导 读 以反硝化生物滤池的滤速及有效停留时间、反洗强度及水头损失（池压）、进水DO及碳源投加等核心管控因素为切入点，通过分析沿程水质、创新改造、调控优化，探索提出三方面的精细脱氮运行管控措施，包括均衡负荷、加固改造，校正反洗、消氧稳压，精细甲醇投加。实施后可提升反硝化生物滤池的精细调控能力，保障总氮精准达标，实现大型再生水厂的精细化运行管控。
导 读
以反硝化生物滤池的滤速及有效停留时间、反洗强度及水头损失（池压）、进水DO及碳源投加等核心管控因素为切入点，通过分析沿程水质、创新改造、调控优化，探索提出三方面的精细脱氮运行管控措施，包括均衡负荷、加固改造，校正反洗、消氧稳压，精细甲醇投加。实施后可提升反硝化生物滤池的精细调控能力，保障总氮精准达标，实现大型再生水厂的精细化运行管控。
#01
反硝化生物滤池运行情况
北京市某再生水厂反硝化生物滤池，工艺流程如图1所示。本项目共四个系列，单系列为16组反硝化生物滤池，单系列平均设计流量为10 417 m3/h，已于2016年9月投产运行。项目前端污水处理生物系统（改良AAO）出水经泵提升后，进入反硝化生物滤池进行深度处理，滤料中附着的微生物（主要为异养菌）利用水中残留有机物及外加碳源，在缺氧环境中降解硝酸盐氮，释放氮气。本生物滤池采用上向流形式过滤，反冲洗采用空气和水定期清洗。滤料选用球形轻质多孔陶粒，粒径4～6 mm。
图1 反硝化生物滤池工艺流程
本项目反硝化生物滤池设计进出水水质如表1所示。生产实践中水质监测结果表明，污水区二级出水总氮较高，为保障再生水水质稳定达标，反硝化生物滤池急需进行反硝化生物精细脱氮运行管控，即对反硝化生物滤池各脱氮运行参数进行精细管控，保障滤池出水总氮控制在10~14 mg/L，水质稳定达标。
表1 反硝化生物滤池设计进出水水质
#02
反硝化脱氮影响因素分析
反硝化生物滤池影响脱氮效率主要因素包括：滤速及有效停留时间、反洗强度及水头损失（池压）、进水DO及碳源投加等。
2.1 滤速及有效停留时间
2.1.1 滤速
本工程反硝化生物滤池滤速设计为0～8.4 m/h，控制合理的滤速，既可保证处理能力和出水水质，又能充分利用碳源。而实际运行过程中，由于工程误差、配水方式不同导致实际滤速存在差异，各池组配水不均问题，如图2所示，影响滤速高滤池的脱氮效能。
图2 各组（1#~8#）滤池进水水位变化
根据实际检测，滤池滤速不均主要原因为总进水渠配水距离过长，池组较多时，水力学因素导致配水量不均。
2.1.2 有效停留时间
本工程反硝化生物滤池设计滤料厚度为3 m，滤料层主要附着反硝化微生物菌群，而滤料层厚度可直接决定反硝化滤池过滤时的有效停留时间。滤池运行过程中，由于滤杆脱落及滤料自身磨损等原因，导致滤池滤料流失严重，滤料随着反洗废液回流至二沉池，造成二沉池进水管、回流管和剩余泵等管路堵塞，影响构筑物正常过水。
统计四个系列滤池滤料流失情况，如图3所示，单组池体最大流失率为93%，平均流失率为29%。而滤料流失，影响实际有效停留时间，造成脱氮效能大大降低。
图3 滤池滤料层厚度分布
2.2 反洗强度及水头损失
2.2.1 反洗强度
生物滤池投加碳源进行反硝化过程中,为保持滤池的过水能力，需定期进行物理反洗，但当运行一段时间后，由于设备或阀门磨损异常，反洗强度差异较大（反洗水量风量），为保障反洗效果，需定期校核反洗强度。
2.2.2 水头损失
随着生物滤池脱氮运行，二沉池进水的藻类悬浮物被截留、滤池反硝化微生物增殖，跌落配水等原因，滤池池压逐渐增加，池压不稳，水头损失增加。
2.3 碳源投加
2.3.1 进水DO
生物滤池由总进水渠向分进水渠跌落进水，水流裹挟空气充氧现象严重，导致进水DO较高。反硝化生物滤池实际运行过程中，高DO进水进入滤料层内部，需消耗大量碳源消氧，当到达滤料层1~1.5 m时，才转为缺氧环境（DO＜0.5 mg/L），此时滤料层实际有效反硝化停留时间大大缩短，影响脱氮效能，滤料层内部沿程DO变化，如图4所示。
图4 滤料层内部沿程DO变化
经检测，反硝化生物滤池进水DO浓度最高达6~8 mg/L，滤池投加的甲醇中，消耗DO所用的甲醇量比例为24.8%(冬季)~58%(夏季)。
2.3.2 碳源加药系统
反硝化生物滤池进行脱氮过程的重要核心单元为外加碳源加药控制系统，本工程以甲醇投加为主，加药系统确定关键是加药泵的量程选型和泵的频率流量调整范围。
甲醇加药泵系统量程选型时，主要依据式（1）计算甲醇投加量：
式中Cm——甲醇投配率；
f——碳源利用因子，取0.85~0.9；
［NO-3-N］——硝酸盐氮去除量，mg/L；
［NO-2-N］——亚硝酸盐氮去除量，mg/L；
DO——进水溶解氧，mg/L。
本工程设计以平均水量和10 mg/L的硝氮去除量为标准，但未考虑水量时变化过大情况（K＞2），所选的甲醇泵量程过大，而频率调节范围有限，因此在小水量期间甲醇易溢出，造成出水BOD超标风险。
2.3.3 甲醇投加方式
（1）仪表数值反馈法。由甲醇精确投加式（1）可知，反硝化生物滤池甲醇投加可根据进水在线硝氮、亚硝、DO及出水硝氮、亚硝仪表数值进行精确投加。但实际中，［NO-3-N］及［NO-2-N］实时准确测量难度较大，在线仪表数值反馈法存在一定弊端。工程上，应根据实际情况，合理设置在线仪表数量及位置，选择有效仪表数据进行应用。
（2）C/N经验法。由经验法可知，当C/N=4.5~5.5时，反硝化脱氮效果较佳，即去除单位质量总氮所耗甲醇质量2.47~3.85 mg/mg TN，甲醇投加以每日定时检测的进出水总氮来反馈投加。
#03
反硝化精细脱氮运行管控
针对本工程前期运行存在问题，主要从均衡负荷，加固改造；校正反洗，消氧稳压；精细甲醇投加三方面进行优化调控，从而提升反硝化脱氮的精细管控能力。
3.1 均衡负荷，加固改造
3.1.1 优化配水，均负荷
（1）液位控制优化。通过结合实际泵前池液位，制定差异化的泵启动液位，因地制宜调节提升泵运行工况，均衡滤池进水负荷。
分系列差异化运行优化。根据各系列的滤料层实际厚度，如表2所示，并结合脱氮需求，设定差异化的分系列配水模式，最大程度利用滤料层的有效脱氮空间。
表2 提升泵差异化启动控制液位
（2）沿程梯度分析优化。研究滤池在不同滤速下的沿程水质情况，如图5所示，探索出各系列最佳滤速。充分利用泵前构筑物的调蓄能力，各系列差异化配水，旨在达到最大脱氮效果。
图5 不同滤速下水质变化情况
经检测，梯度流量7 000 m3/h、9 000 m3/h、11 000 m3/h下，滤池TN去除率分别为72%、69%、63%；出水TN、COD随流量增大而增加，如图7所示。在保障水质和水量情况下，9 000 m3/h效果最佳，即实际滤速为8.3 m/h。
3.1.2 滤杆加固，保效果
根据滤池反洗进水进气方式、喷料点位及滤杆倾斜脱落情况，对各组滤池滤杆进行加固和间歇封堵，如图6所示。旨在解决滤杆脱落造成的反洗不均和滤料流失问题，增加滤料层有效厚度，提高脱氮有效停留时间。
图6 滤杆加固封堵情况
3.2 校正反洗，消氧稳压
3.2.1 校正反洗，保效果
由于反洗水泵电动阀故障或止回阀开度不足，导致反洗水强度不足；反洗风机运行叶轮磨损，功率降低，或者气管漏气，导致反洗气强度不足。故需定期校核反洗强度，见表3，排查反洗设备运行异常关键点，定期维保维修，及时调整风机与水泵运行频率。
表3 滤池运行参数与设计标准对比
3.2.2 消氧稳压，培养反硝化环境
（1）进水消氧。增设消氧及稳压虹吸装置。利用虹吸原理，配置虹吸管线，以流量计、调节阀门、可调堰板，辅助进行反硝化生物滤池的虹吸进水操作，如图7所示。在相对稳定的液位差下，虹吸管线充满度100%运行，确保无氧气充入，实现滤池进水消氧，滤池反硝化环境由滤料层1~1.5 m降低至0.5~1 m，反硝化环境占比提高16%，具体如图8所示。
图7 消氧稳压装置
图8 改造沿程DO变化
同时深入分析了滤池滤料层沿程水质变化，如图9所示。通过消氧配水后，出水硝氮从0.5~1 m开始大幅下降，亚硝积累仅为0.85 mg/L，消氧后滤池脱氮效率为70%，出水COD与二沉出水COD基本一致，甲醇无溢出。
图9 滤层沿程水质变化
（2）稳定压力。
①精细机械格栅稳压。为拦截二沉来水藻类悬浮物质，避免滤池池压不必要的增加，进水孔板格栅是一种实用、有效的拦污设备，如图10所示。通过新增2 mm的精细机械格栅装置，将大部分的藻类杂质提前去除，高效保证滤池的运行稳定。
②精细配水稳压。增设滤池进水消氧及稳压虹吸装置，如图11所示。改造运行后，滤池反洗池压变得平稳，反洗池压在60~78 kPa，压力波动率由8%~20%降低至0.1%~0.5%。本优化改造稳压效果良好，滤速基本不变，不影响正常过水。
图10 滤池进水精细格栅
图11 滤池稳压前后池压变化
3.3 精细甲醇投加
本工程结合在线仪表反馈法与C/N经验法，依据滤池出水在线硝氮、DO仪表数据，设定配套逻辑控制，分系列进行甲醇精确投加（滤层厚度＞2 m滤池优先甲醇投加，如滤层均较好，可自主分配）。旨在分系列对滤池反硝化菌进行培养，减少全系列投加甲醇时DO碳源消耗，精确控制甲醇投加，降低药量，使总氮水质稳定达标。
本工程以滤池在线出水仪表数据为依托，反馈甲醇精确投加，精确投加控制公式见式（2）：
式中x（TN）——出水总氮均值（NH3-N＜0.5 mg/L，故不作引入，直接设定即可）；
ζ——变化系数；
NO-3——硝酸盐氮数值（在线仪表实时检测）；
NO-2——亚硝酸盐氮数值（实验室定期检测）；
Q1~Q4——系列一至系列四滤池处理水量，m3/d。
根据式（2）制定分系列甲醇投加优化控制策略：
（1）整体控制策略：依据各系列滤池的滤料厚度、来水DO消减角度，针对性选择分系列进行甲醇投加调控，控制出水总氮在10~14 mg/L。
（2）甲醇投加逻辑：以出水总氮10 mg/L为控制基准，各系列出水总氮均值为调控指标，甲醇投加以投配率3 mg/L为反馈投加梯度，20 min为调控时间梯度进行甲醇反馈投加。
（3）其他逻辑调控：①按序投加：优先以出水NO-3-N高的系列投加，直至触动单系列最大投加量；②投加逻辑：硝氮降低同步梯度减少甲醇投加；③设定最大投配率：出水总氮均值超出限值，持续30 min，报警提示，开启下个系列滤池进行甲醇投加，确保甲醇无溢出。
本工程根据出水在线仪表，实时分系列进行甲醇投加反馈，反硝化滤池甲醇精确投加效果，如图12所示。
图12 甲醇精确投加出水总氮变化
基于滤池出水硝氮均值，实现再生水区反硝化滤池的“甲醇精确投加”，精确控制出水总氮在10~14 mg/L范围比例达96%，使水质精准达标。
#04
结论
（1）根据滤池泵前池结构及各系列滤池运行状态，差异化优化配水，确定最佳滤速8.3 m/h；加固改造滤池滤杆，均化反洗，避免滤料流失，增加有效停留时间，保障脱氮效果。
（2）定期校核物理反洗强度，排查维修设备异常关键点，确保反洗强度；创新性滤池进水消氧稳压虹吸改造，实现进水的消氧及稳压，培养反硝化环境。
（3）根据滤池滤料厚度，分系列精确甲醇投加，控制出水总氮在10~14 mg/L范围比例达96%，使水质精准达标。
（4）大型再生水厂反硝化生物滤池通过采取均衡负荷，加固改造；校正反洗，消氧稳压；分系列精细甲醇投加三方面的运行管控实践，大幅提高反硝化生物滤池运行水平，实现出水水质精准达标。
