马先芒
（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司）
为控制污水含氮量，各地污水处理厂纷纷引入反硝化滤池，希望能够凭借过滤性能突出、占地面积较小的滤池，使脱氮效果得到显著改善。在实际工作中，工作人员最大的难题主要是如何确定碳源使用量，保证滤池启动效果及运行效果均能达到预期。
在水体氮污染程度持续加剧的当下，富营养化给渔业、农业等行业所造成的影响有目共睹，随着排放标准变得更加严格，现有脱氮技术已无法发挥出应有作用，从最终效果、运行成本出发，对全新脱氮技术进行开发势在必行。以往各地污水处理厂均强调以好氧条件为基础，先对有机氮进行相应化，形成一定量的NO3--N，再借助亚硝化菌、硝化菌进行硝化反应，将物质转移到缺氧环境下，经由反硝化菌达到反硝化的最终目的[1]。该工艺所存在不足主要体现在三个方面，首先是极易被外界环境所影响，其次是对冲击负荷的抵抗能力较弱，最后是无法保证去除效果始终维持在理想水平。此外，氮去除率还会受到进水碳源、设备性能的制约。要想解决上述问题，关键是要新增具有深度脱氮功能的反硝化滤池，事实证明，此举既能使厂内空间得到充分利用，又可使反硝化速率得到显著提高。
3.1 工业废水
在技术迭代速度极快的当下，工业顺利迈入发展快车道，工业废水给附近环境所造成的影响也变得更加直观。工业废水具有成分复杂和管理难度大的特点，与其他类型废水相比，工业废水含有氰化物、酸或碱类物质的概率更大，加之一部分处理厂尚未更新现有处理技术，致使污水处理效果难以达到预期，随着大量不达标废水被排入河流，附近居民及生态环境均会受到不利影响。
3.2 农业废水
作为农业大国，我国农业养殖所产生的废水量极大，以畜牧业为例，牲畜养殖期间所产生的废水，通常包含大量磷元素、COD和氮元素[2]。对农作物进行种植时，往往需要施加化肥及农药，残留药物将随着雨水一同进入管网，加大了处理厂的工作量。
3.3 生活污水
烹饪废水、洗涤废水和卫生间所排放的废水均属于生活污水。据统计，每人每天产生的生活污水中，约有1/4为卫生间废水，其中，磷占比为80%、COD占比为60%、氮占比为84%。烹饪废水占比约为15%，具有BOD含量高的特点。洗涤废水量较大，但所含污染物总量偏少[3]。
反硝化滤池的特点是以生物膜为载体、NO3--N为受体，通过对污水所含硝化氮进行还原的方式，使污水含氮量降到排放标准以下。该滤池主要包括承托层和滤料层。其中，滤料层是决定滤池运行效果的关键。目前，多数污水处理厂均引入了反硝化滤池，滤池所用无机物以陶粒、石英砂为主，上述无机物的粒径处于2mm～3mm间，对应均匀系数是1.4，测量所得莫氏硬度在7左右，球形度不得小于0.8。考虑到微生物只有在有机物的辅助下，才能进行反硝化脱氮，而废水所含有机物往往无法满足微生物需求，为避免脱氮作用受到影响，相关人员需要定期向滤池内施加乙醇或乙酸钠等碳源，确保滤池既能够将悬浮固体尽数去除，又可以凭借微生物进行反应，对污水实际含氮量加以控制。
滤池正式投运后，相关人员可酌情对滤池的过滤、脱氮功能进行调整，在没有施加碳源的情况下，滤池主要负责对污水进行过滤，即使废水所含BOD较少，仍然能够发挥维持微生物活性的作用，脱氮效果可最大程度接近预期。如果废水含氮量超出规定上限，仅凭借废水内BOD无法维持反硝化正常进行，便需要酌情加入少量碳源，通过增强反硝化功能的方式，为脱氮效果提供保证。综上，本文所讨论反硝化滤池既能够被用来对污水悬浮物进行过滤，还可以起到降低废水氮、磷浓度的效果。
某市污水处理厂所排放污水质量基本符合行业标准，由历史数据可知，该厂进水BOD5∕TN值最大为14，最小为1，其取值约有90%的概率，未达到5，存在碳源不足的问题。另外，该厂出水TN取值为12mg/L，NO3--N浓度在12mg/L左右，符合行业标准，但有超标的可能，为保证污水处理效果达到预期，相关人员提出以改善去除效果为落脚点，对碳源使用量进行深入研究。
5.1 实验用水
相关人员决定将二沉池出水作为反应器进水，实验所用碳源为乙酸钠，其浓度在95%左右，旨在使微生物拥有理想的生长环境。
5.2 材料/设备
本次实验计划使用有机玻璃柱代替滤池，玻璃柱规格为100cm×10cm。经专业人员分析，将流量设定为16L/h，对应滤速控制在2m/h左右。在滤柱内填充活性砂，保证作为填料的活性砂满足以下要求：化学性质相对稳定；
便于微生物附着，使其快速生长；
机械强度理想；
市场单价较低；
粒径在2mm～4mm间，重量约为5kg。相关人员应将填料层高度控制在500mm左右，鹅卵石铺设而成的承托层、清水层高度以150mm为最佳，超高理想值为100mm，此外，上部进水区应控制在150mm左右。
6.1 启动滤池挂膜
承载微生物的生物膜的质量通常会对反硝化滤池的运行成效产生巨大影响，要想使滤池作用得到发挥，关键是要有理想的生物膜提供支持。在本项目中，相关人员决定对接种挂膜法加以使用，先借助蠕动泵向小试装置内注入适量回流污泥，等待48h后，再向设备内注水，将反应器运行状态变更为“开启”。在启动初期，酌情延长HRT促进滤池生物膜快速生长，按照150mg/L的比例加入乙酸钠，保证C∕N比（即COD与NO3--N之比）始终为8，匀速向反应器内注水，同时利用现有设备对进出水所含COD、硝态氮进行实时监测，根据生物膜情况以及硝态氮的变化幅度，判断挂膜效果是否达到预期[4]。
6.2 确定碳源使用量
C∕N比与反硝化菌所表现出的反硝化效能息息相关，虽然C∕N比偏低可加快亚硝化反应速度，但会制约反硝化的进行，只有将C∕N比维持在一定数值，才能维持有机物活性，基于有机物所发生反硝化反应，其效果自然更加理想。理论上说，C∕N比越高、反应效果越理想，在实际工作中应严格控制碳源消耗量，以免投资成本超出预期，因此，应酌情调整C∕N比，确保项目成本、反硝化效果处于相对平衡状态。
本项目所用外加碳源为乙酸钠，其反硝化性能突出。将滤池DO设定为0mg/L，对应HRT调整至0.5h，分别按照37mg/L、56mg/L、75mg/L和95mg/L的浓度，向滤池内加入适量乙酸钠，对应C∕N比由2到5递增。随后，由相关人员借助专业设备对进出水所含COD、硝态氮值进行监测，确定碳源使用量。
7.1 NO3--N浓度
通过实验可知，滤池开启96h后，处理厂出水所含NO3--N下降到约1mg/L，由此可见，反硝化滤池在处理硝态氮方面效果突出，滤池挂膜成功。该阶段反硝化菌处于快速增殖的状态，待滤池内微生物菌群趋于稳定，对应NO3--N浓度也降到了行业要求的水平，此后，滤池去除NO3--N的效率始终在90%上下波动，微生物浓度给NO3--N去除率带来的影响可忽略不计，反硝化结构已达到稳定状态。
7.2 C∕N比影响
本次实验计划以C∕N比与滤池脱氮能力间存在的关联为切入点，分别将进水C∕N比设为0/3/6/9，结合进出水所含COD、硝态氮值，对投加乙酸钠的理想值加以确定。现将实验过程及所得结论归纳如下：利用未挂膜滤池对进水加以处理，进水所含NO3--N总量无明显变化，成功挂膜后，经过滤池处理的进水NO3--N浓度大幅降低。以乙酸钠为碳源，将进水C∕N比设为0/3/6/9，对进出水所含NO3--N进行分析可知，C∕N比处于0～3这一范围时，出水的COD浓度在15mg/L左右，该数值和未加入碳源时的数值基本相同，这表示滤池内乙酸钠消耗殆尽，受碳源不充足影响，反硝化反应程度无法达到预期，由此而带来的问题便是出水含有大量硝态氮。按照C∕N比=3投加碳源，可使出水所含NO3--N浓度下降到3mg/L，此时，脱氮效果基本能够达到行业要求，且出水所含COD值无明显变化。将C∕N比更改为6，并对出水所含COD等物质浓度进行检测能够发现，出水所含在NO3--N0.6mg/L左右，这表示反硝化反应的作用得到充分发挥，出水硝氮量仅为初始状态下的10%。需要注意的是，虽然碳源增多不会给反硝化能力造成负面影响，但会致使COD大幅升高。C∕N比=6的工况下，出水所含COD的浓度高达30mg/L。导致该问题出现的原因，主要是进水含有过多碳源，致使有机负荷大幅增加，随着微生物利用率降低，出水质量必然会受到影响。如果C∕N比的取值为9，出水所含硝态氮将被尽数去除，此时，出水TN的取值将降到1mg/L以下，致使COD快速增加，甚至达到约40mg/L[5]。综上，在不考虑其他因素的情况下，一味增加C∕N比并不能保证硝态氮去除率更接近理想状态，对污水处理厂而言，要想使项目综合表现达到预期，关键要将C∕N比控制在3左右。
事实证明，碳源使用量是否理想，通常决定着滤池的运行效率，在滤池内加入过多碳源，将造成出水COD值超出允许范围，如果碳源使用量偏少，则会带来反硝化不完全的问题。另外，在运行过程中，要对碳源进行科学且合理的投放，还要考虑溶解氧量、温度等操作条件，生物膜情况还有碳源质量等因素，如果污水含有大量溶解氧，则要调整碳源使用量。
本文以某市污水处理厂为例，对其处理效果进行分析，发现该厂存在出水TN与行业规定不符的情况，应增设具有深度脱氮功能的反硝化滤池。滤池开启96h后，挂膜效果达到预期，此时，出水所含NO3--N的浓度下降到约1mg/L，按照NO3--N=3的比值投加碳源，既能确保脱氮效果达到预期，又可避免该厂发生出水所含COD超标的问题。同时，还能起到简化处理流程和控制运行成本的效果。
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