硫自养并联异氧深床反硝化滤池+臭氧氧化+高效沉淀池工艺在某工业园污水处理厂提标改造中的应用

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2023/5/30 10:03:59 来源：中国给水排水作者：阅读数：541次

1、工程概况

山东某工业园污水处理厂，工程设计规模为6万m³/d，主要处理石油化工、印染、纺织等工业废水，原出水设计标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002），采用粗格栅提升泵站+细格栅曝气沉砂池+水解酸化+氧化沟（多级A/O）+二沉池+二次提升泵站+高效沉淀池+滤布滤池+次氯酸钠消毒池工艺，提标改造工程二次提升后采用硫自养并联异氧深床反硝化滤池+臭氧氧化工艺，提标改造后出水水质COD、NH3-N、TP达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类标准，TN达到12mg/L。设计进水水质和出水水质见表1：

进、出水水质
项目	CODcr(mg/L)	BOD5(mg/L)	NH3-N (mg/L)	TN(mg/L)	TP(mg/L)
进水	500	150	50	80	8
出水	≤30	≤6	≤1.5	≤12	≤0.3

1）硫自养并联异氧深床反硝化滤池

深床异氧反硝化滤池是集生物脱氮及过滤功能合二为一的处理单元，反硝化深床滤池采用2-3mm石英砂介质滤料，滤床深度通常为1.83-2.44m。反硝化深床滤池系统在介质固体表面生长的脱氮卫生物，在兼氧-无氧条件下将污水中的硝态氮转化为氮气。作用是反硝化细菌的厌氧呼吸过程，硝酸盐是电子受体，氮气是代谢产物，要完成这一厌氧过程，必须提供电子供体（外加碳源）。一般深床异氧反硝化应用于污水深度处理，进水碳源缺乏，溶解氧较高，去除总氮不能太多，否则投加碳源较多，出水COD、SS容易超标。

硫自养反硝化生物滤池是一种新型的固定床降流式生物膜反应器，利用脱氮硫杆菌微生物的利用无机碳（CO2、HCO3^-、CO3^2-）作为碳源，主要以无机物（S、S^2-、S2O3^2-等）作为硝酸盐氮还原的电子供体完成微生物新陈代谢，将硝酸盐氮污染的水中的NO3-N还原为N2释放到大气中，最终实现TN的去除。硫自养反硝化生物滤池不需要外加碳源。

典型的代谢过程如下：

以单质硫为电子供体的自养反硝化计量化学公式：

55S+50NO3^-+38H2O+20CO2+4NH4⁺→C5H7O2N+25N2+55SO4^-+64H⁺

计算后去掉1gN消耗2.51gS，产生7.54g硫酸根。

以硫铁矿为电子供体的自养反硝化计量化学公式：

2FeS2+6NO3^-+4H2O→6N2+4SO4^-+2H⁺+2Fe(OH)3

计算后去掉1gN，消耗1.42gFeS2，产生2.28g硫酸根。

将硫自养反硝化生物滤池和深床异氧反硝化滤池相结合，硫自养反硝化生物滤池和异氧反硝化深床滤池并联运行，可以互相切换运行，可以扬长弊端，节省碳源、取得良好TN、SS去除效果的同时可保证出水COD不超标。

2）臭氧氧化原理

臭氧是一种强氧化剂，与还原态污染物反应时速度快，使用方便，不产生二次污染，可用于污水的消毒、除色、除臭、去除有机物和降低COD等。

臭氧在化学性质上主要呈现强氧化性，氧化能力仅次于氟、·OH 和O(原子氧)，其氧化能力是单质氯的1.52倍。

2、主要构筑物设计

1）预处理构筑物

2）氧化沟（多级A/O）

主要功能：前端设厌氧池，后设缺氧、好氧池为一体，利用生化池内各类微生物降解污水中的有机物、总氮和总磷。其中，好氧池内混合液回流至缺氧池，二沉池污泥回流至厌氧池。

缺氧池停留时间4h，好氧池停留时间16h（好氧池采用氧化沟沟型，采用分段曝气组成多级A/O），污泥浓度4000mg/L，污泥负荷0.06kgBOD5/kgMLSS·d，硝化液回流比300%，污泥回流比100%。

3）二次沉淀池、二次提升泵站

直径：38m，数量4座，沉淀池表面负荷qave=0.55m³/(m²·h)。

4）硫自养并联异氧深床反硝化滤池

主要功能：反硝化生物滤池是利用附着在生物滤料上的含有大量反硝化细菌的生物膜在将硝态氮（NO3-N）转化为N2。

设计8格，硫自养和异养各4格。单格尺寸L×B =24.0m×3.56m。同时配套废水池和清水池。反洗水泵自清水池取水，用于滤池反冲洗；废水池用于缓冲滤池反冲洗废水量；滤池反冲洗系统设备含反冲洗水泵、反冲洗风机和反冲洗废水排放泵等。设计进水TN≤18mg/L，SS≤20mg/L，出水TN≤8mg/L，SS≤10mg/L。

滤池水头损失小于2.0m，填料层高度：2.4m，平均滤速：3.66m/h，峰值滤速：5.34m/h，强制滤速：4.18m/h。自养反硝化滤池：格数：4格，滤料体积：820m³，反硝化负荷：0.37kgNOX-N/m³·d。异养反硝化滤池：格数：4格，滤料体积：820m³，反硝化负荷：0.37kgNOX-N/m³·d。

5）臭氧氧化池

臭氧接触池：反应时间90min，有效水深6.0米，臭氧设计投加量20mg/L，臭氧最大投加量30mg/L，采用射流曝气。

6）高效沉淀池

平均表面负荷：6.66m³/m²·h。

7）次氯酸钠消毒池

接触反应时间30min。

3、运行效果分析和经济分析

1）运行效果

该污水处理厂提标改造工程于2020年9月10日开工，2021年2月30日完成全部土建施工和设备安装，2021年3月开始系统的试运行和调试，2021年运行监测数据所示。

2021年全年进水COD平均为297mg/L，最小83mg/L，最大909mg/L，90%覆盖率和95%覆盖率分别为420mg/L和489mg/L，出水最小11.7mg/L，最大57.8mg/L，平均出水浓度27.9mg/L，4月份之前原有工艺运行，出水COD平均为37.8mg/L，最小20.8mg/L，最大27.8mg/L，4月份之后采用新工艺运行，出水COD平均为24.6mg/L，最小11.7mg/L，改造后出水平均COD下降13.2mg/L。

2021年全年进水TN平均为44.9mg/L，最小10.6mg/L，最大106.2mg/L，90%覆盖率和95%覆盖率分别为58mg/L和62mg/L，出水最小1.48mg/L，最大23.4mg/L，出水平均浓度7.4mg/L，采用新工艺之前，出水TN平均为12.9mg/L，最小6.3mg/L，最大23.4mg/L，采用新工艺运行后，出水TN平均为6.25mg/L，最小1.49mg/L，改造后出水TN平均下降6.65mg/L。

硫自养滤池出水总氮较低，滤池进水平均为9.75mg/L，平均出水TN为3.48mg/L，异氧滤池由于没有投加碳源，几乎没有去除，硫自养滤池和异氧反硝化滤池混合后出水平均TN6.3mg/L。

同时考察硫自养滤池总氮降低，进出水硫酸盐、碱度、COD变化情况，总氮平均去除6.27mg/L，出水硫酸根平均增加22.70mg/L，碱度平均下降22.33mg/L，COD平均增加3.58mg/L。

硫自养滤池出水COD增加，可能由于二氧化碳的加入反应引起，碱度降低由于硫自养反应产酸所致，出水硫酸盐有所增加，去除一个氮约增加3.6mg/L硫酸根，比计算的7.54mg/L偏低较多，分析原因，可能进水有一定的悬浮物，水中和填料中含有一定的二价硫，离子态的硫酸根和负二价硫离子在酸性环境下发生如下反应：

3H2S+H2SO4→4H2O+3S

2）经济分析

本项目工程总投资约为6800万元，深床反硝化未加碳源，去除单位 TN 所消耗的滤料质量比约为1：3，按去除 6mg/L NOX-N 计算滤料消耗量为18mg/L，自养脱氮滤料价格按照5000元/t 计算，折合吨水0.09元。而常规反硝化深床滤池需投加乙酸钠碳源，去除6mg/L NOX-N 计算乙酸钠消耗量为35mg/L，25%乙酸钠按照1500元/t 计算，药剂费折合吨水0.21元。

4、技术特色和创新

本项目将硫自养反硝化生物滤池和深床异氧反硝化滤池相结合，硫自养反硝化生物滤池和异氧反硝化深床滤池并联运行，可以互相切换运行，可以扬长弊端，节省碳源、取得良好TN、SS去除效果的同时可保证出水COD不超标。硫自养反硝化生物滤池对TN去除效果良好，大约有6-7mg/L去除，硫自养出水总氮较低，平均为3.48mg/L，能够实现极限脱氮。

采用射流曝气臭氧氧化，氧化效果良好，对COD约有5-10mg/L的去除，采用射流曝气效果良好，臭氧：COD约为2-4:1，能够节约一定的运行成本。

5、结论与建议

1）将硫自养并联异氧深床反硝化滤池+臭氧氧化+高效沉淀池工艺应用于某工业园污水处理厂提标改造工程去除TN和COD效果明显，稳定达到准四类标准，大大降低碳源投加，有一定的推广价值。

2）硫自养滤池总氮降低，进出水硫酸盐增加比例计算偏低，约为理论计算的一半左右，硫酸盐降低的机理需进一步研究，以产生更少的硫酸盐，消耗更低的硫填料，进一步降低对环境的影响和运行费用。

3）需进一步研究硫自养产生硫酸盐和硫化氢的研究，确保生产安全。