1、反硝化深床滤池简介

1.1、反硝化深床滤池工艺说明

反硝化深床滤池属于污水处理中深度处理过滤工艺的一种处理工艺，20世纪70年代最早起源于美国。该处理工艺功能集中，运行灵活，可以同时起到物理过滤截留SS（悬浮物）、化学微絮凝除TP（总磷）、生物反硝化去除TN（总氮）的作用。

反硝化滤池采用特殊规格及形状的石英砂作为反硝化生物的挂膜介质，同时深床又是硝酸氮(NO3-N)及悬浮物极好的去除构筑物。2～4毫米介质的比表面积较大。1.85m深介质的滤床足以避免窜流或穿透现象,即使前段处理工艺发生污泥膨胀或异常情况也可减少滤床水力穿透现象发生。介质有较好的悬浮物截留功效，在反冲洗周期区间，每平方米过滤面积能保证截留≥7.3kg的固体悬浮物。固体物负荷高的特性大大延长了滤池过滤周期，减少了反冲洗次数，并能轻松应对峰值流量或处理厂污泥膨胀等异常情况。悬浮物不断的被截留会增加水头损失，因此需要反冲洗来去除截留的固体物。由于固体物负荷高、床体深，因此需要较高强度的反冲洗。滤池采用气、水协同进行反冲洗。反冲洗污水一般返回到前段处理单元。

去除TN：利用适量优质碳源，附着生长在石英砂表面上的反硝化细菌把NOx-N转换成N₂完成脱氮反应过程，作为后置反硝化滤池的世界发明者，经过多个工程经验和数年的历史数据表明，在前端硝化反应较完全的情况下，反硝化深床滤池的技术可稳定做到出水TN≤10mg/l。在反硝化过程中，由于硝酸氮不断被还原为氮气，深床滤池中会逐渐集聚大量的氮气，一方面这些气体会使污水绕窜介质之间，这样增强了微生物与水流的接触，同时也提高了过滤效率。但是当池体内积聚过多的氮气气泡时，则会造成水头损失，这时就必须采用DF反硝化深床滤池技术驱散氮气，恢复水头，每次持续  2分钟左右，此过程为反硝化深床滤池的独特技术，其它脱氮滤池无此功能。

去除SS：通常每毫克SS中含BOD5：0.4～0.5毫克，因此在去除固体悬浮物的同时，同时也降低了出水中的   BOD5。另外，出水中固体悬浮物含有氮、磷及其他重金属物质，去除固体悬浮物通常能降低部分上述杂质，配合适当的化学处理，能使出水总磷稳定降至0.5mg/l以下。反硝化滤池能轻松满足SS不大于8mg/l（通常SS  5mg/l左右）的要求。

去除TP：微絮凝直接过滤除磷，世界上应用微絮凝直接过滤技术历史最长和最成熟的即是我公司的深床滤池技术，是省去沉淀过程而将混凝反应与过滤过程在滤池内同步完成的一种接触絮凝过滤工艺技术。

微絮凝过滤充分体现了深层滤料中的接触凝聚或絮凝作用。它实际是在混凝、过滤作用机理深入研究的基础上，将混凝与过滤过程有机集成一体，形成了当今水处理的高新技术系统。在污水深度处理方面具有较高的推广价值。

这种直接过滤技术用于污水深度处理一般是指在二沉池后投加混凝剂，经机械混合后直接进入滤池，不仅可以进一步降低  CODcr 和  BOD5，而且可以稳定保证SS、TP达标，不仅可简化污水厂处理流程，降低投资费用，减少运行费用，而且还可延长过滤周期，提高产水量及出水水质。

通常深床滤池的组成部件如下所述：

Ø 池体构筑物：钢筋混凝土或钢制结构，通常为长方形。

Ø 气水分布系统：采用“T”型气水分布块滤砖技术，反冲洗不锈钢主、支气管；淘汰了长柄滤头和滤板。无易损易耗件。

Ø 过滤介质：石英砂滤料，滤床高度约1.85m，有效粒径2~4mm，均匀系数：1.4，球形度不小于0.8，莫氏硬度：6-7，比重：大于或等于2.6g/cm3，酸溶度：不超过3%。

Ø 滤料承托层：总厚约500mm，鹅卵石五种级配分布。

Ø 反冲洗水泵：反冲洗时由位于清水池的潜水离心泵泵送至滤池池底，强力反向冲洗。

Ø 反冲洗鼓风机：采用罗茨鼓风机，反冲洗时进行空气搓洗。

Ø 滤池自控阀门：气动或电动蝶阀。

Ø 滤池堰板：FRP堰板或不锈钢堰板。

Ø 滤池主控柜：PLC 可编程控制器，人机对话多界面显示屏，可提供中央控制系统的输出；

Ø 加药系统：用于化学除磷的药剂投加以及反硝化脱氮时的碳源投加，由供货单位配套设计。

Ø 滤池仪表：滤池进水流量计，反冲洗流量计，液位开关等，由设计院统一设计。

1.2、反硝化滤池具有独特的工艺特点

（1）该滤池粗滤料、深滤床对系统连续、稳定、高效运行提供了基础保证。

（2）专有的气水联合反冲冼装置、布气装置、操作工艺等系统集成技术有效解决直接过滤、生物滤池生物膜脱落堵塞滤池的问题。

（3）反硝化深床滤池持续运行，在去除NO3-N的同时产生氮气形成“气堵”。再继续运行，过滤阻力损失持续增加, 甚至发生过滤短流, 恶化出水水质。

专有的驱除氮气技术、即释氮循环技术，有效解决水过滤工艺常见的“气堵”堵塞问题，特别适用于生物反硝化工艺最终产物一氮气吹脱的工艺特点。

（4）完整性、集成化自动化装置与技术、在线监测仪器、计算机程序控制, 可以保证整体工艺长期、稳定、可靠地连续运行、气水反冲、驱除氮气等操作, 有效解决人工操作几乎无法完成的工艺过程控制问题。

1.3、反硝化深床滤池系统介绍

1.3.1 工艺流程

1.3.2 滤池内部结构

1.3.3 深床反硝化滤池的组成部分

A.      滤料

硬硅质砂，圆形尺寸范围1.8-3.3mm；

B.  砾层

圆形硬硅质砂尺寸范围3-19mm；

C.  滤砖

双重平行侧向滤砖，提供超强的反冲洗气水分配性能；

D.     进气管

当需要进气管配置时，不锈钢的进气管能够提供均匀的反冲洗气分配；

E.      堰板

使滤池与反冲洗水槽分开，为进水和反冲洗出水的均匀分配提供条件

F.       控制系统

PLC控制器是专为控制滤池的各种设备而开发的；

G.     阀门

自动和手动的阀门控制水和空气的进出；

H.     碳源存储和供给系统

通常设计为醋酸钠、乙酸、乙酸钠等，根据进入滤池的硝酸氮量来控制碳源投加量；

I.        反冲洗泵

为滤池滤料的反冲洗和氮气释放系统反冲洗水；

J.        反冲洗罗茨风机

为滤池滤料提供反冲洗空气；

K.      其他

如现场仪表（电磁流量计、硝酸盐分析仪、溶解氧分析仪、超声波液位计等）、管道、阀门、驱氮系统、空压机系统。

2、反硝化深床滤池过滤机理

反硝化深床滤池为重力流滤池，采用粗石英砂滤料，在滤池运行过程中实现以下三个功能：

·   悬浮物（SS）的过滤去除能力；

·   硝态氮（NO3-N）的生物反硝化脱氮能力；

·   絮凝后的非溶解性磷（PO₄^3-盐磷）的去除能力。

并且整个滤池的进水、出水、反冲气洗、气水连冲、驱氮都为自动化控制。

在反硝化深床滤池运行的整个过程中有截留、吸附、脱附三个过程。

2.1、截留机理

两种基本类型：

机械过滤：其截留所有大于滤料或由已经沉积的颗粒物集团而形成的滤料的筛孔尺寸的颗粒物。滤料的筛孔越小，此现象越明显：其在由较粗滤料构成的滤床中作用较小，但在通过细筛孔介质的过滤中的作用较为重要。

在滤料上沉积：悬浮颗粒物随着液体流动；它可能穿过滤料而不被截留，这与其粒径和孔径的相对大小有关。无论如何，多种现象可以改变其行并使其与滤料接触。

2.2、吸附机理

颗粒物在滤料表面的吸附作用在低滤速时得到加强，其原因为物理作用力（挤压、内聚力）及主要为吸力的吸附力。

2.3、脱附机理

作为上述机理的结果，被已经沉积的颗粒物包裹着的滤料表面之间的间隙变小。流速升高，滤层阻力升高。被截留的沉积物可能脱附并被带到滤料的深层。在滤层失效之前，需要对滤池进行有效的反冲洗，恢复滤层的过滤性能。

反硝化深床滤池配有卓越的反冲洗配水配气系统，特有的二次配水配气系统，紧密分布的孔口，无反冲洗死角，大大提高反冲洗效率，提高滤池运行周期，降低滤池反冲洗运行费用。

2.4、反硝化脱氮机理

反硝化深床滤池滤料层在缺氧环境下运行，在滤料表面附着生长大量的反硝化生物菌群，二级生化处理出水通过重力流通过滤料层，污水中的硝酸盐（NO₃^-）或亚硝酸盐（NO₂^-）被吸附于滤料载体生物膜的吸附、还原成氮气（N₂）从污水中释放出来，从而实现污水的反硝化脱氮过程，颗粒滤料同时具有截留悬浮物的作用。

反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应在缺氧的条件下进行。反应过程中反硝化菌还原硝基氮需利用有机物（如醋酸钠）做为电子供体，污水厂的三级处理反硝化滤池，滤池进水的碳源（BOD₅）已经比较低，为保障反硝化生物菌群的正常生物活性，需要适当的碳源（如醋酸钠）。滤池作为污水厂污水深度处理的保障性工艺，如果碳源投加过量，则引起污水厂出水BOD₅超标，反硝化滤池特有“进水流量信号+进水溶解氧浓度信号+进水硝基氮浓度信号+出水硝基氮浓度信号”的碳源投加机制，能**的控制碳源投加量，能做到经济节能稳定的运行。

反硝化过程中，有机物作为电子供体提供能量并得到氧化降解，利用硝酸盐中的氮做电子受体，使得硝态氮还原成氮气，其反应式如下：

NO₃^-+1.08CH₃OH+0.24H₂CO₃→0.056C₅H₇NO₂+0.47N₂↑+1.68H₂O+HCO₃^-

NO₂^-+0.67CH₃OH+0.53H₂CO₃→0.04C₅H₇NO₂+0.48N₂↑+1.23H₂O+HCO₃^-

由上述反应可知，反硝化反应中每还原1gNO₃^-需消耗2.47g的醋酸钠，每还原1gNO₂^-需消耗1.53g的醋酸钠。

2.5、化学除磷的原理

化学除磷是通过“微絮凝过滤”来完成的。通过向污水中投加无机金属盐药剂与污水中溶解性的盐类，与磷酸盐混合后，形成颗粒状、非溶解性的物质，反应方程举例如下式。

Al³⁺+PO₄^3-→AlPO₄↓    pH=6～7

Fe³⁺+PO₄^3-→FePO₄↓  pH=5～5.5

“微絮凝过滤”除磷可以简单地理解为：水中溶解状的磷（离子状态），通过投加除磷絮凝剂转换为非溶解、颗粒状形式的过程，再通过过滤，以悬浮物的形式将磷去除掉。

2.6、化学除磷药剂

为了生成非溶解性的磷酸盐化合物，用于化学除磷的化学药剂主要是Fe³⁺盐、Al³⁺盐和氢氧化钙。考虑到铁盐过量投加引起色度增高、影响紫外消毒系统的紫外透射率UVT，且化学污泥产泥量较大，氢氧化钙投加量大，污泥产量大等原因，本方案推荐使用铝盐作为除磷絮凝剂。

表2.1 污水化学除磷中常用的铝盐

3、反硝化深床滤池技术优势

3.1、气水分布滤砖

我公司致力于为客户提供全套滤池系统，利用滤池技术和经验为客户提供**服务，为滤池的长期运行提供保驾护航。气水分布滤砖经历数次技术革新升级，铸就滤砖最合理的水力分配特征、精益求精的细节设计、最彻底的清洗效果、更宽的池体适应性、最经济的配水渠布置、最短的安装周期。

3.1.1技术特征

反硝化深床滤池采用的滤砖为具有二次配水配气的T型滤砖，滤砖的作用为：

A.提供承托砾石和砂砾的固体结构。

B.防止砾石进入配水系统。

C.尽可能降低水力冲击对滤池内部构件的损坏。

D.滤出液通过滤池排出顺畅。

E.整个滤床区域的反冲洗气体和水流的分配均匀，确保冲洗后滤料面平整。

F.把反冲洗系统与生物反应系统隔开，避免发生气水分布系统生物堵塞。

气水分配滤砖整体采用HDPE（高密度聚乙烯）和内部浇注C35混凝土材质，具有出色结构强度和韧性，滤砖安装完成后20年运行免维护。

每块滤砖能同时完成反冲洗配水配气性能，滤砖带自动补偿功能，做到更均匀的配水配气性能。

滤砖为双层配水配气系统：一级分配腔，二级补偿腔。通过一次配水腔后的反冲洗水在二次配水腔内根据压力差产生逆向补偿，从而使得整个滤池过滤面积上最终的整体反冲洗水、气压力均匀。滤砖内部二次配水设计确保反冲洗水和气体在整个滤池反冲洗气水分配系统的每一个扩散孔处均匀分布。在一块滤砖内同时完成气水均匀分配，不存在配水配气盲区，反冲洗无死区。

3.1.2最合理的水力分配

传统快滤池和V型滤池采用的滤头/滤板配水系统、依靠流体反射配水配气滤砖均为单层配水系统。单层配水系统，存在固有的反冲强度梯度，反冲强度分布的不均匀且存在反洗冲洗盲区，反冲洗效果不好。

领先的二次配水设计确保了水和气体在更长的滤砖长度上的每一个扩散孔处均匀分布。在 “T型”滤砖中，反冲水由一级分配腔进入滤砖，因为在距反冲洗进口最远的地方有更多的水和气从开孔处流出，导致一次配水腔配气配水不均匀。一次配水腔流出的不平衡水流在二次配水腔产生逆向水流，从而形成补偿使得沿滤砖长度方向上最终的整体压力均匀。为滤床反冲洗提供非常均匀平稳无盲区的反冲洗水，提高反冲洗效率，延长滤池运行周期。

3.1.3精益求精的细节设计

通过滤砖的上流的气体能够在滤砖中产生一个低压带，某些孔口会形成缺水现象，甚至出现反向水流。我公司为T型技术的滤砖设计了一种气水混合槽，以确保稳定的和持续的水流可以从上部的孔口流出。回水槽设计用于从新回到滤砖的水流可以补偿低压区域。滤砖性能得到的显著的改进，从而达到了**的处理效果。气水混合区空气导流板则是为保障整排滤砖配气均匀型所精心设计，追求滤砖配气的**效果。

3.1.4最彻底的清洗效果

传统的滤板/滤头配水配气系统和依靠流体反射配水配气滤砖系统在配水配气系统上方存在反反冲洗盲区，这将意味着反冲洗气、水不能够对滤料起到有效的反冲洗。在长期运行中，承托层/滤料中会堆积大量的污泥，增大水头损失，缩短过滤周期，存在承托层扰动隐患。

我公司的T型滤砖都以近距离地彼此隔离，不阻塞孔口为特点，从而使得气体和反洗水得到均匀无盲区的分布。把过滤系统的无障碍运行作为目标，从而使过滤介质达到**的清洁效果。

3.1.5最简便的安装方式

T单块滤砖约24kg，采用承插口的连接方式。针对不同的项目设计，加工出厂后的滤砖在现场不需要做任何调整，只需要通过专用工具快速的完成滤砖的组装，滤砖的池内铺设类似于居民家中铺地面砖一样便利。

由于配水配气滤砖的高度仅约0.2m，大量节省了土建池体高度；且池体内部不需要任何预埋件，不需要任何滤粱，滤柱等，池体结构简单；滤砖安装时，池底先铺设C30  混凝土找平，再铺设滤砖，底部混凝土初步凝固后，相邻滤砖以及与池壁的缝隙内需要灌注C30  混凝土，使得整个气水分配系统与池底成为一个整体，坚固耐用。由于滤砖安装是土建完成后池底边铺设混凝土边安装，因此对池底土建精度要求较低。大大的降低了土建施工的费用和配水配气系统的安装成本。

3.2、结构简便的反洗空气管道系统

反硝化深床滤池反冲洗空气管道系统结构简单，安装非常方便，反硝化深床滤池每格池子只有一根不锈钢配气管，配气主管伸出若干根配气支管，配气支管深入到每排滤砖的一级分配腔，提供一排滤砖面积滤料反洗所需气量，通过滤砖来均匀地分配到池子内部，反硝化深床滤池配气管的安装非常方便，现场通过法兰与滤池反冲洗空气主管道连接，每格滤池的配气主管采用不锈钢支架固定在配水渠内，滤池池底不再需要任何配气管及不锈钢固定支架。为防止焊渣等杂质进入空气管，堵塞滤砖，反冲洗空气管在工厂内即完成焊接，出厂前通过质量检测。

3.3、碳源投加控制

深床滤池作为作为后置式反硝化滤池，进水有机物含量很低，反硝化滤池需要投加碳源，碳源的投加**直接影响运行费用和反硝化滤池脱氮效果。碳源的过量投加不仅仅造成运行成本过高，且有出水COD、BOD升高的风险，而当碳源投加量不足的时候，反硝化脱氮反应受到影响，出水硝态氮又不达标。因此碳源的**投加对于后置式反硝化滤池尤为重要。

碳源的投加量除了与进、出水硝基氮浓度有关，还与反硝化滤池进水溶解氧浓度有关。较高跌水引起进水溶解氧升高，需要消耗额外的碳源。本公司设计采用恒水位运行控制，能够有效控制滤池进水溶解氧的增加。

碳源投加系统，采用前馈+后馈形式控制，**投加碳源，出水水质有保证。滤池能够实现基于需去除的硝态氮的负荷量来控制碳源的投加量，即系统自动获取滤池的进水流量，结合滤池的进、出水硝酸盐浓度，溶解氧DO浓度，通过碳源投加现场控制柜内置软件的计算，结合硝态氮出水后反馈机制，定期小比例的修正碳源投加值，发出指令控制加药泵的碳源投加量，避免碳源投加过量和不足。

3.3.1液位控制

反硝化深床滤池可以采用变水位控制和恒水位控制，恒水位控制较变水位控制设备和仪表投资稍高一点，而变水位控制滤池的土建池高稍高一些，对于污水反硝化深床滤池而言，反硝化深床滤池推荐采用恒液位控制，主要原因还是避免滤池进水过高的跌水造成溶解氧的增加，滤池溶解氧的增加意味着更多的碳源消耗并降低有效的缺氧状态下的滤层厚度，影响出水水质。

3.3.2氮气释放工艺

随着反硝化过程的进行，污水中的硝酸盐在微生物作用下，反硝化生产氮气，氮气逐渐累积在滤料层中，减小过滤后水通过滤层的空隙，造成滤池水头损失增加。针对仅由于氮气积累造成的过滤水头增加，可通过单独的水反冲释放滤层中积累的气体，减小滤池运行中的水头损失，保障滤池过滤滤速。本项目氮气释放的周期约为3h，可以通过在线仪表监测进水流量及硝酸盐量，PLC系统自动计算滤层需要做氮气释放的周期，也可以通过运行经验在上位机上直接设置氮气释放周期。氮气释放工艺操作流程：关闭进水阀、关闭出水阀，启动反冲洗水泵，打开反冲洗进水阀门，大约反冲洗2分钟，逆向的水流将积累在滤层中的氮气释放到大气中，恢复滤池运行，氮气释放周期通过进水质、水量自动换算氮气释放周期和液位趋势联合控制。Leopold反硝化深床滤池在氮气释放过程中不排放废水。

3.3.3滤料及承托层选择

滤料是滤池过滤和反硝化的实际载体，直接影响滤池出水效果，我公司通过大量的项目和试验数据积累得出适合于DF反硝化深床滤池的滤料。对于常规污水深度处理我们采用如下规格滤料，针对特殊进水水质，我们会对滤料的深度及规格做相应的调整。

滤料采用高品度硅砂，至少95％含硅石量。承托层采用天然鹅卵石。

表3-3 滤料技术规格表

表3-3 承托层技术规格表

3.3.4气/水反冲洗工艺

A.  关闭进水阀，降低液位->关闭出水阀

B.  打开反洗排水阀

C.  确认风机排空阀打开状态，启动反洗罗茨风机

D.  打开反冲洗进气阀，关闭风机排空阀，空气反冲洗大约2分钟

E.  启动反冲洗水泵，打开反冲洗进水阀，气/水同时反冲洗大约10分钟

F.  打开风机排空阀->关闭罗茨风机，关闭反冲洗进气阀

G.  继续水单独反冲大约5分钟，脱除滤池内的残留空气以及残留的反洗废水

H.  关闭反冲洗进水阀和反冲水泵

I.    关闭反洗排水阀，打开进水阀和出水阀，滤池恢复运行

J.   滤池需定期反冲洗，反冲洗模拟人的搓手模式，大量强有力的空气使滤料相互搓擦，使截留的 SS 全部清洗出池，冲洗用水一般为总量的1-3％。

滤池运行如下图所示：

深床反硝化滤池自动化控制系统