面對嚴峻的水環境改善壓力，為了遏制局部水環境惡化的趨勢，不但需要進一步改善和提升現有污水收集、處理系統的運行效率，同時應考慮在局部敏感的封閉或半封閉水域實施更高級別的排放標準，現行的GB18918-2002一級A排放標準已經不能滿足某些特定水域的水環境改善要求，因此這些流域地區應不惜采用深度脫氮除磷技術，這其中關鍵性的技術難題是TN的穩定、持續達標，穩定脫氮及深度脫氮無疑是未來我們國家改善水體環境的發展趨勢和必然選擇。

事實上，通過多年的運營實踐發現，僅靠單一的懸浮活性污泥工藝要實現穩定的TN達標在技術層面會面臨很多挑戰，分級、分段式或三級生物反硝化系統由于可以獲得較高的反硝化效率而逐漸得到應用。雖然近些年國內有些項目采用了三級反硝化生物膜工藝，但目前尚無相應的規范和標準可供參考，不同的項目設計參數差異性較大，實際運行中也不同程度存在一些問題，總體上缺乏這方面的研究及可資借鑒的實際應用經驗。

1.活性污泥前置反硝化固有缺欠

對于生物脫氮，多采用懸浮活性污泥前置反硝化工藝，如A/O、A2O等工藝，其脫氮效率主要受進水碳源（C/N比）水平及總回流比影響，實際運行中，受內回流比（100%~400%）約束，其脫氮能力通常在50%-75%，系統脫氮能力難于進一步提高，且在較高的進水TN濃度下，往往不能獲得理想的脫氮效率及出水目標，高的內回流比也導致較高的運行電耗；關鍵的是，對于進水水力負荷及污染物濃度負荷波動較大的情況，常規前置反硝化活性污泥系統不能適時調整缺氧/好氧池容比例或曝氣和非曝氣時間來適應進水波動，也必然導致生物系統無法獲得穩定的生化條件，最終導致出水TN的波動甚至超標。由于單級缺氧區反硝化出水TN穩定性差，為了實現穩定及深度脫氮，增加脫氮效果的穩定性及可靠性，往往需要采用后置缺氧反硝化工藝或者前后有多級缺氧區或分點進水的工藝構型。

實際上，對于后置活性污泥反硝化工藝，由于后置反硝化區混合液中可資利用的碳源經過前續生化過程的降解后已經到達濃度較低的水平，因此該區域的反硝化速率DNR會很低，甚至達到或者接近內源呼吸反硝化速率；而對于分點進水工藝，每級反硝化區的反硝化效果還受前邊好氧區運行工況的影響，在進水水力負荷及污染物負荷的波動較大的情況下，反硝化區運行參數（如DO、ORP、Q）波動較大，很難形成穩定的反硝化條件，也必然導致該區域內脫氮效果的不穩定。

2.三級生物膜反硝化脫氮及工藝選擇

2.1分級生物脫氮必要性

上述是基于對單一懸浮活性污泥反硝化脫氮工藝技術缺欠的分析，也就是說單級活性污泥工藝很難保持穩定的反硝化效率，而分段式生物處理系統運行案例表明分級脫氮可以獲得非常穩定及可靠的出水水質，出水指標甚至能達到生物處理系統的技術極限（LOT，通常指出水TN≤3mg/L），因此，對于穩定及深度脫氮項目應考慮采用分級式生物系統，使得每級生物系統能獲得互不干擾、功能相對獨立的生境，分別定向培養和增殖特定功能的微生物種群，這種工藝構型無疑可以增強系統運行穩定性及可靠性。

生物膜工藝技術優勢在于其容積去除負荷率高，生物膜能持留環境敏感細菌、微生物抗沖擊能力強，硝化反硝化效率高，尤其是低水溫季節相對懸浮活性污泥工藝可穩定發揮脫氮效果，因此，對于出水TN達標穩定性有嚴格限制或要求深度脫氮的項目，可以采用后置的三級生物膜反硝化工藝，形成“泥-膜”組合式的 “雙泥齡”系統，分別發揮兩種工藝各自技術優勢。在“活性污泥”段完成主要的硝化及反硝化過程，生物膜段則可強化硝化及反硝化過程，作為活性污泥段的補充及把關步驟，另外，生物膜段可根據實際情況可單獨或分別采用好氧硝化生物膜及缺氧反硝化生物膜，形成對TN脫除的“多級屏障”。

2.2三級生物膜反硝化工藝

2.2.1反硝化濾池

反硝化濾池用于三級生物反硝化在美國已經有二三十年的成功應用經驗，尤其是在某些深度脫氮項目中得到成功應用以實現出水LOT指標，但反硝化濾池在我國的工程應用卻起步較晚，一些污水廠提標改造項目及新建項目中開始應用。對于提標改造項目，可以考慮利用原有構筑物將其改造為反硝化濾池，或者新建反硝化濾池，對二級出水進行強化反硝化脫氮以獲得穩定及深度脫氮效果。新建項目，如無錫蘆村污水廠四期工程反硝化濾池，通過合理外加碳源，采用懸浮活性污泥-反硝化濾池兩段式生物處理系統可以使總出水TN控制在5mg/L以下。

目前運行的實際案例表明，通過優化工藝控制能實現DN濾池獲得LOT出水，但是影響反硝化濾池運行性能的工藝參數較多，關鍵工藝參數有硝氮容積負荷率、空床停留時間（EBRT）及濾速等，資料報道的硝氮容積負荷率范圍為0.3-3.2 kgN/(m3˙d) ，EBRT 15-30min，濾速4.8-8.4m/h，上述參數數值選取主要取決于反硝化程度及對出水TN的要求。

研究表明，當EBRT為30min時，碳源滿足條件下反硝化濾池對NOx-N的去除效率可達到95%；DN濾池的表觀污泥產率較低，一般在0.30gCOD/g COD。需要特別指出的是，國外研究表明，若反硝化生物膜反應器進水SPO4-P: SNO3-N<0.01，則PO4-P將成為影響DN濾池反硝化潛力的限制性因子，因此對于采用深度化學除磷與DN濾池聯用的情況，尤其要注意DN濾池進水保持適量濃度PO4-P對維系缺氧生物膜微生物生長并確保反應器保持高效反硝化性能的必要性，這個問題在方案設計及實際運行中易被忽視。

2.2.2反硝化MBBR

MBBR則屬于流化或移動床類反應器，我們國家這些年有多座污水廠采用好氧MBBR用于污水廠提標改造，主要是在池容不足或者擴建場地受限的情況下，通過在曝氣池中投加懸浮載體填料借此提高系統中硝化菌的占比進而實現強化硝化的目的。但實際上，在深度處理中采用缺氧MBBR（下簡稱SDN-MBBR）強化反硝化，我國目前尚無實際運行案例，但瑞典、美國、澳大利亞等國家在這方面卻已有10余年經驗，SDN-MBBR工藝在瑞典有若干成功案例應用于污水廠改造，研究及工程運營實踐都表明，SDN-MBBR可以獲得低濃度的出水TN指標，甚至可以在最低的HRT內實現完全反硝化；美國實際運行案例也表明，SDN-MBBR出水可以達到TN為3-4mg/L、NO3-N≤1mg/L的標準。

影響反硝化MBBR運行性能的關鍵工藝參數是水溫、硝氮容積負荷率、反硝化碳源性質、載體特性及充填比等。資料報道的硝氮容積負荷率范圍為1.0-2.5 g NOx-N/(m2填料·d)，Bill等人比較了甲醇、乙醇、甘油作為碳源時后置反硝化MBBR的反硝化速率，發現利用乙醇在水溫20℃達到最高的反硝化速率接近2.5 gN/(m2˙d)。載體充填比也是重要的影響因子，DN-MBBR充填比可選范圍23%-50%。進水中的PO4-P濃度同樣可能會影響SDN-MBBR反硝化性能，瑞典的經驗表明，運行良好的SDN-MBBR進水中PO4-P的理想濃度為0.3mg/L。此外，反應器內的混合強度也是重要的工藝運行控制參數，攪拌器功率密度一般選擇范圍是25-45W/m3池容，此數值顯著高于活性污泥法缺氧區攪拌功率密度范圍。

工藝方案選擇確定前，除了進行生命周期內基本的技術經濟評價外，非常必要進行中試以確定合適的工藝參數并評估DN-MBBR的運行效果。最終是否選擇MBBR工藝用于三級反硝化，還要綜合評估二級出水TN成份（有機氮、NH3-N、NOx-N）特性、固體產率以及出水水質要求等幾方面因素。需注意的是，對于DN-MBBR，去除1mg NO3-N的 SS產率約為1-2mgSS，因此，MBBR之后還要考慮采用適合的工藝去除MBBR出水中攜帶的SS，以避免總出水因SS影響而影響其它指標的達標。

3.三級生物膜反硝化實施案例分析

1）硝化/反硝化（N/DN）濾池聯用

Z市西部污水廠，規模4萬m3/d，原排放標準為一級B，主體生物處理采用CASS工藝，改造后要求達到一級A排放標準，工程為BOT項目，采用EPC模式建設。經過核算，原CASS池容無法滿足基于一級A標準下的硝化及反硝化總池容要求，綜合考慮該廠實際條件，工藝方案設計采用了在三級生物處理段采用了生物膜強化硝化/反硝化工藝，即采用硝化濾池和反硝化濾池串聯，可以根據季節水溫的變化及出水指標狀況靈活調整濾池的運行模式，工藝流程見圖1：

工藝設計參數：N濾池：采用球形輕質多孔陶粒濾料，粒徑Φ4-6mm，濾速5.5 m/h，硝化容積負荷=0.38kgNH3-N/(m3˙d)，HRT=38min；后置DN濾池：粒徑Φ3-5mm，濾速8.2 m/h，硝化負荷=0.33kgNO3-N/(m3濾料˙d)，HRT=22min。該廠自投運一年多以來，出水TN可以穩定控制在5-10mg/L，在穩定達標一級A標準時并實現了深度脫氮。

工藝評析：在二級生物處理段無法實現充分硝化反硝化的情況下，三級生物處理采用N/DN濾池可以用較小的空間占地實現充分的硝化與反硝化，實現TN穩定達標及深度脫氮。

2）新建反硝化濾池強化脫氮項目：

G污水廠，近期規模20萬m3/d，進水COD為500mg/L，BOD5=300mg/L，TN=70mg/L，NH3-N=55mg/L，TP=8mg/L，出水執行一級A排放標準，工程于2012年建成并投入運行。考慮進水TN濃度較高，且對出水TN達標率的嚴格要求，確保低溫時TN穩定達標，工藝方案采用了 “多級A/O+反硝化濾池”強化脫氮組合工藝。通常情況下，國內大部分污水處理廠在冬季低溫條件下反硝化不徹底，采用反硝化深床濾池可對TN的穩定達標起到了把關作用，并可應對遠期日益嚴格的TN排放標準。

反硝化深床濾池工藝設計參數：設計流量20萬m3/d，設計一組，共14格，設計進水TN≤25 mg/L,SS≤25 mg/L，出水TN≤15mg/L；計算水溫10℃，設計濾速7.7m/h（峰值流量3m3/s），TN去除容積負荷率0.80 kgN/(m3˙d)，濾床深度2.28m（其中承托層厚度0.45m），濾料比重2.6，為有效粒徑2-3mm石英砂，氣沖強度92m3/(m2•h)，水沖強度14.7m3/(m2•h)。

工藝評析：二級生物處理采用多級A/O脫氮工藝碳源優先反硝化脫氮；并與反硝化濾池聯用，能實現污水廠的深度脫氮。不足：進水水力負荷與TN負荷的波動性，會加劇多級A/O運行控制的復雜性與多級A/O段出水NO3-N波動性，進而增加了反硝化濾池運行控制的難度；同時化學除磷容易造成反硝化濾池進水PO4-P的波動。

3）MBBR強化硝化反硝化：

某市經濟開發區D污水廠，一期規模4萬m3/d，2009年建成投入運行，執行一級B標準，根據當地新要求，2013年進行二期擴建及提標改造，改擴建后總規模達到8萬m3/d，并執行一級A排放標準，工程為BOT項目，采用EPC模式建設。針對該廠一期進水水質特性，含有一定比例的工業廢水，尤其是進水氯離子濃度較高且呈現一定波動，氯離子含量2000~7000mg/L，針對這種復雜的進水水質條件，二期工藝方案選擇時，進行了中試，最終確定二期工藝方案主生物池繼續采用改良式A2/O，后續采用三級生物膜深度處理， MBBR強化硝化反硝化，其中MBBR生物池分為缺氧段及好氧段，分別投加懸浮載體填料。

MBBR段工藝參數：設計流量：3333 m³/h，MBBR段總HRT=3.46h，其中缺氧段HRT=0.84h，MBBR載體比表面積500m2/m3，缺氧段載體充填比27%，好氧段載體充填比34%，其中缺氧段MBBR的TN去除負荷率為1.1 gN/(m2˙d)。

工藝評析：基于混合市政污水水質成分波動較大不利于硝化反硝化的情況，采用三級硝化/反硝化MBBR工藝強化脫氮，利用好氧和缺氧生物膜高效的硝化反硝化特性提高系統脫氮的運行可靠性與穩定性，占地小，運行靈活。

4.存在問題分析

（1）國內最近幾年才開始應用三級生物膜反硝化工藝，因而積累的設計及運行經驗有限，根據目前已經投運的若干項目反饋出的經驗，對于反硝化濾池：出現的主要問題集中表現在設計階段對預處理系統重視不足，導致預處理功能的缺欠，導致后期反硝化濾池運行不久就出現了配水配氣系統的堵塞問題，嚴重影響了濾池的可靠及穩定運行；其次是施工質量問題，濾板及濾頭安裝平整度誤差較大，影響了配水配氣均勻性。對于反硝化MBBR，問題集中在設計階段池型優化并保持載體均勻流態化問題，實際運行中的載體掛膜及生物活性保持等方面。

（2）在設計及運行參數確定方面，目前缺乏相應的規范及標準，導致參數的確定上隨意性較大；因此，現有的生物膜反硝化工程化應用及運行經驗亟待系統研究及總結，也亟需出臺有關反硝化生物膜工藝的國家規范及標準，以指導設計及運行。

5. 結語

（1）由于多種工藝上的限制因素，單級懸浮活性污泥工藝很難達到穩定的脫氮效率和深度脫氮，在常規二級生物處理工藝基礎上采用后置的三級反硝化生物膜工藝，形成分段式生物脫氮系統，國內外的運行實踐表明，這種組合工藝可以獲得穩定的深度脫氮效果，出水TN可以穩定達到5mg/L以下。

（2）影響三級反硝化生物膜工藝脫氮效果關鍵工藝因素是硝氮負荷（容積負荷或面積負荷）、水力停留時間等，工藝參數的確定要綜合考慮二級生物處理出水指標數值及總出水TN要求；要考慮DN濾池進水保持適量濃度PO4-P對維系缺氧微生物增殖及生物活性的重要性；DN-MBBR工藝要優選后續工藝，確保對SS的有效去除，進而保持對營養鹽的深度去除。

本文發表于最新一期《中國給水排水》，2014年第20期。

作者：北京首創股份有限公司 ，劉智曉