馬先芒

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司）

1 引言

為控制污水含氮量，各地污水處理廠紛紛引入反硝化濾池，希望能夠憑借過濾性能突出、占地面積較小的濾池，使脫氮效果得到顯著改善。在實際工作中，工作人員最大的難題主要是如何確定碳源使用量，保證濾池啟動效果及運行效果均能達到預期。

2 研究背景

在水體氮污染程度持續(xù)加劇的當下，富營養(yǎng)化給漁業(yè)、農業(yè)等行業(yè)所造成的影響有目共睹，隨著排放標準變得更加嚴格，現(xiàn)有脫氮技術已無法發(fā)揮出應有作用，從最終效果、運行成本出發(fā)，對全新脫氮技術進行開發(fā)勢在必行。以往各地污水處理廠均強調以好氧條件為基礎，先對有機氮進行相應化，形成一定量的NO3--N，再借助亞硝化菌、硝化菌進行硝化反應，將物質轉移到缺氧環(huán)境下，經(jīng)由反硝化菌達到反硝化的最終目的[1]。該工藝所存在不足主要體現(xiàn)在三個方面，首先是極易被外界環(huán)境所影響，其次是對沖擊負荷的抵抗能力較弱，最后是無法保證去除效果始終維持在理想水平。此外，氮去除率還會受到進水碳源、設備性能的制約。要想解決上述問題，關鍵是要新增具有深度脫氮功能的反硝化濾池，事實證明，此舉既能使廠內空間得到充分利用，又可使反硝化速率得到顯著提高。

3 市政污水分析

3.1 工業(yè)廢水

在技術迭代速度極快的當下，工業(yè)順利邁入發(fā)展快車道，工業(yè)廢水給附近環(huán)境所造成的影響也變得更加直觀。工業(yè)廢水具有成分復雜和管理難度大的特點，與其他類型廢水相比，工業(yè)廢水含有氰化物、酸或堿類物質的概率更大，加之一部分處理廠尚未更新現(xiàn)有處理技術，致使污水處理效果難以達到預期，隨著大量不達標廢水被排入河流，附近居民及生態(tài)環(huán)境均會受到不利影響。

3.2 農業(yè)廢水

作為農業(yè)大國，我國農業(yè)養(yǎng)殖所產生的廢水量極大，以畜牧業(yè)為例，牲畜養(yǎng)殖期間所產生的廢水，通常包含大量磷元素、COD和氮元素[2]。對農作物進行種植時，往往需要施加化肥及農藥，殘留藥物將隨著雨水一同進入管網(wǎng)，加大了處理廠的工作量。

3.3 生活污水

烹飪廢水、洗滌廢水和衛(wèi)生間所排放的廢水均屬于生活污水。據(jù)統(tǒng)計，每人每天產生的生活污水中，約有1/4為衛(wèi)生間廢水，其中，磷占比為80%、COD占比為60%、氮占比為84%。烹飪廢水占比約為15%，具有BOD含量高的特點。洗滌廢水量較大，但所含污染物總量偏少[3]。

4 設備介紹

反硝化濾池的特點是以生物膜為載體、NO3--N為受體，通過對污水所含硝化氮進行還原的方式，使污水含氮量降到排放標準以下。該濾池主要包括承托層和濾料層。其中，濾料層是決定濾池運行效果的關鍵。目前，多數(shù)污水處理廠均引入了反硝化濾池，濾池所用無機物以陶粒、石英砂為主，上述無機物的粒徑處于2mm～3mm間，對應均勻系數(shù)是1.4，測量所得莫氏硬度在7左右，球形度不得小于0.8?？紤]到微生物只有在有機物的輔助下，才能進行反硝化脫氮，而廢水所含有機物往往無法滿足微生物需求，為避免脫氮作用受到影響，相關人員需要定期向濾池內施加乙醇或乙酸鈉等碳源，確保濾池既能夠將懸浮固體盡數(shù)去除，又可以憑借微生物進行反應，對污水實際含氮量加以控制。

濾池正式投運后，相關人員可酌情對濾池的過濾、脫氮功能進行調整，在沒有施加碳源的情況下，濾池主要負責對污水進行過濾，即使廢水所含BOD較少，仍然能夠發(fā)揮維持微生物活性的作用，脫氮效果可最大程度接近預期。如果廢水含氮量超出規(guī)定上限，僅憑借廢水內BOD無法維持反硝化正常進行，便需要酌情加入少量碳源，通過增強反硝化功能的方式，為脫氮效果提供保證。綜上，本文所討論反硝化濾池既能夠被用來對污水懸浮物進行過濾，還可以起到降低廢水氮、磷濃度的效果。

5 前期準備

某市污水處理廠所排放污水質量基本符合行業(yè)標準，由歷史數(shù)據(jù)可知，該廠進水BOD5∕TN值最大為14，最小為1，其取值約有90%的概率，未達到5，存在碳源不足的問題。另外，該廠出水TN取值為12mg/L，NO3--N濃度在12mg/L左右，符合行業(yè)標準，但有超標的可能，為保證污水處理效果達到預期，相關人員提出以改善去除效果為落腳點，對碳源使用量進行深入研究。

5.1 實驗用水

相關人員決定將二沉池出水作為反應器進水，實驗所用碳源為乙酸鈉，其濃度在95%左右，旨在使微生物擁有理想的生長環(huán)境。

5.2 材料/設備

本次實驗計劃使用有機玻璃柱代替濾池，玻璃柱規(guī)格為100cm×10cm。經(jīng)專業(yè)人員分析，將流量設定為16L/h，對應濾速控制在2m/h左右。在濾柱內填充活性砂，保證作為填料的活性砂滿足以下要求：化學性質相對穩(wěn)定；便于微生物附著，使其快速生長；機械強度理想；市場單價較低；粒徑在2mm～4mm間，重量約為5kg。相關人員應將填料層高度控制在500mm左右，鵝卵石鋪設而成的承托層、清水層高度以150mm為最佳，超高理想值為100mm，此外，上部進水區(qū)應控制在150mm左右。

6 實驗流程

6.1 啟動濾池掛膜

承載微生物的生物膜的質量通常會對反硝化濾池的運行成效產生巨大影響，要想使濾池作用得到發(fā)揮，關鍵是要有理想的生物膜提供支持。在本項目中，相關人員決定對接種掛膜法加以使用，先借助蠕動泵向小試裝置內注入適量回流污泥，等待48h后，再向設備內注水，將反應器運行狀態(tài)變更為“開啟”。在啟動初期，酌情延長HRT促進濾池生物膜快速生長，按照150mg/L的比例加入乙酸鈉，保證C∕N比（即COD與NO3--N之比）始終為8，勻速向反應器內注水，同時利用現(xiàn)有設備對進出水所含COD、硝態(tài)氮進行實時監(jiān)測，根據(jù)生物膜情況以及硝態(tài)氮的變化幅度，判斷掛膜效果是否達到預期[4]。

6.2 確定碳源使用量

C∕N比與反硝化菌所表現(xiàn)出的反硝化效能息息相關，雖然C∕N比偏低可加快亞硝化反應速度，但會制約反硝化的進行，只有將C∕N比維持在一定數(shù)值，才能維持有機物活性，基于有機物所發(fā)生反硝化反應，其效果自然更加理想。理論上說，C∕N比越高、反應效果越理想，在實際工作中應嚴格控制碳源消耗量，以免投資成本超出預期，因此，應酌情調整C∕N比，確保項目成本、反硝化效果處于相對平衡狀態(tài)。

本項目所用外加碳源為乙酸鈉，其反硝化性能突出。將濾池DO設定為0mg/L，對應HRT調整至0.5h，分別按照37mg/L、56mg/L、75mg/L和95mg/L的濃度，向濾池內加入適量乙酸鈉，對應C∕N比由2到5遞增。隨后，由相關人員借助專業(yè)設備對進出水所含COD、硝態(tài)氮值進行監(jiān)測，確定碳源使用量。

7 結果說明

7.1 NO3--N濃度

通過實驗可知，濾池開啟96h后，處理廠出水所含NO3--N下降到約1mg/L，由此可見，反硝化濾池在處理硝態(tài)氮方面效果突出，濾池掛膜成功。該階段反硝化菌處于快速增殖的狀態(tài)，待濾池內微生物菌群趨于穩(wěn)定，對應NO3--N濃度也降到了行業(yè)要求的水平，此后，濾池去除NO3--N的效率始終在90%上下波動，微生物濃度給NO3--N去除率帶來的影響可忽略不計，反硝化結構已達到穩(wěn)定狀態(tài)。

7.2 C∕N比影響

本次實驗計劃以C∕N比與濾池脫氮能力間存在的關聯(lián)為切入點，分別將進水C∕N比設為0/3/6/9，結合進出水所含COD、硝態(tài)氮值，對投加乙酸鈉的理想值加以確定?，F(xiàn)將實驗過程及所得結論歸納如下：利用未掛膜濾池對進水加以處理，進水所含NO3--N總量無明顯變化，成功掛膜后，經(jīng)過濾池處理的進水NO3--N濃度大幅降低。以乙酸鈉為碳源，將進水C∕N比設為0/3/6/9，對進出水所含NO3--N進行分析可知，C∕N比處于0～3這一范圍時，出水的COD濃度在15mg/L左右，該數(shù)值和未加入碳源時的數(shù)值基本相同，這表示濾池內乙酸鈉消耗殆盡，受碳源不充足影響，反硝化反應程度無法達到預期，由此而帶來的問題便是出水含有大量硝態(tài)氮。按照C∕N比=3投加碳源，可使出水所含NO3--N濃度下降到3mg/L，此時，脫氮效果基本能夠達到行業(yè)要求，且出水所含COD值無明顯變化。將C∕N比更改為6，并對出水所含COD等物質濃度進行檢測能夠發(fā)現(xiàn)，出水所含在NO3--N0.6mg/L左右，這表示反硝化反應的作用得到充分發(fā)揮，出水硝氮量僅為初始狀態(tài)下的10%。需要注意的是，雖然碳源增多不會給反硝化能力造成負面影響，但會致使COD大幅升高。C∕N比=6的工況下，出水所含COD的濃度高達30mg/L。導致該問題出現(xiàn)的原因，主要是進水含有過多碳源，致使有機負荷大幅增加，隨著微生物利用率降低，出水質量必然會受到影響。如果C∕N比的取值為9，出水所含硝態(tài)氮將被盡數(shù)去除，此時，出水TN的取值將降到1mg/L以下，致使COD快速增加，甚至達到約40mg/L[5]。綜上，在不考慮其他因素的情況下，一味增加C∕N比并不能保證硝態(tài)氮去除率更接近理想狀態(tài)，對污水處理廠而言，要想使項目綜合表現(xiàn)達到預期，關鍵要將C∕N比控制在3左右。

事實證明，碳源使用量是否理想，通常決定著濾池的運行效率，在濾池內加入過多碳源，將造成出水COD值超出允許范圍，如果碳源使用量偏少，則會帶來反硝化不完全的問題。另外，在運行過程中，要對碳源進行科學且合理的投放，還要考慮溶解氧量、溫度等操作條件，生物膜情況還有碳源質量等因素，如果污水含有大量溶解氧，則要調整碳源使用量。

8 結語

本文以某市污水處理廠為例，對其處理效果進行分析，發(fā)現(xiàn)該廠存在出水TN與行業(yè)規(guī)定不符的情況，應增設具有深度脫氮功能的反硝化濾池。濾池開啟96h后，掛膜效果達到預期，此時，出水所含NO3--N的濃度下降到約1mg/L，按照NO3--N=3的比值投加碳源，既能確保脫氮效果達到預期，又可避免該廠發(fā)生出水所含COD超標的問題。同時，還能起到簡化處理流程和控制運行成本的效果。