面对严峻的水环境改善压力，为了遏制局部水环境恶化的趋势，不但需要进一步改善和提升现有污水收集、处理系统的运行效率，同时应考虑在局部敏感的封闭或半封闭水域实施更高级别的排放标准，现行的GB18918-2002一级A排放标准已经不能满足某些特定水域的水环境改善要求，因此这些流域地区应不惜采用深度脱氮除磷技术，这其中关键性的技术难题是TN的稳定、持续达标，稳定脱氮及深度脱氮无疑是未来我们国家改善水体环境的发展趋势和必然选择。

事实上，通过多年的运营实践发现，仅靠单一的悬浮活性污泥工艺要实现稳定的TN达标在技术层面会面临很多挑战，分级、分段式或三级生物反硝化系统由于可以获得较高的反硝化效率而逐渐得到应用。虽然近些年国内有些项目采用了三级反硝化生物膜工艺，但目前尚无相应的规范和标准可供参考，不同的项目设计参数差异性较大，实际运行中也不同程度存在一些问题，总体上缺乏这方面的研究及可资借鉴的实际应用经验。

1.活性污泥前置反硝化固有缺欠

对于生物脱氮，多采用悬浮活性污泥前置反硝化工艺，如A/O、A2O等工艺，其脱氮效率主要受进水碳源（C/N比）水平及总回流比影响，实际运行中，受内回流比（100%~400%）约束，其脱氮能力通常在50%-75%，系统脱氮能力难于进一步提高，且在较高的进水TN浓度下，往往不能获得理想的脱氮效率及出水目标，高的内回流比也导致较高的运行电耗；关键的是，对于进水水力负荷及污染物浓度负荷波动较大的情况，常规前置反硝化活性污泥系统不能适时调整缺氧/好氧池容比例或曝气和非曝气时间来适应进水波动，也必然导致生物系统无法获得稳定的生化条件，最终导致出水TN的波动甚至超标。由于单级缺氧区反硝化出水TN稳定性差，为了实现稳定及深度脱氮，增加脱氮效果的稳定性及可靠性，往往需要采用后置缺氧反硝化工艺或者前后有多级缺氧区或分点进水的工艺构型。

实际上，对于后置活性污泥反硝化工艺，由于后置反硝化区混合液中可资利用的碳源经过前续生化过程的降解后已经到达浓度较低的水平，因此该区域的反硝化速率DNR会很低，甚至达到或者接近内源呼吸反硝化速率；而对于分点进水工艺，每级反硝化区的反硝化效果还受前边好氧区运行工况的影响，在进水水力负荷及污染物负荷的波动较大的情况下，反硝化区运行参数（如DO、ORP、Q）波动较大，很难形成稳定的反硝化条件，也必然导致该区域内脱氮效果的不稳定。

2.三级生物膜反硝化脱氮及工艺选择

2.1分级生物脱氮必要性

上述是基于对单一悬浮活性污泥反硝化脱氮工艺技术缺欠的分析，也就是说单级活性污泥工艺很难保持稳定的反硝化效率，而分段式生物处理系统运行案例表明分级脱氮可以获得非常稳定及可靠的出水水质，出水指标甚至能达到生物处理系统的技术极限（LOT，通常指出水TN≤3mg/L），因此，对于稳定及深度脱氮项目应考虑采用分级式生物系统，使得每级生物系统能获得互不干扰、功能相对独立的生境，分别定向培养和增殖特定功能的微生物种群，这种工艺构型无疑可以增强系统运行稳定性及可靠性。

生物膜工艺技术优势在于其容积去除负荷率高，生物膜能持留环境敏感细菌、微生物抗冲击能力强，硝化反硝化效率高，尤其是低水温季节相对悬浮活性污泥工艺可稳定发挥脱氮效果，因此，对于出水TN达标稳定性有严格限制或要求深度脱氮的项目，可以采用后置的三级生物膜反硝化工艺，形成“泥-膜”组合式的 “双泥龄”系统，分别发挥两种工艺各自技术优势。在“活性污泥”段完成主要的硝化及反硝化过程，生物膜段则可强化硝化及反硝化过程，作为活性污泥段的补充及把关步骤，另外，生物膜段可根据实际情况可单独或分别采用好氧硝化生物膜及缺氧反硝化生物膜，形成对TN脱除的“多级屏障”。

2.2三级生物膜反硝化工艺

2.2.1反硝化滤池

反硝化滤池用于三级生物反硝化在美国已经有二三十年的成功应用经验，尤其是在某些深度脱氮项目中得到成功应用以实现出水LOT指标，但反硝化滤池在我国的工程应用却起步较晚，一些污水厂提标改造项目及新建项目中开始应用。对于提标改造项目，可以考虑利用原有构筑物将其改造为反硝化滤池，或者新建反硝化滤池，对二级出水进行强化反硝化脱氮以获得稳定及深度脱氮效果。新建项目，如无锡芦村污水厂四期工程反硝化滤池，通过合理外加碳源，采用悬浮活性污泥-反硝化滤池两段式生物处理系统可以使总出水TN控制在5mg/L以下。

目前运行的实际案例表明，通过优化工艺控制能实现DN滤池获得LOT出水，但是影响反硝化滤池运行性能的工艺参数较多，关键工艺参数有硝氮容积负荷率、空床停留时间（EBRT）及滤速等，资料报道的硝氮容积负荷率范围为0.3-3.2 kgN/(m3˙d) ，EBRT 15-30min，滤速4.8-8.4m/h，上述参数数值选取主要取决于反硝化程度及对出水TN的要求。

研究表明，当EBRT为30min时，碳源满足条件下反硝化滤池对NOx-N的去除效率可达到95%；DN滤池的表观污泥产率较低，一般在0.30gCOD/g COD。需要特别指出的是，国外研究表明，若反硝化生物膜反应器进水SPO4-P: SNO3-N<0.01，则PO4-P将成为影响DN滤池反硝化潜力的限制性因子，因此对于采用深度化学除磷与DN滤池联用的情况，尤其要注意DN滤池进水保持适量浓度PO4-P对维系缺氧生物膜微生物生长并确保反应器保持高效反硝化性能的必要性，这个问题在方案设计及实际运行中易被忽视。

2.2.2反硝化MBBR

MBBR则属于流化或移动床类反应器，我们国家这些年有多座污水厂采用好氧MBBR用于污水厂提标改造，主要是在池容不足或者扩建场地受限的情况下，通过在曝气池中投加悬浮载体填料借此提高系统中硝化菌的占比进而实现强化硝化的目的。但实际上，在深度处理中采用缺氧MBBR（下简称SDN-MBBR）强化反硝化，我国目前尚无实际运行案例，但瑞典、美国、澳大利亚等国家在这方面却已有10余年经验，SDN-MBBR工艺在瑞典有若干成功案例应用于污水厂改造，研究及工程运营实践都表明，SDN-MBBR可以获得低浓度的出水TN指标，甚至可以在最低的HRT内实现完全反硝化；美国实际运行案例也表明，SDN-MBBR出水可以达到TN为3-4mg/L、NO3-N≤1mg/L的标准。

影响反硝化MBBR运行性能的关键工艺参数是水温、硝氮容积负荷率、反硝化碳源性质、载体特性及充填比等。资料报道的硝氮容积负荷率范围为1.0-2.5 g NOx-N/(m2填料·d)，Bill等人比较了甲醇、乙醇、甘油作为碳源时后置反硝化MBBR的反硝化速率，发现利用乙醇在水温20℃达到最高的反硝化速率接近2.5 gN/(m2˙d)。载体充填比也是重要的影响因子，DN-MBBR充填比可选范围23%-50%。进水中的PO4-P浓度同样可能会影响SDN-MBBR反硝化性能，瑞典的经验表明，运行良好的SDN-MBBR进水中PO4-P的理想浓度为0.3mg/L。此外，反应器内的混合强度也是重要的工艺运行控制参数，搅拌器功率密度一般选择范围是25-45W/m3池容，此数值显著高于活性污泥法缺氧区搅拌功率密度范围。

工艺方案选择确定前，除了进行生命周期内基本的技术经济评价外，非常必要进行中试以确定合适的工艺参数并评估DN-MBBR的运行效果。最终是否选择MBBR工艺用于三级反硝化，还要综合评估二级出水TN成份（有机氮、NH3-N、NOx-N）特性、固体产率以及出水水质要求等几方面因素。需注意的是，对于DN-MBBR，去除1mg NO3-N的 SS产率约为1-2mgSS，因此，MBBR之后还要考虑采用适合的工艺去除MBBR出水中携带的SS，以避免总出水因SS影响而影响其它指标的达标。

3.三级生物膜反硝化实施案例分析

1）硝化/反硝化（N/DN）滤池联用

Z市西部污水厂，规模4万m3/d，原排放标准为一级B，主体生物处理采用CASS工艺，改造后要求达到一级A排放标准，工程为BOT项目，采用EPC模式建设。经过核算，原CASS池容无法满足基于一级A标准下的硝化及反硝化总池容要求，综合考虑该厂实际条件，工艺方案设计采用了在三级生物处理段采用了生物膜强化硝化/反硝化工艺，即采用硝化滤池和反硝化滤池串联，可以根据季节水温的变化及出水指标状况灵活调整滤池的运行模式，工艺流程见图1：

工艺设计参数：N滤池：采用球形轻质多孔陶粒滤料，粒径Φ4-6mm，滤速5.5 m/h，硝化容积负荷=0.38kgNH3-N/(m3˙d)，HRT=38min；后置DN滤池：粒径Φ3-5mm，滤速8.2 m/h，硝化负荷=0.33kgNO3-N/(m3滤料˙d)，HRT=22min。该厂自投运一年多以来，出水TN可以稳定控制在5-10mg/L，在稳定达标一级A标准时并实现了深度脱氮。

工艺评析：在二级生物处理段无法实现充分硝化反硝化的情况下，三级生物处理采用N/DN滤池可以用较小的空间占地实现充分的硝化与反硝化，实现TN稳定达标及深度脱氮。

2）新建反硝化滤池强化脱氮项目：

G污水厂，近期规模20万m3/d，进水COD为500mg/L，BOD5=300mg/L，TN=70mg/L，NH3-N=55mg/L，TP=8mg/L，出水执行一级A排放标准，工程于2012年建成并投入运行。考虑进水TN浓度较高，且对出水TN达标率的严格要求，确保低温时TN稳定达标，工艺方案采用了 “多级A/O+反硝化滤池”强化脱氮组合工艺。通常情况下，国内大部分污水处理厂在冬季低温条件下反硝化不彻底，采用反硝化深床滤池可对TN的稳定达标起到了把关作用，并可应对远期日益严格的TN排放标准。

反硝化深床滤池工艺设计参数：设计流量20万m3/d，设计一组，共14格，设计进水TN≤25 mg/L,SS≤25 mg/L，出水TN≤15mg/L；计算水温10℃，设计滤速7.7m/h（峰值流量3m3/s），TN去除容积负荷率0.80 kgN/(m3˙d)，滤床深度2.28m（其中承托层厚度0.45m），滤料比重2.6，为有效粒径2-3mm石英砂，气冲强度92m3/(m2•h)，水冲强度14.7m3/(m2•h)。

工艺评析：二级生物处理采用多级A/O脱氮工艺碳源优先反硝化脱氮；并与反硝化滤池联用，能实现污水厂的深度脱氮。不足：进水水力负荷与TN负荷的波动性，会加剧多级A/O运行控制的复杂性与多级A/O段出水NO3-N波动性，进而增加了反硝化滤池运行控制的难度；同时化学除磷容易造成反硝化滤池进水PO4-P的波动。

3）MBBR强化硝化反硝化：

某市经济开发区D污水厂，一期规模4万m3/d，2009年建成投入运行，执行一级B标准，根据当地新要求，2013年进行二期扩建及提标改造，改扩建后总规模达到8万m3/d，并执行一级A排放标准，工程为BOT项目，采用EPC模式建设。针对该厂一期进水水质特性，含有一定比例的工业废水，尤其是进水氯离子浓度较高且呈现一定波动，氯离子含量2000~7000mg/L，针对这种复杂的进水水质条件，二期工艺方案选择时，进行了中试，最终确定二期工艺方案主生物池继续采用改良式A2/O，后续采用三级生物膜深度处理， MBBR强化硝化反硝化，其中MBBR生物池分为缺氧段及好氧段，分别投加悬浮载体填料。

MBBR段工艺参数：设计流量：3333 m³/h，MBBR段总HRT=3.46h，其中缺氧段HRT=0.84h，MBBR载体比表面积500m2/m3，缺氧段载体充填比27%，好氧段载体充填比34%，其中缺氧段MBBR的TN去除负荷率为1.1 gN/(m2˙d)。

工艺评析：基于混合市政污水水质成分波动较大不利于硝化反硝化的情况，采用三级硝化/反硝化MBBR工艺强化脱氮，利用好氧和缺氧生物膜高效的硝化反硝化特性提高系统脱氮的运行可靠性与稳定性，占地小，运行灵活。

4.存在问题分析

（1）国内最近几年才开始应用三级生物膜反硝化工艺，因而积累的设计及运行经验有限，根据目前已经投运的若干项目反馈出的经验，对于反硝化滤池：出现的主要问题集中表现在设计阶段对预处理系统重视不足，导致预处理功能的缺欠，导致后期反硝化滤池运行不久就出现了配水配气系统的堵塞问题，严重影响了滤池的可靠及稳定运行；其次是施工质量问题，滤板及滤头安装平整度误差较大，影响了配水配气均匀性。对于反硝化MBBR，问题集中在设计阶段池型优化并保持载体均匀流态化问题，实际运行中的载体挂膜及生物活性保持等方面。

（2）在设计及运行参数确定方面，目前缺乏相应的规范及标准，导致参数的确定上随意性较大；因此，现有的生物膜反硝化工程化应用及运行经验亟待系统研究及总结，也亟需出台有关反硝化生物膜工艺的国家规范及标准，以指导设计及运行。

5. 结语

（1）由于多种工艺上的限制因素，单级悬浮活性污泥工艺很难达到稳定的脱氮效率和深度脱氮，在常规二级生物处理工艺基础上采用后置的三级反硝化生物膜工艺，形成分段式生物脱氮系统，国内外的运行实践表明，这种组合工艺可以获得稳定的深度脱氮效果，出水TN可以稳定达到5mg/L以下。

（2）影响三级反硝化生物膜工艺脱氮效果关键工艺因素是硝氮负荷（容积负荷或面积负荷）、水力停留时间等，工艺参数的确定要综合考虑二级生物处理出水指标数值及总出水TN要求；要考虑DN滤池进水保持适量浓度PO4-P对维系缺氧微生物增殖及生物活性的重要性；DN-MBBR工艺要优选后续工艺，确保对SS的有效去除，进而保持对营养盐的深度去除。

本文发表于最新一期《中国给水排水》，2014年第20期。

作者：北京首创股份有限公司 ，刘智晓