随着“水十条”的提出，多地政府将污水厂出水要求提高至《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）准v类标准或更高的标准，因此，现有污水处理厂需要升级改造，对污水进行深度处理，实现出水TN、TP达标排放。

污水处理厂除了对原有生化设施进行改造外，多数需要新上反硝化处理设施来满足排放要求。国内目前新上深度处理设施以反硝化滤池为主，反硝化滤池按流态分为上流式反硝化滤池和下流式反硝化滤池。

01

下流式反硝化滤池系统介绍

A.     滤料

高品质粗石英砂滤料，圆形尺寸范围1.7-3.35mm

B.     砾层

天然优质鹅卵石承托层，分五层级配，尺寸范围3-20mm

C.    配水配气滤砖

配水配气滤砖，提供超强的反冲洗气水分配性能

D.    不锈钢配气管

整体出厂，安装简便，为滤砖提供反冲洗空气分配

E.     堰板

为进水和反冲洗出水的均匀分配，有效控制进水流态

F.     控制系统

滤池控制系统

G.    阀门

自动和手动的阀门控制水和空气的进出

H.    碳源存储和投加系统

根据滤池进出水流量、负荷安全、稳定、可靠的控制碳源投加量

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 

（一） 过滤机理

下流式反硝化滤池采用粗石英砂滤料，在滤池运行过程中存在以下过程：截留、吸附和脱附。

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。

吸附机理：

颗粒物在滤料表面的吸附作用是在低滤速时得到加强，主要是物理作用力（挤压、内聚力）和范德华力的吸附力。

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。

（二）反硝化脱氮机理

在滤池的运行过程中，滤料层不断截留、吸附生化处理工艺出水中的悬浮物以及大量的微生物，其中就有大量的反硝化兼性、异养菌群，如微球菌属、变形杆菌属、芽抱杆菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等。当滤池进水中有溶解氧存在时，反硝化菌分解有机物利用分子态氧作为最终电子受体。在无溶解氧的情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N5+和N3+作为能量代谢中的电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并被氧化稳定，因此在反硝化滤池滤层中，如滤池进水溶解氧较高的情况下，上层滤料处于好氧情况下，菌群利用分子态氧分解有机物并不起反硝化作用，只有在滤层中处于无氧状态才能起到有效的脱氮作用，因此控制滤池进水溶解氧对于降低反硝化滤池碳源投加费用、提高滤池出水稳定性有重要作用。根据项目经验，滤池变液位运行可导致滤池进水溶解氧升高6～8mg/l，对运营单位带来沉重的经济负担。反硝化滤池推荐滤池采用恒液位控制，有效避免滤池进水因跌水（如变液位运行控制）而造成的溶解氧升高问题，通过滤池进水配水系统溶解氧增加值小于1mg/l。

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：

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

反硝化过程中亚硝酸根和硝酸根的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。同化作用是指亚硝酸根和硝酸根被还原成氨氮，用来合成新微生物的细胞、氮成为细胞质的成分的过程。异化作用是指亚硝酸根和硝酸根被还原为氮气、一氧化氮或一氧化二氮等气态物质的过程，其中主要成分是氮气。异化作用去除的氮约占总去除量的70-75%。

反硝化菌是一种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所需利用有机物（如甲醇）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（BOD）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（如甲醇）。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BOD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，能精确的控制碳源投加量，能做到经济节能稳定的运行。

为降低碳源投加运行成本，可就近利用污水处理厂附近制糖、食品、酿造等企业的废水作为碳源。废水中一部分易生物降解的有机碳可以作为反硝化的碳源被微生物利用。另一部分有机物则是可慢速生物降解的颗粒性或溶解性有机物，虽可作为反硝化的碳源，但会使反硝化的速率降低。其余的不可生物降解有机物，不能作为反硝化的碳源。因此在选取工业废水作为碳源时，建议相关工业废水经过发酵等处理工艺，提高碳源中易被生物降解的成分浓度，且利用成分、浓度比较稳定、可靠的工业废液作为碳源。

（三）反硝化脱氮影响因素

1、温度

温度是影响反硝化菌群活性的重要因素，相对于活性污泥法来说，反硝化滤池因滤层内附着生长及拦截有大量的生物菌群，系统出水相对要好稳定很多，通常从工程应用来说比较经济的应用水温需高于12℃，当水温低于12℃时，应通过降低水力负荷、增加水力停留时间、提高滤层内生物量等手段达到脱氮效率。

2、pH 值

反硝化过程中会产生碱度，每还原1g 硝酸盐氮产生3.5g 碱度(以CaCO3 计) ，根据相关项目经验，实际值略低于理论值。反硝化过程中产生的碱度这有助于把pH 值保持在偏碱性范围内，反硝化过程的最适宜pH 值为7.0~7.5 ，不适宜的pH 值影响反硝化菌的增殖和酶的活性。当pH 值低于6.0 或高于8.0 时，反硝化过程会受到明显的抑制。

3、溶解氧

当滤池进水中有溶解氧存在时，反硝化菌分解有机物利用分子态氧作为最终电子受体。因此在下流式反硝化滤池滤层中，如滤池进水溶解氧较高的情况下，上层滤料处于好氧情况下，菌群利用分子态氧分解有机物并不起反硝化作用，只有在滤层中处于无氧状态才能起到有效的脱氮作用，因此控制滤池进水溶解氧对于降低反硝化滤池碳源投加费用、提高滤池出水稳定性有重要作用。根据项目经验，滤池变液位运行可导致滤池进水溶解氧升高6～8mg/l，对运营单位带来沉重的经济负担。推荐滤池采用恒液位控制，有效避免滤池进水因跌水（如变液位运行控制）而造成的溶解氧升高问题，通过滤池进水配水系统溶解氧增加值小于1mg/l。

4、碳源有机物

下流式反硝化滤池水力停留时间短（约15～20分钟）作为反硝化过程中作为电子供体的碳源应属于易被生物降解的简单小分子有机物。碳源物质不同，反硝化速率也略有不同，通常项目中采用的碳源有甲醇、乙酸、乙酸钠。

5、碳氮比

碳源投加量= a·硝态氮去除量+b·亚硝态氮去除量+c·溶解氧

公式中的a,b,c在对应不同的碳源种类时系数是有差异的，在工程应用中可根据实际采用的碳源种类，由程序精确的控制碳源的投加量。

如，甲醇的投加量= 2.47×硝态氮去除量+1.53×亚硝态氮去除量+0.87×溶解氧

通常来说，在二级生化处理工艺中，所需投加的外部碳源以COD计，碳氮比约5:1，在反硝化滤池的应用过程中，基于采用简单的有机物碳源投加，大量稳定的生物菌群，精确的碳源投加控制，碳氮比可做到4：1。

6、有毒物质

反硝化滤池为缺氧生物膜法和活性污泥法的结合工艺，滤料表面既有生物膜，滤料的间隙中又有大量被拦截吸附的生物菌群，其对有毒物质的敏感性也较单纯的活性污泥法要低很多。针对进水中含有对微生物有毒性或抑制性的项目，需要通过对微生物的驯化作用达到效果。可在二级生化处理工艺稳定后，在滤池中投加二沉池回流污泥的措施使得滤池内迅速达到反硝化的效果。

（四）气水分布滤砖

S型气水分配滤砖整体采用HDPE（高密度聚乙烯）材质，具有出色结构强度和韧性。

S型气水分布滤砖技术特征表

 S型气水分配滤砖

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。

传统快滤池和V型滤池采用的滤头/滤板配水系统，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。

S型滤砖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。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。

S型滤砖配水效果——均匀平稳

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。

S型滤砖都以近距离地彼此隔离（240个孔口/㎡），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更好的清洁效果。

S型单块滤砖约10kg，采用承插口和密封圈的连接方式。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0.3m，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；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。

（五）碳源投加控制

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。

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。设计应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。

碳源投加系统控制示意图

碳源投加系统，采用前馈+后馈形式控制，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。

（六）氮气释放工艺

在滤池反硝化运行状态中，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。氮气释放的周期一般约为3～4h，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。

（七）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，对于常规污水深度处理滤料采用高品度硅砂，至少 85％含硅石量。承托层采用天然鹅卵石。

滤料技术规格表

承托层五层级配技术规格表

（八）气/水反冲洗工艺

A.过滤周期结束进入反冲洗程序；

B.关闭进水阀→液位降低→关闭过滤出水阀；

C.打开反洗排水阀；

D.确认风机排空阀打开状态→启动反洗罗茨风机；

E.打开滤池反冲洗进气阀→关闭风机排空阀，空气反冲洗大约2分钟；

F.启动反冲洗泵→打开反冲洗进水阀，气/水同时反冲洗大约10分钟；

G.打开风机排空阀→停反冲洗罗茨风机→关反洗进气阀；

H.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；

关闭反冲洗进水阀和反冲水泵；关闭反洗排水阀→打开进水阀和出水阀，滤池恢复运行。

02

上流式反硝化滤池

（一）上流式反硝化滤池流程描述

反硝化生物滤池附设有反冲洗废水池和废水泵、鼓风机房及压缩空气系统等。

每组每格反硝化滤池的进水闸阀、排水阀、反冲洗水阀、反冲洗气阀、出水调节阀以及排气阀均采用气动阀门，供气由空压机供气，由电磁阀控制开闭。滤池设计为分流进水，定水位形式。每格滤池各设一个进水阀门。滤池水位由滤池出水堰控制，滤池采用向上流过滤，滤池出水达标排放。

二级处理后的污水经中间提升泵站提升进入生物滤池总进水槽，由总进水槽分配至每格生物滤池进水管，每格生物滤池进水管将污水送至滤池底部，污水自下而上以一定的流速流经生物滤料，滤料上长满生物膜，污水与生物膜相接触，在生物膜微生物的作用下，消耗有机物碳源，分解污水中的硝态氮、亚硝态氮，从而使污水得到净化，达到脱碳、脱氮的目的。同时充满滤料的滤床可以有效的截留水中的悬浮物质，去除SS，从而使污水能得到进一步澄清。系统设有碳源投加系统，当碳源不足时，可通过投加碳源来补充，确保脱氮所需碳源，保证脱氮效果。

由于微生物的不断繁殖，生物膜逐渐增厚，超过一定厚度后，吸附的有机物，在传递到滤料表面的微生物之前已被代谢。此时，滤料表面的内层微生物因得不到有机营养而进入内源代谢，失去其粘附在滤料上的性能，脱落下来。这时滤池则需要进行冲洗。反硝化生物滤池冲洗采用气水联合冲洗，冲洗水采用滤池出水，由反冲洗水泵进行冲洗，冲洗空气则采用罗茨鼓风机供气。冲洗水排至反冲洗废水池，回流继续处理。冲洗强度通过自动控制系统进行控制，确保冲洗得有效、彻底，又保证滤池及生物群不被破坏，从而在冲洗结束后，系统可以尽快的回复其工艺性能。每格滤池交替进行冲洗，反冲洗周期大于24小时。

系统自控设有冲洗有2种形式：正常强度的冲洗和超强度的冲洗，两种冲洗的冲洗时间、冲洗流量不同，超强度冲洗流量更大，时间更长，这此参数均可进行调节。冲洗是在与正常过滤的相同方向进行的，使用已过滤的清水。反冲洗水泵提供反冲洗水，工艺鼓风机提供冲洗空气。

系统设有布水系统，确保反硝化滤池进水及冲洗水及冲洗空气配水配气均匀。布水系统整体混凝土滤板和调节滤头的布水系统，滤头及底模采用聚苯乙烯材质，材料耐腐蚀强。并且滤头具有保证气水共同冲洗时空气的均匀分配。滤头系统的设计，除了考虑空气冲洗时，整个滤板上的分配均匀外，还考虑风机了起动时空气进流涌动的脉冲。

（二）上流式反硝化滤池自控系统描述

反硝化滤池的控制系统采用“分散控制、集中管理”，各单格滤池旁设分控柜（就地柜）一个，控制滤池的过滤及其阀门，包括反冲洗时的相关阀门。整个滤池设公共柜一个，安装于滤池集中控制室，处理各分控柜的反冲洗，以及反冲洗设备的控制。各分控柜和公共柜通过网络连接起来，实现数据的传输。并设上位机监控站一台，动态显示滤池工艺工作状况、设备运行状况、反冲洗参数设置等。

该系统可实现整个滤池工艺的无人职守、全自动化控制。该控制系统具备运行稳定、安全、可靠、能耗低、操作简单明了、维护方便、快捷、适应性强等特点。

此系统是建立在PLC基础上，由滤池控制单元和公共控制单元组成。

滤池控制单元可实现下列功能：

自动控制无人操作的滤池的过滤和反冲洗

一旦出现故障，将生产损失限于故障单元

使操作员能人工或自动启动反冲洗

用计时器和/或水头损失的启动自动反冲洗

滤池控制单元向负责控制和故障排除工作的操作人员显示最多的数据，包括但不限于：

滤池水头损失

滤池状态：反冲洗、等候反冲洗、生产中、停止或故障

已经反冲洗的上一个滤池

自各个滤池上一次冲洗的过滤时间

阀门状态：开、关或故障

反冲洗废水泵状态：可用、开、关或故障

气洗鼓风机状态：可用、开、关或故障

当一个滤池需要时，公共控制单元负责在对下列各项进行检查后自动开始反冲洗：

压缩空气压力高

反冲洗泵和鼓风机为可用状态

无其它冲洗滤池

滤池上设有反映出各滤池的进水水质、液位、堵塞状况、反冲洗过程控制液位计等自动控制仪表

（三）上流式反硝化滤池工艺特点

1、具有同步脱氮除磷功能，脱氮效率高，出水TN一般在10mg/l左右，上向流反硝化滤池采用底部进水、上部出水的上向流过滤方式，利用管道封闭式进水，解决下向流滤池进水时跌水增加溶解氧浓度的问题，通过控制较低的溶解氧浓度，可有效提高碳源的利用率。根据工程应用情况，上向流反硝化滤池也有过滤作用。

2、进水不复氧，节省碳源投加量。

常规下向流反硝化滤池因进水跌落充氧，会造成碳源大量浪费，同时因DO浓度高而滤料繁殖大量异养菌；上向流反硝化滤池进水与空气隔绝，避免了复氧过程。 

3、无需驱氮设施，且进一步保证微生物活性

在下向流反硝化脱氮过程中，点状氮气气泡会聚集在介质的表层，形成“气堵”现象，滤速低，必须借助外力进行驱氮，恢复水头。根据相关工程，下向流反硝化滤池通常每间隔2-5h开启反冲洗水泵2-3min驱氮一次，在驱氮过程中，悬浮微生物和部分附着型微生物会随着水流流失，会减弱其反硝化效果。而上向流反硝化滤池产生的氮气释放与水流同向，氮气能够得到及时排放，可有效避免气阻。因此，上向流反硝化滤池滤速可适当提高，无需进行驱氮，简化了设备与操作程序，避免了驱氮过程中对微生物冲击及微生物总量的影响，进一步保证了微生物活性，总氮去除效率更高。

③上向流反硝化滤池进水不存在跌落充氧的现象，可以有效避免进水do二次提升，碳源的利用率高，再完美结合精准的碳源投加控制方式，比传统反硝化滤池的碳源投加量节省30%以上。

（四）滤头

1、 滤头形式应为可调式长柄滤头，双滤头形式。

2、  滤杆及预埋座的材料应采用改性聚丙烯。

3、 滤头应适用于进水、曝气和气水返冲洗时形成气垫层，并且可以自运调节气垫层的厚度以及均匀配水，且在滤头和滤板间无死水区。

4、整个滤头系统由带有窄缝的滤帽、连接滤头的长柄及预埋在滤板内装配 滤头用的预埋管和密封环等部分组成。

（五） 滤板

1、滤板应用来支撑生物滤料层和卵石承托层。滤料的特定孔隙允许流体经过。

2、塑制模板材料采用 ABS

3、滤板为整体浇注或分体滤板，滤板的支撑结构应采用滤梁、支撑墙等形。

（六）滤料

1、滤料综合特性要求如下：

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其他 

1、《室外排水设计规范》（GB50014-2021后置反硝化生物滤池推荐的参数应为上流式反硝化滤池。

2、《室外排水设计规范》（GB50014-2021）未对下流式反硝化滤池做成推荐，可以参照国外文献资料。