上向流石英砂深床濾池攻克污水廠提標總氮達標難題？
大多數污水處理廠的提標重點和難點都在TN達標上。深床濾池是目前污水處理廠提標改造的主流脫氮工藝之一，具有占地面積小、動力消耗低、脫氮效果好等特點，在提標工程中得到了廣泛應用。但由于采用的水流方向和濾料材質、濾速、濾料強度不同，脫氮效果也存在差異。實際工程應用中，上向流深床濾池濾料材質以生物陶粒及輕質濾料居多，鮮少見有關石英砂濾料的報道。栗文明等通過調研發現，上向流深床濾池的濾料主要有兩種：生物陶粒及以威立雅公司的Biostyr為代表的聚苯乙烯小球輕質濾料（密度＜1.0 g/cm3）。本文以某城鎮污水處理廠實際提標工程為例，介紹了上向流石英砂濾料深床濾池的工藝設計及運行效果。
01 工程概括
某城鎮污水處理廠設計規模為10.0萬m3/d，隨著外部管網的不斷完善，實際污水收集量已遠超過設計規模。根據運行協議，該污水處理廠處理規模維持在10.0萬m3/d，多余污水另外擴建污水處理廠進行處理。2019年月均處理水量為101 861~108 794 m3/d，2020年月均處理水量如表1所示。
提標改造前，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，采用“粗格柵+進水泵房+細格柵+旋流沉砂池+SBR生化池+濾布濾池+接觸消毒”的污水處理工藝。其中SBR生化池設2座，每座4格，共8格，每天的4個周期，每個周期為6.0 h，各工序的時間依次為進水反應3.0 h、沉淀1.5 h、排水1.2 h、閑置0.3 h。
根據提標前運行數據分析，污水處理廠運行穩定，除TN外其他指標均能達到一級A標準。提標前污水處理廠實際進出水水質如表2所示。
隨著受納水體環境要求的不斷提高，污水處理廠出水排放標準也不斷提高，現有出水標準已不能滿足要求。現階段提出的要求是處理后出水達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中V類標準，其中TN≤15 mg/L，詳細指標情況如表3所示。
02 提標工程的重難點分析
2.1 重點
對照污水處理廠提標改造要求，現狀污水處理廠出水CODCr、BOD5、氨氮、SS達標率為100%，TP達標率為99%，TN達標率為52%（以d計）。該工程提標的重點是TN指標。此外，目前污水處理廠實際進水CODCr、BOD5、TN較低，隨著區域內管網的不斷完善和提質增效工作的逐步深入，預計污水處理廠實際進水水質會進一步提高。因此，提標工程在重點考慮TN指標的基礎上，還需為將來進水水質提高后出水水質穩定達標留有余地。
2.1 難點
（1）現狀SBR工藝處理能力有限
通過計算復核，在進水BOD5含量達到設計進水水質（150 mg/L）時，出水CODCr、BOD5、氨氮、TP、SS可以達到提標后要求的設計出水水質。但SBR工藝本身脫氮功能較差（該工程現狀實際脫氮率約為60%），即使改用其他運行方式，也因池容不夠而不能使TN達標。另因場地受限，該工程SBR池已無擴容可能。
（2）碳源不足
BOD5/TN是鑒別能否生物脫氮或脫氮程度的主要指標。
根據《室外排水設計標準》（GB 50014—2021），一般BOD5/TN≥4.0可認為污水有足夠的碳源供生物脫氮。目前國內大部分污水處理廠都很難達到這一標準，均需要外加碳源。該工程實際進水BOD5/TN=1.5~3.5（平均為2.0），需另外補充碳源。
03 提標工程設計
3.1 總體設計
基于工藝可靠、運行管理方便、在施工期“不停水、不減量、不降標”的提標原則，結合現狀設施和用地情況，經綜合比較，采用在現狀SBR池后、濾布濾池前增設深床濾池的工藝方案。與下向流深床濾池相比，上向流深床濾池脫氮效果好，無需設置“驅氮”裝置，可以采用較高的濾速，且水頭損失小，不存在跌落充氧的現象，可節省碳源，特別適合用于污水處理廠提標工程中去除TN。深圳某污水處理廠采用以石英砂為濾料的上向流深床濾池進行提標改造，將出水水質由不能穩定達到一級A標準提升至地表準Ⅳ類標準（TN≤10 mg/L）。
根據實際運行情況，現狀SBR池在運行中仍有不少漂浮物和懸浮物進入濾布濾池，為防止后續構筑物堵塞和影響設備運行，在SBR池出水后設精細格柵。
現狀SBR池采用浮筒式潷水器潷水，出水量變化較大，實際潷水出水量為3 000~6 670 m3/h。為使后續處理構筑物平穩運行，在精細格柵后設中間調節水池。
提標后污水處理流程如圖1所示。
3.2 反硝化深床濾池工藝設計
（1）流向與濾料選擇
目前，反硝化濾池按照水流方向可分為上向流和下向流兩種。上向流反硝化濾池中的濾料級配是大顆粒濾料在底層，小顆粒濾料在上層。其過濾過程是含有一定渾濁度的水由納污量大的濾層下部流入濾料層，而由空隙較小的上部濾層流出，可以更好地發揮濾料層的截污能力，過濾的周期更長且出水水質更好；同時因采用了下進水、上出水的反向過濾型式，帶濾水完全與空氣隔絕，更有利于營造反硝化微生物的生長環境，能更有效地進行脫氮。而下向流反硝化濾池在進水時不斷地從空氣中帶入不利于反硝化微生物生長的氧氣進入濾池，導致系統脫氮效率低下。其優缺點比較如表5所示。
鑒于上向流反硝化濾池不會產生氣阻、不用設置“驅氮”裝置、脫氮效率較高、可以采用較高的濾速、占地面積較小、水頭損失小、運行管理簡單，同時不存在跌落充氧的現象，相比傳統的下向流反硝化濾池可節省約20%~30%的碳源[6]，因此，該工程選用上向流反硝化濾池。
濾料有石英砂、陶粒、輕質濾料、纖維絲濾料等多種材質，各有優勢，其中應用較多的是陶粒及輕質濾料。相較于其他濾料，石英砂濾料具有硬度高、耐腐蝕性好、密度高、機械強度高、截污能力強、使用壽命長、原材料易得、經濟效益佳等優點，因此，該工程采用石英砂濾料，濾料粒徑為2~4 mm。礫石承托層粒徑為2~40 mm，厚度為300 mm。
（2）濾速與濾料高度
濾速與濾料高度決定了接觸時間，也決定了脫氮效果。濾速過低，濾池占地面積大；濾速過高，濾料表面生物膜容易脫落，出水水質難以保證。根據脫氮要求和用地情況，設計上升流速為7.2 m/h，濾料高度為3.0 m，空床接觸時間為25.0 min，反硝化負荷為1.50 kg NO3--N/(m3·d)。
（3）濾池池型
為節省用地，防止和減少濾料流失，選用翻板濾池，單格濾池尺寸為L×B×H=12.0 m×6.0 m×4.8 m，共8格，分2組，每組4格。
（4）濾池沖洗
反硝化濾池的沖洗主要是為了將老化的生物膜脫落更新，防止濾料板結，增強處理效果并減少濾池水頭損失，并不需要將濾料表面沖洗干凈。該工程沖洗周期為48~72 h，采用三段式氣水沖洗。
單獨氣沖：氣沖強度為13.8 L/(m2·s)，沖洗時間為2.0~3.0 min；
氣水聯合沖洗：氣沖強度為13.8 L/(m2·s)，水沖強度為4.5 L/(m2·s)，沖洗時間為4.0~6.0 min；
單獨水沖：水沖強度為9.0 L/(m2·s)，沖洗時間為3.0~5.0 min；
配套沖洗水泵3臺，2用1備，單泵流量Q=1 200 m3/h，揚程H=15 m。沖洗羅茨風機2臺，1用1備，風機風量Q=60 m3/min，風壓P=60 kPa。
（5）碳源投加
碳源采用液態乙酸鈉，每組設1個投加點（共2個投加點），最大投加量為40 mg/L（20%液體）。
設隔膜計量泵3臺，2用1備。投加泵流量Q=0~150 L/h，壓力P=0.3 MPa。
投加系統可根據反硝化濾池進水流量和進水水質準確控制，實現精準投加。
04 技術經濟分析
該工程建筑安裝工程費用約為3 800萬元，單位水量工程投資約為380元/m3；上向流石英砂反硝化深床濾池運行電耗為0.048 kW·h/m3；全年乙酸鈉投加量平均為108 g/m3（乙酸鈉含量為20%），以乙酸鈉單價為1 500元/t計，碳源投加費用為0.162元/m3，其中夏季乙酸鈉投加量平均為100 g/m3，冬季乙酸鈉投加量平均為132 g/m3。與同類工程相比，該工程投資及運行費用略優。
05 提標工程運行效果
提標工程于2019年4月建成投產， 2021年月均實際進出水TN指標如表6所示。
表6 提標后（2021年）月均實際進出水TN含量
2021年進水TN月均值為41.20~46.60 mg/L，在進水濃度明顯提高的情況下，出水TN月均值為9.10~9.50 mg/L，均明顯優于提標要求的設計出水水質。
除TN外，其他幾項出水指標為CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、氨氮≤0.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L、SS≤6 mg/L，明顯優于提標要求的設計出水水質，均達到了地表Ⅳ類標準。
06 結論
（1）基于在施工期“不停水、不減量、不降標”的前提條件下，通過在原有SBR工藝基礎上新增“精細格柵+中間調節水池+上向流石英砂濾料深床濾池”深度處理工藝，使出水水質穩定達到《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中V類標準（其中TN≤15 mg/L）。實際運行效果良好，出水水質穩定達標。
（2）上向流深床濾池脫氮效果好，無需設置“驅氮”裝置，可以采用較高的濾速、水頭損失小、運行管理簡單，不存在跌落充氧的現象，相比傳統的下向流深床濾池可節省20%~30%的碳源，特別適合用于污水處理廠提標工程中去除TN。
（3）該工程上向流深床濾池未采用應用較廣的陶粒及輕質濾料，而是選用應用較少的石英砂濾料，濾料粒徑為2~4 mm，濾料高度為3.0 m，設計上升流速為7.2 m/h，空床接觸時間為25.0 min。該項目可為以石英砂為濾料的上向流反硝化深床濾池在提標工程中的應用提供案例參考。
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