深床直接过滤工艺深度处理城市污水

李桂平，栾兆坤
(中国科学院生态环境研究中心，北京 100085)

　　摘　要：采用深床直接过滤工艺对城市污水处理厂的二级出水进行了深度处理，考察了同步脱氮除磷的可行性和运行条件。研究表明，通过铁盐絮凝剂的加入，借助微絮凝直接过滤可有效去除水中的PO4^3--P(去除率＞90%)；通过在滤池前加入甲醇作为外碳源，在滤池中进行同步脱氮，对NO₃^--N的去除率达97%，可使出水的TSS＜10mg/L；滤速为10m/h时采用无膨胀反冲洗与气水联合反冲洗相结合的冲洗方式可使过滤周期长达40h左右。
　　关键词：城市污水；深度处理；深床直接过滤；脱氮除磷
　　中图分类号：TU991.22
　　文献标识码：A
　　文章编号：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—深床过滤工艺通常用于微污染低浊水的净化处理^[1]，而笔者将其用于城市污水的深度处理，即将深床生物脱氮与混凝除磷相结合，使脱氮和除磷在同一处理单元(滤池)中完成，是一种紧凑、经济、高效的后续处理工艺，当然其机理及操作将比单一滤池更为复杂(如需考虑脱氮过程产生的气泡对过滤的影响、絮凝剂加入时对脱氮效果的影响、反冲洗方式等)，国外对此已有相关的研究与应用，而我国相关的报道较少。

1 试验方法与材料

1.1 试验装置
　　试验装置如图1所示。

　　滤柱由有机玻璃制成，其内径为200mm；滤料填充厚度为250cm，采用的无烟煤滤料的有效粒径为2.6mm；滤层下部有10cm厚的卵石承托层；滤柱一侧间隔25cm设有取样口，同时与测压管相连。污水由计量泵从滤柱底部加入，加药后经管道混合器混合后进入滤柱。因二沉池出水SS较高，为防止滤池堵塞，故采用了有效粒径为2.6mm的大粒径滤料。床深的选择则根据经验公式H/d＝800～1000，考虑到同步脱氮过程中产生的氮气会在滤床中积累从而影响过滤效果，故采用床深的上限值(250cm)。
1.2 试验水质
　　以中科院半导体所附近小区的生活污水为原水，在实验室模拟常规二级处理过程，取沉淀池出水作为试验用水，具体模拟装置如图2所示，其中曝气池停留时间为6h，整体处理时间为8.5h。?

　　模拟污水水质如表1所示。

表1 试验相关水质 项目 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 模拟出水 6.8～7.6 31～89 6～39 7～26 1.1～7

1.3 分析项目及仪器
　　COD：HACH公司COD测定仪；pH值：pH计；SS：滤纸法；PO₄^3--P：离子色谱仪；TOC：TOC分析仪。
1.4 滤柱的动态挂膜
　　取北京某污水处理厂的厌氧污泥加入NaNO₃进行驯化培养后，投入滤柱内循环48h，然后进行动态培养，向滤柱中连续注入模拟二沉池出水及甲醇并逐步增加负荷，3周后检测NO₃^--N的去除率＞90%，表明挂膜成功。
1.5 同步脱氮除磷
　　分别以10、15、20m/h的滤速对不同NO₃^--N浓度的污水进行脱氮试验，历时8个月，温度为9.3～26.8℃。同时由于实际处理工艺中二沉池出水有溢流过程，其DO含量为5～7mg/L，进入滤柱后会好氧消耗部分外加碳源，使碳源消耗超过理论值，因此还对碳源投加比例进行了研究。
　　选用PFC(聚合氯化铁)和FeCl₃两种絮凝剂分别对磷和浊度的去除进行了对比研究，并考察了絮凝剂的加入对脱氮效果的影响。
1.6 反冲洗方式
　　反冲洗方式是影响该工艺运行效果的关键，笔者考察了将两种反冲洗方式(滤床无膨胀冲洗和常规气水联合反冲洗)相结合的效果和可行性。

2 结果与讨论

2.1 对氮的去除
　　试验中分别测定了DO、NO₃^--N、NO₂^--N、TOC随床深的变化情况。当滤池进水NO₃^--N浓度为20.3mg/L时，在床深为1m处对氮的去除率可达92.1%，而总去除率为98.5%。NO₂^--N在床深为0.5m以内处有积累，出水中NO₂^--N含量降为零。DO在0.25m床深范围内迅速降至1.4mg/L，在0.5m处则降至0.83mg/L，此时既具有机物的好氧分解，也存在反硝化脱氮作用，而前者导致了有机碳源消耗高于单纯的厌氧反硝化所需碳源。
　　此外，当进水NO₃^--N为20.3mg/L时约有15%的甲醇被好氧消耗，而当NO₃^--N浓度下降至7.4mg/L时其消耗比例增至32%，因此设法降低进水DO浓度可有效减少外加碳源量。这一结果与McCarty等人提出的经验公式吻合。
　　温度变化对脱氮效果有明显的影响，而滤速的大小将影响停留时间，因此也会影响脱氮效果，脱氮效果随滤速和温度的变化见图3。试验表明，在夏季温度较高时采用15m/h的滤速可达到97%的除氮率，但滤速增至20m/h时因停留时间太短，使除氮率降至83.6%，而且出水中有甲醇和NO₂^--N残留，由此可知水力负荷偏高。在温度降至10℃左右时去除率下降明显，但在10m/h的滤速下仍能达到95%以上的去除率，增加滤速至15m/h时有甲醇残留但没有NO₂^--N积累，原因可能是在反硝化过程第一阶段的反硝化菌受温度影响更显著。因此，在实际运行时可根据不同的水温选择相应的滤速以达到最佳的处理效果。?

　　反冲洗也将影响脱氮效果，图4显示出经气水联合反冲洗后滤床内部的除氮负荷分布情况。

　　由图4可知，反冲洗使脱氮效率有所下降，但由于采用了足够的床深，滤床中、上部的脱氮能力有所加强(上流式)，因此弥补了因生物膜流失造成的脱氮效率下降，使整体除氮率仍达到85%以上，而且可在2～3h内恢复到正常水平。
2.2 对磷的去除
　　投加PFC和FeCl₃对PO₄^3--P的去除情况见图5。由图可知，两种絮凝剂对PO₄^3--P的去除效果没有显著差别。由于PFC所需混凝反应时间较长，故两者在滤床中的截污分布有所不同，FeCl₃的表层截污作用明显，而PFC则趋向于深层截污，后者可使滤床截污分布更为均匀，并有利于减缓水头损失的增长速度，延长过滤周期，但采用较高滤速时污水在滤床中停留时间较短，而且由于同时进行脱氮会使滤床上部有N₂积累(影响过滤效率)，结果使得采用PFC时存在后絮凝现象(滤后出水浊度和色度增加)。试验结果表明，采用传统的FeCl₃絮凝剂能取得更好的效果，这与单纯的深床除磷结果有所不同。

　　另外，笔者考察了投药前后脱氮效果的变化，发现絮凝剂的加入对脱氮效果并没有明显的负面影响，其中22h左右出现的峰值为无膨胀反冲洗时造成的脱氮率的瞬时降低。
2.3 水头损失的增长与反冲洗方式
　　在同步脱氮除磷工艺中，过滤过程的水头增长来源于两方面：一是水中悬浮物和絮体在滤床中的沉积和截留，二是脱氮过程中氮气积累引起的水头损失。对于上流式滤床，水中悬浮物和絮体的截留主要发生在滤床中、下部，而脱氮过程中氮气的积累主要发生在滤床的中、上部。在过滤初期，由于水头损失较小，脱氮产生的氮气可溶解在水中，并随水流带出滤床，但随着过滤的进行，滤床内的水头损失增加，床内各段水压变化明显，因此出现氮气释放现象(在滤床上部积累，并逐步向下延伸)，因此该试验采用了无膨胀反冲洗与传统气水反冲洗相结合的冲洗方式。前者指通过加大水力负荷(滤速为30m/h，持续时间为30s)，在不引起滤床膨胀的情况下驱除滤床中积累的氮气，从而达到降低水头损失、延长过滤周期的目的，在此期间过滤和脱氮效果会变差，但因为持续时间较短而恢复迅速，因此不会影响整体效果。后者则为彻底的反冲洗，以达到去除滤床中截留的污物的目的。
　　由试验可知，通过间歇无膨胀反冲洗可有效去除滤床中、上部的氮气积累，使过滤周期由22h延长至38h，该反冲方式的反冲频率可由水头损失确定，即达到规定水头损失(如20kPa)时进行反冲，一般经1～2次无膨胀反冲洗后由氮气积累引起的水头损失所占比例已经很小，而悬浮物及絮体沉积和截留引起的水头损失占主要部分，此时需进行传统的气水联合反冲洗以彻底去除滤床中截留的污物。

3 结论

　　①微絮凝—深床过滤同步脱氮除磷工艺能有效去除二级出水中的氮和磷，通过选择合适的运行条件，可使其去除率分别达到98%和90%以上。由于脱氮和除磷在同一滤池中同步进行，因此该工艺具有结构紧凑、占地面积小、运行经济等优点，适合现有污水处理厂作为后续深度处理单元。
　　②采用无膨胀反冲洗与传统气水联合反冲洗相结合的反冲洗方式能有效减少脱氮过程中氮气的积累，减缓水头损失的增长速度，延长过滤周期。

参考文献：
　　[1]李科，栾兆坤.微絮凝—直接过滤中应用聚合氯化铝处理低浊低色水的研究[J].中国给水排水，1998，14(6)：1-4.

　　作者简介：李桂平(1974- )，男，湖北荆州人，硕士，主要从事水处理药剂与工艺、工程研究。
　　电　　话：(010)82079198
　　传　　真：(010)82079384
　　收稿日期：2002-03-20