针对浙江绍兴柯桥江滨污水处理厂气浮池出水TN难以达标的问题，提出采用高滤速、低滤层的反硝化生物滤池（DNBF）中试装置进行深度脱氮处理。考察了上升流速、碳氮比及碳源种类对DNBF脱氮效果的影响。结果显示：历时14 d即完成滤池的挂膜启动，滤速以18～19 m/h为最佳，投加C/N以3.92～4.17为宜；相对于乙酸钠，甲醇为碳源时，COD出水低于进水的概率更高，调控全过程中出水TN均达标排放。为实际污水厂的提标改造和反硝化深度脱氮工艺提供了参考。

关键词: 

         高滤速;低滤层;反硝化生物滤池;碳源;C/N比

         近年来水体富营养化问题日渐突出，我国对于氮磷的排放标准也变的日趋严格。目前我国城镇污水处理厂的出水严格执行“一级 A”的排放标准，但对于一些污水处理厂出水 TN无法达到排放标准亟需通过污水处理厂的升级改造对污水厂二级出水进行深度处理。

         反硝化生物滤池（DNBF）是一种常见的生物处理工艺，广泛应用于城市污水处理厂二沉池出水的深度处理过程中。目前很多研究者对于DNBF脱氮性能的探索多集中于低滤速、高滤层，而对于高滤速、低滤层 DNBF 脱氮性能的探索却很有限。

         一般来说较低的上升流速能够增加微生物与硝态氮的反应时间，提高 DNBF 反硝化脱氮效果，但是较低的上升流速也会降低系统的处理能力，导致系统的剪切力不足，老化的微生物不能及时脱落更新，造成填料板结，从而降低系统脱氮除碳的性能，增加系统的水头损失。在不影响系统脱氮的基础上降低DNBF的滤层高度可以明显减少水头损失所造成的附加成本。因此，探究低滤层，高滤速下的反硝化脱氮工艺具有极为重要的意义。

         基于此，本研究针对柯桥江滨污水处理厂气浮池出水 TN无法达标的问题，提出采用高滤速、低滤层的 DNBF 中试装置对气浮出水进行深度脱氮处理，使出水水质满足排放标准。传统的 DNBF 装置滤料层厚度在 3～4 m之间，本实验的 DNBF中试装置滤料层厚度仅为2.5 m，不仅可以减少运行成本而且可以增加装置的日处理量。本实验的主要研究内容有：1）以气浮出水作为 DNBF 进水，考察不同上升流速对 DNBF脱氮性能的影响；2）考察有机碳源种类、投加量对 DNBF 脱氮性能的影响。通过调整运行参数确定最佳运行工况，在保证出水达标的前提下，为柯桥江滨污水处理厂提标工程设计提供参考依据，也为促进该工艺在污水提标工程中得到广泛应用提供理论基础和技术支持。

1      材料与方法

1.1   实验装置与材料

        DNBF 工艺流程图如图 1 所示，滤池规格尺寸为 1.00 m×0.80 m×5.05 m，铸铁材质，具有很高的强度和很好的稳定性，反应器表面涂满绿色防腐漆。

         

       反应器由下而上分别为配水室、承托层（粒径为 8～32 mm 的鹅卵石）、滤料层（粒径为 3～5 mm 的球形轻质多空滤料）、清水区、排气室，高度分别为 1.10、0.30、2.50、0.60、0.55 m，滤料体积为2 m3。实验原水先从储水桶中抽至反应器底部的配水室；然后通过承托层底部的长柄滤头将原水均匀的分配至滤池；原水通过承托层进入滤料层进行反硝化脱氮反应；最后反应出水通过清水池排水管排出，反应产生的气体通过顶部排气管排出。实验中所用碳源为工业级乙酸钠（58%～60%）和甲醇。

1.2   实验用水和测试方法

        实验以柯桥江滨污水处理厂气浮池出水为原水，采用上流式反硝化生物滤池专利装置进行 TN提标中试研究，进水水质如下：pH 为 5.39～6.86，COD 为 144～237 mg/L，TN 质量浓度为 18.7～44.8mg/L，DO含量为3.0～8.0 mg/L。

         具体指标的检测方法：DO，电化学探头法（GB11913－89）；水温，温度计；pH，pH 计；COD，重铬酸钾法（GB 11914－89）；TN，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636－2012）。

1.3   实验条件及运行工况

        考察不同上升流速、碳源种类及碳源投加量对DNBF 去除污染物效果的影响，通过调节系统的运行参数，在保证出水中COD不上升的条件下实现出水 TN 小于 15 mg/L，满足出水 TN 的排放要求。装置平均进水温度为 20 ℃。实验期间每天取样 2次，时间为早上7点和下午5点，分别从储水桶和反应器出水口进行取样，每次用取样器取样 500 mL，取样后立即送至厂区内化验室进行常规检测分析。如表1所示，本实验工况分为 6个，工况 1～4考察不同上升流速下系统对污染物的去除表现；工况5～6考察不同碳源及不同碳源投加量条件下滤池对污染物的去除表现。其目的是使TN浓度出水浓度降低至15mg/L 及以下，同时尽可能保证出水 COD 不高于进水COD。
         

2       结果与讨论

2.1    不同滤速对进出水脱氮效果的影响

         图2反映了不同滤速对脱氮效果的影响。由于实验采用的原水为实际工艺水，因此进水波动较大。

          

         由图可知，滤速在 12～19 m/h范围时，在进水 TN质量浓度波动较大的情况下，出水 TN 仍全部达标排放（TN≤15 mg/L），反硝化生物滤池展现出了良好的脱氮效果和较强的抗冲击负荷能力，完全可达到处理要求。最佳的滤速为 18～19 m/h，在此段高滤速下，反硝化对氮的去除量保持在较高的水平，这与传统观念中认为高滤速导致接触不充分进而影响脱氮效果的这一观点有着明显的不同。且在滤速为 19m/h时，反硝化微生物在进水为弱酸条件，脱氮受到一定抑制的条件下，滤料最高的实际处理负荷达到5.9 kg NOx-N/（m2滤料·d），结果表明：滤料性能表现尤为优秀，在一定的工艺条件下，高滤速仍可达到不错的去除效果，这对于污水厂的提标改造具有一定的借鉴意义。值得注意的是，出水 TN 浓度虽然均低于排放标准，但靠近排放限值线的数值仍有一定比例，具有 TN超标排放的风险，因此需要继续调控工艺条件以期使出水 TN质量浓度维持在较低的水平，且稳定不反弹。

2.2   不同滤速对进出水COD的影响
        
        

        由图3、图4可知，滤速在12～18 m/h范围时，滤池出水COD大都小于进水COD，滤速在19～20 m/h范围时，滤池出水 COD 大都高于进水 COD，但两者差值也在 5～20 mg/L 以内。从差值覆盖率的角度来 看 ，滤 速 在 12～19 m/h 范 围 时 ，DNBF 进 出 水COD 差值≤10 mg/L 的概率为 90%，DNBF 进出水COD差值≤0 mg/L的概率达60%，最高在16 mg/L范围以内。由此可见，本实验探究的滤速下COD的浮动并不大。进出水 COD 差值升高原因分析：1）进水 pH 为弱 酸 ，pH≤6.4 的 概 率 为 80%，pH≤6.0 的 概 率 为32.3%，最低进水 pH 为 5.39。根据姜体胜 等 的研究表明：当pH≤6.0时，反硝化受到强烈抑制；在pH=5 时，会破坏细胞结构，出现解絮现象，进而影响反硝化过程的进行；2）现场监测数据为第一天早晚取样，第二天反馈至中试人员，监测数据-反馈数据具有延后性，进水浓度在不断变化，中试人员有时不能及时调整加药量，一般1～2 mg/L的TN，即会影响4～10 mg/L的COD；3）药剂和进水混合均匀性问题；主要原因为 1）和 2）。针对问题 2），后期工程设计时，采用了独有的硝态氮及加药 COD 在线联动系统，可实现精准加药控制，能解决此问题。

2.3   不同碳源对COD及TN的去除效果

      

        图 5 反映了不同碳源对进出水 COD 差值的影响。可以看出，在滤速为 12～13 m/h 时，采用乙酸钠和甲醇为碳源，出水 COD 大都不高于进水 COD；当滤速为 19～20 m/h 时，相对于乙酸钠，甲醇作为碳源时，出水 COD 低于进水 COD 的概率更高。由此可见，在本实验的高滤速条件下，采用甲醇为碳源更具有优势。

        

          图6反映了不同碳源对脱氮效果的影响。总的来说，滤速在 12～20 m/h 范围时，采用乙酸钠和甲醇为碳源均可保证出水 TN达标排放。即使在进水TN质量浓度有较大波动的情况下，两者的出水都维持在一个相对稳定的区间。与乙酸钠相比，甲醇为碳源时具有更好的 TN 去除效果。在甲醇为碳源时，进水 TN浓度均高于乙酸钠为碳源时进水TN质量浓度的情况下，甲醇出水平均 TN 质量浓度比乙酸钠更低。

         分析认为，甲醇是易降解的碳系小分子，以甲基作为碳源，而乙酸钠中仅有甲基可利用为碳源，羧基被微生物生长利用，因此甲醇的反硝化速率大于乙酸钠。刘秀红 等 从微观的角度对两种碳源滤膜表面的微生物种群进行观察，发现甲醇为碳源时可明显观察到杆菌之间由粘性物质互相粘接在一起；以乙酸钠为碳源的生物膜表面有大量的粘性物质，将放大倍数提高到4 000倍时，由于粘性物质分泌过多，未明显观察到生物膜表面生长微生物。微观条件下微生物种群的差异可能是导致其各自处理效果差异的主要原因。需要注意的是以甲醇为碳源应采用逐渐增加投加量的方式运行，以使微生物逐渐适应以甲醇为碳源，待滤池运行稳定后，再考察滤池的反硝化效果。与甲醇做碳源相比，乙酸钠的投加量较大，投加成本高。综合经济成本和处理效果考虑，以甲醇为反硝化反应的外加碳源为第一优选方案，而从安全性考虑，乙酸钠是更为合适的外加碳源。

          当前，国内绝大多数的市政污水处理厂面临着必须投加碳源和碳源成本高的现实，如何做到减少碳源投加和降低碳源成本，是污水处理行业面临着的共同问题。

2.4 实际最佳消耗碳氮比分析

        

          由图8可知，中试期间，所有出水TN都达标，达标率为100%。实际消耗BOD（投加碳源）/去除总氮关系范围为 3.92～4.17，覆盖的概率为 95%。这比前人研究中提到的甲醇为碳源时的理想 C/N 比 4.3～4.7 要低，可能原因是进水中存在少量的碳源，可用于反硝化脱氮的使用。

         理论上，增加碳氮比有利于反硝化效果的提升，碳源不足容易导致出水总氮超标，影响处理效果；另一方面，碳氮比的增加不仅会增加运行成本，而且还会造成出水碳源指标的提升，使得出水无法合格排放。因此，研究最适碳氮比具有极为重要的意义。

         本实验在保证出水指标的基础上寻求较低的碳氮比，在一定程度上可缩减运行成本。值得注意的是，部分条件下出水TN值有贴近限值15 mg/L的趋势，因此还存在出水 TN 超标的风险，应实时进行监控与防范。

2.5     提标改造取水点的位置选择及分析

         工程建设的反硝化滤池进水点建议取在滤布滤池后段，而非臭氧出水后段，位置选择理由如下：一、臭氧出水端作反硝化取水水源的缺点：1）臭氧氧化池出水的溶解氧通常可高达20～30 mg/L，导致缺氧反硝化生物滤池进水溶解氧过高，严重限制系统有效反硝化滤池容积，同时溶解氧会消耗大量外加碳源，进而影响滤池的脱氮能力；2）中试数据表明：反硝化滤池的进水 COD 几乎不可利用，若放置在臭氧出水后段反硝化，无其它后段处理构筑物的情况下，不能很好的保证污水处理厂的出水COD是达标排放的；3）臭氧反应可进一步降低废水的 pH，原本滤布滤池的出水处于弱酸性，不利于后段反硝化微生物的生长代谢。二、滤布滤池出水作取水点好处：滤池反硝化产碱，提高滤池出水的 pH，高 pH废水有利于提高臭氧的氧化效率和臭氧的利用率。
 

3      结 论

       1）采用高滤速、低滤层的方法可有效升级污水处理反硝化脱氮工艺，使得出水总氮满足排放标准。实验采用2.5 m高的滤料层，历时14 d即完成滤池的挂膜启动，在 18～19 m/h 的较高设计滤速下，反硝化脱氮效果最佳，出水 TN 浓度均达标排放。经过半年的稳定运行，DNBF均保持良好的脱氮效果（达标率 100%），此外 DNBF 还展现了较强的抗冲击负荷能力。

        2）整个运行过程中，滤池进出水 COD 差值较小，出水COD上升量和上升概率较小。在不同的实验滤速范围内，DNBF进出水COD差值≤10m g/L的概率为90%，且最高不超过16 mg/L。为确保碳源满足脱氮处理要求，投加 BOD5/去除 TN 以 3.92～4.17为宜，在此区间的覆盖率达 95%。；碳源优选顺序为甲醇、乙酸钠。

 

 

原标题：高滤速、低滤层下的反硝化深度脱氮研究

原作者：王萱，郑俊，张德伟