上向流石英砂深床滤池攻克污水厂提标总氮达标难题？

大多数污水处理厂的重点和难点都在提升TN达到标准。深床滤池是污水处理厂升级改造的主流脱氮工艺之一。它具有占地面积小、功耗低、脱氮效果好的特点，广泛应用于升级工程中。然而，由于水流方向不同于过滤材料、过滤速度和过滤强度，脱氮效果也不同。在实际工程应用中，上流深床过滤材料主要是生物陶粒和轻质过滤材料，石英砂过滤材料的报道很少。通过研究发现，上流深床过滤材料主要有两种：生物陶粒和威利亚公司Biostyr聚苯乙烯小球轻质滤料(密度为1.0 g/cm3)本文以城市污水处理厂实际升级工程为例，介绍了上流石英砂滤料深床滤池的工艺设计和运行效果。

01 工程概括

城市污水处理厂设计规模10.0万m3/d，随着外部管网的不断完善，实际污水收集量已远远超过设计规模。根据运行协议，污水处理厂的处理规模保持在10.0万m3/d，扩建污水处理厂处理多余污水。2019年月均处理水量为101 861~108 794 m3/d，月均处理水量如表1所示。

城市污水处理厂污染物排放标准在升级改造前实施。（GB 18918—2002）一级A标准采用粗格栅 进水泵房 细格栅 旋流沉砂池 SBR污水处理工艺为生化池 滤布滤池 接触消毒。SBR生化池设2座，每座4格，共8格，每天4个周期，每个周期6个.0 h，每道工序的时间依次为进水反应3.0 h、沉淀1.5 h、排水1.2 h、闲置0.3 h。

根据提标前运行数据分析，污水处理厂运行稳定，除外TN其他指标均可达到一级A标准。污水处理厂实际进出水质如表2所示。

随着接收水环境要求的不断提高，污水处理厂的出水排放标准也不断提高，现有的出水标准已不能满足要求。现阶段提出的要求是处理后出水符合地表水环境质量标准（GB 3838—2002）中V类别标准，其中TN≤15 mg/L，详细指标如表3所示。

02 提标工程重难点分析

2.1 重点

与污水处理厂升级改造要求相比，污水处理厂现状出水CODCr、BOD5、氨氮、SS达标率为，TP达标率为99%，TN达标率为52%(以d计)。本工程提标的重点是TN此外，目前污水处理厂实际进水CODCr、BOD5、TN较低，随着区域管网的不断完善和质量和效率的逐步深化，预计污水处理厂的实际进水水质将进一步提高。因此，重点关注标准项目TN指标的基础上，还需为将来进水水质提高后出水水质稳定达标留有余地。

2.1 难点

（1）现状SBR工艺处理能力有限

通过计算审核，进水BOD5含量达到设计进水水质(150 mg/L）时，出水CODCr、BOD5、氨氮、TP、SS设计出水水质可满足提标后的要求。SBR工艺本身脱氮功能差(工程现状实际脱氮率约为60%)，即使改用其他操作模式，由于池容不足，也无法使用TN达标。另因场地受限，该工程SBR池没有扩容的可能。

(2)碳源不足

BOD5/TN是识别生物脱氮或脱氮程度的主要指标。

根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021)BOD5/TN≥4.0可以认为污水有足够的碳源供生物脱氮。目前，我国大多数污水处理厂都难以达到这一标准，需要添加碳源。本工程实际进水BOD5/TN=1.5~3.5（平均为2.0)，需要补充碳源。

03 提标工程设计

3.1 总体设计

基于工艺可靠、操作管理方便、施工期间不停水、不减量、不降标的升标原则，结合现状设施和土地利用合比较采用现状SBR在池后和滤布过滤器前增加深床过滤器的工艺方案。与下向流深床过滤器相比，上向流深床过滤器具有良好的脱氮效果。无需设置驱氮装置，过滤速度高，水头损失小，无脱落充氧现象，可节省碳源，特别适用于污水处理厂标准工程TN。深圳某污水处理厂采用以石英砂为滤料的上流深床滤池进行升级改造，使出水水质不稳定达到一级A将标准提高到地表标准Ⅳ类标准（TN≤10 mg/L）。

根据实际操作情况，现状SBR为防止后续结构堵塞，影响设备运行，池内仍有许多漂浮物和悬浮物进入滤布滤池SBR池出水后设置精细格栅。

现状SBR水池采用浮筒式倾倒器倾倒，出水量变化较大，实际出水量为3 000~6 670 m3/h。为使后续处理结构顺利运行，在精细格栅后设置中间调节池。

污水处理工艺如图1所示。

3.2 反硝化深床滤池设计

(1)选择流向和滤料

目前，反硝化流方向，反硝化过滤器可分为上流和下流。上流反硝化过滤器中的过滤材料级配为底层大颗粒过滤材料，上层小颗粒过滤材料。过滤过程是含有一定浊度的水从污染过滤层下部流入过滤层，上部过滤层间隙小，可以更好地发挥过滤层的截污能力，过滤周期长，出水质好；同时，由于反向过滤类型，过滤水与空气完全隔离，更有利于创造反硝化微生物的生长环境，更有效地脱氮。下流反硝化过滤器不断将不利于反硝化微生物生长的氧气从空气中带入过滤器，导致系统脱氮效率低。其优缺点如表5所示。

鉴于上向流反硝化滤池不会产生气阻，不需要设置驱氮装置，脱氮效率高，滤速高，占地面积小，水头损失小，操作管理简单，无脱落充氧现象，与传统下向流反硝化滤池相比可节省约20%~30%的碳源[6]因此，本工程选用上流反硝化滤池。

滤料有石英砂、陶粒、轻滤料、纤维丝滤料等材料，各有优点，其中陶粒和轻滤料应用广泛。与其他滤料相比，石英砂滤料具有硬度高、耐腐蚀性好、密度高、机械强度高、截污能力强、使用寿命长、原料易得、经济效益好等优点。因此，本工程采用石英砂滤料，滤料粒径为2~4 mm。砾石支撑层的粒径为2~40 mm，厚度为300 mm。

(2)滤速和滤料高度

滤速和滤料高度决定接触时间和脱氮效果。滤速过低，滤池占地面积大；滤速过高，滤料表面的生物膜容易脱落，出水水质难以保证。根据脱氮要求和用地情况，设计上升流速为7.2 m/h，滤料高度为3.0 m，空床接触时间为25.0 min，1.反硝化负荷.50 kg NO3--N/(m3·d)。

(3)滤池类型

为节约用地，防止和减少滤料流失，选用翻板滤池，单格滤池尺寸为L×B×H=12.0 m×6.0 m×4.8 m，共8格，分2组，每组4格。

（4）滤池冲洗

反硝化过滤器的清洗主要是为了更新老化的生物膜，防止过滤材料硬化，提高处理效果，减少过滤头的损失，不需要清洗过滤材料的表面。本工程的清洗周期为48个~72 h，用三级气水冲洗。

单独气冲：气冲强度为13.8 L/(m2·s)，冲洗时间为2.0~3.0 min；

气水联合冲洗：气冲强度为13.8 L/(m2·s)，水冲强度为4.5 L/(m2·s)，冲洗时间为4.0~6.0 min；

单独水冲：水冲强度为9.0 L/(m2·s)，冲洗时间为3.0~5.0 min；

配套冲洗水泵3台，2用1备，单泵流量Q=1 200 m3/h，扬程H=15 m。洗罗茨风机2台，1用1备，风机风量Q=60 m3/min，风压P=60 kPa。

(5)碳源投加

碳源采用液态乙酸钠，每组设一个投加点(共2个投加点)，投加量为40 mg/L(20%液体)。

设置3台隔膜计量泵，2用1备。加泵流量Q=0~150 L/h，压力P=0.3 MPa。

根据反硝化滤池的进水流量和进水质，可准确控制投加系统。

04 技术经济分析

建筑安装工程费用约3 800万元，单位水量工程投资约380元/m3.上流石英砂反硝化深床滤池的运行功耗为0.048 kW·h/m3.乙酸钠年平均投入量为108 g/m3(乙酸钠含量为20%)，乙酸钠单价为1 500元/t计算，碳源投加费为0.162元/m3.夏季乙酸钠的平均投入量为100 g/m3.冬季乙酸钠的平均投入量为132 g/m3.与同类项目相比，项目投资和运营成本略好。

05 提升工程运行效果

2019年4月19年4月竣工投产，2021年实际进出水TN指标如表6所示。

(2021年)月均实际进出水TN含量

2021年进水TN月均值为41.20~46.60 mg/L，当进水浓度显著增加时，出水TN月均值为9.10~9.50 mg/L，设计出水水质明显优于提标要求。

除TN此外，其他出水指标是CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、氨氮≤0.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L、SS≤6 mg/L，设计出水水质明显优于标准要求，均达到地表Ⅳ类标准。

06 结论

(1)在施工期间不停水、不减量、不降标的前提下SBR在此基础上，新增了精细格栅 中间调节池 上流石英砂滤料深床滤池的深度处理工艺，使出水水质稳定达到地表水环境质量标准（GB3838—2002）中V类别标准(包括TN≤15 mg/L）。实际运行效果好，出水水质稳定达标。

（2）上向流深床滤池具有良好的脱氮效果。无需设置驱氮装置。可采用高滤速、水头损失小、操作管理简单等方式，无脱落充氧现象。与传统的下向流深床滤池相比，可节省20%~30%的碳源特别适合去除污水处理厂的标准工程TN。

(3)本工程向流深床滤池不使用应用广泛的陶粒和轻质滤料，而是使用应用较少的石英砂滤料，滤料粒径为2~4 mm，滤料高度为3.0 m，上升流速为7.2 m/h，空床接触时间为25.0 min。本项目可为提标工程中以石英砂为滤料的上流反硝化深床滤池提供案例参考。

来源：净水技术

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