 mg /L 以下; 濾池微生物群落特徵和溶解氧變化，可以作為考察濾池運行狀態的必要輔助。經估算，該工程新增的直接運行費用為 0． 012 元/m。
關鍵詞：反硝化濾池; 提標改造; 總氮; 微生物特徵; 溶解氧
為持續改善區域水環境質量，上海市於 2016 年—2017 年實施了 30 餘座城鎮汙水處理廠提標改造和新建、擴建工程，執行《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》( GB 18918—2002) 一級 A 標準，其重點在於氮、磷等汙染物的深度處理。近年來，作為深度處理生物脫氮的重要工藝———反硝化濾池已在國內得到廣泛應用。夏文輝等、嚴國奇等介紹了反硝化濾池在大型汙水廠的設計、調試與運行情況，系統脫氮效果穩定。周曉黎等依託實驗室反硝化生物濾池，研究了生物膜胞外聚合物( EPS) 的空間分布特徵，發現沿水流方向 EPS 含量呈先升高後降低的變化趨勢，在濾料層中間段最高。但受多種條件影響，其實際處理效果報導不多，且較少結合微生物特徵來判斷運行狀態。以某城鎮汙水處理廠工程為依託，探討了反硝化濾池的調試運行情況，並提出設備選擇的建議，旨在為該工藝的推廣應用積累實際工程經驗，為汙水廠的運行管理提供參考。
1 工程概況
上海市某城鎮汙水處理廠於 2017 年初開始實施提標改造工程，改造後主體工藝流程為「粗/細格柵—曝氣沉砂池—初沉池—改良型 Bardenpho—二沉池—磁混凝沉澱池—反硝化濾池—消毒池」，其中深度處理段「磁混凝沉澱池—反硝化濾池」為新增單體。反硝化濾池集生物脫氮和過濾為一體，結合傳統過濾和反硝化作用，同時去除懸浮物和總氮。土建按遠期 24 × 104 m /d 設計，共 14 格。近期運行按 18 × 104 m /d，投產 10 格。濾池設計進、出水水質見表 1( 其中，設計最低水溫為 12 ℃，出水指標優於一級 A 標準) 。
2 主要構（建）築物及設備配置
①反硝化濾池
磁混凝沉澱池出水總渠分兩路管道進入反硝化濾池，濾池為東西兩側布置，每側布置混合池，設置1 臺混合攪拌機，功率為 5． 5 kW，用於快速混合碳源。濾池共 14 格，單 格 尺 寸 ( L × B × H ) 為 22． 75 m × 4． 88 m × 5．85 m。池底安裝高密度聚乙烯濾磚，作為配水布氣系統，收集濾液至池底中央的集水槽; 反衝洗過程中，均勻分布反衝洗氣流和水流; 同時作為濾料層的承載結構。由下至上布置承託層和石英砂層，規格依次為 5 層礫石( 19 mm × 13 mm、13 mm × 6 mm、6 mm × 3 mm、13 mm × 6 mm、 19 mm × 13 mm) ，以及石英砂層。石英砂粒徑為1． 70 ～ 3． 35 mm，均勻係數為 1． 35，濾層高度為 2 m，球形度 ＞ 0． 8，莫氏硬度為 7。
② 反衝洗清水池
尺寸( L × B × H) 為 21． 0 m × 9． 0 m × 4． 3 m( 有效水深為 3． 3 m) ，與清水渠連通。設反衝洗水泵( 潛水泵 3 臺，2 用 1 備) ，流量為 839 m3 /h，揚程為98 kPa，功率為 35 kW。
③ 廢水池
尺寸( L × B × H) 為 19． 7 m × 9． 0 m × 6． 1 m( 有效水深為 5． 1 m) ，與清水渠連通。設置廢水泵( 潛水泵 2 臺，1 用 1 備) ，流量為 296 m /h，揚程為 81 kPa，功率為 10 kW。設潛水攪拌機 2 臺，功率為 4 kW。
④ 鼓風機房
尺寸( L × B × H) 為 22． 0 m × 9． 3 m × 8． 2 m，與濾池合建。設反衝洗鼓風機 3 臺( 2 用 1 備) ，風量為 5 074 m /h，風壓為 0． 07 MPa，功率為 160 kW。
設空壓機 2 套，風量為 0． 84 m3 /min，風壓為 0． 7 MPa，功率為 5． 5 kW，配套冷幹機、儲氣罐等。
⑤ 碳源投加系統
新建儲液池，設投加泵 2 臺，互為備用，流量為1 500 L /h，壓力為 0． 3 MPa，功率為 0． 75 kW，分別投加至東西兩側碳源混合池。
⑥ 控制系統
每格濾池設置 5 個氣動蝶閥/閘門，分別為進水閘門、出水調節蝶閥、反衝洗進水蝶閥、反衝洗空氣蝶閥、廢水蝶閥。反衝洗水泵出口總管設置 1 個調節蝶閥，反衝洗鼓風機出口總管設置 1 個電動放空閥。系統內主要儀表包括: 進水流量計、反衝洗水流量計、超聲波液位計、進出水硝酸鹽分析儀、進水溶氧儀，以及配套所需的壓力開關和液位開關等。濾池配套 1 個主控櫃，防護等級 IP55，含 PLC 及人機界面，用於控制濾池運行，包括反衝洗鼓風機、反衝洗水泵、廢水泵及所有自動控制閥門和儀表。
3 運行效果及分析
3.1 調試啟動
該工程於 2017 年 12 月建設完工，12 月底正式進入調試運行階段。初期進水量為 12 × 104 m /d， 以 8 格運行。調試階段正值冬季，啟動初期水溫為10 ～ 12 ℃，進水 DO 為 8． 5 ～ 9． 7 mg /L，SS 較低，為 3 ～ 14 mg /L，COD 為 15． 2 ～ 44． 2 mg /L，平均值為24． 6 mg /L。啟動方案有兩種: ①採用汙泥接種，降低濾池的液位至砂面上 300 ～ 500 mm，連接汙泥泵和軟管後，開啟汙泥泵，首批投泥; 將二沉池汙泥分別投加到每格濾池作為接種汙泥，並通過曝氣使汙泥均勻分布。②當水質濃度較低或外部因素受限時，採用自然培養掛膜的方式，依靠前端二沉池出水SS 所攜帶的微生物完成汙泥培養及積累，在啟動的前 2 ～ 3 天，系統可超越磁混凝沉澱池運行或者暫停混凝加藥。方案①接種生化汙泥，在缺氧環境下可能出現釋磷現象，存在磷超標的風險。因此，該工程採用自然培養的方式掛膜，依靠前段出水 SS 所攜帶的微生物完成汙泥培養及積累，培養反硝化細菌。
根據水量和進水中硝酸鹽濃度，計算醋酸鈉投加量( Q) 。啟動時，先按 25% Q 投加碳源( 20% 的醋酸鈉) 。由於濾池初期無反硝化效果，在這個階段出水 COD 會有所上升，但因少量投加醋酸鈉， COD 濃度上升不明顯，不致引起出水有機物超標。每天早晨 8 點取樣，根據出水硝酸鹽濃度逐步提高碳源投加量。在冬季建議投加比例分別按 45% 、 65% 、85% 和 100% ，略微過量供給，以促使反硝化細菌儘快佔據主導地位。
3.2 微生物特徵
生物培養馴化 過 程 中 採 用 雙 目 生 物 顯 微 鏡( XSP － 4C) 鏡檢。在反衝洗過程中，氣水衝洗約 10 min( 2 /3 進程) 時取反衝洗廢水鏡檢。培養初期( 第 1 周內) 汙泥鏡檢圖片見圖 1。鏡檢發現菌膠團、微生物種類和數量較少，只能看到少量扭頭蟲、楯纖蟲，偶爾發現 1 ～ 2 只線蟲。
2 周后，出水硝酸鹽濃度呈降低趨勢，在碳源供給穩定的情況下，一旦反硝化效果產生，脫氮效果增長明顯，2 ～ 3 d 內趨於穩定。培養後期的汙泥鏡檢結果見圖 2。
由圖 2 可以觀察到，隨著調試的進行，首先是絲狀菌大量出現，再逐漸出現原生動物和後生動物，如累枝蟲、鍾蟲、輪蟲、線蟲等，微生物種類豐富，對照硝酸鹽的去除效果，說明系統已具備反硝化功能。後期運行期間也發現，當系統受到外界衝擊時，微生物種群特徵變化，菌種種類和數量減少，特別是絲狀菌明顯減少。這種情況也與劉凱等的研究報導一致。絲狀菌作為反硝化作用的指示生物之一，既有助於其他菌落圍繞其生長，也能依靠菌絲體的交織作用增加膜塊的機械強度。因不同的汙水處理廠水源水質的差異，主要微生物種類也存在較大差異，應按照全廠構築物的流向進行觀察，尋找優勢種群的生態演替規律，指示系統運行的狀態和判斷處理效果。
3.3 溶解氧的變化
採用 HACH HQ40d 溶解氧分析儀，浸入式檢測濾池內 DO 的變化情況，分別測定 2#、10#濾池進水渠內、濾池內( 高低液位及砂面) 、清水池內幾處，其中高液位為液面淹沒進水堰堰口( 距濾料頂 1． 75 m) ，低液位為經出水調節閥調節後的最低液位( 距濾料頂 1． 55 m) ，調試初期高低液位波動為 ± 0． 1 m。1 月—2 月水溫維持在 11 ～ 13 ℃，2#、10#濾池DO 濃度相近，進水渠內、濾池內高低液位的 DO 變化範圍依次為 8． 47 ～ 9． 31、8． 49 ～ 9． 63、8． 46 ～ 9． 48 mg /L，且高低液位的 DO 無明顯變化。許多研究認 為，應控制恆液位避免跌水而產生二次充氧。而上述數據與現有研究結果不同，分析因進水 DO 接近飽和，此階段跌水對 DO 影響較小。
圖 3 為濾池內 DO 的變化情況。通過對比發現啟動初期清水池 DO 略降低，約為 6 ～ 8 mg /L，此時進、出水 NO －3 － N 無明顯變化; 隨著清水池 DO 逐漸降至 3 mg /L 以下，進、出水 NO －3 － N 呈下降趨勢;當清水池 DO ＜ 1 mg /L 時，系統對 NO －3 － N 的去除趨於穩定。按設計規範，活性汙泥法缺氧反硝化要求 DO ＜ 0． 5 mg /L，而在實際反應中，由於汙泥顆粒尺寸較大，沿粒徑方向存在 DO 濃度梯度，故反硝化對 DO 的要求顯著降低。但當同時存在分子態氧和硝酸鹽時，氧會與硝酸鹽競爭電子供體，DO 會優先消耗掉碳源有機物，造成無效的藥耗，且不利於反硝化菌的優勢生長，並且可能使反硝化反應集中在填料區後段，從而造成反硝化濾池空間利用不足，影響脫氮效率。
3.4 系統運行效果
經連續運行，系統整體、各子系統和設備運行正常，穩定可靠。主要監測項目有進、出水的 COD、SS、 TP、TN、NH3 － N、NO－3 － N、NO－2 － N 等，出水水質穩定達到且優於一級 A 標準。2018 年 3 月主要水質指標變化如圖 4 所示。
由圖 4 可見，系統對 NO－3 － N、 TN 具有非常穩定的去除效果，出水 TN 穩定在 ＜ 10 mg /L。
穩定運行後，初期水量為 12 × 104 m /d，以 8 格運行; 反衝洗頻率每 48 h 一格; 驅氮頻率為每 3 ～ 4 h 一次; 碳源採用 20% 的乙酸鈉溶液，自動投加，投加比率為 6 ～ 11; 碳源前饋計算依據為( 進水硝態氮－ 目標硝態氮) × 投加比率/碳源濃度 × 進水流量/密度; 碳源後饋計算依據為比較出水硝態氮和目標硝態氮，系統自動調整投加比率。
3.5 技術經濟分析
該工程投資為 2 012 萬元，主要直接運行費用包括電費、藥劑費、人工費。其中，系統裝機容量為668 kW，電耗為 0． 006 2 kW·h /m，電價按 0． 76 元/( kW·h) 計，則電費為 0． 004 7 元/m。藥劑主要為 20% 的乙酸鈉溶液，用量平均為 0． 58 t /d，單價按 1 500 元/t 計，藥劑費為 0． 00 73 元/m。運行管理依託廠內現有定員，故人工費未單獨計算。該工程新增的直接運行費用為 0． 012 元/m。
4 技術難點分析
① 濾池單格面積大，安裝精度要求高。濾池單格面積與池型、生產規模、操作運行方式等有關，也與濾後水匯集和衝洗水分配的均勻性有較大關係。從運行經濟性和反衝洗均勻性方面考慮，單格濾池面積一般不宜大於 100 ㎡。從土建、設備等方面綜合考慮，該工程單格面積為 111． 02 m2，尺寸為22． 75 m( 長) × 4． 88 m( 寬) 。為了保證布水布氣的均勻性，安裝精度要求高，空氣支管管頂位於濾磚 2個配氣孔之間，空氣主管安裝偏差在 ± 3 mm 範圍內，單條濾磚長度方向水平度偏差為 ± 3 mm，整格濾磚水平度偏差不超過 ± 6 mm。
② 下向流的濾池由於進水渠起始端和末端水位的差異，以及受土建施工精度影響，常存在內部配水不均勻的問題，容易導致局部水質穿透。採用兩側對稱布置，因廠區佔地受限，從前序單元的出水總渠由兩路管道分別向兩側進水，更增加了進水分配的難度。單格濾池進水槽設置可調整高度的堰板，槽縱向堰頂水平偏差為 ± 1 mm，池與池之間堰頂豎向偏差為 ± 2 mm，進水後再根據所有濾池的進水速度微調，以保證進水流量均衡。在實際運行過程中，由於進水水量的波動，特別是在小流量時，單格流量不能完全均勻，因此考慮後期在每格濾池進水閘門之後增設一道堰板，作為一級布水堰板，在進水渠道內進一步削弱水流的動能，促使水流分布更為均勻。
③ 反硝化最合適的溫度為 20 ～ 40 ℃，低溫會降低反硝化細菌的繁殖速率和代謝速率，溫度 ＜ 15 ℃反硝化速率明顯降低，在 5 ℃ 以下時反硝化速率極低，不到 30 ℃ 條件下的 1 /7［4，10］。該工程的系統調試啟動期正好在冬季，進水水溫較低( 10 ～ 12 ℃ ) ，處於反硝化細菌生長溫度的低限，成為影響微生物培養周期的主要問題。調試階段濾池實際進水負荷較低，選用自然培養的方式，啟動周期相對較長，在前 2 周內基本上未出現明顯的反硝化效果，2周後反硝化效果逐漸明顯並穩定。
④ 由於進水溶解氧過高，會增加碳源的用量。在調試期間，追蹤了從二沉池到清水池的溶解氧濃度變化情況( 見表 2) 。
由表 2 可知，受前端生化池的影響，二沉池出水DO 已高於 4 mg /L，且波動較大，經過提升泵提升後DO 達到 6 ～ 8 mg /L，再經後續單元逐級升高，造成濾池進水 DO 居高不下。在後期將考慮優化前端工藝，控制溶解氧的升高。建議設計階段在全廠系統內考慮溶解氧的變化，而不僅從濾池單元考慮。
為了降低水頭跌落對充氧的影響，在反硝化濾池中普遍採用恆液位的運行模式，而控制恆液位要求液位和出水調節閥開度之間實時響應，這對液位計的精度和靈敏度，以及閥門動作速度和閥板動作次數都提出了更高要求，需要在運行成本和設備壽命之間綜合考慮。
5 結論
① 上海某城鎮汙水處理廠提標改造工程採用反硝化濾池，脫氮效果顯著，直接運行費用 為0． 012 元/m，能穩定實現出水總氮指標達到並優於一級 A 標準。
② 在冬季低溫條件下採用自然培養汙泥的方式調試，約 2 周后反硝化效果逐漸顯現並在 2 ～ 3 d內趨於穩定。微生物特徵變化明顯，直接反映系統運行狀態，建議作為日常運行必要的檢測項目。
③ 觀察濾池進、出水 DO 變化，有助於了解反硝化的運行環境。通過優化控制全廠系統內 DO，從而降低濾池進水 DO，對反硝化的經濟運行具有重要意義。
④ 在長期運行過程中，需要運營人員積累運行數據，分析濾池的運行狀態，在保證系統出水各項水質指標的前提下，對反洗周期、碳源投加量等重要運行參數進行調整，摸索系統在不同工況、不同季節下的最佳運行參數，進一步降低處理能耗。
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