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低碳源投加:自养脱氮滤池运行案例
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  自养脱氮滤池作为污水处理厂二级生化后的深度脱氮技术,选用2~3 mm粒径的自养活性滤料,稳定实现出水TN≤10 mg/L,且零(或低)碳源添加,助力降碳排量。下向流的自养脱氮滤池,HRT约20 min,进水DO高于4 mg/L时,平均脱氮浓度仍达8.50 mg/L,脱氮率67%,脱氮负荷0.64 kg/(m³·d),其药耗较异养脱氮时可降耗30%~50%,宜控制脱氮滤池的进水DO≤2 mg/L。自养脱氮滤池需长期关注NO2-N、S2-、SO42-等副产物累积的不利影响。
  1 项目工程概况
  1.1 项目基本概况
  某园区污水处理厂设计处理规模4万m³/d,污水处理流程采用预处理-多级AO生化-深床脱氮滤池-臭氧接触池-BAF-高效沉淀池-滤布滤池-接触消毒池。项目设计水质见表1,未列进水指标需达到《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962-2015),建成初期出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A,其中COD≤40 mg/L,2019年12月底前完成进一步提标改造,尾水从2020年1月起达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)准Ⅳ类。
  

表1 设计进出水水质

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  注:括号内为温度≤12 ℃时指标。
  1.2 自养脱氮滤池技改及启动情况
  原异养深床脱氮滤池情况:采用一组4格并联,下向流过流形式,设计滤速5.4 m/h,停留时间20 min,填充石英砂滤料(粒径2.0~3.0 mm),填充深度1.85m。滤料下设砾石承托层,进水通过上层堰槽配水,出水及反洗之配水配气采用HDPE材质的T型滤砖(中心用水泥密实填充),见图1所示。
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图1 脱氮滤池结构示意

  自养脱氮滤池技改实施情况:将4格砂滤料升级替换为自养缓释活性滤料(硫系多核复合物改性),粒径2.0~3.5 mm;1~4分格滤床填充同高度的活性滤料,其底部预留0、10cm、20cm、30 cm砂滤料,以考察双层复合滤床对SS过滤截留对比效果。
  自养脱氮滤池接种启动与驯化:初始启动时,从生化池直接取活性污泥作为种泥,单格分3~4批次投泥(每批次间隔1~2 d,并同步进水、停止出水、开启底部放空,便于污泥与原水渗透至滤料深层、与活性滤料充分接触附着挂膜),每次投加污泥量按滤料区容补充1 000~1 500 mg/L污泥浓度左右,并投加少量活化菌液,平均4周左右完成启动驯化。
  2 污染处理效能
  2.1 污染物去除情况
  2.1.1 TN、NO3-N指标
  自养脱氮滤池(后文简称:滤池)整体及1~4分格滤床的进出水TN、NO3-N浓度的变化见图2~图3,滤池进水的TN浓度在13.1~19.5 mg/L(均值15.3 mg/L)、NO3-N浓度为9.38~17.0 mg/L(均值12.9 mg/L),滤池出水的TN浓度在2.92~10.9 mg/L(均值6.63 mg/L)、NO3-N浓度为0.53~7.93 mg/L(均值4.40 mg/L)。
  
  图2 自养脱氮滤池的进出水TN指标变化
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图3 自养脱氮滤池进出水NO3-N指标变化

  自养脱氮滤池的TN、NO3-N浓度的消减见图4~图5,总体TN、NO3-N平均分别消减8.75 mg/L、8.50 mg/L;其中1~4分格NO3-N平均消减浓度依次为:8.31 mg/L、8.46 mg/L、8.51 mg/L、8.86 mg/L。TN、NO3-N平均脱氮率分别为58%、67%。
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图4 自养脱氮滤池的进出水TN消减浓度变化

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图5 自养脱氮滤池的进出水NO3-N消减浓度变化

  2.1.2 SS指标
  自养脱氮滤池的SS浓度变化见图6,滤池进水SS浓度为17.6~32.4 mg/L(均值26.1 mg/L),滤池出水SS浓度为6.5~9.1 mg/L(均值7.6 mg/L);其中1~4分格出水SS浓度均值依次为7.3 mg/L、7.0 mg/L、6.9 mg/L、7.1 mg/L。
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 图6 自养脱氮滤池的进出水SS指标变化

  2.2 副效物累积情况
  2.2.1 NO2-N、S2-指标
  自养脱氮滤池的NO2-N、S2浓度的变化见图7,滤池进、出水及1~4分格的NO2-N浓度在0.12~0.21 mg/L变化,S2-浓度在0.01~0.02 mg/L变化。
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图7 自养脱氮滤池的进出水NO2-N、S2-指标变化

  2.2.2 SO42-指标
  自养脱氮滤池的SO42-浓度的变化见图8,滤池进、出水SO42-浓度均值分别为391 mg/L、480mg/L,SO42-浓度平均增幅89 mg/L。采用气体检测仪对滤池滤料层及池顶部环境布点、检测H2S浓度为0。
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图8 自养脱氮滤池的进出水SO2-4指标变化

  2.3 脱氮、耗料的实际参数
  2.3.1 脱氮负荷
  自养脱氮滤池的NO3-N去除容积负荷(简称脱氮负荷,以DNv计)的变化见图9,总体DNv值为0.56~0.78 kgNO3-N/(m³·d),均值0.64。
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图9 自养脱氮滤池的NO3-N去除容积负荷变化

  2.3.2 滤料损耗
  自养脱氮滤池的料/氮比计算如式(1)所示,其变化见图10,总体(SO42)△/N△比在8.79~13.20(均值10.55),近似折算S0△/N△比约为3.1~4.63(均值3.70)。
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  式中 S0△N△——滤池的料/氮比,g/g;
  S0△——每日进出滤池的活性滤料平均消耗浓度,mg/L;
  N△——每日进出滤池的NO3-N平均去除浓度,mg/L;
  (SO42)△——每日进出滤池的SO2-4平均产生浓度,mg/L;
  32——硫的摩尔质量,g/mol;
  96——硫酸盐的摩尔质量,g/mol;
  a——滤料中硫质活性有效成分比例,约为0.95。
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图10 自养脱氮滤池的料/氮比指标变化

  2.3.3 参数关联性
  自养脱氮滤池的脱氮负荷、水力停留时间、氮浓度、滤料深度、过流滤速等参数在工程设计时应平衡考量、合理定值,特别与过流方式有关(上向流或下向流),参数之间的关联见式(2),一定的NO3-N底物浓度范围,脱氮负荷与脱氮浓度、过流滤速正相关,与水力停留时间、滤料深度负相关。
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  式中 DNv——滤池的脱氮负荷,kgNO3-N/(m³·d);
  Q——进出滤池的处理水量,m³/d;
  V——滤池滤料层的容积,m³;
  N△——每日进出滤池NO3-N的平均去除浓度,mg/L;
  HRT——空床水力停留时间,h;
  H——自养滤料的填充深度,m;
  q——平均过流滤速或水力表面负荷,m/h。
  3 讨论与分析
  3.1 自养与异养脱氮滤池的效费对比
  3.1.1 污染消减效益
  自养脱氮滤池作为二级生化后的深度脱氮技术,对于TN、SS具有协同脱氮降浊效果,由于零(或低)碳源添加,且能降碳排量。非碳自养活性滤料作为电子供体、以无机碳作为能源实现化能自养生物反应,无需添加有机碳源、避免如异养脱氮滤池外碳源带来的COD穿透风险。作为新建单元或基于原有DN滤池(陶粒滤料)、异养深床滤池(石英砂滤料)的利旧技改中,通过引入活性自养滤料、优化滤池配置参数,在优Ⅴ类高标出水处理技术保障中具有良好的应用前景。
  3.1.2 运行药耗
  对比相较于异养脱氮滤池,自养脱氮滤池既节省了砂滤料的一次基建采购费用,且脱氮药耗相较于异养碳源节省30%~50%,这与相关试验研究结论相近,对比分析见表2示。
  
表2 自养与异养脱氮滤池的经济对比

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  注:两脱氮滤池对比结果:每万吨处理规模,均去除5 mgN/L时,第一年即可收回滤料更换费用并盈余,第2年起可节约50万元/年以上的脱氮费用。
  需说明的时,每1~2月开展一次滤池滤料表层的纵向位移,复核活性滤料的月度累积损耗量,以便与式(1)的计算损耗量进行两种方法比对校核。当脱氮效果持续一周低于预期目标时、或于冬季低水温到来前,进行适当补料(补料操作前需降水位露出滤料表层,补料后应摊铺均匀)。当自养脱氮滤池进水TN本底值已较低、单元无脱氮需求时,可通过增设超越管线,或减少滤池投运系列等措施(人为减少HRT),避免自养滤料无效损耗。
  3.2 自养脱氮滤池的设计参数
  3.2.1 滤料优选
  传统的单质硫粉、硫化钠、硫代硫酸钠、硫铁矿等单一或复合物,均可作为硫循环反硝化的电子供体,实现硫基自养生物脱氮。周娅等采用液体硫代硫酸钠(替代硫磺)联合硫铁矿,实现废水脱氮,并改善微生物与电子供体之间的传质并减缓系统堵塞。利用单质硫为电子供体进行生物脱氮时,高硝氮进水负荷下出水中存在大量SO42-,当硫酸盐还原菌SRB存在时可能会释放大量H2S气体;采用硫化物为电子供体时,系统中的微生物可能受到硫化物的毒性抑制,导致低脱氮效率。郭启臣等开展人工湿地硫自养研究时,对比硫单质、硫代硫酸盐、硫铁矿不同的硫基供体,脱氮率优先排序为:硫代硫酸盐>硫铁矿>硫单质。硫载体颗粒粒径对脱氮的影响研究较少,马航等采用0.8 mm的硫粒也取得较高的脱氮率。
  本工程采用自养缓释活性滤料(硫系多核复合物改性)作为媒介(见图11),集成自养脱氮与精过滤功能,粒径2~3.5 mm。滤料表观密度宜≥1.4 g/cm³(上向流时)或≥2.5 g/cm³(下向流时)。活性滤料可与砂滤料(砂滤料填充约20cm或可省去)形成双层复合净化功能,或仅优选2~3 mm的低粒径单一活性滤料作为均质滤料。
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图11 自养活性滤料

  3.2.2 滤池参数
  自养脱氮滤池参数的经验取值见表3,从表3可知,上向流过流形式时的脱氮效能优于下向流方式。本工程采用下向流方式,设计及实际HRT约20 min,脱氮负荷基本符合经验范围。
  
表3 自养脱氮滤池参数的工程经验取值

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  3.3 运行优化
  3.3.1 DO的抑制
  自养脱氮滤池1~4分格纵深的水样中DO与NO3-N分布见图12,滤池深层水样采集装置见图13。滤料表层原水DO约4 mg/L,当原水NO3-N在10~15 mg/L时,滤料纵深同时发生消氧和除氮反应,DO和NO3-N同步消减,一方面DO对于自养脱氮具有抑制作用,高DO下的兼(好)氧环境会造成活性自养滤料被氧化而无效消耗,但在活性滤料絮核生物膜产生微环境、发生了同步脱氧脱氮作用。应调控前端二级生化出水低DO浓度,以及排查前端流程的水力跌氧,必要时在滤池进水渠设置消氧还原剂投药系统(优选硫代硫酸钠等速溶快释型硫化合物;干溶湿投),尽力控制脱氮滤池的进水DO水平≤2 mg/L,并辅以硫代硫酸盐以强化硫系双料(活性滤料+硫代硫酸盐)电子供体的供给。

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图12 自养脱氮滤池滤床纵深的DO、NO3-N指标变化

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图13 滤池深层水样采集的简易装置

  进水中DO对于脱氮滤池运行影响较大,对于下向流形式,需要设置出水调节阀调控水位近似恒水位运行,降低配水堰与水位的落差、避免进一步加剧大气复氧;上向流形式通过淹没在滤床的底部布水系统进入,有一定消氧作用,很少增加复氧。任争鸣等中试研究发现,当滤床高DO时,部分脱氮层填料参与脱氧,形成脱氧、脱氮分层反应,减少了脱氮的有效反应时间。要提高反应器的脱氮效率,应尽量降低反应器进水中的DO浓度,以创造良好的反硝化环境。反硝化产物N2在滤床不断累积,水头损失逐渐增加,需定期进行驱氮操作:每次采用停止进水、单独水洗操作,推荐驱氮历时2~5 min,驱氮周期一般为4~8 h。
  3.3.2 水温及pH的影响
  反应水温对于脱氮反应速率有一定影响,本工程水温及pH见图14(于滤池配水渠道、出水总管路设置采样口),进水水温在20~23 ℃的适宜条件,低温下的处理效能需通过长期运行予以评估。当滤池进水pH在6.9~7.1时,经自养脱氮后pH降幅约0.2。若要求系统去除15 mg/L或更高NO3-N浓度时,需定期监测滤池进出水碱度(或pH)变化,避免出现酸化环境(pH降至6.0 mg/L或以下),必要时设置碱液投药系统。

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图14 自养脱氮滤池的水温、pH指标变化

  潘永月等处理印染废水研究时,提出在20~30 ℃,自养反硝化速率随水温的升高而提高,20 ℃及较低的水温可能会降低反硝化速率。缪博等提出低温条件下(≤15 ℃)硫自养反硝化脱氮作用明显受到抑制,低温下投加硫代硫酸盐或乙酸盐后可提升反应速率。
  3.3.3 副效产物的控制
  自养脱氮滤池作为深度处理的提标应用技术,其进水NO3-N浓度多小于25mg/L,一般不会发生NO2-N中间产物累积情况。本工程脱氮滤池出水NO2-N<1 mg/L,未发生反硝化进程不彻底的情况。但当自养反硝化处理高浓度NO3-N废水或低温环境条件时,由于滤料层HRT有限或低温下反应速率低,可能存在NO2-N累积的现象。
  本工程自养脱氮滤池出水S2-多小于0.05 mg/L,远低于GB 3838-2002的Ⅱ~Ⅴ类标准规定S2-限值(0.1~1.0 mg/L)。无H2S产生(碱度、DO的存在一定程度抑制其产生)。脱氮滤池进出水SO42-受污水处理厂进水本底高值影响,但现行污水排放或再生回用(非饮用)标准对于SO42-指标未作限值规定,因此无需约束,见表4分析。
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 表4 受纳水体或再生水对于SO42-指标的限值规定

  
  4 结论
  自养脱氮滤池作为二级生化后的深度脱氮技术,选用2~3 mm粒径的自养活性滤料,稳定实现出水TN≤10 mg/L。
  采用下向流的自养脱氮滤池时,HRT约20 min、进水水温在20~23℃,平均脱氮浓度8.50 mg/L,脱氮率67%,脱氮负荷0.64 kgNO3-N/(m³·d)。
  自养脱氮滤池较异养脱氮(采用30%乙酸钠碳源时)可降耗30%~50%。
  一定的NO3-N进水范围内,脱氮负荷与脱氮浓度、滤速正相关,与水力停留时间、滤料深度负关联。
  进水高DO对于自养脱氮有抑制,致活性自养滤料无效损耗;活性滤料生物膜发生协同脱氧脱氮,宜采取措施控制脱氮滤池的进水DO≤2 mg/L。
  自养脱氮滤池需长期关注低温(≤15℃)下的脱氮效率,NO2-N、H2S、S2-、SO42-副产物累积的不利影响,以及碱度和pH的降低影响。( 蒋富海)