污水处理反硝化滤池的应用综述

时间：2024-07-28

余琴芳，余太平，杜敬，镇祥华

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；2.长江生态环保集团有限公司，湖北武汉 430010；3.武汉市城市排水发展有限公司，湖北武汉 430010)

2015年发布的《水污染防治行动计划》要求现有城镇污水处理设施因地制宜进行改造，敏感区域的污水处理厂全面达到一级A排放标准，其中总氮(TN)≤15 mg/L。一些地区/流域还发布了更严格的地方标准，如北京、天津、湖南、安徽巢湖地标的最高级别标准要求TN≤10 mg/L，昆明地标的最高级别标准要求TN≤5 mg/L，某些工程甚至需要达到地表IV类水质标准TN≤1.5 mg/L。反硝化滤池是实现高TN排放标准的有效途径。反硝化滤池占地小、具有较好的脱氮效果和过滤性能，已成为城镇污水深度处理领域研究和应用的热点，近年来在污水处理厂提标改造和再生水处理利用中广泛应用。我国污水处理厂生物处理段工艺多采用活性污泥工艺，但某些污水处理厂用地不足，生物滤池因其占地小也在二级生物处理中和硝化滤池串联使用。

国内外关于反硝化滤池的研究和应用案例很多，包括脱氮机理和微生物群落研究[1-3]，C/N、水力停留时间、温度等因素对脱氮的影响[4-8]，不同类型滤料和碳源的脱氮效果等[9-11]。反硝化滤池在污水处理厂提标改造中的应用案例很多，采用反硝化滤池提标至一级A标准，调试中可达到TN≤5 mg/L[12-15]。虽然已有一些研究和应用，但反硝化滤池的动力学尚不明确，其对工程应用具有很大的指导意义；滤池的滤料种类繁多，仍需探索更经济高效的滤料，以及不同脱氮目标下的最适宜滤料；工程应用中反硝化滤池跌水充氧现象严重，外加碳源的混合效率也有待提高。反硝化滤池虽然占地小且脱氮效果好，但其对进水SS要求较高，需前处理设施，进水一般需要泵提升，需要定期反冲洗。武汉某污水处理厂一、二期采用氧化沟工艺，三期采用“前置反硝化滤池+硝化滤池+后置反硝化滤池”生物滤池工艺；2种工艺进水水质基本相同(进水TN为20～50 mg/L，均值为30 mg/L，进水BOD均值为90 mg/L)，出水执行一级A排放标准；一、二期无需外加碳源可达到TN≤15 mg/L的标准，四期不外加碳源时，TN只能达到17～22 mg/L，均值为19 mg/L，四期需要外加COD当量约50 mg/L的乙酸钠碳源去除TN约8 mg/L才能使TN稳定达标，且生物滤池工艺每天需要反冲洗，与活性污泥工艺相比，生物滤池工艺运行管理更复杂且成本更高。

本文对城镇污水处理厂反硝化滤池的研究和工程应用进行调研总结，分析不同应用场景下的主要设计和运行参数，以期为城镇污水处理厂反硝化滤池的设计及运行提供依据。

1 反硝化滤池概述

1.1 原理

滤料是生物滤池工艺的重要组成，是生物膜的附着场所，可以影响生物量，从而影响脱氮负荷和效果。反硝化生物滤池滤料多采用陶粒和石英砂[9,16]。反硝化脱氮需要消耗有机物，是生物脱氮的另一个重要因素，通常来源于废水中可生物降解的有机物，但废水中有机物不足时，外加的碳源物质常用乙酸钠、乙酸、甲醇等，COD/N是决定脱氮效果的重要因素[5,17]。根据过滤流向，反硝化滤池分为上向流和下向流滤池，2种形式各有优劣及适用场景。

1.2 滤池种类与相关规程

表1 标准规范中反硝化滤池主要设计参数Tab.1 Main Design Parameters of Denitrification Filter in Standards

1.3 工程应用

调研反硝化生物滤池的工程应用案例，一级B出水标准的污水处理厂采用生物滤池工艺的主流程一般为“反硝化生物滤池+曝气生物滤池”或“曝气生物滤池+反硝化生物滤池”，一级A出水标准的污水处理厂主流程一般为“活性污泥法生物池+反硝化滤池”和“前置反硝化生物滤池+曝气生物滤池+后置反硝化生物滤池”，苏伊士的陶粒生物滤池和威立雅的聚苯乙烯轻质滤料滤池应用最多。调研反硝化深床滤池工程应用案例，为使出水达到一级A标准，其在二级生物处理工艺后增加“反硝化深床滤池”进一步去除SS，低温时通过外加碳源和微絮凝过滤保证TN、SS、TP同时稳定达标[12-13,15]。

一级A排放标准的污水处理厂再次提标，对TN的去除一般再增加反硝化生物滤池，通过投加碳源甚至能将TN降至1.5 mg/L以下。南京某中水回用项目在一级A出水后增加反硝化生物滤池，要求水温>12 ℃时TN≤5 mg/L，水温<12 ℃时TN≤8 mg/L；实际运行数据表明，通过碳源投加能使出水TN稳定达标[21]。近几年，作者单位进行了一系列深度脱氮的中试试验，试验以一级A污水厂的二级生物处理出水为原水，考察反硝化滤池的效果，冬季(水温为13～17 ℃)在武汉某污水处理厂的试验中，反硝化滤池进水TN为8.9～14.8 mg/L，投加COD当量为60 mg/L的乙酸钠能使TN稳定在5 mg/L以下；夏季(温度为25～30 ℃)在珠海某污水处理厂的试验中，反硝化滤池进水TN为11.0～15.8 mg/L，投加乙酸的COD当量为60 mg/L，能使出水TN稳定≤1.5 mg/L。

2 滤料

反硝化生物滤池设计时，面临滤料种类、滤料粒径、填装高度的选择。滤料的主要作用是生物载体和过滤拦截SS，密度、粒径、比表面积等都是重要因素，现使用较多的是陶粒和石英砂，陶粒的比表面积远大于石英砂，但是石英砂的过滤效果更好，因此有更好的SS和TP去除效果。除此之外，也有生物滤池使用聚苯乙烯(表观密度为0.2 g/cm3)轻质滤料。

2.1 不同滤料反硝化滤池

上述研究表明，在脱氮效果方面，陶粒滤料优于石英砂滤料，二者的差异大小与外加碳源的种类有关，陶粒滤池对碳源的利用率更高。陶粒滤池出水TN可达到1.5 mg/L以下，而石英砂滤池在不同的研究中其出水TN分别可达到3 mg/L以下和4～7 mg/L。陶粒和石英砂滤池反冲洗周期的差别与滤池进水水质有关，进水为滤池出水SS较低时，二种反冲洗周期差别不大。

2.2 滤料与脱氮要求

根据不同滤料反硝化滤池的研究，陶粒滤池出水TN更低，要达到非常高的出水TN标准，如TN≤3 mg/L或1.5 mg/L，采用陶粒滤料更有保障，现有工程暂不需要达到如此高的标准。

2.3 滤料选择的建议

对于滤料的选择，应综合考虑其脱氮要求、进水SS与反冲洗频率等因素。工程案例调研发现，设在预处理工艺后的二级处理前置反硝化滤池一般选用粒径为6～9 mm或4～6 mm的陶粒生物滤池；深度处理后置反硝化滤池一般选用粒径为3～5 mm的陶粒生物滤池，或粒径为1.5～3.5 mm的石英砂深床滤池。陶粒滤池后一般设有高效沉淀池，石英砂滤池可作为消毒前的最后一级工艺。建议二级处理采用反硝化生物滤池，选择陶粒滤池；深度处理采用石英砂滤池。陶粒有较大的比表面积来培养附着微生物膜，而石英砂滤池的生物量有限。一般采用反硝化滤池时，需要去除的TN>10 mg/L，为保证反硝化效果不宜采用石英砂滤料。但是，同时对TN、SS、TP的去除均有较高要求，且TN出水标准为一级A时，宜选用石英砂滤料，可分别通过碳源投加、过滤和微絮凝过滤同时完成TN、SS、TP的去除。相同滤床深度的情况下，采用石英砂滤料，其出水SS优于陶粒。

3 碳源

除了二级处理前置反硝化滤池可利用污水中的碳源外，一般反硝化滤池均需外加碳源，碳源选择与投加量是反硝化滤池工艺的重要参数。

3.1 不同碳源

综上，甲醇为外加碳源时消耗的COD/N为3.5～5.5，乙酸/乙酸钠为外加碳源时消耗的COD/N为3.4～7.3，葡萄糖为外加碳源时消耗的COD/N为7.0～9.7。不同碳源去除单位氮消耗的COD/N不同，同一种碳源在不同条件下所需的COD/N也存在不同。在实际工程中，某种碳源的选择需综合考虑处理效果与运行成本，投加量需根据出水TN标准、进水DO浓度、水力负荷、温度等因素综合确定，减少跌水充氧是减少碳源用量的有效途径。

3.2 新型碳源和新型技术

基于巨大的碳源市场，一些生物公司开始研发高效复合碳源，如公司A的生物发酵复合碳源，以多种农业生物质为原料，利用特定酶进行水解发酵后提纯浓缩，再通过复配形成高效碳源；公司B的多核复合型碳源，以淀粉为底物水解并添加益生因子等，形成的由多种低分子糖、酸、醇和微生物益生因子组成的多核复合型碳源。市面上复合碳源专利产品的核心为不同分子量及结构的碳源组分和微生物益生因子，声称在使用中能够提高反硝化菌群的多样性和活性，从而提高脱氮效果，降低运行成本。

除了有机碳外，硫也能作为反硝化脱氮的电子供体[26]。研究提出的活性自持深度脱氮技术，是一种非碳源依赖污水脱氮技术，利用复合活性生物载体为脱氮微生物提供多元电子供体，复合生物载体由硫、天然矿物、电子介导体、生物促生剂等组成。某污水处理厂应用该技术，将深床反硝化滤池滤料更换为该复合填料，摆脱了对碳源的投加依赖。

3.3 碳源选择的建议

传统碳源与新型碳源的性质及成本如表2所示。甲醇、乙酸、乙酸钠的脱氮效果均很好，乙酸钠虽然药剂成本最高，但现今仍然是污水处理厂使用最广泛的碳源。甲醇药剂成本低，脱氮效果好，但甲醇易燃、易爆，其运输、储存、投加有特殊要求，建设成本会较高，且一旦管理不当发生爆炸事故，后果不堪设想，使用甲醇时需综合考虑甲醇运输路线、管理水平等因素。乙酸的凝固点低至16.6 ℃，冬季低温会凝固，适合温度高的南方城市使用。葡萄糖药剂成本较低，但脱氮效果相对较差，污泥产量高导致反冲洗周期短，执行一级A排放标准的污水处理厂若对反硝化滤池脱氮负荷要求不高，碳源投加量较少，可以选择投加葡萄糖。而对于某公司的专利产品，其价格相对于乙酸钠有一定的优势，但其应用还不够成熟，且专利产品采购来源受限。

表2 不同外加碳源的性质及成本Tab.2 Characteristic and Costs of Different Carbon Sources

4 过滤流向

4.1 不同流向的滤速

《脱氮生物滤池通用技术规范》(GB/T 37528—2019)[19]建议：上向流反硝化生物滤池平均滤速宜为10～15 m/h，滤料表观密度宜≥1.4 g/cm3，滤料填装高度宜≥2.5 m；下向流反硝化生物滤池平均滤速宜为5～8.5 m/h，滤料表观密度应≥2.5 g/cm3，滤料填装高度宜≥1.8 m。这表明，上向流滤池可采用更高的滤速，滤料可采用陶粒、石英砂等，而根据密度的要求，下向流滤池应采用石英砂滤料。

4.2 反硝化滤池代表工艺

工程应用中，几种典型的反硝化滤池代表工艺如表3所示。苏伊士Biofor DN生物滤池采用上向流，滤料为专利滤料Biolite(进口火山岩，粒径为2～6 mm)，滤料高度可达4 m，滤速可高达27 m/h，武汉某污水处理厂采用该工艺设计滤速22 m/h；威立雅Biostyr DN生物滤池采用上向流，根据应用场景滤速可为6～30 m/h，滤料为聚苯乙烯轻质滤料，属悬浮滤料，存在滤料流失的风险，反冲洗采用向下的重力反冲洗，节省能耗。迪诺拉STS/Tetra反硝化深床滤池采用下向流过滤，填装1.8 m厚的粒径为2～4 mm的石英砂，滤速为5～10 m/h；赛莱默Leopold反硝化深床滤池采用下向流过滤，填装1.8 m厚的粒径为1.7～3.35 mm的石英砂；苏伊士的DeniforV深度脱氮V型滤池结合了Biofor生物滤池和V型滤池的优点，采用下向流过滤，滤料为粒径为2.0 mm或2.5 mm的专利滤料Biolite(进口火山岩)，填装高度为1.5～2.0 m，滤速为5～10 m/h；深圳清泉公司的上向流反硝化深床滤池采用上向流，填装3 m厚的粒径为2～4 mm的石英砂，滤速为6～9 m/h。综合这几家代表工艺，二级处理用反硝化生物滤池宜采用上向流过滤，其滤料填充高度更高，滤速高则占地小；深度处理用反硝化深床滤池一般采用下向流过滤，而深圳清泉公司的深床滤池采用上向流，相比于下向流深床滤池，其滤料填充高度更高，滤速也可更高。

表3 反硝化滤池代表工艺比较Tab.3 Comparison of Representative Processes of Denitrification Filter

4.3 过滤流向选择的建议

反硝化滤池的作用包括生物膜去除污染物和过滤去除悬浮物，主要作用是生物膜中微生物对污染物的去除，反硝化产生的氮气气泡可能会包裹滤料，上向流滤池水流可将附着在滤料上的气泡带走，有利于污染物与生物膜接触，从而被去除。下向流滤池由于水流向下，滤料的堆积更致密，过滤效果更好，出水SS更低，下向流滤池反冲洗周期一般短于上向流滤池，相对来说，上向流不易堵塞，进水SS和生物膜生长量是影响生物滤池运行周期的重要因素。反硝化滤池运行过程中，老化的生物膜会脱落，滤池本身的过滤作用会截留脱落的生物膜，上向流滤池的截留作用较差，水力负荷越大，其滤料微悬浮程度越大，滤料间空隙越大，悬浮物的截留效果越差，存在脱落生物膜进入出水导致水质变差的问题。

综上，反硝化滤池不同流向的选择应综合考虑滤池设置位置、污染物去除目标、水力负荷及其冲击情况等因素。反硝化滤池作为深度处理最后一级过滤时，宜采用下向流深床滤池，对TN、SS、TP均有一定去除要求，需去除的TN负荷宜<5 mg/L，若负荷更高，则污泥产生量更大，反洗周期频繁，同时下向流滤池应保障进水SS较低，从而减少反冲洗周期；若反硝化深床滤池采用上向流，滤速更高则节省占地，但上向流过滤效果上存在出水SS超标的风险。工程上，深度处理反硝化深床滤池采用下向流较多，近些年深圳清泉公司的上向流深床滤池也有一些应用。反硝化滤池作为二级处理的工程，一般采用上向流，可设计较高的负荷，从而减少占地，且上向流进水可带走气泡，无需驱氮。