上海嘉定新城污水处理厂一期工程处理规模5万m³/d, 于2006年建成通水运行, 设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 二级标准。二期扩建工程扩建后规模为10万m³/d, 出水水质标准提高到一级B标准。两年后又进一步提标至到一级A标准。污水处理厂在二期扩建工程时, 考虑到远期出水水质提标的必然性, 在项目深度处理方案论证期间, 经过方案比选及中试验证, 最终滤池采用深床滤池, 二期扩建工程滤池以过滤去及微絮凝除磷功能为主, 预留远期反硝化脱氮功能。

　　 中试以污水处理厂二沉池出水作为原水, 考察不同水力负荷下深床滤池的出水情况, 为提标改造项目提供设计依据。

　　 中试装置:中试系统集中布置在一个12 m长集装箱内, 内含Leopold elimi-NITE^©反硝化深床滤池滤柱、自控系统、进水泵、反洗水泵、反洗风机、自动阀门、在线监测仪表、原水箱、清水箱等。中试装置完全是由PLC程序自动控制运行, 根据自控系统的参数设置, 滤柱以不同的水力负荷 (滤速) 自动运行, 自动控制滤柱的反冲洗、驱氮和碳源投加, 同时自控系统根据在线监测仪表反馈数据自动记录滤池进、出水流量、水温、pH、溶解氧、硝态氮等数据。

　　 滤池的滤柱面积为0.37 m², 高度为5.5 m, 滤池池底采用Leopold Type S气水分配滤砖, 滤料采用粗石英砂, 滤料粒径1.7～3.35 mm, 填充深度1.83 m。

　　 结合污水处理厂提标改造的思路, 先满足近期单纯过滤去除悬浮物功能, 预留远期反硝化脱氮兼顾过滤功能, 本项目中试结合以往的项目经验, 采用了3种运行工况, 分别是滤速为5 m/h的反硝化深床滤池系统启动运行过程, 滤速为8 m/h和10 m/h的反硝化深床滤池反硝化脱氮运行过程, 滤速为12 m/h的高速过滤运行过程。

　　 系统挂膜启动, 滤池进水流量1.85 m³/h, 对应滤速5 m/h, 反冲洗周期48 h, 系统自动投加碳源, 碳源种类为20%有效浓度乙酸钠。系统挂膜持续时间为7 d, 在第3 d的时候, 滤池的反硝化功能已经比较稳定, 进水硝态氮15～20 mg/L, 出水硝态氮可稳定小于3 mg/L。

　　 反硝化脱氮运行过程, 滤池进水流量2.96 m³/h, 对应滤速8 m/h, 反冲洗周期24 h, 系统持续运行20 d;滤池进水流量3.7 m³/h, 对应滤速10 m/h, 反冲洗周期18 h, 系统持续运行10 d;反硝化过程系统自动控制驱氮和碳源投加, 驱氮周期2 h, 碳源种类为20%有效浓度乙酸钠。

　　 高滤速单纯过滤过程, 滤池进水流量4.45 m³/h, 对应滤速12 m/h, 反冲洗周期12 h, 系统持续运行15 d。

　　 中试的数据收集分析采用在线监测仪表和实验室日常分析相结合, 采用日平均值考核。

　　 深床滤池采用下向流的过滤特征, 可以在滤池系统启动初期向池内投加少量的活性污泥, 活性污泥截留在滤层内, 并通过适当投加碳源, 降低滤池运行负荷, 延长滤池运行周期, 可以快速的实现深床滤池反硝化功能的启动, 快速的启动过程便于污水处理厂根据污水处理厂进水水质及前端工艺运行工况决定是否启动末端反硝化工艺, 保障出水达标。

　　 在反硝化运行工况中, 8 m/h和10 m/h滤速运行工况均能满足本项目反硝化脱氮的要求, 滤池进水硝态氮12～18 mg/L, 两种滤速工况下, 滤池出水硝态氮浓度均能稳定的小于3 mg/L, 滤池在运行过程中, 不断截留吸附悬浮物并进行反硝化脱氮。8 m/h滤速运行工况, 滤池运行周期可稳定的控制在24 h以上, 驱氮周期可控制在2 h;10 m/h滤速运行工况, 滤池运行周期已经无法满足24 h, 缩短到18 h, 驱氮周期也相应缩短到1 h。通过中试验证得到:①基于系统设定的出水目标值NO^-₃N≤2.5 mg/L, 自控系统控制碳源投加量, 出水硝态氮基本上能控制在3 mg/L以内, 但8 m/h滤速的出水水质较10 m/h滤速的出水水质稳定性要好;②滤速由8 m/h升高到10 m/h后, 滤池过滤周期明显缩短, 反洗频率增加, 由于单格滤池反冲洗后出水瞬时值较差, 降低整体出水水质稳定性;③反洗频率增加后, 碳源的消耗量也有所上升;④本项目设计推荐的经济滤速≤8 m/h。8 m/h和10 m/h滤速负荷滤池进、出水TN、NO^-₃N、SS数据见图1。

　　 高滤速单纯过滤工况中, 滤池进水悬浮物16～24 mg/L, 滤池出水悬浮物4～8 mg/L, 高滤速运行工况, 滤池运行周期明显缩短, 滤池过滤阻力增加较快。12 m/h滤速负荷滤池进、出水SS数据见图2。

　　 污水处理厂二期扩建工程考虑到污水处理厂服务范围内工业废水比例较大, 进水TP较高, 深度处理系统采用高效沉淀池+深床滤池组合处理工艺, 通过高效沉淀池的化学除磷, 降低滤池的运行负荷, 滤池确保出水SS、TP的达标, 并为远期预留反硝化脱氮功能。

　　 深床滤池设计处理规模10万m³/d;变化系数Kz=1.3;深床滤池设计平均进水流量Q_ave=4 167 m³/h, 设计峰值流量Q_max=5 417 m³/h。污水处理厂二期扩建工程设计深床滤池一座分8格, 土建一次施工完成, 近期深床滤池安装6格, 滤池系统以三级过滤形式运行, 远期深床滤池再增加2格, 滤池系统以反硝化深床滤池形式运行。出水水质满足一级A排放标准, 近期滤池出水水质控制指标为SS和TP, 远期滤池出水水质控制指标为SS、TP及TN。

　　 深床滤池近、远期设计水质主要指标如表1、表2所示。

　　 根据以往项目相关经验及本项目中试数据分析, 同时考虑运行的经济性, 本项目共设计8格滤池, 单池尺寸5.84 m×15.8 m, 近期安装6格, 为远期水质提标预留2格。滤料采用粗石英砂, 滤层深度1.83 m, 滤料粒径1.7 mm～3.35 mm, 设计过滤水头2.4 m, 采用恒液位过滤, 反冲洗水洗强度15 m³/ (m²·h) , 气洗强度92 m³/ (m²·h) , 设计反冲洗周期24～48 h, 氮气释放周期2～3 h, 碳源采用乙酸钠。近期平均滤速7.5 m/h, 峰值强滤滤速11.7 m/h, 远期平均滤速5.6 m/h, 峰值强制滤速8.4 m/h, 校核硝态氮容积负荷1.11 kg/ (m³·d) 。

　　 本项目深床滤池采用Leopold Type S气水分配滤砖 (见图3) , 滤砖为整体HDPE材质, 双层两段式配水配气结构, 分为一级分配腔和二级补偿腔。反冲洗的配水配气时, 在一级分配腔内, 反冲洗气、水压力平衡后形成气水界面, 反冲洗水通过气水界面以下隔板的配水孔进入两侧的补偿腔, 反冲洗气通过气水界面以上隔板的配气孔进入两侧的补偿腔。通过一级分配腔后的反冲洗水在二级补偿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、流量均匀, 确保滤池反冲洗均匀无盲区^[1]。

　　 深床滤池作为污水处理厂末端工艺, 进水可 (易) 生化有机物含量很低, 反硝化功能需要向滤池投加适量的碳源, 碳源的投加精确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。因此碳源的精确投加对于后置式反硝化滤池尤为重要。本项目碳源投加系统, 采用前馈+后馈形式控制 (见图4) , 精确投加碳源, 做出水水质保证。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^[2]。

　　 (1) 由于在二期扩建工程中, 对提标改造项目的预见性, 深床滤池土建池体的预留, 为近期已实施的提标改造项目提供了非常大的便利性, 避免了重复建设, 大大节省了项目时间周期和项目资金投入。

　　 (2) 污水处理厂提标改造项目可立足于眼前, 放眼未来, 为远期提标改造预留可提升空间。深床滤池作为末端保障性工艺, 功能多样, 抗冲击负荷能力较强, 适用于污水处理厂逐级提标的工艺应用。

　　 (3) 深床滤池运行方式比较灵活, 由单纯的过滤工况切换到过滤兼顾反硝化脱氮工况时间周期较短, 3～5 d即可实现稳定的功能切换, 适用于污水处理厂的灵活运行管理, 污水处理厂末端反硝化可作为二级生化脱氮除磷处理工艺的补充, 确保出水TN (硝态氮) 达标。