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污水處理技術之反硝化濾池的原理、結構及應用

2019-06-12信息來源 : 環保工程師

1、前言

反硝化濾池顧名思義,是一種具有反硝化脫氮功能的生物濾池,它是在傳統生物濾池的基礎上發展而來的。由于其具有較好的硝酸鹽去除效果,并且具有占地面積小,處理效率高,工程投資費用少等優點[1],因此在近年來的污水處理廠提標改造中受到廣泛的關注,筆者將主要介紹反硝化濾池的污水處理原理,組成結構,以及介紹幾種典型的反硝化濾池產品。

圖1-1 反硝化濾池

2、原理及關鍵因素

反硝化濾池工藝中進行的脫氮反應大部分是異氧反硝化細菌以有機碳源(常見常見的碳源如甲醇,醋酸和乙醇等)作為電子供體,以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體的氧化還原過程。還有部分的自養反硝化細菌,以無機的碳(如CO2、H2CO3等)作為碳源,以氫和鐵、硫等的化合物為電子供體[2]。

該過程是一個涉及多種酶和多種中間產物并伴隨著電子傳遞和能量產生的復雜生化反應過程,該過程是涉及4種酶:即硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮酶和一氧化二氮酶,它們分別參與硝酸鹽轉化的4步反應:NO3--N→NO2--N→NO→N2O→N2(如圖2-1所示)[3]。
 

圖2-1 反硝化生物濾池脫氮原理[3]

參與反應的酶類對反應條件有一定的要求:pH(7~8)、溶解氧濃度(≤0.5mg/L)、水溫(20~35℃)、碳氮比(工程上一般要求≥5:1)等,因此就反硝化濾池而言,保證以上條件是保證脫氮效果的前提。在實際的現場工程中,污水廠對水溫以及pH的控制相對穩定,但由于進水水質水量的變化導致進水有機物含量不足,進而使得濾池中的反硝化細菌得不到足夠的碳源,造成脫氮效率低下。

另外,所設計濾池的水力負荷,一般的水力負荷設計經驗值為0.5~3m3﹒m-2﹒h-1左右[4],水力負荷較低容易引起堵塞及沖洗維護困難等問題,水力負荷較高則會導致污水與生物膜的接觸時間不夠,反應不充分也會造成脫單效率低下。

第三,沖洗頻率及強度,反硝化生物濾池屬于生物膜法,因此在一定的使用期限內需要進行沖洗,以恢復損失的水頭。同時將一部分老化脫落的生物膜排出整個濾池,促進新的生物膜生成,就好比活性污泥法中要將剩余污泥排出系統一樣,因此反硝化生物濾池需要根據來水的水質水量變化以及生物膜的生長情況,摸索出合適的沖洗頻率和沖洗強度。

3、結構組成

反硝化濾池筆者根據水力流態分為上流式和下流式兩種形態。上流式的反硝化濾池形態和傳統的生物濾池的結構較為類似,污水從下部往上部流動,濾池從下往上分為配水層、承托層、填料層、清水層。下流式的反硝化濾池形態和V型濾池結構較為類似,污水從濾池上部配水槽進入濾料區,濾池從上往下分為配水區、填料區、承托層、出水收集區。

圖3-1 反硝化濾池結構

與曝氣生物濾池相比,反硝化濾池無需在濾池中增加曝氣設備,僅設計用于氣洗聯合沖洗的反沖設備。為了保證反硝化濾池的正常運行,常常配備有氣水聯合反沖洗設備。

濾池承托層一般由濾板、濾頭(如下圖)、承托層濾料組成,反沖洗系統(沖洗水管、沖洗氣管)也在承托層的濾板下布置新型的濾池主要將濾頭優化為方便布水布氣的新型濾磚,優化了氣水分配,如圖3-2。
 

圖3-2 配水濾頭和配水濾磚

濾料也從普通的鵝卵石、礫石等轉變為陶粒、無煙煤、火山石以及高分子惰性載體這類比表面積大,截污能力強的載體材料,如圖3-3。上流濾池沖洗方向和進水水流方向是同向的,因此在濾池的出水區常常會有一個沖洗廢水收集池/槽,沖洗完的廢水回流至進水配水區。
 

圖3-3 濾池的幾種濾料

4、相關的應用進展及產品介紹

目前反硝化濾池因為其占地較少,兼具SS去除的功能,因此多被設計在二級生物處理后端,作為深度去除脫氮(后置反硝化)、SS去除的強化工藝。也有部分處理水量較小的水廠,將反硝化濾池設計在二級生物處理段和硝化濾池串聯使用(前置反硝化)。

反硝化濾池用于后置反硝化處理在歐美等使用已有20~30年的應用經驗,對于深度脫氮而言更是實現了出水技術極限(LOT)。知名廠商如美國賽萊默公司和意大利迪諾拉的反硝化深床濾池,就是一種典型的下流式后置反硝化深度脫氮濾池,濾料選用固定型濾料,根據實際需要其濾磚、濾板和濾料可根據應用水廠(污水廠或者自來水廠)靈活選擇:對于自來水廠,濾料為主要以石英砂為主,因此承托層采用二次配水濾磚+濾板的形式;對于污水處理廠,濾料從下往上為礫石、鵝卵石和石英砂填料,粒徑從大變小,層級變化,因而承托層采用過水孔隙較大的二次配水濾磚。

又如法國威立雅的Biostyr反硝化濾池,其采用了上流式的過濾結構,與其他的反硝化濾池不同的是,其采用了懸浮填料而非傳統的固定填料,這類填料呈球形結構,可在污水中漂浮,增加了與污水的接觸;第二,濾池的濾板結構的變化,除了配水區上部用于承托濾料的濾板外,在出水區也增加了濾板結構,濾板上均勻分布了濾頭,這樣在保證脫氮的情況下,也進一步提高了出水SS的去除;第三,反沖洗直接采用重力流沖洗,省去了反沖洗的設備及管道布置,節省了能耗,此類濾池既可以用于前置反硝化也可以用于后置反硝化。

相比較于歐美,國內對反硝化深床濾池的引進和使用相對較晚,但也不乏優秀的公司,比如安徽的華騏環保研發的反硝化濾池,采用的是升流式濾池,在傳統曝氣生物濾池(BAF)的基礎上改進,濾料采用陶粒,核心部件是其自主研發的配水濾頭,很好的解決了原有濾池堵塞及配水配氣等問題。

這類濾池多用于和傳統BAF串聯使用,是一類前置反硝化濾池。又如上海奧德水處理有限公司設計開發的一種低充氧反硝化脫氮濾池系統,是一種下流式的反硝化濾池,配水區由濾池上部兩側的配水槽進水,污水從上往下透過濾床,完成過濾和深度脫氮,最后在通過濾池下部的集水槽收集排放,適用于后置反硝化。
 


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