低碳源投加：自养脱氮滤池运行案例
导 读
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
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。
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
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%。
图4 自养脱氮滤池的进出水TN消减浓度变化
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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
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。
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
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。
图12 自养脱氮滤池滤床纵深的DO、NO3-N指标变化
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。
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。
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。
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