上向流反硝化深床濾池在污水廠提標(biāo)改造工程中的應(yīng)用
2021-09-22 來(lái)源：中國(guó)給水排水作者：葉昌明，伍波，戴文權(quán)，彭金城關(guān)鍵詞：水質(zhì)凈化廠反硝化深床濾池提標(biāo)改造
摘要：廣東省某水質(zhì)凈化廠一期工程原采用SBR+纖維轉(zhuǎn)盤濾池為主體工藝，要求提標(biāo)改造后主要出水指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V類標(biāo)準(zhǔn)（TN≤15mg/L），實(shí)際出水TP偶爾超標(biāo)，TN嚴(yán)重超標(biāo)。提標(biāo)改造工程在現(xiàn)有SBR工藝后端新增了上向流反硝化深床濾池模塊化水處理裝備，出水COD≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、TN≤12 mg/L、TP≤0.3 mg/L和SS≤5 mg/L，達(dá)到了地表準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，表明上向流反硝化深床濾池脫氮除磷效果好，尤其是脫氮效率極高，最大去除量高達(dá)29.4 mg/L，相應(yīng)的反硝化負(fù)荷達(dá)到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。
01
概述
廣東省某水質(zhì)凈化廠一期工程，設(shè)計(jì)規(guī)模為10.00萬(wàn)m3/d，采用SBR生物處理作為主體工藝，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18918-2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。2012年，為提高出水水質(zhì)，在原有基礎(chǔ)上新增了纖維轉(zhuǎn)盤濾池，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18918-2002）一級(jí)A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（TN除外）。隨著“水十條”的提出，深圳市政府對(duì)污水廠出水要求提高至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）準(zhǔn)V類標(biāo)準(zhǔn)（TN≤15mg/L）。根據(jù)污水廠實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)可知，出水污染物因子COD、BOD、氨氮均能穩(wěn)定達(dá)到地表V類，總磷偶爾超標(biāo)，但總氮嚴(yán)重超標(biāo)。因此，需要進(jìn)行深度處理，即對(duì)SBR的出水TN、TP進(jìn)行處理。由于污水處理廠可利用的占地有限，施工工期也比較緊張，采用傳統(tǒng)的高效沉淀池+反硝化深床濾池不適合該工程，最終選擇了上向流反硝化深床濾池模塊化水處理裝備于2019年進(jìn)行提標(biāo)改造。主要建設(shè)內(nèi)容有：增加精細(xì)格柵、上向流反硝化深床濾池、碳源投加設(shè)施等。其中上向流反硝化深床濾池是此次提標(biāo)改造工程的重點(diǎn)設(shè)施，該濾池需要承擔(dān)大部分的TN去除功能，確保出水TN穩(wěn)定低于15mg/L，同時(shí)需要進(jìn)一步去除水中的懸浮物。
02
設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)
根據(jù)污水廠提供的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定上向流反硝化深床濾池設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)如下表1所示。
03
改造后工藝流程
根據(jù)原工藝流程實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，SBR工藝出水SS不穩(wěn)定，容易造成纖維轉(zhuǎn)盤濾池堵塞，清洗維護(hù)麻煩；同時(shí)，需要脫氮處磷。為此，在SBR池后新增精細(xì)格柵和上向流反硝化深床濾池，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放，改造后詳細(xì)工藝流程如下圖1：
新建的上向流反硝化深床濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：上向流反硝化深床濾池裝備呈兩側(cè)對(duì)稱布置，每側(cè)8格，每2格為1組，共計(jì)8組（16格），采用碳鋼防腐結(jié)構(gòu)；單格尺寸（L×B×H）為12.0 m×3.0 m×4.5m，單格有效過(guò)濾面積為36 m2；設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10.00萬(wàn) m3/d，最大流量為13.00萬(wàn)m3/d（Kz= 1.3）；平均濾速為7.2m/h，強(qiáng)制濾速為8.3m/h，最大濾速為9.4m/h；濾料采用石英砂，粒徑為2-4mm，濾料層高2.5m，空床停留時(shí)間為20.8min。
04
運(yùn)行效果分析
該水質(zhì)凈化廠（一期）提標(biāo)改造項(xiàng)目從2018年12月底通水調(diào)試，運(yùn)行至今已有2年，運(yùn)行期間其出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)水規(guī)模。上向流反硝化深床濾池運(yùn)行過(guò)程中采用含量25%乙酸鈉溶液（NaAC）作為外加碳源，記錄了2019年4月份至2019年12月份脫氮效果，結(jié)果如表所示：
表2 不同月份乙酸鈉投加量脫氮效果
由上表2數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)上向流反硝化深床濾池的處理后，出水TN平均濃度能夠低于10 mg/L，可以發(fā)現(xiàn)隨著總氮去除量的增加相應(yīng)的碳源投加量也會(huì)隨之增加，其中在12月份碳源投加量達(dá)到了最大值，為178.31 mg/L，相對(duì)應(yīng)的總氮去除量為13.69 mg/L。根據(jù)表2中乙酸鈉投加濃度與TN去除量的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出4月～12月反硝化深床濾池去除單位硝態(tài)氮消耗的乙酸鈉投加量（NaAC/△TN），結(jié)果可見(jiàn)圖2。
圖2 不同月份單位硝態(tài)氮消耗的乙酸鈉投加量
從圖2可以看出，廣東省某水質(zhì)凈化廠（一期）提標(biāo)改造工程采用的上向流反硝化深床濾池單位硝態(tài)氮消耗的乙酸鈉投加量（NaAC/△TN）在2.47～3.83 kgNaAC/（kgNO3- N），其中最大值為3.83，其余均不超過(guò)理論投加量3.67，表明本工程的反硝化深床濾池碳源利用率較高，主要是因?yàn)樯舷蛄鬟M(jìn)水方式不存在配水跌落充氧的現(xiàn)象，從而有效避免進(jìn)水溶解氧（DO）二次升高，可以節(jié)約這部分DO作為電子受體所消耗的碳源。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，常規(guī)的下向流反硝化深床濾池會(huì)因進(jìn)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。在相同條件下，上向流反硝化深床濾池相比于下向流反硝化深床濾池的碳源投加量可節(jié)省30%以上。此外發(fā)現(xiàn)，上向流反硝化濾池水頭損失達(dá)到3m左右時(shí)，濾池需要進(jìn)行反沖洗，相對(duì)應(yīng)的反洗周期為24h。
圖3是該水質(zhì)凈化廠（一期）提標(biāo)改造后上向流反硝化深床濾池4月份TN的處理效果，結(jié)果顯示在進(jìn)水TN為10～20mg/L之間，出水TN≤5mg/L，TN去除率為50%～80%。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)深床濾池具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力，在進(jìn)水TN波動(dòng)較大的情況下也能夠保證出水在10mg/L以下。
隨著三部委印發(fā)《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案(2019-2021年)》，2020年廣東省某水質(zhì)凈化廠（一期）污水管網(wǎng)修復(fù)、雨污分流的逐步完善，污水廠進(jìn)水水質(zhì)濃度提高，提質(zhì)增效后上向流反硝化濾池進(jìn)水總氮較2019年明顯升高，結(jié)果可見(jiàn)圖4。
圖5是上向流反硝化深床濾池11月份和12月份的TN處理效果，從運(yùn)行的數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)水TN為 22.7～38.2 mg/L之間，經(jīng)深床濾池處理后出水能夠穩(wěn)定低于12 mg/L，去除率高達(dá)57.5%～80.6%。與此同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)濾池最大的TN去除量高達(dá)29.4 mg/L，相應(yīng)的反硝化負(fù)荷達(dá)到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。即使在進(jìn)水TN超設(shè)計(jì)值90% 的情況下，出水TN依舊能穩(wěn)定低于12mg/L，說(shuō)明上向流反硝化濾池脫氮效率極高。因此，針對(duì)一些生化池TN處理效果不理想且具備改造條件的工程，上向流反硝化深床濾池是非常適合作為其深度處理工藝。同時(shí)，該深床濾池脫氮能力極強(qiáng)，能夠?yàn)橛脩艉罄m(xù)再次提標(biāo)升級(jí)留有充分的空間。
此外，上向流反硝化深床濾池采用石英砂的固定濾床，具有較好的同步脫氮除磷功能，運(yùn)行過(guò)程中在SBR池投加除磷劑，經(jīng)上向流反硝化濾池截留過(guò)濾，TP去除率能夠達(dá)到20%～40%，出水TP能夠穩(wěn)定低于0.3 mg/L。同時(shí)上向流反硝化濾池能夠進(jìn)一步確保出水達(dá)標(biāo)排放，出水COD≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L 、SS≤5 mg/L。反硝化深床濾池進(jìn)、出水COD、BOD5、SS和TP濃度見(jiàn)下表3所示。
表3 深床濾池進(jìn)、出水COD、BOD5、SS及TP
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技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
本提標(biāo)改造工程新增精細(xì)格柵和上向流反硝化濾池模塊化裝備，新增占地面積僅1300 m2，新增裝機(jī)功率600 kW，運(yùn)行功率480 kW，新增噸水電耗費(fèi)用約為0.05元；乙酸鈉消耗量為4187.4 t，乙酸鈉市場(chǎng)價(jià)按照1600元/t，新增噸水乙酸鈉費(fèi)用為0.177元，共計(jì)新增噸水直接運(yùn)行費(fèi)用為0.227元。
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處理工藝及模塊化裝備特點(diǎn)
（1）具有同步脫氮除磷功能，脫氮效率高，出水TN可低至5mg/L
上向流反硝化深床濾池采用底部進(jìn)水、上部出水的上向流過(guò)濾方式，利用管道封閉式進(jìn)水，解決下向流濾池進(jìn)水時(shí)跌水增加溶解氧濃度的問(wèn)題，通過(guò)控制較低的溶解氧濃度，可有效提高脫氮效率。根據(jù)工程應(yīng)用情況，上向流反硝化深床濾池可通過(guò)過(guò)濾作用，實(shí)現(xiàn)SS和TP的去除，經(jīng)反硝化作用去除TN，其出水可穩(wěn)定達(dá)到TN≤10mg/L，且通過(guò)工程試驗(yàn)驗(yàn)證，處理出水TN可低至5mg/L。
（2）進(jìn)水不復(fù)氧，碳源投加量可節(jié)省30%以上
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，反硝化濾池碳源投加量的計(jì)算公式為：碳源投加量=2.86×去除NO3-量+1.71×去除NO2-量+去除DO量。常規(guī)下向流反硝化深床濾池因進(jìn)水跌落充氧，會(huì)造成碳源大量浪費(fèi)，同時(shí)因DO濃度高而濾料繁殖大量異養(yǎng)菌；上向流反硝化深床濾池進(jìn)水與空氣隔絕，避免了復(fù)氧過(guò)程。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，相較于下向流反硝化深床濾池，上向流反硝化深床濾池碳源投加量可節(jié)省30%以上。
（3）納污量大，反洗周期長(zhǎng)，可省去高效沉淀池
上向流過(guò)濾是基于“反粒度”理論，在過(guò)濾過(guò)程中，水流由下而上先通過(guò)粒徑較粗的濾層而后通過(guò)較細(xì)的濾層，整個(gè)濾層截污均勻，大大提高了濾料層的納污量，延長(zhǎng)了反沖洗周期，根據(jù)一些工程項(xiàng)目，上向流反硝化濾池反洗周期通常為24～48h，相對(duì)應(yīng)的水頭損失達(dá)到3m左右。而下向流濾池大部分截污集中在表層50cm，沒(méi)有發(fā)揮下部的截留作用。據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，同等條件下，上向流濾池的納污量為下向流的5倍以上。因此，上向流反硝化深床濾池在納污量提高的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)了反沖洗周期，可以更好地發(fā)揮出同步除磷性能，在用地緊張的污水廠提標(biāo)項(xiàng)目中，可省去高效沉淀池，大大節(jié)省投資成本。
（4）無(wú)需驅(qū)氮設(shè)施，且進(jìn)一步保證微生物活性
在下向流反硝化深床脫氮過(guò)程中，點(diǎn)狀氮?dú)鈿馀輹?huì)聚集在介質(zhì)的表層，形成“氣堵”現(xiàn)象，濾速低，必須借助外力進(jìn)行驅(qū)氮，恢復(fù)水頭。根據(jù)相關(guān)工程，下向流反硝化深床濾池通常每間隔2-5h開(kāi)啟反沖洗水泵2-3min驅(qū)氮一次，在驅(qū)氮過(guò)程中，懸浮微生物和部分附著型微生物會(huì)隨著水流流失，會(huì)減弱其反硝化效果。而上向流反硝化深床濾池產(chǎn)生的氮?dú)忉尫排c水流同向，氮?dú)饽軌虻玫郊皶r(shí)排放，可有效避免氣阻。因此，上向流反硝化深床濾池濾速可適當(dāng)提高，無(wú)需進(jìn)行驅(qū)氮，簡(jiǎn)化了設(shè)備與操作程序，避免了驅(qū)氮過(guò)程中對(duì)微生物沖擊及微生物總量的影響，進(jìn)一步保證了微生物活性，總氮去除效率更高。
（5）碳源投加的精準(zhǔn)控制
上向流反硝化深床濾池碳源的投加采用“模糊控制”法，設(shè)置總進(jìn)水流量計(jì)、進(jìn)出水溶解氧濃度及進(jìn)出水硝酸鹽氮含量的反饋，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)控制碳源加藥量。在保證出水COD、BOD5達(dá)標(biāo)的前提下，能精確的控制總氮的去除。
（6）獨(dú)特的布水布?xì)庀到y(tǒng)，反洗更均勻
反硝化深床濾池應(yīng)用于深度處理，需要投加碳源及除磷劑，截留的固體雜質(zhì)多，產(chǎn)泥相對(duì)增加，因此對(duì)反沖洗系統(tǒng)的技術(shù)要求較高。上向流反硝化濾池運(yùn)用獨(dú)特的布水布?xì)饧夹g(shù)，采用上向流多功能濾管實(shí)現(xiàn)過(guò)濾的布水、反洗布水及反洗布?xì)�，能確保布水布?xì)飧泳鶆颍礇_洗無(wú)死區(qū)，能有效防止濾料堵塞。
（7）采用模塊化裝備的建造模式
將上向流反硝化深床濾池工藝設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，統(tǒng)一尺寸，模塊化裝配，大大節(jié)省工期，安裝便捷，易于搬遷，可循環(huán)利用，并可根據(jù)近期、遠(yuǎn)期處理規(guī)模大小，分期靈活配置，不受安裝場(chǎng)地及施工周期限制。同時(shí)，采用模塊化裝備的建造模式，將其與園林綠化結(jié)合，打造成公園化嵌入式污水處理廠，整體景觀效果可媲美地下式污水處理廠，可達(dá)到環(huán)境友好的目的，解決污水處理廠建設(shè)存在的鄰避問(wèn)題。
07
結(jié)語(yǔ)
①基于該提標(biāo)改造工程，經(jīng)上向流反硝化深床濾池深度處理后，污水處理廠出水能夠穩(wěn)定達(dá)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去除量高達(dá)29.4 mg/L，相應(yīng)的反硝化負(fù)荷達(dá)到了2.08 kgNO3-N/（m3·d）。同時(shí)，在進(jìn)水TN為10～20mg/L之間，其出水總氮可低至5 mg/L以下。
②上向流反硝化深床濾池脫氮除磷效果好，納污量大，無(wú)需設(shè)置高效沉淀池，可以用于污水處理廠提標(biāo)擴(kuò)容或新建項(xiàng)目，對(duì)于場(chǎng)地受限的污水處理廠特別適用。
③上向流反硝化深床濾池進(jìn)水不存在跌落充氧的現(xiàn)象，可以有效避免進(jìn)水DO二次提升，碳源的利用率高，再完美結(jié)合精準(zhǔn)的碳源投加控制方式，比傳統(tǒng)反硝化深床濾池的碳源投加量節(jié)省30%以上。
