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中國(guó)污泥處理處置戰(zhàn)略聯(lián)盟(271位水行業(yè)代表了)
中國(guó)給水排水戰(zhàn)略聯(lián)盟(319位水行業(yè)代表了)
【前沿技術(shù)綜述】后置生物膜三級(jí)反硝化工藝特性及其應(yīng)用
面對(duì)嚴(yán)峻的水環(huán)境改善壓力，為了遏制局部水環(huán)境惡化的趨勢(shì)，不但需要進(jìn)一步改善和提升現(xiàn)有污水收集、處理系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)應(yīng)考慮在局部敏感的封閉或半封閉水域?qū)嵤└呒?jí)別的排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的GB18918-2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足某些特定水域的水環(huán)境改善要求，因此這些流域地區(qū)應(yīng)不惜采用深度脫氮除磷技術(shù)，這其中關(guān)鍵性的技術(shù)難題是TN的穩(wěn)定、持續(xù)達(dá)標(biāo)，穩(wěn)定脫氮及深度脫氮無(wú)疑是未來(lái)我們國(guó)家改善水體環(huán)境的發(fā)展趨勢(shì)和必然選擇。
事實(shí)上，通過多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，僅靠單一的懸浮活性污泥工藝要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的TN達(dá)標(biāo)在技術(shù)層面會(huì)面臨很多挑戰(zhàn)，分級(jí)、分段式或三級(jí)生物反硝化系統(tǒng)由于可以獲得較高的反硝化效率而逐漸得到應(yīng)用。雖然近些年國(guó)內(nèi)有些項(xiàng)目采用了三級(jí)反硝化生物膜工藝，但目前尚無(wú)相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可供參考，不同的項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)差異性較大，實(shí)際運(yùn)行中也不同程度存在一些問題，總體上缺乏這方面的研究及可資借鑒的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
1.活性污泥前置反硝化固有缺欠
對(duì)于生物脫氮，多采用懸浮活性污泥前置反硝化工藝，如A/O、A2O等工藝，其脫氮效率主要受進(jìn)水碳源（C/N比）水平及總回流比影響，實(shí)際運(yùn)行中，受內(nèi)回流比（100%~400%）約束，其脫氮能力通常在50%-75%，系統(tǒng)脫氮能力難于進(jìn)一步提高，且在較高的進(jìn)水TN濃度下，往往不能獲得理想的脫氮效率及出水目標(biāo)，高的內(nèi)回流比也導(dǎo)致較高的運(yùn)行電耗；關(guān)鍵的是，對(duì)于進(jìn)水水力負(fù)荷及污染物濃度負(fù)荷波動(dòng)較大的情況，常規(guī)前置反硝化活性污泥系統(tǒng)不能適時(shí)調(diào)整缺氧/好氧池容比例或曝氣和非曝氣時(shí)間來(lái)適應(yīng)進(jìn)水波動(dòng)，也必然導(dǎo)致生物系統(tǒng)無(wú)法獲得穩(wěn)定的生化條件，最終導(dǎo)致出水TN的波動(dòng)甚至超標(biāo)。由于單級(jí)缺氧區(qū)反硝化出水TN穩(wěn)定性差，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定及深度脫氮，增加脫氮效果的穩(wěn)定性及可靠性，往往需要采用后置缺氧反硝化工藝或者前后有多級(jí)缺氧區(qū)或分點(diǎn)進(jìn)水的工藝構(gòu)型。
實(shí)際上，對(duì)于后置活性污泥反硝化工藝，由于后置反硝化區(qū)混合液中可資利用的碳源經(jīng)過前續(xù)生化過程的降解后已經(jīng)到達(dá)濃度較低的水平，因此該區(qū)域的反硝化速率DNR會(huì)很低，甚至達(dá)到或者接近內(nèi)源呼吸反硝化速率；而對(duì)于分點(diǎn)進(jìn)水工藝，每級(jí)反硝化區(qū)的反硝化效果還受前邊好氧區(qū)運(yùn)行工況的影響，在進(jìn)水水力負(fù)荷及污染物負(fù)荷的波動(dòng)較大的情況下，反硝化區(qū)運(yùn)行參數(shù)（如DO、ORP、Q）波動(dòng)較大，很難形成穩(wěn)定的反硝化條件，也必然導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)脫氮效果的不穩(wěn)定。
2.三級(jí)生物膜反硝化脫氮及工藝選擇
2.1分級(jí)生物脫氮必要性
上述是基于對(duì)單一懸浮活性污泥反硝化脫氮工藝技術(shù)缺欠的分析，也就是說(shuō)單級(jí)活性污泥工藝很難保持穩(wěn)定的反硝化效率，而分段式生物處理系統(tǒng)運(yùn)行案例表明分級(jí)脫氮可以獲得非常穩(wěn)定及可靠的出水水質(zhì)，出水指標(biāo)甚至能達(dá)到生物處理系統(tǒng)的技術(shù)極限（LOT，通常指出水TN≤3mg/L），因此，對(duì)于穩(wěn)定及深度脫氮項(xiàng)目應(yīng)考慮采用分級(jí)式生物系統(tǒng)，使得每級(jí)生物系統(tǒng)能獲得互不干擾、功能相對(duì)獨(dú)立的生境，分別定向培養(yǎng)和增殖特定功能的微生物種群，這種工藝構(gòu)型無(wú)疑可以增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性。
生物膜工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其容積去除負(fù)荷率高，生物膜能持留環(huán)境敏感細(xì)菌、微生物抗沖擊能力強(qiáng)，硝化反硝化效率高，尤其是低水溫季節(jié)相對(duì)懸浮活性污泥工藝可穩(wěn)定發(fā)揮脫氮效果，因此，對(duì)于出水TN達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性有嚴(yán)格限制或要求深度脫氮的項(xiàng)目，可以采用后置的三級(jí)生物膜反硝化工藝，形成“泥-膜”組合式的 “雙泥齡”系統(tǒng)，分別發(fā)揮兩種工藝各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在“活性污泥”段完成主要的硝化及反硝化過程，生物膜段則可強(qiáng)化硝化及反硝化過程，作為活性污泥段的補(bǔ)充及把關(guān)步驟，另外，生物膜段可根據(jù)實(shí)際情況可單獨(dú)或分別采用好氧硝化生物膜及缺氧反硝化生物膜，形成對(duì)TN脫除的“多級(jí)屏障”。
2.2三級(jí)生物膜反硝化工藝
2.2.1反硝化濾池
反硝化濾池用于三級(jí)生物反硝化在美國(guó)已經(jīng)有二三十年的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，尤其是在某些深度脫氮項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)出水LOT指標(biāo)，但反硝化濾池在我國(guó)的工程應(yīng)用卻起步較晚，一些污水廠提標(biāo)改造項(xiàng)目及新建項(xiàng)目中開始應(yīng)用。對(duì)于提標(biāo)改造項(xiàng)目，可以考慮利用原有構(gòu)筑物將其改造為反硝化濾池，或者新建反硝化濾池，對(duì)二級(jí)出水進(jìn)行強(qiáng)化反硝化脫氮以獲得穩(wěn)定及深度脫氮效果。新建項(xiàng)目，如無(wú)錫蘆村污水廠四期工程反硝化濾池，通過合理外加碳源，采用懸浮活性污泥-反硝化濾池兩段式生物處理系統(tǒng)可以使總出水TN控制在5mg/L以下。
目前運(yùn)行的實(shí)際案例表明，通過優(yōu)化工藝控制能實(shí)現(xiàn)DN濾池獲得LOT出水，但是影響反硝化濾池運(yùn)行性能的工藝參數(shù)較多，關(guān)鍵工藝參數(shù)有硝氮容積負(fù)荷率、空床停留時(shí)間（EBRT）及濾速等，資料報(bào)道的硝氮容積負(fù)荷率范圍為0.3-3.2 kgN/(m3˙d) ，EBRT 15-30min，濾速4.8-8.4m/h，上述參數(shù)數(shù)值選取主要取決于反硝化程度及對(duì)出水TN的要求。
研究表明，當(dāng)EBRT為30min時(shí)，碳源滿足條件下反硝化濾池對(duì)NOx-N的去除效率可達(dá)到95%；DN濾池的表觀污泥產(chǎn)率較低，一般在0.30gCOD/g COD。需要特別指出的是，國(guó)外研究表明，若反硝化生物膜反應(yīng)器進(jìn)水SPO4-P: SNO3-N<0.01，則PO4-P將成為影響DN濾池反硝化潛力的限制性因子，因此對(duì)于采用深度化學(xué)除磷與DN濾池聯(lián)用的情況，尤其要注意DN濾池進(jìn)水保持適量濃度PO4-P對(duì)維系缺氧生物膜微生物生長(zhǎng)并確保反應(yīng)器保持高效反硝化性能的必要性，這個(gè)問題在方案設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行中易被忽視。
2.2.2反硝化MBBR
MBBR則屬于流化或移動(dòng)床類反應(yīng)器，我們國(guó)家這些年有多座污水廠采用好氧MBBR用于污水廠提標(biāo)改造，主要是在池容不足或者擴(kuò)建場(chǎng)地受限的情況下，通過在曝氣池中投加懸浮載體填料借此提高系統(tǒng)中硝化菌的占比進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化硝化的目的。但實(shí)際上，在深度處理中采用缺氧MBBR（下簡(jiǎn)稱SDN-MBBR）強(qiáng)化反硝化，我國(guó)目前尚無(wú)實(shí)際運(yùn)行案例，但瑞典、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家在這方面卻已有10余年經(jīng)驗(yàn)，SDN-MBBR工藝在瑞典有若干成功案例應(yīng)用于污水廠改造，研究及工程運(yùn)營(yíng)實(shí)踐都表明，SDN-MBBR可以獲得低濃度的出水TN指標(biāo)，甚至可以在最低的HRT內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全反硝化；美國(guó)實(shí)際運(yùn)行案例也表明，SDN-MBBR出水可以達(dá)到TN為3-4mg/L、NO3-N≤1mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。
影響反硝化MBBR運(yùn)行性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)是水溫、硝氮容積負(fù)荷率、反硝化碳源性質(zhì)、載體特性及充填比等。資料報(bào)道的硝氮容積負(fù)荷率范圍為1.0-2.5 g NOx-N/(m2填料·d)，Bill等人比較了甲醇、乙醇、甘油作為碳源時(shí)后置反硝化MBBR的反硝化速率，發(fā)現(xiàn)利用乙醇在水溫20℃達(dá)到最高的反硝化速率接近2.5 gN/(m2˙d)。載體充填比也是重要的影響因子，DN-MBBR充填比可選范圍23%-50%。進(jìn)水中的PO4-P濃度同樣可能會(huì)影響SDN-MBBR反硝化性能，瑞典的經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)行良好的SDN-MBBR進(jìn)水中PO4-P的理想濃度為0.3mg/L。此外，反應(yīng)器內(nèi)的混合強(qiáng)度也是重要的工藝運(yùn)行控制參數(shù)，攪拌器功率密度一般選擇范圍是25-45W/m3池容，此數(shù)值顯著高于活性污泥法缺氧區(qū)攪拌功率密度范圍。
工藝方案選擇確定前，除了進(jìn)行生命周期內(nèi)基本的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)外，非常必要進(jìn)行中試以確定合適的工藝參數(shù)并評(píng)估DN-MBBR的運(yùn)行效果。最終是否選擇MBBR工藝用于三級(jí)反硝化，還要綜合評(píng)估二級(jí)出水TN成份（有機(jī)氮、NH3-N、NOx-N）特性、固體產(chǎn)率以及出水水質(zhì)要求等幾方面因素。需注意的是，對(duì)于DN-MBBR，去除1mg NO3-N的 SS產(chǎn)率約為1-2mgSS，因此，MBBR之后還要考慮采用適合的工藝去除MBBR出水中攜帶的SS，以避免總出水因SS影響而影響其它指標(biāo)的達(dá)標(biāo)。
3.三級(jí)生物膜反硝化實(shí)施案例分析
1）硝化/反硝化（N/DN）濾池聯(lián)用
Z市西部污水廠，規(guī)模4萬(wàn)m3/d，原排放標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)B，主體生物處理采用CASS工藝，改造后要求達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，工程為BOT項(xiàng)目，采用EPC模式建設(shè)。經(jīng)過核算，原CASS池容無(wú)法滿足基于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)下的硝化及反硝化總池容要求，綜合考慮該廠實(shí)際條件，工藝方案設(shè)計(jì)采用了在三級(jí)生物處理段采用了生物膜強(qiáng)化硝化/反硝化工藝，即采用硝化濾池和反硝化濾池串聯(lián)，可以根據(jù)季節(jié)水溫的變化及出水指標(biāo)狀況靈活調(diào)整濾池的運(yùn)行模式，工藝流程見圖1：
工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：N濾池：采用球形輕質(zhì)多孔陶粒濾料，粒徑Φ4-6mm，濾速5.5 m/h，硝化容積負(fù)荷=0.38kgNH3-N/(m3˙d)，HRT=38min；后置DN濾池：粒徑Φ3-5mm，濾速8.2 m/h，硝化負(fù)荷=0.33kgNO3-N/(m3濾料˙d)，HRT=22min。該廠自投運(yùn)一年多以來(lái)，出水TN可以穩(wěn)定控制在5-10mg/L，在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)時(shí)并實(shí)現(xiàn)了深度脫氮。
工藝評(píng)析：在二級(jí)生物處理段無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分硝化反硝化的情況下，三級(jí)生物處理采用N/DN濾池可以用較小的空間占地實(shí)現(xiàn)充分的硝化與反硝化，實(shí)現(xiàn)TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)及深度脫氮。
2）新建反硝化濾池強(qiáng)化脫氮項(xiàng)目：
G污水廠，近期規(guī)模20萬(wàn)m3/d，進(jìn)水COD為500mg/L，BOD5=300mg/L，TN=70mg/L，NH3-N=55mg/L，TP=8mg/L，出水執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，工程于2012年建成并投入運(yùn)行�？紤]進(jìn)水TN濃度較高，且對(duì)出水TN達(dá)標(biāo)率的嚴(yán)格要求，確保低溫時(shí)TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，工藝方案采用了 “多級(jí)A/O+反硝化濾池”強(qiáng)化脫氮組合工藝。通常情況下，國(guó)內(nèi)大部分污水處理廠在冬季低溫條件下反硝化不徹底，采用反硝化深床濾池可對(duì)TN的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)起到了把關(guān)作用，并可應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)期日益嚴(yán)格的TN排放標(biāo)準(zhǔn)。
反硝化深床濾池工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量20萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)一組，共14格，設(shè)計(jì)進(jìn)水TN≤25 mg/L,SS≤25 mg/L，出水TN≤15mg/L；計(jì)算水溫10℃，設(shè)計(jì)濾速7.7m/h（峰值流量3m3/s），TN去除容積負(fù)荷率0.80 kgN/(m3˙d)，濾床深度2.28m（其中承托層厚度0.45m），濾料比重2.6，為有效粒徑2-3mm石英砂，氣沖強(qiáng)度92m3/(m2•h)，水沖強(qiáng)度14.7m3/(m2•h)。
工藝評(píng)析：二級(jí)生物處理采用多級(jí)A/O脫氮工藝碳源優(yōu)先反硝化脫氮；并與反硝化濾池聯(lián)用，能實(shí)現(xiàn)污水廠的深度脫氮。不足：進(jìn)水水力負(fù)荷與TN負(fù)荷的波動(dòng)性，會(huì)加劇多級(jí)A/O運(yùn)行控制的復(fù)雜性與多級(jí)A/O段出水NO3-N波動(dòng)性，進(jìn)而增加了反硝化濾池運(yùn)行控制的難度；同時(shí)化學(xué)除磷容易造成反硝化濾池進(jìn)水PO4-P的波動(dòng)。
3）MBBR強(qiáng)化硝化反硝化：
某市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)D污水廠，一期規(guī)模4萬(wàn)m3/d，2009年建成投入運(yùn)行，執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)當(dāng)?shù)匦乱螅?013年進(jìn)行二期擴(kuò)建及提標(biāo)改造，改擴(kuò)建后總規(guī)模達(dá)到8萬(wàn)m3/d，并執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，工程為BOT項(xiàng)目，采用EPC模式建設(shè)。針對(duì)該廠一期進(jìn)水水質(zhì)特性，含有一定比例的工業(yè)廢水，尤其是進(jìn)水氯離子濃度較高且呈現(xiàn)一定波動(dòng)，氯離子含量2000~7000mg/L，針對(duì)這種復(fù)雜的進(jìn)水水質(zhì)條件，二期工藝方案選擇時(shí)，進(jìn)行了中試，最終確定二期工藝方案主生物池繼續(xù)采用改良式A2/O，后續(xù)采用三級(jí)生物膜深度處理， MBBR強(qiáng)化硝化反硝化，其中MBBR生物池分為缺氧段及好氧段，分別投加懸浮載體填料。
MBBR段工藝參數(shù)：設(shè)計(jì)流量：3333 m³/h，MBBR段總HRT=3.46h，其中缺氧段HRT=0.84h，MBBR載體比表面積500m2/m3，缺氧段載體充填比27%，好氧段載體充填比34%，其中缺氧段MBBR的TN去除負(fù)荷率為1.1 gN/(m2˙d)。
工藝評(píng)析：基于混合市政污水水質(zhì)成分波動(dòng)較大不利于硝化反硝化的情況，采用三級(jí)硝化/反硝化MBBR工藝強(qiáng)化脫氮，利用好氧和缺氧生物膜高效的硝化反硝化特性提高系統(tǒng)脫氮的運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性，占地小，運(yùn)行靈活。
4.存在問題分析
（1）國(guó)內(nèi)最近幾年才開始應(yīng)用三級(jí)生物膜反硝化工藝，因而積累的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)有限，根據(jù)目前已經(jīng)投運(yùn)的若干項(xiàng)目反饋出的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于反硝化濾池：出現(xiàn)的主要問題集中表現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)重視不足，導(dǎo)致預(yù)處理功能的缺欠，導(dǎo)致后期反硝化濾池運(yùn)行不久就出現(xiàn)了配水配氣系統(tǒng)的堵塞問題，嚴(yán)重影響了濾池的可靠及穩(wěn)定運(yùn)行；其次是施工質(zhì)量問題，濾板及濾頭安裝平整度誤差較大，影響了配水配氣均勻性。對(duì)于反硝化MBBR，問題集中在設(shè)計(jì)階段池型優(yōu)化并保持載體均勻流態(tài)化問題，實(shí)際運(yùn)行中的載體掛膜及生物活性保持等方面。
（2）在設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)確定方面，目前缺乏相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致參數(shù)的確定上隨意性較大；因此，現(xiàn)有的生物膜反硝化工程化應(yīng)用及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)亟待系統(tǒng)研究及總結(jié)，也亟需出臺(tái)有關(guān)反硝化生物膜工藝的國(guó)家規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)及運(yùn)行。
5. 結(jié)語(yǔ)
（1）由于多種工藝上的限制因素，單級(jí)懸浮活性污泥工藝很難達(dá)到穩(wěn)定的脫氮效率和深度脫氮，在常規(guī)二級(jí)生物處理工藝基礎(chǔ)上采用后置的三級(jí)反硝化生物膜工藝，形成分段式生物脫氮系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行實(shí)踐表明，這種組合工藝可以獲得穩(wěn)定的深度脫氮效果，出水TN可以穩(wěn)定達(dá)到5mg/L以下。
（2）影響三級(jí)反硝化生物膜工藝脫氮效果關(guān)鍵工藝因素是硝氮負(fù)荷（容積負(fù)荷或面積負(fù)荷）、水力停留時(shí)間等，工藝參數(shù)的確定要綜合考慮二級(jí)生物處理出水指標(biāo)數(shù)值及總出水TN要求；要考慮DN濾池進(jìn)水保持適量濃度PO4-P對(duì)維系缺氧微生物增殖及生物活性的重要性；DN-MBBR工藝要優(yōu)選后續(xù)工藝，確保對(duì)SS的有效去除，進(jìn)而保持對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的深度去除。
本文發(fā)表于最新一期《中國(guó)給水排水》，2014年第20期。
作者：北京首創(chuàng)股份有限公司 ，劉智曉
【前沿技術(shù)綜述】后置生物膜三級(jí)反硝化工藝特性及其應(yīng)用
面對(duì)嚴(yán)峻的水環(huán)境改善壓力，為了遏制局部水環(huán)境惡化的趨勢(shì)，不但需要進(jìn)一步改善和提升現(xiàn)有污水收集、處理系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)應(yīng)考慮在局部敏感的封閉或半封閉水域?qū)嵤└呒?jí)別的排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的GB18918-2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足某些特定水域的水環(huán)境改善要求，因此這些流域地區(qū)應(yīng)不惜采用深度脫氮除磷技術(shù)，這其中關(guān)鍵性的技術(shù)難題是TN的穩(wěn)定、持續(xù)達(dá)標(biāo)，穩(wěn)定脫氮及深度脫氮無(wú)疑是未來(lái)我們國(guó)家改善水體環(huán)境的發(fā)展趨勢(shì)和必然選擇。
事實(shí)上，通過多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，僅靠單一的懸浮活性污泥工藝要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的TN達(dá)標(biāo)在技術(shù)層面會(huì)面臨很多挑戰(zhàn)，分級(jí)、分段式或三級(jí)生物反硝化系統(tǒng)由于可以獲得較高的反硝化效率而逐漸得到應(yīng)用。雖然近些年國(guó)內(nèi)有些項(xiàng)目采用了三級(jí)反硝化生物膜工藝，但目前尚無(wú)相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可供參考，不同的項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)差異性較大，實(shí)際運(yùn)行中也不同程度存在一些問題，總體上缺乏這方面的研究及可資借鑒的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
1.活性污泥前置反硝化固有缺欠
對(duì)于生物脫氮，多采用懸浮活性污泥前置反硝化工藝，如A/O、A2O等工藝，其脫氮效率主要受進(jìn)水碳源（C/N比）水平及總回流比影響，實(shí)際運(yùn)行中，受內(nèi)回流比（100%~400%）約束，其脫氮能力通常在50%-75%，系統(tǒng)脫氮能力難于進(jìn)一步提高，且在較高的進(jìn)水TN濃度下，往往不能獲得理想的脫氮效率及出水目標(biāo)，高的內(nèi)回流比也導(dǎo)致較高的運(yùn)行電耗；關(guān)鍵的是，對(duì)于進(jìn)水水力負(fù)荷及污染物濃度負(fù)荷波動(dòng)較大的情況，常規(guī)前置反硝化活性污泥系統(tǒng)不能適時(shí)調(diào)整缺氧/好氧池容比例或曝氣和非曝氣時(shí)間來(lái)適應(yīng)進(jìn)水波動(dòng)，也必然導(dǎo)致生物系統(tǒng)無(wú)法獲得穩(wěn)定的生化條件，最終導(dǎo)致出水TN的波動(dòng)甚至超標(biāo)。由于單級(jí)缺氧區(qū)反硝化出水TN穩(wěn)定性差，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定及深度脫氮，增加脫氮效果的穩(wěn)定性及可靠性，往往需要采用后置缺氧反硝化工藝或者前后有多級(jí)缺氧區(qū)或分點(diǎn)進(jìn)水的工藝構(gòu)型。
實(shí)際上，對(duì)于后置活性污泥反硝化工藝，由于后置反硝化區(qū)混合液中可資利用的碳源經(jīng)過前續(xù)生化過程的降解后已經(jīng)到達(dá)濃度較低的水平，因此該區(qū)域的反硝化速率DNR會(huì)很低，甚至達(dá)到或者接近內(nèi)源呼吸反硝化速率；而對(duì)于分點(diǎn)進(jìn)水工藝，每級(jí)反硝化區(qū)的反硝化效果還受前邊好氧區(qū)運(yùn)行工況的影響，在進(jìn)水水力負(fù)荷及污染物負(fù)荷的波動(dòng)較大的情況下，反硝化區(qū)運(yùn)行參數(shù)（如DO、ORP、Q）波動(dòng)較大，很難形成穩(wěn)定的反硝化條件，也必然導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)脫氮效果的不穩(wěn)定。
2.三級(jí)生物膜反硝化脫氮及工藝選擇
2.1分級(jí)生物脫氮必要性
上述是基于對(duì)單一懸浮活性污泥反硝化脫氮工藝技術(shù)缺欠的分析，也就是說(shuō)單級(jí)活性污泥工藝很難保持穩(wěn)定的反硝化效率，而分段式生物處理系統(tǒng)運(yùn)行案例表明分級(jí)脫氮可以獲得非常穩(wěn)定及可靠的出水水質(zhì)，出水指標(biāo)甚至能達(dá)到生物處理系統(tǒng)的技術(shù)極限（LOT，通常指出水TN≤3mg/L），因此，對(duì)于穩(wěn)定及深度脫氮項(xiàng)目應(yīng)考慮采用分級(jí)式生物系統(tǒng)，使得每級(jí)生物系統(tǒng)能獲得互不干擾、功能相對(duì)獨(dú)立的生境，分別定向培養(yǎng)和增殖特定功能的微生物種群，這種工藝構(gòu)型無(wú)疑可以增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性。
生物膜工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其容積去除負(fù)荷率高，生物膜能持留環(huán)境敏感細(xì)菌、微生物抗沖擊能力強(qiáng)，硝化反硝化效率高，尤其是低水溫季節(jié)相對(duì)懸浮活性污泥工藝可穩(wěn)定發(fā)揮脫氮效果，因此，對(duì)于出水TN達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性有嚴(yán)格限制或要求深度脫氮的項(xiàng)目，可以采用后置的三級(jí)生物膜反硝化工藝，形成“泥-膜”組合式的 “雙泥齡”系統(tǒng)，分別發(fā)揮兩種工藝各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在“活性污泥”段完成主要的硝化及反硝化過程，生物膜段則可強(qiáng)化硝化及反硝化過程，作為活性污泥段的補(bǔ)充及把關(guān)步驟，另外，生物膜段可根據(jù)實(shí)際情況可單獨(dú)或分別采用好氧硝化生物膜及缺氧反硝化生物膜，形成對(duì)TN脫除的“多級(jí)屏障”。
2.2三級(jí)生物膜反硝化工藝
2.2.1反硝化濾池
反硝化濾池用于三級(jí)生物反硝化在美國(guó)已經(jīng)有二三十年的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，尤其是在某些深度脫氮項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)出水LOT指標(biāo)，但反硝化濾池在我國(guó)的工程應(yīng)用卻起步較晚，一些污水廠提標(biāo)改造項(xiàng)目及新建項(xiàng)目中開始應(yīng)用。對(duì)于提標(biāo)改造項(xiàng)目，可以考慮利用原有構(gòu)筑物將其改造為反硝化濾池，或者新建反硝化濾池，對(duì)二級(jí)出水進(jìn)行強(qiáng)化反硝化脫氮以獲得穩(wěn)定及深度脫氮效果。新建項(xiàng)目，如無(wú)錫蘆村污水廠四期工程反硝化濾池，通過合理外加碳源，采用懸浮活性污泥-反硝化濾池兩段式生物處理系統(tǒng)可以使總出水TN控制在5mg/L以下。
目前運(yùn)行的實(shí)際案例表明，通過優(yōu)化工藝控制能實(shí)現(xiàn)DN濾池獲得LOT出水，但是影響反硝化濾池運(yùn)行性能的工藝參數(shù)較多，關(guān)鍵工藝參數(shù)有硝氮容積負(fù)荷率、空床停留時(shí)間（EBRT）及濾速等，資料報(bào)道的硝氮容積負(fù)荷率范圍為0.3-3.2 kgN/(m3˙d) ，EBRT 15-30min，濾速4.8-8.4m/h，上述參數(shù)數(shù)值選取主要取決于反硝化程度及對(duì)出水TN的要求。
研究表明，當(dāng)EBRT為30min時(shí)，碳源滿足條件下反硝化濾池對(duì)NOx-N的去除效率可達(dá)到95%；DN濾池的表觀污泥產(chǎn)率較低，一般在0.30gCOD/g COD。需要特別指出的是，國(guó)外研究表明，若反硝化生物膜反應(yīng)器進(jìn)水SPO4-P: SNO3-N<0.01，則PO4-P將成為影響DN濾池反硝化潛力的限制性因子，因此對(duì)于采用深度化學(xué)除磷與DN濾池聯(lián)用的情況，尤其要注意DN濾池進(jìn)水保持適量濃度PO4-P對(duì)維系缺氧生物膜微生物生長(zhǎng)并確保反應(yīng)器保持高效反硝化性能的必要性，這個(gè)問題在方案設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行中易被忽視。
2.2.2反硝化MBBR
MBBR則屬于流化或移動(dòng)床類反應(yīng)器，我們國(guó)家這些年有多座污水廠采用好氧MBBR用于污水廠提標(biāo)改造，主要是在池容不足或者擴(kuò)建場(chǎng)地受限的情況下，通過在曝氣池中投加懸浮載體填料借此提高系統(tǒng)中硝化菌的占比進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化硝化的目的。但實(shí)際上，在深度處理中采用缺氧MBBR（下簡(jiǎn)稱SDN-MBBR）強(qiáng)化反硝化，我國(guó)目前尚無(wú)實(shí)際運(yùn)行案例，但瑞典、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家在這方面卻已有10余年經(jīng)驗(yàn)，SDN-MBBR工藝在瑞典有若干成功案例應(yīng)用于污水廠改造，研究及工程運(yùn)營(yíng)實(shí)踐都表明，SDN-MBBR可以獲得低濃度的出水TN指標(biāo)，甚至可以在最低的HRT內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全反硝化；美國(guó)實(shí)際運(yùn)行案例也表明，SDN-MBBR出水可以達(dá)到TN為3-4mg/L、NO3-N≤1mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。
影響反硝化MBBR運(yùn)行性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)是水溫、硝氮容積負(fù)荷率、反硝化碳源性質(zhì)、載體特性及充填比等。資料報(bào)道的硝氮容積負(fù)荷率范圍為1.0-2.5 g NOx-N/(m2填料·d)，Bill等人比較了甲醇、乙醇、甘油作為碳源時(shí)后置反硝化MBBR的反硝化速率，發(fā)現(xiàn)利用乙醇在水溫20℃達(dá)到最高的反硝化速率接近2.5 gN/(m2˙d)。載體充填比也是重要的影響因子，DN-MBBR充填比可選范圍23%-50%。進(jìn)水中的PO4-P濃度同樣可能會(huì)影響SDN-MBBR反硝化性能，瑞典的經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)行良好的SDN-MBBR進(jìn)水中PO4-P的理想濃度為0.3mg/L。此外，反應(yīng)器內(nèi)的混合強(qiáng)度也是重要的工藝運(yùn)行控制參數(shù)，攪拌器功率密度一般選擇范圍是25-45W/m3池容，此數(shù)值顯著高于活性污泥法缺氧區(qū)攪拌功率密度范圍。
工藝方案選擇確定前，除了進(jìn)行生命周期內(nèi)基本的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)外，非常必要進(jìn)行中試以確定合適的工藝參數(shù)并評(píng)估DN-MBBR的運(yùn)行效果。最終是否選擇MBBR工藝用于三級(jí)反硝化，還要綜合評(píng)估二級(jí)出水TN成份（有機(jī)氮、NH3-N、NOx-N）特性、固體產(chǎn)率以及出水水質(zhì)要求等幾方面因素。需注意的是，對(duì)于DN-MBBR，去除1mg NO3-N的 SS產(chǎn)率約為1-2mgSS，因此，MBBR之后還要考慮采用適合的工藝去除MBBR出水中攜帶的SS，以避免總出水因SS影響而影響其它指標(biāo)的達(dá)標(biāo)。
3.三級(jí)生物膜反硝化實(shí)施案例分析
1）硝化/反硝化（N/DN）濾池聯(lián)用
Z市西部污水廠，規(guī)模4萬(wàn)m3/d，原排放標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)B，主體生物處理采用CASS工藝，改造后要求達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，工程為BOT項(xiàng)目，采用EPC模式建設(shè)。經(jīng)過核算，原CASS池容無(wú)法滿足基于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)下的硝化及反硝化總池容要求，綜合考慮該廠實(shí)際條件，工藝方案設(shè)計(jì)采用了在三級(jí)生物處理段采用了生物膜強(qiáng)化硝化/反硝化工藝，即采用硝化濾池和反硝化濾池串聯(lián)，可以根據(jù)季節(jié)水溫的變化及出水指標(biāo)狀況靈活調(diào)整濾池的運(yùn)行模式，工藝流程見圖1：
工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：N濾池：采用球形輕質(zhì)多孔陶粒濾料，粒徑Φ4-6mm，濾速5.5 m/h，硝化容積負(fù)荷=0.38kgNH3-N/(m3˙d)，HRT=38min；后置DN濾池：粒徑Φ3-5mm，濾速8.2 m/h，硝化負(fù)荷=0.33kgNO3-N/(m3濾料˙d)，HRT=22min。該廠自投運(yùn)一年多以來(lái)，出水TN可以穩(wěn)定控制在5-10mg/L，在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)時(shí)并實(shí)現(xiàn)了深度脫氮。
工藝評(píng)析：在二級(jí)生物處理段無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分硝化反硝化的情況下，三級(jí)生物處理采用N/DN濾池可以用較小的空間占地實(shí)現(xiàn)充分的硝化與反硝化，實(shí)現(xiàn)TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)及深度脫氮。
2）新建反硝化濾池強(qiáng)化脫氮項(xiàng)目：
G污水廠，近期規(guī)模20萬(wàn)m3/d，進(jìn)水COD為500mg/L，BOD5=300mg/L，TN=70mg/L，NH3-N=55mg/L，TP=8mg/L，出水執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，工程于2012年建成并投入運(yùn)行�？紤]進(jìn)水TN濃度較高，且對(duì)出水TN達(dá)標(biāo)率的嚴(yán)格要求，確保低溫時(shí)TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，工藝方案采用了 “多級(jí)A/O+反硝化濾池”強(qiáng)化脫氮組合工藝。通常情況下，國(guó)內(nèi)大部分污水處理廠在冬季低溫條件下反硝化不徹底，采用反硝化深床濾池可對(duì)TN的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)起到了把關(guān)作用，并可應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)期日益嚴(yán)格的TN排放標(biāo)準(zhǔn)。
反硝化深床濾池工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量20萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)一組，共14格，設(shè)計(jì)進(jìn)水TN≤25 mg/L,SS≤25 mg/L，出水TN≤15mg/L；計(jì)算水溫10℃，設(shè)計(jì)濾速7.7m/h（峰值流量3m3/s），TN去除容積負(fù)荷率0.80 kgN/(m3˙d)，濾床深度2.28m（其中承托層厚度0.45m），濾料比重2.6，為有效粒徑2-3mm石英砂，氣沖強(qiáng)度92m3/(m2•h)，水沖強(qiáng)度14.7m3/(m2•h)。
工藝評(píng)析：二級(jí)生物處理采用多級(jí)A/O脫氮工藝碳源優(yōu)先反硝化脫氮；并與反硝化濾池聯(lián)用，能實(shí)現(xiàn)污水廠的深度脫氮。不足：進(jìn)水水力負(fù)荷與TN負(fù)荷的波動(dòng)性，會(huì)加劇多級(jí)A/O運(yùn)行控制的復(fù)雜性與多級(jí)A/O段出水NO3-N波動(dòng)性，進(jìn)而增加了反硝化濾池運(yùn)行控制的難度；同時(shí)化學(xué)除磷容易造成反硝化濾池進(jìn)水PO4-P的波動(dòng)。
3）MBBR強(qiáng)化硝化反硝化：
某市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)D污水廠，一期規(guī)模4萬(wàn)m3/d，2009年建成投入運(yùn)行，執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)當(dāng)?shù)匦乱螅?013年進(jìn)行二期擴(kuò)建及提標(biāo)改造，改擴(kuò)建后總規(guī)模達(dá)到8萬(wàn)m3/d，并執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，工程為BOT項(xiàng)目，采用EPC模式建設(shè)。針對(duì)該廠一期進(jìn)水水質(zhì)特性，含有一定比例的工業(yè)廢水，尤其是進(jìn)水氯離子濃度較高且呈現(xiàn)一定波動(dòng)，氯離子含量2000~7000mg/L，針對(duì)這種復(fù)雜的進(jìn)水水質(zhì)條件，二期工藝方案選擇時(shí)，進(jìn)行了中試，最終確定二期工藝方案主生物池繼續(xù)采用改良式A2/O，后續(xù)采用三級(jí)生物膜深度處理， MBBR強(qiáng)化硝化反硝化，其中MBBR生物池分為缺氧段及好氧段，分別投加懸浮載體填料。
MBBR段工藝參數(shù)：設(shè)計(jì)流量：3333 m³/h，MBBR段總HRT=3.46h，其中缺氧段HRT=0.84h，MBBR載體比表面積500m2/m3，缺氧段載體充填比27%，好氧段載體充填比34%，其中缺氧段MBBR的TN去除負(fù)荷率為1.1 gN/(m2˙d)。
工藝評(píng)析：基于混合市政污水水質(zhì)成分波動(dòng)較大不利于硝化反硝化的情況，采用三級(jí)硝化/反硝化MBBR工藝強(qiáng)化脫氮，利用好氧和缺氧生物膜高效的硝化反硝化特性提高系統(tǒng)脫氮的運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性，占地小，運(yùn)行靈活。
4.存在問題分析
（1）國(guó)內(nèi)最近幾年才開始應(yīng)用三級(jí)生物膜反硝化工藝，因而積累的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)有限，根據(jù)目前已經(jīng)投運(yùn)的若干項(xiàng)目反饋出的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于反硝化濾池：出現(xiàn)的主要問題集中表現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)重視不足，導(dǎo)致預(yù)處理功能的缺欠，導(dǎo)致后期反硝化濾池運(yùn)行不久就出現(xiàn)了配水配氣系統(tǒng)的堵塞問題，嚴(yán)重影響了濾池的可靠及穩(wěn)定運(yùn)行；其次是施工質(zhì)量問題，濾板及濾頭安裝平整度誤差較大，影響了配水配氣均勻性。對(duì)于反硝化MBBR，問題集中在設(shè)計(jì)階段池型優(yōu)化并保持載體均勻流態(tài)化問題，實(shí)際運(yùn)行中的載體掛膜及生物活性保持等方面。
（2）在設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)確定方面，目前缺乏相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致參數(shù)的確定上隨意性較大；因此，現(xiàn)有的生物膜反硝化工程化應(yīng)用及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)亟待系統(tǒng)研究及總結(jié)，也亟需出臺(tái)有關(guān)反硝化生物膜工藝的國(guó)家規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)及運(yùn)行。
5. 結(jié)語(yǔ)
（1）由于多種工藝上的限制因素，單級(jí)懸浮活性污泥工藝很難達(dá)到穩(wěn)定的脫氮效率和深度脫氮，在常規(guī)二級(jí)生物處理工藝基礎(chǔ)上采用后置的三級(jí)反硝化生物膜工藝，形成分段式生物脫氮系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行實(shí)踐表明，這種組合工藝可以獲得穩(wěn)定的深度脫氮效果，出水TN可以穩(wěn)定達(dá)到5mg/L以下。
（2）影響三級(jí)反硝化生物膜工藝脫氮效果關(guān)鍵工藝因素是硝氮負(fù)荷（容積負(fù)荷或面積負(fù)荷）、水力停留時(shí)間等，工藝參數(shù)的確定要綜合考慮二級(jí)生物處理出水指標(biāo)數(shù)值及總出水TN要求；要考慮DN濾池進(jìn)水保持適量濃度PO4-P對(duì)維系缺氧微生物增殖及生物活性的重要性；DN-MBBR工藝要優(yōu)選后續(xù)工藝，確保對(duì)SS的有效去除，進(jìn)而保持對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的深度去除。
本文發(fā)表于最新一期《中國(guó)給水排水》，2014年第20期。
作者：北京首創(chuàng)股份有限公司 ，劉智曉
