劉志娟，陳 明，來文江

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州310052）

過量的植物性營養(yǎng)元素氮、磷排入水體會加速水體的富營養(yǎng)化過程[1]。我國地表水環(huán)境質(zhì)量自20 世紀(jì)80年代以來逐步惡化，由于地下水與地表水存在持續(xù)不斷的緩慢交換，地表水環(huán)境的惡化最終也導(dǎo)致了地下水的污染。地下水污染相對地表水污染更具隱蔽性和滯后性，須從“先污染，后治理”向“預(yù)防為主，防治結(jié)合”轉(zhuǎn)變[2]。為提升地表水及地下水環(huán)境質(zhì)量，城鎮(zhèn)污水處理廠有必要進(jìn)行深度除磷脫氮。

1 深度除磷脫氮工藝

1.1 化學(xué)除磷

除磷工藝包括生物除磷和化學(xué)除磷兩種。生物除磷主要利用聚磷菌在厭氧條件下釋放磷和在好氧條件下過量蓄積磷的作用，現(xiàn)有的生物除磷工藝除了AAO生物池外，還有側(cè)流生物除磷。一般情況下AAO生物池出水TP 能夠穩(wěn)定在1 mg/L 以下；運行狀況好時，側(cè)流生物除磷出水PO3-4濃度可達(dá)0.3 mg/L 以下[3]。生物除磷難以穩(wěn)定達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，因此城鎮(zhèn)污水處理廠需要采用化學(xué)除磷。

污水處理廠深度除磷通常采用化學(xué)除磷，主要有混凝沉淀和氣浮兩種技術(shù)方向；雖然微絮凝直接過濾也能進(jìn)行化學(xué)除磷，但因其對原水SS 要求較高，在污水深度處理領(lǐng)域應(yīng)用較少?；炷恋響?yīng)用最廣泛；近年來，隨著氣浮除磷技術(shù)日漸成熟，應(yīng)用逐漸增多。

1.1.1 混凝沉淀除磷

混凝沉淀是化學(xué)除磷經(jīng)典工藝，向原水中定量地投加可以改善混凝效果的顆粒介質(zhì)（例如沉淀池沉淀污泥或微小砂粒等），增加原水中的懸浮物濃度、加快反應(yīng)速率、縮短反應(yīng)時間；同時以污泥（微砂）作為絮凝核心，形成密實的、具有良好沉降性能的絮凝體，以提高對水中濁度的去除效率。各種混凝沉淀池型中，目前效果最好、占地面積最小的是磁混凝高效沉淀池，以負(fù)電性、高密度的磁粉作為絮凝核心，通過泥渣回流壓縮沉淀，出水TP 可以穩(wěn)定在0.3 mg/L 以下，SS可控制在5 mg/L以下。

1.1.2 氣浮除磷

氣浮工藝是將原水中不容易沉降的微小懸浮顆粒附著在微氣泡上，形成密度小于水的狀態(tài)，利用浮力去除微小懸浮顆粒。與絮凝沉淀形成大顆粒沉降相比，氣浮從機(jī)理上存在天然優(yōu)勢；因此，氣浮除磷被越來越多的用來替代混凝沉淀除磷。近年來，微納米氣泡技術(shù)廣泛應(yīng)用，減少了氣浮工藝的投藥量、縮小設(shè)施規(guī)模、縮短運行時間并降低水處理廠的運行和維護(hù)成本，同時提高污染物的去除效率[4]。在云南滇池的治理中，氣浮工藝被應(yīng)用于許多污水處理廠，實踐證明，現(xiàn)有的微氣泡溶氣氣浮工藝出水總磷能夠控制在0.05 mg/L 以下。滬東麥斯特公司在無錫城北污水處理廠和蘆村污水處理廠的生產(chǎn)實踐表明，在不投加PAM 的情況下，氣浮出水SS＜5 mg/L，TP＜0.1 mg/L；氣浮工藝除磷和去除懸浮物表現(xiàn)突出。氣浮除磷的優(yōu)點在于它的固-液分離設(shè)備投資少、占地面積小、自動化程度高、操作管理方便。

1.1.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

氣浮工藝的除磷性能、運行成本以及出水表觀狀態(tài)都優(yōu)于混凝沉淀工藝，但是設(shè)備費比混凝沉淀略高。見表1。

表1 磁混凝高效沉淀與微納米氣浮除磷經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

1.2 深度脫氮

污水處理廠二級生化處理出水總氮一般能夠達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)+修訂單》一級A 標(biāo)準(zhǔn)，TP能夠達(dá)到一級B 標(biāo)準(zhǔn)。采用巴頓甫工藝，TN 基本能夠控制在10 mg/L 以下，但是受到溶解氧影響及生物池中大量其他異養(yǎng)微生物對碳源的爭奪，巴頓甫生物池二段碳源投加遠(yuǎn)高于脫氮工藝的理論需求2.86∶1，通常都在6∶1以上，成本大幅增加，非理想之選。污水處理廠深度脫氮通常采用生物膜法進(jìn)行反硝化，各類濾池中，反硝化生物濾池和反硝化深床濾池效果最佳，最為常用。

1.2.1 反硝化深床濾池

深床濾池最初用于污水深度處理或回用中去除SS。反硝化深床濾池是深床濾池的一種運行模式，采用2～3 mm 石英砂介質(zhì)濾料，濾床深度通常為1.83 m，大粒徑均質(zhì)石英砂允許固體雜質(zhì)透過濾床的表層，深入濾池的濾料中，達(dá)到整個濾池縱深截留固體物的優(yōu)異效果，可保證出水SS 低于5 mg/L，同時對TN 和TP 均有相當(dāng)好的去除效果。深床反硝化濾池的脫氮機(jī)理：附著生長在濾料上的反硝化細(xì)菌可利用污水中的碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)，把N0i-N 反硝化成氮氣以去除總氮[5]。在反硝化過程中，由于硝酸氮不斷被還原為氮氣，深床濾池中會集聚大量的氮氣，這些氣體會使污水繞竄介質(zhì)之間，加強(qiáng)了微生物與水流的接觸，同時也提高了過濾效率。

1.2.2 反硝化生物濾池

反硝化生物濾池的作用原理與深床濾池相同，由于并不擔(dān)負(fù)SS 去除任務(wù)，所用濾料粒徑更大，通常要求進(jìn)水SS濃度不高于60 mg/L，具有脫氮能力強(qiáng)、占地面積小和投資少等優(yōu)點[6]。

反硝化生物濾池應(yīng)用于污水深度處理時，由于進(jìn)水碳源不足,需要在反硝化段中投加碳源來保證脫氮的效果。碳源投加是濾池運行的主要成本；因此，優(yōu)選碳源、提高利用率是反硝化濾池設(shè)計的考慮重點。不同類型碳源條件下濾池內(nèi)NO3-N 的降解速率不同，當(dāng)以乙酸和乙酸鈉為碳源時，對NO3-N 的去除率達(dá)到最大時需要約30 min 的接觸時間，而以甲醇、乙醇和葡萄糖為碳源時則需要約為44 min[7]；因此，濾池設(shè)計停留時間應(yīng)與所用外加碳源類型相匹配，設(shè)計空床停留時間（規(guī)范建議15～25 min）可延長至45 min 以上。在低碳氮比的條件下，原水中的有機(jī)污染物可以得到更為徹底的降解，外加碳源利用率也更高，若出水TN要求不是特別高（<5 mg/L），運行時碳源投加應(yīng)控制，以進(jìn)一步降解COD，降低運行成本。

2 深度除磷脫氮工藝組合

污水處理廠深度除磷脫氮的同時，依然要保證SS處于低水平；因此，混凝沉淀通常在前，深床濾池和氣浮可以作為終端處理工藝。目前常見的組合方式有：混凝沉淀除磷+反硝化深床濾池脫氮；氣浮除磷+反硝化深床濾池脫氮或者反硝化深床濾池脫氮+氣浮除磷。實際應(yīng)用中，上述兩種方式均容易出現(xiàn)問題；因此，提出反硝化生物濾池+氣浮除磷工藝。

2.1 混凝沉淀除磷+反硝化深床濾池脫氮

該組合應(yīng)用最廣，案例最多。混凝沉淀有常規(guī)混凝沉淀，也有高效沉淀池和磁混凝沉淀池，均設(shè)有斜板（管）。沉淀池運行一段時間后，會在斜管頂部沉積一層厚厚的絮體，堵塞斜管[8]。常規(guī)混凝沉淀占地面積大，受沖擊負(fù)荷及水溫等因素影響較大，出水水質(zhì)欠佳；磁混凝存在磁粉回收不徹底、出水帶有較大色度的風(fēng)險。高效沉淀池和磁混凝沉淀池PAM 投加量大，PAM 本身無毒性，但合成PAM 時未反應(yīng)完全的殘留丙烯酰胺單體AM有毒，是極強(qiáng)的神經(jīng)性致毒劑，極易通過皮膚和黏膜被人體吸收，AM 生產(chǎn)過程中夾帶有毒重金屬，復(fù)配使用中添加的助劑多數(shù)也是有毒物質(zhì)；另外，PAM 投加量較大導(dǎo)致出水黏度高，對后續(xù)水生態(tài)環(huán)境容易產(chǎn)生負(fù)面影響。普通混凝沉淀除磷通常情況下總磷能夠控制到0.5 mg/L 以下，帶有泥渣回流壓縮沉淀的高效沉淀和磁混凝總磷能夠控制到0.3 mg/L以下；但是大量的化學(xué)藥劑投加對水生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響隱蔽又持久。

深床反硝化濾池脫氮產(chǎn)生的氮氣需要通過曝氣驅(qū)除，驅(qū)除氮氣的同時會導(dǎo)致濾池出水SS升高，因此，同時兼顧脫氮和控制SS 運行較為困難；另外，混凝沉淀除磷在前，化學(xué)藥劑的投加影響生物脫氮效果；再者，深床濾池最初發(fā)明時用于去除懸浮物，因此池型設(shè)計缺乏脫氮要求的低溶解氧，布水方式存在跌水復(fù)氧的問題，加藥反饋系統(tǒng)也不完善，導(dǎo)致大量碳源被消耗，反硝化脫氮成本較高。事實上，深床濾池項目由于脫氮成本等原因，大部分都只發(fā)揮出懸浮物去除功能，脫氮功能為輔助。

2.2 氣浮除磷+反硝化深床濾池脫氮或者反硝化深床濾池脫氮+氣浮除磷

氣浮除磷在前，能夠很好抗擊二沉池出水SS的波動，去除總磷的同時為反硝化深床濾池做好預(yù)處理。但是，氣浮出水中含有的大量氣泡，溶解氧含量接近飽和，優(yōu)質(zhì)碳源被大量消耗后溶解氧才能下降，達(dá)到反硝化脫氮所需要缺氧狀態(tài)；另外，化學(xué)藥劑的投加也會影響反硝化脫氮的生物合成。因此，氣浮除磷+反硝化深床濾池脫氮的組合形式運行成本較高。

反硝化深床濾池在前，可以有效提高優(yōu)質(zhì)外加碳源的脫氮效率，氣浮出水接近飽和的溶解氧狀態(tài)也有利于尾水受納水體的生態(tài)環(huán)境，防止因溶解氧不足導(dǎo)致的水體黑臭。但是，由于二沉池出水受自身水力波動、固體負(fù)荷、污泥性狀等影響大，往往出水不能穩(wěn)定在20 mg/L 以下，直接進(jìn)入深床濾池，甚至?xí)?dǎo)致深床濾池反洗頻繁，進(jìn)而引起運行癱瘓。因此，該工藝組合存在一定的運行風(fēng)險，需要根據(jù)二沉池運行狀況深入考慮，謹(jǐn)慎使用。

2.3 反硝化生物濾池+氣浮除磷工藝

二沉池出水直接進(jìn)入反硝化生物濾池生物脫氮以后，再進(jìn)入氣浮池進(jìn)行化學(xué)除磷并去除SS。

1）流程順暢，運行風(fēng)險小。通常，二沉池出水SS能夠穩(wěn)定在20 mg/L 左右；有可能會因漂泥等事故導(dǎo)致短時SS 升高，因反硝化生物濾池濾料粒徑大（2～4 mm），對進(jìn)水SS要求不高（60 mg/L 以下），能夠很好抗擊二沉池出水SS短期升高的風(fēng)險。

2）功能清晰，除磷脫氮干擾少，污染物降解徹底。生物脫氮在前，化學(xué)除磷、SS控制在后，避免了化學(xué)藥劑投加影響反硝化生物膜的生長；二沉池出水殘留的COD 可以作為碳源在反硝化生物濾池內(nèi)降解更徹底；反硝化生物濾池投加的過量碳源可在氣浮工藝內(nèi)得到充分降解；氣浮工藝對TP 和TN 的去除效果極佳，出水清亮不帶色度?？傊?，反硝化生物濾池+氣浮的工藝組合，污染物降解相對較為徹底。

3）占地面積小，藥劑投加量少，成本低。因反硝化生物濾池的設(shè)計濾速遠(yuǎn)高于反硝化深床濾池，氣浮池也比混凝沉淀池占地面積小，所以該方案占地面積較小，土建和設(shè)備總體投資相對較低。氣浮除磷工藝不需要投加磁粉，PAM 投加量也少于混凝沉淀，反硝化生物濾池反洗水量比反硝化深床濾池小，因此該方案綜合運行成本最低。

4）生態(tài)環(huán)境友好。該組合工藝生物脫氮在前，氣浮除磷在后，外碳源投加量、PAC尤其是PAM投加少，尾水對地表水環(huán)境質(zhì)量影響小。

將氣浮工藝置于末端，出水溶解氧接近飽和狀態(tài)，有利于尾水受納水體溶解氧恢復(fù)，避免水體黑臭。若是富氧尾水排入生態(tài)濕地，則更有利于提高生態(tài)濕地的運行質(zhì)量。

3 結(jié)語

基于提升地表水環(huán)境質(zhì)量的要求，許多污水處理廠出水達(dá)到一級B 甚至一級A 標(biāo)準(zhǔn)后，仍有必要進(jìn)行深度除磷脫氮工藝。二沉池后依次銜接反硝化生物濾池脫氮和氣浮池除磷，是污染物去除徹底、占地面積小、投資及運行成本低的方案。

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