北极星水处理网讯:摘要：在上海市水污染防治行动中，城镇污水处理厂出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB—)一级A标准，技术重点是实现总氮指标的控制。某城镇污水处理厂在提标改造工程中，深度处理采用反硝化滤池，总设计规模为24×m/d，其中设备结合实际运行情况按18×m/d规模配置。运行结果表明，系统对硝态氮、总氮具有非常稳定的去除效果，出水总氮稳定在10mg/L以下;滤池微生物群落特征和溶解氧变化，可以作为考察滤池运行状态的必要辅助。经估算，该工程新增的直接运行费用为0．元/m。
关键词：反硝化滤池;提标改造;总氮;微生物特征;溶解氧
为持续改善区域水环境质量，上海市于年—年实施了30余座城镇污水处理厂提标改造和新建、扩建工程，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB—)一级A标准，其重点在于氮、磷等污染物的深度处理。近年来，作为深度处理生物脱氮的重要工艺———反硝化滤池已在国内得到广泛应用。夏文辉等、严国奇等介绍了反硝化滤池在大型污水厂的设计、调试与运行情况，系统脱氮效果稳定。周晓黎等依托实验室反硝化生物滤池，研究了生物膜胞外聚合物(EPS)的空间分布特征，发现沿水流方向EPS含量呈先升高后降低的变化趋势，在滤料层中间段最高。但受多种条件影响，其实际处理效果报道不多，且较少结合微生物特征来判断运行状态。以某城镇污水处理厂工程为依托，探讨了反硝化滤池的调试运行情况，并提出设备选择的建议，旨在为该工艺的推广应用积累实际工程经验，为污水厂的运行管理提供参考。
1工程概况
上海市某城镇污水处理厂于年初开始实施提标改造工程，改造后主体工艺流程为“粗/细格栅—曝气沉砂池—初沉池—改良型Bardenpho—二沉池—磁混凝沉淀池—反硝化滤池—消毒池”，其中深度处理段“磁混凝沉淀池—反硝化滤池”为新增单体。反硝化滤池集生物脱氮和过滤为一体，结合传统过滤和反硝化作用，同时去除悬浮物和总氮。土建按远期24×m/d设计，共14格。近期运行按18×m/d，投产10格。滤池设计进、出水水质见表1(其中，设计最低水温为12℃，出水指标优于一级A标准)。
2主要构（建）筑物及设备配置
①反硝化滤池
磁混凝沉淀池出水总渠分两路管道进入反硝化滤池，滤池为东西两侧布置，每侧布置混合池，设置1台混合搅拌机，功率为5．5kW，用于快速混合碳源。滤池共14格，单格尺寸(L×B×H)为22．75m×4．88m×5．85m。池底安装高密度聚乙烯滤砖，作为配水布气系统，收集滤液至池底中央的集水槽;反冲洗过程中，均匀分布反冲洗气流和水流;同时作为滤料层的承载结构。由下至上布置承托层和石英砂层，规格依次为5层砾石(19mm×13mm、13mm×6mm、6mm×3mm、13mm×6mm、19mm×13mm)，以及石英砂层。石英砂粒径为1．70～3．35mm，均匀系数为1．35，滤层高度为2m，球形度＞0．8，莫氏硬度为7。
②反冲洗清水池
尺寸(L×B×H)为21．0m×9．0m×4．3m(有效水深为3．3m)，与清水渠连通。设反冲洗水泵(潜水泵3台，2用1备)，流量为m3/h，扬程为98kPa，功率为35kW。
③废水池
尺寸(L×B×H)为19．7m×9．0m×6．1m(有效水深为5．1m)，与清水渠连通。设置废水泵(潜水泵2台，1用1备)，流量为m/h，扬程为81kPa，功率为10kW。设潜水搅拌机2台，功率为4kW。
④鼓风机房
尺寸(L×B×H)为22．0m×9．3m×8．2m，与滤池合建。设反冲洗鼓风机3台(2用1备)，风量为m/h，风压为0．07MPa，功率为kW。
设空压机2套，风量为0．84m3/min，风压为0．7MPa，功率为5．5kW，配套冷干机、储气罐等。
⑤碳源投加系统
新建储液池，设投加泵2台，互为备用，流量为L/h，压力为0．3MPa，功率为0．75kW，分别投加至东西两侧碳源混合池。
⑥控制系统
每格滤池设置5个气动蝶阀/闸门，分别为进水闸门、出水调节蝶阀、反冲洗进水蝶阀、反冲洗空气蝶阀、废水蝶阀。反冲洗水泵出口总管设置1个调节蝶阀，反冲洗鼓风机出口总管设置1个电动放空阀。系统内主要仪表包括:进水流量计、反冲洗水流量计、超声波液位计、进出水硝酸盐分析仪、进水溶氧仪，以及配套所需的压力开关和液位开关等。滤池配套1个主控柜，防护等级IP55，含PLC及人机界面，用于控制滤池运行，包括反冲洗鼓风机、反冲洗水泵、废水泵及所有自动控制阀门和仪表。
3运行效果及分析
3.1调试启动
该工程于年12月建设完工，12月底正式进入调试运行阶段。初期进水量为12×m/d，以8格运行。调试阶段正值冬季，启动初期水温为10～12℃，进水DO为8．5～9．7mg/L，SS较低，为3～14mg/L，COD为15．2～44．2mg/L，平均值为24．6mg/L。启动方案有两种:①采用污泥接种，降低滤池的液位至砂面上～mm，连接污泥泵和软管后，开启污泥泵，首批投泥;将二沉池污泥分别投加到每格滤池作为接种污泥，并通过曝气使污泥均匀分布。②当水质浓度较低或外部因素受限时，采用自然培养挂膜的方式，依靠前端二沉池出水SS所携带的微生物完成污泥培养及积累，在启动的前2～3天，系统可超越磁混凝沉淀池运行或者暂停混凝加药。方案①接种生化污泥，在缺氧环境下可能出现释磷现象，存在磷超标的风险。因此，该工程采用自然培养的方式挂膜，依靠前段出水SS所携带的微生物完成污泥培养及积累，培养反硝化细菌。
根据水量和进水中硝酸盐浓度，计算醋酸钠投加量(Q)。启动时，先按25%Q投加碳源(20%的醋酸钠)。由于滤池初期无反硝化效果，在这个阶段出水COD会有所上升，但因少量投加醋酸钠，COD浓度上升不明显，不致引起出水有机物超标。每天早晨8点取样，根据出水硝酸盐浓度逐步提高碳源投加量。在冬季建议投加比例分别按45%、65%、85%和%，略微过量供给，以促使反硝化细菌尽快占据主导地位。
3.2微生物特征
生物培养驯化过程中采用双目生物显微镜(XSP－4C)镜检。在反冲洗过程中，气水冲洗约10min(2/3进程)时取反冲洗废水镜检。培养初期(第1周内)污泥镜检图片见图1。镜检发现菌胶团、微生物种类和数量较少，只能看到少量扭头虫、楯纤虫，偶尔发现1～2只线虫。
2周后，出水硝酸盐浓度呈降低趋势，在碳源供给稳定的情况下，一旦反硝化效果产生，脱氮效果增长明显，2～3d内趋于稳定。培养后期的污泥镜检结果见图2。
由图2可以观察到，随着调试的进行，首先是丝状菌大量出现，再逐渐出现原生动物和后生动物，如累枝虫、钟虫、轮虫、线虫等，微生物种类丰富，对照硝酸盐的去除效果，说明系统已具备反硝化功能。后期运行期间也发现，当系统受到外界冲击时，微生物种群特征变化，菌种种类和数量减少，特别是丝状菌明显减少。这种情况也与刘凯等的研究报道一致。丝状菌作为反硝化作用的指示生物之一，既有助于其他菌落围绕其生长，也能依靠菌丝体的交织作用增加膜块的机械强度。因不同的污水处理厂水源水质的差异，主要微生物种类也存在较大差异，应按照全厂构筑物的流向进行观察，寻找优势种群的生态演替规律，指示系统运行的状态和判断处理效果。
3.3溶解氧的变化
采用HACHHQ40d溶解氧分析仪，浸入式检测滤池内DO的变化情况，分别测定2#、10#滤池进水渠内、滤池内(高低液位及砂面)、清水池内几处，其中高液位为液面淹没进水堰堰口(距滤料顶1．75m)，低液位为经出水调节阀调节后的最低液位(距滤料顶1．55m)，调试初期高低液位波动为±0．1m。1月—2月水温维持在11～13℃，2#、10#滤池DO浓度相近，进水渠内、滤池内高低液位的DO变化范围依次为8．47～9．31、8．49～9．63、8．46～9．48mg/L，且高低液位的DO无明显变化。许多研究认为，应控制恒液位避免跌水而产生二次充氧。而上述数据与现有研究结果不同，分析因进水DO接近饱和，此阶段跌水对DO影响较小。
图3为滤池内DO的变化情况。通过对比发现启动初期清水池DO略降低，约为6～8mg/L，此时进、出水NO－3－N无明显变化;随着清水池DO逐渐降至3mg/L以下，进、出水NO－3－N呈下降趋势;当清水池DO＜1mg/L时，系统对NO－3－N的去除趋于稳定。按设计规范，活性污泥法缺氧反硝化要求DO＜0．5mg/L，而在实际反应中，由于污泥颗粒尺寸较大，沿粒径方向存在DO浓度梯度，故反硝化对DO的要求显著降低。但当同时存在分子态氧和硝酸盐时，氧会与硝酸盐竞争电子供体，DO会优先消耗掉碳源有机物，造成无效的药耗，且不利于反硝化菌的优势生长，并且可能使反硝化反应集中在填料区后段，从而造成反硝化滤池空间利用不足，影响脱氮效率。
3.4系统运行效果
经连续运行，系统整体、各子系统和设备运行正常，稳定可靠。主要监测项目有进、出水的COD、SS、TP、TN、NH3－N、NO－3－N、NO－2－N等，出水水质稳定达到且优于一级A标准。年3月主要水质指标变化如图4所示。
由图4可见，系统对NO－3－N、TN具有非常稳定的去除效果，出水TN稳定在＜10mg/L。
稳定运行后，初期水量为12×m/d，以8格运行;反冲洗频率每48h一格;驱氮频率为每3～4h一次;碳源采用20%的乙酸钠溶液，自动投加，投加比率为6～11;碳源前馈计算依据为(进水硝态氮－目标硝态氮)×投加比率/碳源浓度×进水流量/密度;碳源后馈计算依据为比较出水硝态氮和目标硝态氮，系统自动调整投加比率。
3.5技术经济分析
该工程投资为2万元，主要直接运行费用包括电费、药剂费、人工费。其中，系统装机容量为kW，电耗为0．kW·h/m，电价按0．76元/(kW·h)计，则电费为0．元/m。药剂主要为20%的乙酸钠溶液，用量平均为0．58t/d，单价按元/t计，药剂费为0．元/m。运行管理依托厂内现有定员，故人工费未单独计算。该工程新增的直接运行费用为0．元/m。
4技术难点分析
①滤池单格面积大，安装精度要求高。滤池单格面积与池型、生产规模、操作运行方式等有关，也与滤后水汇集和冲洗水分配的均匀性有较大关系。从运行经济性和反冲洗均匀性方面考虑，单格滤池面积一般不宜大于㎡。从土建、设备等方面综合考虑，该工程单格面积为．02m2，尺寸为22．75m(长)×4．88m(宽)。为了保证布水布气的均匀性，安装精度要求高，空气支管管顶位于滤砖2个配气孔之间，空气主管安装偏差在±3mm范围内，单条滤砖长度方向水平度偏差为±3mm，整格滤砖水平度偏差不超过±6mm。
②下向流的滤池由于进水渠起始端和末端水位的差异，以及受土建施工精度影响，常存在内部配水不均匀的问题，容易导致局部水质穿透。采用两侧对称布置，因厂区占地受限，从前序单元的出水总渠由两路管道分别向两侧进水，更增加了进水分配的难度。单格滤池进水槽设置可调整高度的堰板，槽纵向堰顶水平偏差为±1mm，池与池之间堰顶竖向偏差为±2mm，进水后再根据所有滤池的进水速度微调，以保证进水流量均衡。在实际运行过程中，由于进水水量的波动，特别是在小流量时，单格流量不能完全均匀，因此考虑后期在每格滤池进水闸门之后增设一道堰板，作为一级布水堰板，在进水渠道内进一步削弱水流的动能，促使水流分布更为均匀。
③反硝化最合适的温度为20～40℃，低温会降低反硝化细菌的繁殖速率和代谢速率，温度＜15℃反硝化速率明显降低，在5℃以下时反硝化速率极低，不到30℃条件下的1/7［4，10］。该工程的系统调试启动期正好在冬季，进水水温较低(10～12℃)，处于反硝化细菌生长温度的低限，成为影响微生物培养周期的主要问题。调试阶段滤池实际进水负荷较低，选用自然培养的方式，启动周期相对较长，在前2周内基本上未出现明显的反硝化效果，2周后反硝化效果逐渐明显并稳定。
④由于进水溶解氧过高，会增加碳源的用量。在调试期间，追踪了从二沉池到清水池的溶解氧浓度变化情况(见表2)。
由表2可知，受前端生化池的影响，二沉池出水DO已高于4mg/L，且波动较大，经过提升泵提升后DO达到6～8mg/L，再经后续单元逐级升高，造成滤池进水DO居高不下。在后期将考虑优化前端工艺，控制溶解氧的升高。建议设计阶段在全厂系统内考虑溶解氧的变化，而不仅从滤池单元考虑。
为了降低水头跌落对充氧的影响，在反硝化滤池中普遍采用恒液位的运行模式，而控制恒液位要求液位和出水调节阀开度之间实时响应，这对液位计的精度和灵敏度，以及阀门动作速度和阀板动作次数都提出了更高要求，需要在运行成本和设备寿命之间综合考虑。
5结论
①上海某城镇污水处理厂提标改造工程采用反硝化滤池，脱氮效果显著，直接运行费用为0．元/m，能稳定实现出水总氮指标达到并优于一级A标准。
②在冬季低温条件下采用自然培养污泥的方式调试，约2周后反硝化效果逐渐显现并在2～3d内趋于稳定。微生物特征变化明显，直接反映系统运行状态，建议作为日常运行必要的检测项目。
③观察滤池进、出水DO变化，有助于了解反硝化的运行环境。通过优化控制全厂系统内DO，从而降低滤池进水DO，对反硝化的经济运行具有重要意义。
④在长期运行过程中，需要运营人员积累运行数据，分析滤池的运行状态，在保证系统出水各项水质指标的前提下，对反洗周期、碳源投加量等重要运行参数进行调整，摸索系统在不同工况、不同季节下的最佳运行参数，进一步降低处理能耗。
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