反硝化深床濾池簡介與原理

反硝化深床濾池簡介與原理

反硝化深床濾池是集生物脫氮及過濾功能合二為一的處理單元，是業界認可度較高的脫氮及過濾并舉的先進處理工藝。1969年世界上第一個反硝化濾池誕生。近40年來反硝化濾池在全世界有數百個系統在正常運行。

濾料采用2～3mm石英砂介質，濾床深度通常為1.83m，濾池可保證出水SS低于5mg/L以下。絕大多數濾池表層很容易堵塞或板結，很快失去水頭，而獨特的均質石英砂允許固體雜質透過濾床的表層，深入濾池的濾料中，達到整個濾池縱深截留固體物的優異效果。

工藝流程

圖4-1      反硝化深床濾池工藝流程圖

反沖洗流程

無論在深床濾池模式還是在反硝化深床濾池運行模式，濾池均需反沖洗，將截留和生成的固體排出。反沖洗流程通常需要三個階段：①氣洗；②氣水聯合反洗；③水洗或漂洗。

?濾池組成

反硝化深床濾池結構簡單，安裝方便，濾池內無活動部件，濾料無流失，終身無需維護。

主要組件如下：

濾料

硬硅質砂，圓形尺寸范圍2-3mm

礫層

圓形硬硅質砂尺寸范圍3-40mm

濾磚

提供超強的反沖洗氣水分配性能

進氣管

當需要進氣管配置時，不銹鋼的進氣管能夠提供均勻的反沖洗氣分配

堰板

使濾池與反沖洗水槽分開，為進水和反沖洗出水的均勻分配提供條件

控制系統

專為控制濾池的各種設備而開發的控制系統。

閥門

自動和手動的閥門控制水和空氣的進出

碳源存儲和供給系統

通常設計為乙酸鈉或乙酸，根據進入濾池的硝酸氮量來控制碳源投加量

反沖洗泵

為濾池提供反沖洗水，用于反沖洗濾料和驅氮。

鼓風機

為濾池提供反沖洗空氣來源，用于反沖洗濾料。

功能組件

反硝化深床濾池結構簡單實用，集多種污染物去除功能于一個處理單元，包括對懸浮物、TN和TP均有相當好的去除效果。現有的運行經驗表明，在無需化學加藥除磷的情況下，可以滿足出水水質BOD<5mg/L，SS<5mg/L，TN<3mg/L，TP<1mg/L。在進行化學除磷的情況下，出水TP<0.3mg/L。

深床過濾機理

深床過濾是使液體通過有某種顆粒或可壓縮濾料組成的濾床去除懸浮于液體中的顆粒物質，普遍用于污水處理二級處理工藝出水的過濾。目前，深床過濾用于生物或化學出水中懸浮物的去除以減少固體物質排放量，更重要的作用是可以作為一個調節過程用于加強濾后水的消毒效果。

深床過濾主要通過以下五種主要機理去除懸浮物質：

隔濾

包括機械隔濾和偶然接觸過濾。粒徑大于濾料孔隙的顆粒通過機械的攔截被去除為機械隔濾；粒徑小于濾料孔隙的顆粒由于偶然接觸被捕獲在濾料內為偶然接觸過濾。隔濾是具有可操作性的懸浮物主要去除機理。

沉淀或碰撞

沉淀，顆粒沉積在過濾器的濾料上；碰撞，重質顆粒不沿水流方向流動。

截留

許多沿水流方向運動的顆粒與濾料表面接觸時被捕獲。

黏附

當顆粒通過濾料時，它們就會黏附于濾料表面。由于水流的沖擊，有些顆粒在尚未牢固地附著于濾料表面之前就被水流沖走，進入濾床深部。當濾床逐漸堵塞后，表面剪力則開始增大，使濾床再也不能去除任何懸浮固體。一些懸浮顆粒可能會穿透濾床，使過濾器出水濁度突然升高。

絮凝

在濾料空隙內可能會發生絮凝作用，通過過濾器內部的速度梯度形成更大的顆粒，再通過上述幾種機理的作用而去除。

脫附

作為上述機理的結果，被已經沉積的顆粒物包裹著的濾料表面之間的間隙變小。流速升高，濾層阻力升高。被截留的沉積物可能脫附并被帶到濾料的深層，甚至可能透過濾層。在濾層失效之前，需要對濾池進行有效的反沖洗，恢復濾層的過濾性能。

?反硝化機理

將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的生化反應成為反硝化反應。能夠進行反硝化反應的細菌成為反硝化細菌。反硝化作用是反硝化細菌的厭氧呼吸過程，硝酸鹽是電子受體，氮氣是代謝產物，要完成這一厭氧過程，還必須提供電子供體——有機物。

反硝化過程為一多步反應。

NO₃→NO₂-→NO→N₂O→N₂

反硝化細菌是異養兼性厭氧菌，能夠利用氧或硝酸鹽作為最終電子受體。當氧受限制時，反硝化細菌以硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N⁵⁺和N³⁺作為能量代謝中的電子受體進行厭氧呼吸（被還原），O^2-作為受氫體生成H20和OH-堿度，有機物作為碳源及電子提供體提供能量并得到穩定。

如果污水中碳源有機物不足，應補充投加易于生物降解的碳源有機物，如甲醇、乙酸、乙酸鈉等。此時，同時考慮同化異化兩個代謝過程的反硝化反應可用下式表示：

NO₃^-+1.08CH₃OH+0.24H₂CO₃→0.056C₅H₇O₂N+0.47N₂↑+1.68H₂O+HCO₃^-

NO₂^-+0.67CH₃OH+0.53H₂CO₃→0.04C₅H₇O₂N+0.48N₂↑+1.23H₂O+HCO₃^-

由上式可計算，每還原1g NO₂-N和1g NO₃-N為N₂時，分別需要甲醇1.53g和2.47g。考慮到污水中的溶解氧，為使反硝化過程進行完全需要投加甲醇量CM為：

CM=2.47[NO₃^-N]+1.53[NO₂-N]+0.87DO

上式計算甲醇消耗量偏于保守，因為反硝化深床濾池進水中仍有剩余BOD，根據工程實際經驗，甲醇與NO₃-N比值可取3.0。

基于上述反硝化機理，反硝化深床濾池在缺氧環境下，通過附著在濾料上的反硝化菌，利用碳源作為電子供體，將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氮氣（N₂）釋放，完成反硝化脫氮過程。

?化學除磷機理

化學除磷是通過“微絮凝過濾”來完成的。通過向污水中投加無機金屬鹽藥劑與污水中溶解性的鹽類，與磷酸鹽混合后，形成顆粒狀、非溶解性的物質，反應方程舉例如下式。

Al³⁺+PO₄^3-→AlPO₄↓    pH=6～7

Fe³⁺+PO₄^3-→FePO₄↓    pH=5～5.5

“微絮凝過濾”除磷可以簡單地理解為：水中溶解狀的磷（離子狀態），通過投加除磷絮凝劑轉換為非溶解、顆粒狀形式的過程，再通過過濾，以懸浮物的形式將磷去除掉。

為了生成非溶解性的磷酸鹽化合物，用于化學除磷的化學藥劑主要是金屬鹽藥劑和氫氧化鈣。許多高價金屬離子藥劑投加到污水中后都會與污水中的溶解性磷離子結合生成難溶解性的化合物，但出于經濟原因考慮，用于磷沉析的金屬鹽藥劑主要是Fe3+鹽、Fe2+鹽和Al3+鹽，這些藥劑是以溶液和懸浮液狀態使用的。

污水化學除磷中常用的藥劑類型如下：

表4-1    化學除磷中常用的藥劑