摘 要：在上海市水污染防治行動(dòng)中，城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18918—2002) 一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)總氮指標(biāo)的控制。某城鎮(zhèn)污水處理廠在提標(biāo)改造工程中，深度處理采用反硝化濾池，總設(shè)計(jì)規(guī)模為 24 × 104 m³ /d，其中設(shè)備結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況按 18 × 104 m³ /d 規(guī)模配置。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮、總氮具有非常穩(wěn)定的去除效果，出水總氮穩(wěn)定在 10 mg /L 以下; 濾池微生物群落特征和溶解氧變化，可以作為考察濾池運(yùn)行狀態(tài)的必要輔助。經(jīng)估算，該工程新增的直接運(yùn)行費(fèi)用為 0． 012 元/m³。

關(guān)鍵詞：反硝化濾池; 提標(biāo)改造; 總氮; 微生物特征; 溶解氧

為持續(xù)改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，上海市于 2016 年—2017 年實(shí)施了 30 余座城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造和新建、擴(kuò)建工程，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18918—2002) 一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)，其重點(diǎn)在于氮、磷等污染物的深度處理。近年來(lái)，作為深度處理生物脫氮的重要工藝———反硝化濾池已在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。夏文輝等、嚴(yán)國(guó)奇等介紹了反硝化濾池在大型污水廠的設(shè)計(jì)、調(diào)試與運(yùn)行情況，系統(tǒng)脫氮效果穩(wěn)定。周曉黎等依托實(shí)驗(yàn)室反硝化生物濾池，研究了生物膜胞外聚合物( EPS) 的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)沿水流方向 EPS 含量呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在濾料層中間段最高。但受多種條件影響，其實(shí)際處理效果報(bào)道不多，且較少結(jié)合微生物特征來(lái)判斷運(yùn)行狀態(tài)。以某城鎮(zhèn)污水處理廠工程為依托，探討了反硝化濾池的調(diào)試運(yùn)行情況，并提出設(shè)備選擇的建議，旨在為該工藝的推廣應(yīng)用積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，為污水廠的運(yùn)行管理提供參考。

1 工程概況

上海市某城鎮(zhèn)污水處理廠于 2017 年初開(kāi)始實(shí)施提標(biāo)改造工程，改造后主體工藝流程為“粗/細(xì)格柵—曝氣沉砂池—初沉池—改良型 Bardenpho—二沉池—磁混凝沉淀池—反硝化濾池—消毒池”，其中深度處理段“磁混凝沉淀池—反硝化濾池”為新增單體。反硝化濾池集生物脫氮和過(guò)濾為一體，結(jié)合傳統(tǒng)過(guò)濾和反硝化作用，同時(shí)去除懸浮物和總氮。土建按遠(yuǎn)期 24 × 104 m³ /d 設(shè)計(jì)，共 14 格。近期運(yùn)行按 18 × 104 m³ /d，投產(chǎn) 10 格。濾池設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表 1( 其中，設(shè)計(jì)最低水溫為 12 ℃，出水指標(biāo)優(yōu)于一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)) 。

2 主要構(gòu)（建）筑物及設(shè)備配置

①反硝化濾池

磁混凝沉淀池出水總渠分兩路管道進(jìn)入反硝化濾池，濾池為東西兩側(cè)布置，每側(cè)布置混合池，設(shè)置1 臺(tái)混合攪拌機(jī)，功率為 5． 5 kW，用于快速混合碳源。濾池共 14 格，單 格 尺 寸 ( L × B × H ) 為 22． 75 m × 4． 88 m × 5．85 m。池底安裝高密度聚乙烯濾磚，作為配水布?xì)庀到y(tǒng)，收集濾液至池底中央的集水槽; 反沖洗過(guò)程中，均勻分布反沖洗氣流和水流; 同時(shí)作為濾料層的承載結(jié)構(gòu)。由下至上布置承托層和石英砂層，規(guī)格依次為 5 層礫石( 19 mm × 13 mm、13 mm × 6 mm、6 mm × 3 mm、13 mm × 6 mm、 19 mm × 13 mm) ，以及石英砂層。石英砂粒徑為1． 70 ～ 3． 35 mm，均勻系數(shù)為 1． 35，濾層高度為 2 m，球形度 ＞ 0． 8，莫氏硬度為 7。

② 反沖洗清水池

尺寸( L × B × H) 為 21． 0 m × 9． 0 m × 4． 3 m( 有效水深為 3． 3 m) ，與清水渠連通。設(shè)反沖洗水泵( 潛水泵 3 臺(tái)，2 用 1 備) ，流量為 839 m3 /h，揚(yáng)程為98 kPa，功率為 35 kW。

③ 廢水池

尺寸( L × B × H) 為 19． 7 m × 9． 0 m × 6． 1 m( 有效水深為 5． 1 m) ，與清水渠連通。設(shè)置廢水泵( 潛水泵 2 臺(tái)，1 用 1 備) ，流量為 296 m³ /h，揚(yáng)程為 81 kPa，功率為 10 kW。設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī) 2 臺(tái)，功率為 4 kW。

④ 鼓風(fēng)機(jī)房

尺寸( L × B × H) 為 22． 0 m × 9． 3 m × 8． 2 m，與濾池合建。設(shè)反沖洗鼓風(fēng)機(jī) 3 臺(tái)( 2 用 1 備) ，風(fēng)量為 5 074 m³ /h，風(fēng)壓為 0． 07 MPa，功率為 160 kW。

設(shè)空壓機(jī) 2 套，風(fēng)量為 0． 84 m3 /min，風(fēng)壓為 0． 7 MPa，功率為 5． 5 kW，配套冷干機(jī)、儲(chǔ)氣罐等。

⑤ 碳源投加系統(tǒng)

新建儲(chǔ)液池，設(shè)投加泵 2 臺(tái)，互為備用，流量為1 500 L /h，壓力為 0． 3 MPa，功率為 0． 75 kW，分別投加至東西兩側(cè)碳源混合池。

⑥ 控制系統(tǒng)

每格濾池設(shè)置 5 個(gè)氣動(dòng)蝶閥/閘門(mén)，分別為進(jìn)水閘門(mén)、出水調(diào)節(jié)蝶閥、反沖洗進(jìn)水蝶閥、反沖洗空氣蝶閥、廢水蝶閥。反沖洗水泵出口總管設(shè)置 1 個(gè)調(diào)節(jié)蝶閥，反沖洗鼓風(fēng)機(jī)出口總管設(shè)置 1 個(gè)電動(dòng)放空閥。系統(tǒng)內(nèi)主要儀表包括: 進(jìn)水流量計(jì)、反沖洗水流量計(jì)、超聲波液位計(jì)、進(jìn)出水硝酸鹽分析儀、進(jìn)水溶氧儀，以及配套所需的壓力開(kāi)關(guān)和液位開(kāi)關(guān)等。濾池配套 1 個(gè)主控柜，防護(hù)等級(jí) IP55，含 PLC 及人機(jī)界面，用于控制濾池運(yùn)行，包括反沖洗鼓風(fēng)機(jī)、反沖洗水泵、廢水泵及所有自動(dòng)控制閥門(mén)和儀表。

3 運(yùn)行效果及分析

3.1 調(diào)試啟動(dòng)

該工程于 2017 年 12 月建設(shè)完工，12 月底正式進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行階段。初期進(jìn)水量為 12 × 104 m³ /d， 以 8 格運(yùn)行。調(diào)試階段正值冬季，啟動(dòng)初期水溫為10 ～ 12 ℃，進(jìn)水 DO 為 8． 5 ～ 9． 7 mg /L，SS 較低，為 3 ～ 14 mg /L，COD 為 15． 2 ～ 44． 2 mg /L，平均值為24． 6 mg /L。啟動(dòng)方案有兩種: ①采用污泥接種，降低濾池的液位至砂面上 300 ～ 500 mm，連接污泥泵和軟管后，開(kāi)啟污泥泵，首批投泥; 將二沉池污泥分別投加到每格濾池作為接種污泥，并通過(guò)曝氣使污泥均勻分布。②當(dāng)水質(zhì)濃度較低或外部因素受限時(shí)，采用自然培養(yǎng)掛膜的方式，依靠前端二沉池出水SS 所攜帶的微生物完成污泥培養(yǎng)及積累，在啟動(dòng)的前 2 ～ 3 天，系統(tǒng)可超越磁混凝沉淀池運(yùn)行或者暫�；炷铀�。方案①接種生化污泥，在缺氧環(huán)境下可能出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象，存在磷超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，該工程采用自然培養(yǎng)的方式掛膜，依靠前段出水 SS 所攜帶的微生物完成污泥培養(yǎng)及積累，培養(yǎng)反硝化細(xì)菌。

根據(jù)水量和進(jìn)水中硝酸鹽濃度，計(jì)算醋酸鈉投加量( Q) 。啟動(dòng)時(shí)，先按 25% Q 投加碳源( 20% 的醋酸鈉) 。由于濾池初期無(wú)反硝化效果，在這個(gè)階段出水 COD 會(huì)有所上升，但因少量投加醋酸鈉， COD 濃度上升不明顯，不致引起出水有機(jī)物超標(biāo)。每天早晨 8 點(diǎn)取樣，根據(jù)出水硝酸鹽濃度逐步提高碳源投加量。在冬季建議投加比例分別按 45% 、 65% 、85% 和 100% ，略微過(guò)量供給，以促使反硝化細(xì)菌盡快占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.2 微生物特征

生物培養(yǎng)馴化 過(guò) 程 中 采 用 雙 目 生 物 顯 微 鏡( XSP － 4C) 鏡檢。在反沖洗過(guò)程中，氣水沖洗約 10 min( 2 /3 進(jìn)程) 時(shí)取反沖洗廢水鏡檢。培養(yǎng)初期( 第 1 周內(nèi)) 污泥鏡檢圖片見(jiàn)圖 1。鏡檢發(fā)現(xiàn)菌膠團(tuán)、微生物種類(lèi)和數(shù)量較少，只能看到少量扭頭蟲(chóng)、楯纖蟲(chóng)，偶爾發(fā)現(xiàn) 1 ～ 2 只線蟲(chóng)。

2 周后，出水硝酸鹽濃度呈降低趨勢(shì)，在碳源供給穩(wěn)定的情況下，一旦反硝化效果產(chǎn)生，脫氮效果增長(zhǎng)明顯，2 ～ 3 d 內(nèi)趨于穩(wěn)定。培養(yǎng)后期的污泥鏡檢結(jié)果見(jiàn)圖 2。

由圖 2 可以觀察到，隨著調(diào)試的進(jìn)行，首先是絲狀菌大量出現(xiàn)，再逐漸出現(xiàn)原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，如累枝蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、線蟲(chóng)等，微生物種類(lèi)豐富，對(duì)照硝酸鹽的去除效果，說(shuō)明系統(tǒng)已具備反硝化功能。后期運(yùn)行期間也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)受到外界沖擊時(shí)，微生物種群特征變化，菌種種類(lèi)和數(shù)量減少，特別是絲狀菌明顯減少。這種情況也與劉凱等的研究報(bào)道一致。絲狀菌作為反硝化作用的指示生物之一，既有助于其他菌落圍繞其生長(zhǎng)，也能依靠菌絲體的交織作用增加膜塊的機(jī)械強(qiáng)度。因不同的污水處理廠水源水質(zhì)的差異，主要微生物種類(lèi)也存在較大差異，應(yīng)按照全廠構(gòu)筑物的流向進(jìn)行觀察，尋找優(yōu)勢(shì)種群的生態(tài)演替規(guī)律，指示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和判斷處理效果。

3.3 溶解氧的變化

采用 HACH HQ40d 溶解氧分析儀，浸入式檢測(cè)濾池內(nèi) DO 的變化情況，分別測(cè)定 2#、10#濾池進(jìn)水渠內(nèi)、濾池內(nèi)( 高低液位及砂面) 、清水池內(nèi)幾處，其中高液位為液面淹沒(méi)進(jìn)水堰堰口( 距濾料頂 1． 75 m) ，低液位為經(jīng)出水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后的最低液位( 距濾料頂 1． 55 m) ，調(diào)試初期高低液位波動(dòng)為 ± 0． 1 m。1 月—2 月水溫維持在 11 ～ 13 ℃，2#、10#濾池DO 濃度相近，進(jìn)水渠內(nèi)、濾池內(nèi)高低液位的 DO 變化范圍依次為 8． 47 ～ 9． 31、8． 49 ～ 9． 63、8． 46 ～ 9． 48 mg /L，且高低液位的 DO 無(wú)明顯變化。許多研究認(rèn) 為，應(yīng)控制恒液位避免跌水而產(chǎn)生二次充氧。而上述數(shù)據(jù)與現(xiàn)有研究結(jié)果不同，分析因進(jìn)水 DO 接近飽和，此階段跌水對(duì) DO 影響較小。

圖 3 為濾池內(nèi) DO 的變化情況。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)初期清水池 DO 略降低，約為 6 ～ 8 mg /L，此時(shí)進(jìn)、出水 NO －3 － N 無(wú)明顯變化; 隨著清水池 DO 逐漸降至 3 mg /L 以下，進(jìn)、出水 NO －3 － N 呈下降趨勢(shì);當(dāng)清水池 DO ＜ 1 mg /L 時(shí)，系統(tǒng)對(duì) NO －3 － N 的去除趨于穩(wěn)定。按設(shè)計(jì)規(guī)范，活性污泥法缺氧反硝化要求 DO ＜ 0． 5 mg /L，而在實(shí)際反應(yīng)中，由于污泥顆粒尺寸較大，沿粒徑方向存在 DO 濃度梯度，故反硝化對(duì) DO 的要求顯著降低。但當(dāng)同時(shí)存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時(shí)，氧會(huì)與硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)電子供體，DO 會(huì)優(yōu)先消耗掉碳源有機(jī)物，造成無(wú)效的藥耗，且不利于反硝化菌的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，并且可能使反硝化反應(yīng)集中在填料區(qū)后段，從而造成反硝化濾池空間利用不足，影響脫氮效率。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

經(jīng)連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)整體、各子系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行正常，穩(wěn)定可靠。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有進(jìn)、出水的 COD、SS、 TP、TN、NH3 － N、NO－3 － N、NO－2 － N 等，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到且優(yōu)于一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)。2018 年 3 月主要水質(zhì)指標(biāo)變化如圖 4 所示。

由圖 4 可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì) NO－3 － N、 TN 具有非常穩(wěn)定的去除效果，出水 TN 穩(wěn)定在 ＜ 10 mg /L。

穩(wěn)定運(yùn)行后，初期水量為 12 × 104 m³ /d，以 8 格運(yùn)行; 反沖洗頻率每 48 h 一格; 驅(qū)氮頻率為每 3 ～ 4 h 一次; 碳源采用 20% 的乙酸鈉溶液，自動(dòng)投加，投加比率為 6 ～ 11; 碳源前饋計(jì)算依據(jù)為( 進(jìn)水硝態(tài)氮－ 目標(biāo)硝態(tài)氮) × 投加比率/碳源濃度 × 進(jìn)水流量/密度; 碳源后饋計(jì)算依據(jù)為比較出水硝態(tài)氮和目標(biāo)硝態(tài)氮，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整投加比率。

3.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

該工程投資為 2 012 萬(wàn)元，主要直接運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)。其中，系統(tǒng)裝機(jī)容量為668 kW，電耗為 0． 006 2 kW·h /m³，電價(jià)按 0． 76 元/( kW·h) 計(jì)，則電費(fèi)為 0． 004 7 元/m³。藥劑主要為 20% 的乙酸鈉溶液，用量平均為 0． 58 t /d，單價(jià)按 1 500 元/t 計(jì)，藥劑費(fèi)為 0． 00 73 元/m³。運(yùn)行管理依托廠內(nèi)現(xiàn)有定員，故人工費(fèi)未單獨(dú)計(jì)算。該工程新增的直接運(yùn)行費(fèi)用為 0． 012 元/m³。

4 技術(shù)難點(diǎn)分析

① 濾池單格面積大，安裝精度要求高。濾池單格面積與池型、生產(chǎn)規(guī)模、操作運(yùn)行方式等有關(guān)，也與濾后水匯集和沖洗水分配的均勻性有較大關(guān)系。從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和反沖洗均勻性方面考慮，單格濾池面積一般不宜大于 100 ㎡。從土建、設(shè)備等方面綜合考慮，該工程單格面積為 111． 02 m2，尺寸為22． 75 m( 長(zhǎng)) × 4． 88 m( 寬) 。為了保證布水布?xì)獾木鶆蛐�，安裝精度要求高，空氣支管管頂位于濾磚 2個(gè)配氣孔之間，空氣主管安裝偏差在 ± 3 mm 范圍內(nèi)，單條濾磚長(zhǎng)度方向水平度偏差為 ± 3 mm，整格濾磚水平度偏差不超過(guò) ± 6 mm。

② 下向流的濾池由于進(jìn)水渠起始端和末端水位的差異，以及受土建施工精度影響，常存在內(nèi)部配水不均勻的問(wèn)題，容易導(dǎo)致局部水質(zhì)穿透。采用兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，因廠區(qū)占地受限，從前序單元的出水總渠由兩路管道分別向兩側(cè)進(jìn)水，更增加了進(jìn)水分配的難度。單格濾池進(jìn)水槽設(shè)置可調(diào)整高度的堰板，槽縱向堰頂水平偏差為 ± 1 mm，池與池之間堰頂豎向偏差為 ± 2 mm，進(jìn)水后再根據(jù)所有濾池的進(jìn)水速度微調(diào)，以保證進(jìn)水流量均衡。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于進(jìn)水水量的波動(dòng)，特別是在小流量時(shí)，單格流量不能完全均勻，因此考慮后期在每格濾池進(jìn)水閘門(mén)之后增設(shè)一道堰板，作為一級(jí)布水堰板，在進(jìn)水渠道內(nèi)進(jìn)一步削弱水流的動(dòng)能，促使水流分布更為均勻。

③ 反硝化最合適的溫度為 20 ～ 40 ℃，低溫會(huì)降低反硝化細(xì)菌的繁殖速率和代謝速率，溫度 ＜ 15 ℃反硝化速率明顯降低，在 5 ℃ 以下時(shí)反硝化速率極低，不到 30 ℃ 條件下的 1 /7［4，10］。該工程的系統(tǒng)調(diào)試啟動(dòng)期正好在冬季，進(jìn)水水溫較低( 10 ～ 12 ℃ ) ，處于反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)溫度的低限，成為影響微生物培養(yǎng)周期的主要問(wèn)題。調(diào)試階段濾池實(shí)際進(jìn)水負(fù)荷較低，選用自然培養(yǎng)的方式，啟動(dòng)周期相對(duì)較長(zhǎng)，在前 2 周內(nèi)基本上未出現(xiàn)明顯的反硝化效果，2周后反硝化效果逐漸明顯并穩(wěn)定。

④ 由于進(jìn)水溶解氧過(guò)高，會(huì)增加碳源的用量。在調(diào)試期間，追蹤了從二沉池到清水池的溶解氧濃度變化情況( 見(jiàn)表 2) 。

由表 2 可知，受前端生化池的影響，二沉池出水DO 已高于 4 mg /L，且波動(dòng)較大，經(jīng)過(guò)提升泵提升后DO 達(dá)到 6 ～ 8 mg /L，再經(jīng)后續(xù)單元逐級(jí)升高，造成濾池進(jìn)水 DO 居高不下。在后期將考慮優(yōu)化前端工藝，控制溶解氧的升高。建議設(shè)計(jì)階段在全廠系統(tǒng)內(nèi)考慮溶解氧的變化，而不僅從濾池單元考慮。

為了降低水頭跌落對(duì)充氧的影響，在反硝化濾池中普遍采用恒液位的運(yùn)行模式，而控制恒液位要求液位和出水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度之間實(shí)時(shí)響應(yīng)，這對(duì)液位計(jì)的精度和靈敏度，以及閥門(mén)動(dòng)作速度和閥板動(dòng)作次數(shù)都提出了更高要求，需要在運(yùn)行成本和設(shè)備壽命之間綜合考慮。

5 結(jié)論

① 上海某城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造工程采用反硝化濾池，脫氮效果顯著，直接運(yùn)行費(fèi)用 為0． 012 元/m³，能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出水總氮指標(biāo)達(dá)到并優(yōu)于一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)。

② 在冬季低溫條件下采用自然培養(yǎng)污泥的方式調(diào)試，約 2 周后反硝化效果逐漸顯現(xiàn)并在 2 ～ 3 d內(nèi)趨于穩(wěn)定。微生物特征變化明顯，直接反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，建議作為日常運(yùn)行必要的檢測(cè)項(xiàng)目。

③ 觀察濾池進(jìn)、出水 DO 變化，有助于了解反硝化的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)優(yōu)化控制全廠系統(tǒng)內(nèi) DO，從而降低濾池進(jìn)水 DO，對(duì)反硝化的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

④ 在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，需要運(yùn)營(yíng)人員積累運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析濾池的運(yùn)行狀態(tài)，在保證系統(tǒng)出水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的前提下，對(duì)反洗周期、碳源投加量等重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，摸索系統(tǒng)在不同工況、不同季節(jié)下的最佳運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步降低處理能耗。

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