楊瑾濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

健康的城市水環(huán)境是現(xiàn)代化城市的一個基本標志，現(xiàn)階段城鎮(zhèn)污水廠尾水已成為影響水環(huán)境質(zhì)量的重要因素[1]，而全面提升城鎮(zhèn)污水廠出水水質(zhì)是改善城市水環(huán)境質(zhì)量的重要舉措。2017年，國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》對水環(huán)境質(zhì)量和城鎮(zhèn)污水廠升級改造都提出了明確的要求[2]，全面改善水質(zhì)，提高水環(huán)境質(zhì)量至關重要。

為了進一步去除城市污水中氮、磷、懸浮物等污染物，污水廠在二級處理工藝后增設深度處理工藝，使其出水達到更高的排放標準[3-4]。現(xiàn)有的深度處理工藝在一定程度上能夠提高污水廠出水水質(zhì)，但在實際運行中仍存在一些問題[5-6]。如混凝沉淀過濾組合工藝只能去除少量有機氮，對無機氮幾乎無去除效果，很難降低總氮含量；膜過濾工藝可以有效去除水中的污染物，但處理成本較高，對水資源的損耗率較大[7]；胡香等[8]的研究表明，在投加適量碳源的條件下，反硝化濾池對總氮的平均去除率為61.7%，對硝酸鹽氮的平均去除率為63.3%。呂瑞濱等[9]分析深床濾池工藝在污水處理廠應用效果，關鍵因素之一就是碳源投加。深床濾池工藝的脫氮效能與微生物可降解的碳源量成正比，而污水廠二級出水中碳源含量較低，且主要以難降解有機物為主。因此，單純采用深床濾池工藝很難實現(xiàn)良好的處理效能，需通過外加碳源來保證脫氮效能，但增加處理成本[10-11]，同時，碳源投加量還隨著環(huán)境溫度、水中溶解氧含量等因素不斷調(diào)整，增加水廠運營管理難度。針對現(xiàn)有深度處理工藝中存在的不足，以污水廠二級出水的水質(zhì)特征為基礎，構建復合濾層深床濾池，在不外加碳源的基礎上，通過鐵碳內(nèi)電解工藝、生物工藝和過濾工藝有效結合，改善有機物分子結構，有效利用污水中殘留的有機物進行生物降解作用，旨在全面提升二級出水水質(zhì)，改善水環(huán)境質(zhì)量。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

復合濾層深床濾池工藝是由深床濾池工藝延伸出來的新型污水深度處理工藝，復合濾層深床濾池由3部分組成：鐵碳材料層、生物活性炭層、石英砂濾層。鐵碳材料層通過內(nèi)電解工藝改善污水中有機物結構，提高污水可生化性，強化后續(xù)生物工藝的處理效能，還能夠破壞水中的顯色基團，降低色度。生物活性炭層通過生物降解作用對總氮、總磷、有機物等污染物進行去除。石英砂濾層有效去除水中的懸浮物，進一步保證出水水質(zhì)。各個單元互相配合，進而達到全面改善水質(zhì)的目的。

如圖1所示，生產(chǎn)性試驗裝置采用復合濾層深床過濾器，過濾器主要材質(zhì)為金屬質(zhì)(內(nèi)涂防腐材料)，其截面為圓形，直徑為2 m。進水為南京J污水處理廠二沉池出水，通過潛污泵將其提升至復合濾層深床濾池過濾器，采用頂部進水，底部出水的運行方式，運行濾速為2 m/h[12]。裝置采用氣洗—水洗方式進行反沖洗，氣洗強度為10 L/(m2·s)，沖洗時間為3 min，水洗強度為8 L/(m2·s)，沖洗時間為5 min。鐵碳材料為圓柱狀，直徑為2～4 mm，長度為6～10 mm。其中：鐵碳質(zhì)量比為2∶1，抗壓強度≥1 100 kg/cm3，堆密度在1.0～1.2 g/cm3；活性炭濾料是椰殼顆粒碳，碘值在500～600 mg/g，粒徑為3～8目；石英砂粒徑為0.5～1 mm，孔隙率為45%，比重為2.66 g/cm3；填料層的高度分別為0.8、1.5、0.6 m。

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Device

1.2 試驗水質(zhì)

本研究選擇南京J污水處理廠作為試驗基地，該水廠處理規(guī)模為67萬t/d。水廠采用的工藝流程如圖2所示。

圖2 南京J污水處理廠工藝流程圖Fig.2 Technological Process of Nanjing J WWTP

檢測南京J污水處理廠二級出水的總氮、硝酸鹽氮、氨氮、總磷、CODCr等污染物指標的濃度，結合水廠化驗室提供的檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計近1年水廠二級出水中各項污染物濃度，結果如表1所示。

表1 南京J污水處理廠二級出水水質(zhì)指標Tab.1 Secondary Effluent Quality Index of Nanjing J WWTP

由表1可知，經(jīng)過二級生物工藝處理后，南京J污水處理廠出水水質(zhì)較好，大部分污染物指標均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A的標準，但是總氮、總磷仍存在超標的情況；同時，還檢測二級出水渾濁度、色度、BOD5/CODCr的年平均值分別為6 NTU、13、0.092。

1.3 分析項目、方法及試劑

各指標分析方法均參考國家環(huán)保總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)?？偟捎眠^硫酸鉀消解-紫外分光光度法；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；CODCr采用重鉻酸鹽法；BOD5采用稀釋接種法；總磷采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法；渾濁度采用便攜式濁度計法；色度采用便攜式色度儀法。

主要試驗試劑：氫氧化鈉、硝酸鉀、鹽酸、過硫酸鉀、氯化銨、納氏試劑、磷酸二氫鉀、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、濃硫酸、磷酸、重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸汞、鄰菲羅啉等；試驗中所用水為超純水(由Mill-Q純水凈化系統(tǒng)制備)。

2 結果與討論

2.1 復合濾層深床濾池工藝對二級出水中污染物的去除效能

通過對南京J污水處理廠二級出水中各項污染物指標進行為期1年的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該水廠處理效能較好，二級出水水質(zhì)基本滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級A標準，但是在運行過程中仍存在部分指標不達標的情況，特別是在冬季，處理效能不能得到保證。因此，以該水廠作為試驗基地來探究復合濾層深床濾池工藝對二級出水水質(zhì)改善效果有重要意義。在試驗過程中，同時檢測復合濾層深床濾池裝置進水和出水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮、CODCr、總磷、渾濁度、色度等污染物指標的濃度，明確對各項污染物的去除效果，為復合濾層深床濾池用于污水深度處理提供理論依據(jù)。

2.1.1 氮類污染物的去除效能

連續(xù)運行生產(chǎn)性試驗裝置，掛膜成熟后檢測進出水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮濃度，結果如圖3所示。

圖3 對氮類污染物的去除效能 (a) 總氮；(b) 硝酸鹽氮；(c) 氨氮Fig.3 Removal Efficiency of Nitrogen Pollutants (a) Total Nitrogen; (b) Nitrate Nitrogen;(c) Ammonia Nitrogen

由圖3可知，復合濾層深床濾池裝置對總氮、硝酸鹽氮、氨氮的平均去除量分別為2.91、2.57、0.28 mg/L。對硝酸鹽氮的去除量占據(jù)總氮去除量的88.3%，這也進一步表明城鎮(zhèn)污水處理廠二級出水中硝酸鹽氮為總氮的主要成分，降低總氮的濃度，主要是去除硝酸鹽氮的含量。鐵碳材料層出水中氮類污染物的濃度并沒有出現(xiàn)明顯變化，表明鐵碳材料層對氮類污染物去除效果較小。沿著水流方向，0～50、50～100、100～150 cm的生物濾層對總氮去除所貢獻的比重分別為60.45%、23.28%、11.20%。對總氮的去除效能沿程降低，對氨氮的去除效能也出現(xiàn)類似的規(guī)律，分析認為0～50 cm的生物濾層最先與二級出水接觸，水中的有機物、氮類污染物的濃度較高，有利于反硝化微生物的生長繁殖。同時，由于鐵碳濾料層的存在，在鐵碳材料內(nèi)部發(fā)生的原電池反應消耗了水中的溶解氧[13]，為反硝化微生物的生長創(chuàng)造了良好的缺氧環(huán)境，有利于反硝化過程的進行。鐵碳內(nèi)電解反應產(chǎn)生的亞鐵離子和還原態(tài)氫可以作為自養(yǎng)反硝化微生物還原硝酸鹽氮的電子供體，能夠有效促進后續(xù)生物反硝化過程的進行，加強生物反硝化的脫氮效能[14]。

2.1.2 有機物的去除效能

為了明確復合濾層深床濾池工藝對二級出水中有機物的去除效能以及對其可生化性的改善程度，在生物活性炭濾層掛膜成熟后，分析裝置進出水中有機物濃度的變化以及鐵碳材料層進出水可生化性的變化，結果如圖4、圖5所示。

圖4 對有機物的去除效能Fig.4 Removal Efficiency of Organic Compounds

圖5 二級出水可生化性的變化Fig.5 Change of Biodegradability in Secondary Effluent

由圖4可知：進水CODCr的平均濃度為34.19 mg/L，復合濾層深床濾池裝置對CODCr的平均去除量為18.95 mg/L；0～50、50～100、100～150 cm生物濾層對CODCr去除量占總?cè)コ康谋戎胤謩e為64.76%、27.48%、7.73%，這與對總氮的去除規(guī)律相似。由圖5可知，二級出水經(jīng)過鐵碳材料層處理后，可生化性得到有效改善，水中BOD5的平均濃度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，B/C由0.094增至0.288。表明水溶液中易被微生物利用的有機物含量增加，有利于生物活性炭濾層中微生物的生長繁殖，這也是該工藝能有效去除有機物、氮類污染物的直接原因。

2.1.3 總磷的去除效能

由圖6可知，進水總磷的平均濃度為1.02 mg/L，復合濾層深床濾池工藝對總磷的平均去除量為0.670 mg/L，鐵碳內(nèi)電解層對總磷的平均去除量為0.278 mg/L，占比為41.49%。鐵碳內(nèi)電解層對總磷具有良好的去除效能，這是因為鐵碳內(nèi)電解層內(nèi)部發(fā)生的原電池反應，反應產(chǎn)物鐵離子與磷酸根形成磷酸鐵沉淀；另一方面，鐵離子水解產(chǎn)生的氫氧化鐵膠體具有良好的絮凝作用，與磷酸根發(fā)生共沉淀作用，能有效去除總磷[15]。同時，鐵碳內(nèi)電解反應的產(chǎn)物促進了后續(xù)微生物的生物量以及種類，加強了生物除磷的效果。

圖6 對總磷的去除效能Fig.6 Removal Efficiency of Total Phosphorus

2.1.4 渾濁度和色度的去除效能

為了進一步考察復合濾層深床濾池工藝對二級出水的物理感官性指標改善效果，連續(xù)檢測裝置進出水中渾濁度、色度的變化情況，結果如圖7所示。

圖7 對渾濁度、色度的去除效能Fig.7 Removal Efficiency of Turbidity and Chroma

由圖7可知，進水的渾濁度在1.8～3.1 NTU，出水渾濁度穩(wěn)定在0.3 NTU以下，反沖洗前后渾濁度偶有上升，但整體分析，復合濾層深床濾池裝置對渾濁度具有良好的去除效果。進水的色度在9.4～13.5，均值為11.6，出水的色度均值為1.3，去除率達88.8%，表明復合濾層深床濾池工藝能夠有效去除色度。裝置出水中色度和渾濁度這2個指標不僅滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A的標準，同時還滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水的要求。由此可知，復合濾層深床濾池工藝可以有效改善二級出水的感官性指標，具有良好的應用前景。

2.2 處理成本分析

2.2.1 建設成本

根據(jù)該工藝的形式及運行參數(shù)的控制，結合目前污水廠已建深床濾池的建設成本，估算復合濾層深床濾池的建設成本約為400～450元/(m3·d)。考慮到部分水廠已設置有混凝、沉淀、過濾的污水深度處理裝置，可以將現(xiàn)有的深度處理裝置進行適當改造以節(jié)約建設成本，可降低約50～100元/(m3·d)。

2.2.2 運行費用

復合濾層深床濾池的運行結果表明，在運行過程中主要涉及的運行費用包括反沖洗費用、運行中動力費用及鐵碳層中的更換費用，各部分費用的基本計算如下。

反沖洗費用：約為0.01元/m3。

動力費用：根據(jù)實際結果，運行中動力費用主要來源于對二沉池出水的動力提升，由現(xiàn)場反饋的信息可知，該部分費用約為每處理單位水量需消耗的動力費用，即0.02元/m3。

鐵碳更換費用：鐵碳單價為4 200元/t，處理單位水量需消耗鐵碳5 g/m3，則鐵碳費用約為0.021元/m3；更換過程人工費用約為0.01元/m3。

總運行費用：0.01+0.02+0.021+0.01=0.061元/m3，單位水量處理成本的增加量在一個合理的范圍之內(nèi)。

3 結論

(1)在水溫為19～24 ℃、濾速為2 m/h條件下，復合濾層深床濾池工藝對總氮、硝酸鹽氮、氨氮、CODCr、總磷、渾濁度、色度的平均去除率為33.3%、32.2%、73.4%、55.4%、65.2%、91.2%、88.8%。二級出水經(jīng)過鐵碳材料層處理后，可生化得到很大改善，BOD5的平均濃度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，BOD5/CODCr由0.094增至0.288。

(2)復合濾層深床濾池工藝能有效提高污水廠二級出水的水質(zhì)，可以同步去除二級出水中氮、磷、有機物、渾濁度和色度等污染物，處理效能較好且穩(wěn)定，同時，每噸水處理成本增加的費用約為0.061元，在合理的范圍之內(nèi)。因此，具有廣闊的應用前景，對水環(huán)境質(zhì)量的改善具有重要的意義。