利用活性污泥水解發(fā)酵補(bǔ)充碳源優(yōu)化脫氮除磷

劉智曉，季民，郝赟，孟軼，G. Petersen

強(qiáng)化污水廠的脫氮除磷，執(zhí)行更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，甚至在局部敏感區(qū)域采用深度脫氮除磷技術(shù)，是未來(lái)我國(guó)改善水體環(huán)境的必然選擇。對(duì)于特定污水廠，制約其生物脫氮除磷效果的直接因素是進(jìn)水中的有機(jī)物濃度及其可利用性，為了獲得可靠的生物脫氮效果，進(jìn)水COD/TKN至少要達(dá)到7~8以上，而我國(guó)很多污水廠COD/TKN卻在3~5之間；對(duì)于EBPR，進(jìn)水COD/TP≥40，可快速降解有機(jī)物（rbCOD）與TP比值至少要在18~20以上，或VFA/TP≥4~7，厭氧區(qū)揮發(fā)性脂肪酸VFA濃度至少要達(dá)到25 mg/L，才有可能獲得比較滿意的除磷效果。理論及實(shí)踐表明，只要厭氧區(qū)的VFA濃度足夠，EBPR工藝可以使出水TP達(dá)到0.1 mg/L，而我國(guó)很多污水廠實(shí)際進(jìn)水VFA卻不足10 mg/L，尤其是南方城市，如果僅僅依賴進(jìn)水中極為有限的VFA含量和厭氧池內(nèi)1~2 h的短時(shí)間發(fā)酵，往往無(wú)法滿足脫氮除磷對(duì)rbCOD和VFA的要求，因此補(bǔ)充rbCOD、VFA往往是實(shí)現(xiàn)EBPR、改善出水水質(zhì)的必然選擇。

近些年，基于初沉污泥或活性污泥的污泥水解技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，與投加外部商業(yè)碳源相比，充分發(fā)掘污水廠潛在的“內(nèi)碳源”補(bǔ)充進(jìn)水rbCOD，無(wú)疑是綠色、可持續(xù)的發(fā)展方向�；钚晕勰嗨�解技術(shù)逐步得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，但生產(chǎn)規(guī)模的工藝案例相對(duì)較少，北歐一些國(guó)家如丹麥、瑞典近些年成功發(fā)展了側(cè)流活性污泥水解工藝，并得到成功應(yīng)用，而我國(guó)在這方面的實(shí)踐相對(duì)滯后，活性污泥水解多限于實(shí)驗(yàn)室研究階段，最近同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了活性污泥在堿性條件下(pH值=10)水解補(bǔ)充VFA強(qiáng)化脫氮除磷的中試研究，但國(guó)內(nèi)工程規(guī)模的污泥水解案例尚未見(jiàn)報(bào)道。

1 活性污泥水解工藝及潛力分析

1.1 活性污泥發(fā)酵工藝類型

目前活性污泥水解工藝已形成了不同的工藝構(gòu)型，從工藝類型上主要分為主流水解（MSH）和側(cè)流水解(SSH)兩種形式，從水解對(duì)象選擇上分為混合液水解、回流污泥水解及剩余污泥水解三種。

主流水解是指從二沉池回流到生物池的活性污泥全部經(jīng)過(guò)一個(gè)厭氧水解發(fā)酵過(guò)程，而側(cè)流水解工藝的水解池則獨(dú)立于主生物池之外，在污泥回流環(huán)節(jié)設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)池，回流污泥中的一小部分進(jìn)入SSH池，停留1~4 d后富含rbCOD的污泥再回流至主生物池，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化脫氮除磷的目的。SSH工藝在丹麥及瑞典得到快速發(fā)展和應(yīng)用，在SSH技術(shù)基礎(chǔ)上，丹麥EnviDan公司進(jìn)一步發(fā)展并提出了ARP/SSH工藝，在強(qiáng)化脫氮除磷的同時(shí)，還能提高進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷或水力負(fù)荷，目前丹麥、瑞典已經(jīng)有數(shù)十座ARP/SSH工藝污水廠在運(yùn)行。

1.2 活性污泥水解過(guò)程及影響因素

活性污泥作為污水廠數(shù)量最為龐大的潛在碳源，評(píng)估污泥水解工藝的碳源貢獻(xiàn)率，對(duì)其可利用性及水解潛力分析至關(guān)重要。雖然初沉污泥水解VFA產(chǎn)率要高于活性污泥，但是對(duì)于特定的污水廠，初沉污泥數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于活性污泥。

結(jié)合進(jìn)水中可降解COD（以bCOD表示）的生化轉(zhuǎn)化過(guò)程，估算混合液水解與活性污泥水解的VFA貢獻(xiàn)能力及除磷潛力分析。

在活性污泥水解過(guò)程中,進(jìn)水中1 kg的bCOD最終能被PAO利用并去除的磷量為0.009~0.014 kg。需要說(shuō)明的是，Houweling等人給出的估算是基于BioWin活性污泥模型軟件的活性污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)Yobs=0.2 kgCOD/kgbCOD，綜合參考國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為此值偏低，建議根據(jù)工藝實(shí)際情況Yobs取0.3~0.5 kgCOD/kgbCOD，依此可以根據(jù)特定污水廠的進(jìn)水bCOD濃度及數(shù)量來(lái)推算活性污泥水解技術(shù)的潛在除磷量。實(shí)際上，上述估算是基于純活性生物量的水解估算，然而活性污泥除生物量本身外，還吸附了大量的污染物，這些污染物會(huì)在整個(gè)SRT內(nèi)被微生物水解、儲(chǔ)存和利用，因此系統(tǒng)SRT是影響污泥水解產(chǎn)率的關(guān)鍵因子。

混合液水解（UMIF）工藝比單純菌體水解過(guò)程更復(fù)雜，主要包含兩個(gè)過(guò)程：首先，要考慮進(jìn)水中被活性污泥吸附的有機(jī)物將在UMIF區(qū)優(yōu)先水解，而這部分水解量貢獻(xiàn)率主要取決于進(jìn)水中有機(jī)物實(shí)際被污泥吸附的數(shù)量，同時(shí)UMIF區(qū)厭氧污泥量占系統(tǒng)總污泥量的比例也是影響UMIF水解產(chǎn)率的關(guān)鍵因子；其次，活性污泥本身的水解過(guò)程，也就是說(shuō)對(duì)于混合液水解，既包含進(jìn)水bCOD的直接水解發(fā)酵，又包含后續(xù)活性污泥的水解發(fā)酵過(guò)程。經(jīng)估算，利用進(jìn)水rbCOD發(fā)酵生成ＶＦＡ的產(chǎn)率為0.55~0.9 kgCOD(VFA實(shí)際產(chǎn)率受發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)氫量的影響而不同)，進(jìn)一步計(jì)算得出進(jìn)水bCOD對(duì)TP的去除貢獻(xiàn)量為0.055~0.09 kgP/kgbCOD。由上述兩種發(fā)酵途徑可看出，直接利用進(jìn)水bCOD進(jìn)行混合液發(fā)酵會(huì)獲得更高的VFA產(chǎn)率，對(duì)除磷貢獻(xiàn)率更高。

2 污泥水解示范項(xiàng)目

2.1 中國(guó)馬鞍山王家山污水廠

王家山污水處理廠處理規(guī)模為6.0×10⁴ m³/d，采用帶前置厭氧池的Orbal氧化溝工藝，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，2007年建成運(yùn)行。該廠進(jìn)水COD/TN值為3~5，雨季進(jìn)水碳源則更低，進(jìn)水中可供反硝化及釋磷的底物rbCOD及VFA持續(xù)性缺乏，嚴(yán)重影響反硝化菌及聚磷菌的數(shù)量及活性。實(shí)測(cè)污泥反硝化速率平均僅為0.68 mgNO^-₃-N/(gVSS·h)，這明顯低于文獻(xiàn)報(bào)道DNR一般為1.2~3.0 mgNO^-₃-N/(gVSS·h)的數(shù)值水平；釋磷速率平均也僅為0.48 mgPO^3-₄-P/(gVSS·h)，較低的反硝化速率及釋磷速率制約了系統(tǒng)的脫氮及除磷效果。

考慮到污水廠rbCOD嚴(yán)重不足的情況，改造方案采用了SSH技術(shù)，為降低土建投資，利用原來(lái)一期三溝式氧化溝閑置池容，將其改造為SSH池，改造后的工藝流程見(jiàn)圖1,SSH池鳥(niǎo)瞰圖見(jiàn)圖2，改造工程于2012年4月完成并投入運(yùn)行。

圖1 采用ＳＳＨ技術(shù)改造的工藝流程

圖2 王家山污水廠ＳＳＨ池鳥(niǎo)瞰圖

王家山污水廠改造后運(yùn)行至今，出水指標(biāo)尤其是營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)得到顯著改善，在進(jìn)水COD、ＴＮ平均為155.8、36.8 mg/L且無(wú)外加碳源的情況下，出水TN<15 mg/L，TP<1 mg/L，其中TN<12 mg/L的概率為75%，TP<0.5 mg/L的概率為55%。

2.2 美國(guó)Henderson NV污水廠的混合液發(fā)酵

位于美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的Henderson NV污水廠平均處理能力為8×10⁴ m³/d，圖3是該廠新建的一組生物池型及平面布置，處理能力為23 000 m³/d。該系列在啟動(dòng)期進(jìn)水中VFA<5 mg/L，無(wú)法滿足EBPR要求，因此，運(yùn)行人員將厭氧區(qū)第二個(gè)分格中的攪拌器關(guān)掉，每天只進(jìn)行15 min左右的短時(shí)攪拌，進(jìn)行混合液在線發(fā)酵，即按照“UMIF”模式運(yùn)行。調(diào)整運(yùn)行模式后，AN2、AN3區(qū)域厭氧釋磷濃度顯著提高，AN3區(qū)釋磷濃度達(dá)到9~10 mg/L，比正常運(yùn)行模式（AN2攪拌器開(kāi)啟）的釋磷濃度高出近7 mg/L，出水TP顯著降低，說(shuō)明關(guān)掉攪拌器后，進(jìn)水中的有機(jī)物被回流污泥迅速吸附后在該區(qū)域“靜止沉淀發(fā)酵”過(guò)程中發(fā)生了較充分的水解發(fā)酵，進(jìn)水中的bCOD轉(zhuǎn)化率高，經(jīng)后續(xù)處理最終出水TP達(dá)到0.03 mg/L，遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 Ｈenderson NV污水廠生物池工藝布置示意

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是主流活性污泥混合液水解，還是側(cè)流污泥水解，都能有效補(bǔ)充污水廠進(jìn)水rbCOD、VFA的不足，并提高脫氮除磷效率，無(wú)論是現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造，還是新建項(xiàng)目，都要考慮對(duì)污水廠“內(nèi)碳源”的充分挖掘和利用，污泥水解技術(shù)可以有效降低污水廠成本并提高污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性，活性污泥水解過(guò)程中的氮、磷釋放并不會(huì)對(duì)改善系統(tǒng)的脫氮除磷性能造成負(fù)面影響。

評(píng)語(yǔ)：

國(guó)內(nèi)污水廠進(jìn)水碳源不足，導(dǎo)致污水處理廠生物系統(tǒng)的脫氮除磷效率低下。內(nèi)部碳源的利用，相比外加碳源能節(jié)省能源，且能減少后續(xù)污泥處理帶來(lái)的一系列問(wèn)題。因此其具備更好的研究意義和實(shí)際利用價(jià)值。本文研究了活性污泥水解發(fā)酵補(bǔ)充污水處理廠生物處理系統(tǒng)中的碳源，對(duì)不同水解工藝類型、不同水解對(duì)象的水解提供碳源能力的潛力等進(jìn)行了分析闡述。通過(guò)兩種活性污泥水解示范項(xiàng)目詳實(shí)闡明了活性污泥水解提供碳源對(duì)污水處理廠脫氮除磷的意義。該論文選題具備良好的理論意義和指導(dǎo)意義。其工作內(nèi)容具備很好的應(yīng)用價(jià)值，能為污水處理廠的規(guī)劃和改進(jìn)帶來(lái)良好的指導(dǎo)意義，且?guī)��?lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文榮獲《中國(guó)給水排水》2013年度“得利滿”優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)

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