李桂平，欒兆坤
(中國科學院生態環境研究中心，北京 100085)

　　摘　要：采用深床直接過濾工藝對城市污水處理廠的二級出水進行了深度處理，考察了同步脫氮除磷的可行性和運行條件。研究表明，通過鐵鹽絮凝劑的加入，借助微絮凝直接過濾可有效去除水中的PO4^3--P(去除率＞90%)；通過在濾池前加入甲醇作為外碳源，在濾池中進行同步脫氮，對NO₃^--N的去除率達97%，可使出水的TSS＜10mg/L；濾速為10m/h時采用無膨脹反沖洗與氣水聯合反沖洗相結合的沖洗方式可使過濾周期長達40h左右。
　　關鍵詞：城市污水；深度處理；深床直接過濾；脫氮除磷
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)10-0012-04

Using Micro-flocculation Deep-bed Biofiltration Process for Advanced Treatment of Urban Wastewater
LI Gui-ping, LUAN Zhao-kun
(Research Center for Eco-Environmental Science,Chinese Academy of Science,Beijing 100085,China)

　　Abstract： Micro-flocculation deep-bed biofiltration process was used for advanced treatment of secondary effluent from urban wastewater treatment plant,and investigation was made for the feasibility and operational condition of simultaneous nitrogen and phosphorus removal.The study result indicated that by addition of Fe³⁺ ,more than 90% of PO₄^3--P can be removed with the aid of micro-flocculation filtration;when methanol is added as external carbon source in the front of filter and simul taneous removal of nitrogen occurs in the filter,97% of NO₃^--N can be removed and TSS in the effluent is less than 10 mg/L.At filter rate of 10 m/h,non-expanded backwash is used in combination of air-water backwash,the filter cycle may be as long as 40 h.
　　Keywords: urban wastewater; advanced treatment; micro-flocculation deep bed filtration; nitrogen and phosphorus removal

　　微絮凝—深床過濾工藝通常用于微污染低濁水的凈化處理^[1]，而筆者將其用于城市污水的深度處理，即將深床生物脫氮與混凝除磷相結合，使脫氮和除磷在同一處理單元(濾池)中完成，是一種緊湊、經濟、高效的后續處理工藝，當然其機理及操作將比單一濾池更為復雜(如需考慮脫氮過程產生的氣泡對過濾的影響、絮凝劑加入時對脫氮效果的影響、反沖洗方式等)，國外對此已有相關的研究與應用，而我國相關的報道較少。

1 試驗方法與材料

1.1 試驗裝置
　　試驗裝置如圖1所示。

　　濾柱由有機玻璃制成，其內徑為200mm；濾料填充厚度為250cm，采用的無煙煤濾料的有效粒徑為2.6mm；濾層下部有10cm厚的卵石承托層；濾柱一側間隔25cm設有取樣口，同時與測壓管相連。污水由計量泵從濾柱底部加入，加藥后經管道混合器混合后進入濾柱。因二沉池出水SS較高，為防止濾池堵塞，故采用了有效粒徑為2.6mm的大粒徑濾料。床深的選擇則根據經驗公式H/d＝800～1000，考慮到同步脫氮過程中產生的氮氣會在濾床中積累從而影響過濾效果，故采用床深的上限值(250cm)。
1.2 試驗水質
　　以中科院半導體所附近小區的生活污水為原水，在實驗室模擬常規二級處理過程，取沉淀池出水作為試驗用水，具體模擬裝置如圖2所示，其中曝氣池停留時間為6h，整體處理時間為8.5h。?

　　模擬污水水質如表1所示。

表1 試驗相關水質 項目 pH值 COD(mg/L) SS(mg/L) NO₃^--N(mg/L) PO₄^3--P(mg/L) 原水 6.5～7.6 167～351 30～194 2～5 3～11 模擬出水 6.8～7.6 31～89 6～39 7～26 1.1～7

1.3 分析項目及儀器
　　COD：HACH公司COD測定儀；pH值：pH計；SS：濾紙法；PO₄^3--P：離子色譜儀；TOC：TOC分析儀。
1.4 濾柱的動態掛膜
　　取北京某污水處理廠的厭氧污泥加入NaNO₃進行馴化培養后，投入濾柱內循環48h，然后進行動態培養，向濾柱中連續注入模擬二沉池出水及甲醇并逐步增加負荷，3周后檢測NO₃^--N的去除率＞90%，表明掛膜成功。
1.5 同步脫氮除磷
　　分別以10、15、20m/h的濾速對不同NO₃^--N濃度的污水進行脫氮試驗，歷時8個月，溫度為9.3～26.8℃。同時由于實際處理工藝中二沉池出水有溢流過程，其DO含量為5～7mg/L，進入濾柱后會好氧消耗部分外加碳源，使碳源消耗超過理論值，因此還對碳源投加比例進行了研究。
　　選用PFC(聚合氯化鐵)和FeCl₃兩種絮凝劑分別對磷和濁度的去除進行了對比研究，并考察了絮凝劑的加入對脫氮效果的影響。
1.6 反沖洗方式
　　反沖洗方式是影響該工藝運行效果的關鍵，筆者考察了將兩種反沖洗方式(濾床無膨脹沖洗和常規氣水聯合反沖洗)相結合的效果和可行性。

2 結果與討論

2.1 對氮的去除
　　試驗中分別測定了DO、NO₃^--N、NO₂^--N、TOC隨床深的變化情況。當濾池進水NO₃^--N濃度為20.3mg/L時，在床深為1m處對氮的去除率可達92.1%，而總去除率為98.5%。NO₂^--N在床深為0.5m以內處有積累，出水中NO₂^--N含量降為零。DO在0.25m床深范圍內迅速降至1.4mg/L，在0.5m處則降至0.83mg/L，此時既具有機物的好氧分解，也存在反硝化脫氮作用，而前者導致了有機碳源消耗高于單純的厭氧反硝化所需碳源。
　　此外，當進水NO₃^--N為20.3mg/L時約有15%的甲醇被好氧消耗，而當NO₃^--N濃度下降至7.4mg/L時其消耗比例增至32%，因此設法降低進水DO濃度可有效減少外加碳源量。這一結果與McCarty等人提出的經驗公式吻合。
　　溫度變化對脫氮效果有明顯的影響，而濾速的大小將影響停留時間，因此也會影響脫氮效果，脫氮效果隨濾速和溫度的變化見圖3。試驗表明，在夏季溫度較高時采用15m/h的濾速可達到97%的除氮率，但濾速增至20m/h時因停留時間太短，使除氮率降至83.6%，而且出水中有甲醇和NO₂^--N殘留，由此可知水力負荷偏高。在溫度降至10℃左右時去除率下降明顯，但在10m/h的濾速下仍能達到95%以上的去除率，增加濾速至15m/h時有甲醇殘留但沒有NO₂^--N積累，原因可能是在反硝化過程第一階段的反硝化菌受溫度影響更顯著。因此，在實際運行時可根據不同的水溫選擇相應的濾速以達到最佳的處理效果。?

　　反沖洗也將影響脫氮效果，圖4顯示出經氣水聯合反沖洗后濾床內部的除氮負荷分布情況。

　　由圖4可知，反沖洗使脫氮效率有所下降，但由于采用了足夠的床深，濾床中、上部的脫氮能力有所加強(上流式)，因此彌補了因生物膜流失造成的脫氮效率下降，使整體除氮率仍達到85%以上，而且可在2～3h內恢復到正常水平。
2.2 對磷的去除
　　投加PFC和FeCl₃對PO₄^3--P的去除情況見圖5。由圖可知，兩種絮凝劑對PO₄^3--P的去除效果沒有顯著差別。由于PFC所需混凝反應時間較長，故兩者在濾床中的截污分布有所不同，FeCl₃的表層截污作用明顯，而PFC則趨向于深層截污，后者可使濾床截污分布更為均勻，并有利于減緩水頭損失的增長速度，延長過濾周期，但采用較高濾速時污水在濾床中停留時間較短，而且由于同時進行脫氮會使濾床上部有N₂積累(影響過濾效率)，結果使得采用PFC時存在后絮凝現象(濾后出水濁度和色度增加)。試驗結果表明，采用傳統的FeCl₃絮凝劑能取得更好的效果，這與單純的深床除磷結果有所不同。

　　另外，筆者考察了投藥前后脫氮效果的變化，發現絮凝劑的加入對脫氮效果并沒有明顯的負面影響，其中22h左右出現的峰值為無膨脹反沖洗時造成的脫氮率的瞬時降低。
2.3 水頭損失的增長與反沖洗方式
　　在同步脫氮除磷工藝中，過濾過程的水頭增長來源于兩方面：一是水中懸浮物和絮體在濾床中的沉積和截留，二是脫氮過程中氮氣積累引起的水頭損失。對于上流式濾床，水中懸浮物和絮體的截留主要發生在濾床中、下部，而脫氮過程中氮氣的積累主要發生在濾床的中、上部。在過濾初期，由于水頭損失較小，脫氮產生的氮氣可溶解在水中，并隨水流帶出濾床，但隨著過濾的進行，濾床內的水頭損失增加，床內各段水壓變化明顯，因此出現氮氣釋放現象(在濾床上部積累，并逐步向下延伸)，因此該試驗采用了無膨脹反沖洗與傳統氣水反沖洗相結合的沖洗方式。前者指通過加大水力負荷(濾速為30m/h，持續時間為30s)，在不引起濾床膨脹的情況下驅除濾床中積累的氮氣，從而達到降低水頭損失、延長過濾周期的目的，在此期間過濾和脫氮效果會變差，但因為持續時間較短而恢復迅速，因此不會影響整體效果。后者則為徹底的反沖洗，以達到去除濾床中截留的污物的目的。
　　由試驗可知，通過間歇無膨脹反沖洗可有效去除濾床中、上部的氮氣積累，使過濾周期由22h延長至38h，該反沖方式的反沖頻率可由水頭損失確定，即達到規定水頭損失(如20kPa)時進行反沖，一般經1～2次無膨脹反沖洗后由氮氣積累引起的水頭損失所占比例已經很小，而懸浮物及絮體沉積和截留引起的水頭損失占主要部分，此時需進行傳統的氣水聯合反沖洗以徹底去除濾床中截留的污物。

3 結論

　　①微絮凝—深床過濾同步脫氮除磷工藝能有效去除二級出水中的氮和磷，通過選擇合適的運行條件，可使其去除率分別達到98%和90%以上。由于脫氮和除磷在同一濾池中同步進行，因此該工藝具有結構緊湊、占地面積小、運行經濟等優點，適合現有污水處理廠作為后續深度處理單元。
　　②采用無膨脹反沖洗與傳統氣水聯合反沖洗相結合的反沖洗方式能有效減少脫氮過程中氮氣的積累，減緩水頭損失的增長速度，延長過濾周期。

參考文獻：
　　[1]李科，欒兆坤.微絮凝—直接過濾中應用聚合氯化鋁處理低濁低色水的研究[J].中國給水排水，1998，14(6)：1-4.

　　作者簡介：李桂平(1974- )，男，湖北荊州人，碩士，主要從事水處理藥劑與工藝、工程研究。
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　　收稿日期：2002-03-20