污水處理廠強(qiáng)化生物脫氮措施探析
污水處理廠強(qiáng)化生物脫氮措施探析
司文曦1，李辰2，馬慶3
（1.華陸工程科技有限責(zé)任公司,陜西西安710065;2.天津市華博水務(wù)有限公司,天津300011;3.天津市青成自來(lái)水工程有限公司,天津300380)
摘要：針對(duì)污水廠經(jīng)常出現(xiàn)的進(jìn)水碳源不足的問(wèn)題，從調(diào)整工藝運(yùn)行模式、內(nèi)碳源挖掘和外碳源的選擇及投加等方面，對(duì)污水廠碳源的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了探析，以強(qiáng)化生物脫氮效果，保證出水總氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，可為其他污水廠處理同類問(wèn)題提供參考依據(jù)。
隨著新《環(huán)境保護(hù)法》的實(shí)施以及《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（“水十條”）的出臺(tái)，我國(guó)大部分污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中都面臨著前所未有的壓力。面對(duì)嚴(yán)厲的運(yùn)行監(jiān)管和更高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)要求，如何保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)尤其是出水總氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)是各污水廠面臨的首要問(wèn)題。生物脫氮是目前應(yīng)用最廣泛的脫氮形式，但它受到各種因素的制約，其中碳源是影響生物脫氮的重要因素，直接影響生物脫氮的效果。目前，我國(guó)相當(dāng)一部分污水廠存在進(jìn)水碳源不足的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了生物脫氮效率，使得出水總氮往往不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，這已成為不少污水處理廠迫切需要解決的問(wèn)題。因此，尋找適宜的強(qiáng)化生物脫氮措施來(lái)解決污水廠碳源不足的問(wèn)題，是提高生物脫氮效果的有效途徑，也具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 調(diào)整工藝運(yùn)行
在生物脫氮除磷系統(tǒng)中，碳源大致消耗于釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌的正常代謝方面。在生物脫氮除磷工藝中，由于厭氧區(qū)的釋磷消耗大量的易生物降解有機(jī)物，因此不可避免地影響缺氧區(qū)反硝化過(guò)程的進(jìn)行。由于目前相當(dāng)一部分污水廠存在進(jìn)水碳源不足的問(wèn)題，所以在污水生物脫氮除磷系統(tǒng)中的反硝化和釋磷之間，存在著因碳源不足而引發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)性矛盾。
在污水廠的實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)進(jìn)水碳源不足以同時(shí)滿足生物脫氮和除磷時(shí)，由于總氮很難通過(guò)化學(xué)法去除，而總磷除了可以通過(guò)生物法去除外，還可通過(guò)后續(xù)深度處理工藝得以去除，因此當(dāng)生物脫氮除磷因碳源不足而引發(fā)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，宜優(yōu)先利用有限的碳源進(jìn)行生物脫氮，而總磷的去除可輔以化學(xué)除磷。
在工藝運(yùn)行的具體操作中，應(yīng)首先通過(guò)優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)提高生物脫氮效率，同時(shí)還可通過(guò)調(diào)整工藝運(yùn)行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)碳源的合理分配，以強(qiáng)化生物脫氮效果。調(diào)整工藝運(yùn)行方式可通過(guò)多點(diǎn)進(jìn)水、調(diào)整工藝運(yùn)行模式以及深入挖掘工藝運(yùn)行潛力等方面實(shí)現(xiàn)。
1.1 多點(diǎn)進(jìn)水
多點(diǎn)進(jìn)水也稱為分段進(jìn)水活性污泥法，是根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)以及對(duì)脫氮除磷的要求，原水按一定比例分配至各功能池體，包括厭氧池和缺氧池等，從而實(shí)現(xiàn)碳源的合理分配。
近年來(lái)國(guó)外開(kāi)發(fā)的分段進(jìn)水生物脫氮除磷新工藝，在一定程度上優(yōu)化了反硝化菌和聚磷菌對(duì)碳源的需求，具有脫氮效率高、操作管理簡(jiǎn)便和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在不增加外碳源的條件下，為解決碳源不足問(wèn)題提供了思路。我國(guó)從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始關(guān)注分段進(jìn)水生物脫氮除磷新工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，吳淑云等對(duì)分段進(jìn)水A/O工藝的最高脫氮率進(jìn)行了探討，認(rèn)為其脫氮率受進(jìn)水流量分配比和進(jìn)水水質(zhì)的影響；王偉等采用流量分配系數(shù)法對(duì)進(jìn)水流量進(jìn)行分配，研究了流量分配比對(duì)分段進(jìn)水A/O工藝脫氮性能的影響。郭姣等采用不同的進(jìn)水方式，比較了單點(diǎn)進(jìn)水、不同配比的兩點(diǎn)進(jìn)水和多點(diǎn)進(jìn)水對(duì)UCT工藝脫氮除磷效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明多點(diǎn)進(jìn)水更容易達(dá)到較好的同步脫氮除磷效果。目前，多點(diǎn)分段進(jìn)水的運(yùn)行方式正逐漸受到一些新建和改擴(kuò)建污水廠的青睞。
1.2 調(diào)整工藝運(yùn)行模式
多點(diǎn)進(jìn)水運(yùn)行模式只是對(duì)進(jìn)水按不同的比例分配至不同的池體，本質(zhì)上并沒(méi)有改變工藝的運(yùn)行模式，只是碳源的分配更加合理。目前，部分污水處理工藝設(shè)計(jì)在多點(diǎn)進(jìn)水運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上增加了多點(diǎn)內(nèi)回流和多點(diǎn)外回流，通過(guò)進(jìn)水點(diǎn)、內(nèi)回流點(diǎn)和外回流點(diǎn)的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)多種工藝運(yùn)行模式。如目前備受推崇的改良A/A/O工藝，可實(shí)現(xiàn)包括A/A/O、倒置A/A/O、脫氮A/O和A+A/A/O等多種運(yùn)行模式。
付國(guó)楷等對(duì)低碳源污水廠的工藝選擇和運(yùn)行模式調(diào)整進(jìn)行了研究，并建立了基于碳源利用的污水廠優(yōu)化運(yùn)行模式，在春季宜采用改良型A/A/O工藝運(yùn)行；夏季宜采用預(yù)缺氧+倒置A/A/O工藝；秋季宜采用低氧/常氧交替運(yùn)行的倒置A/A/O工藝；冬季宜采用倒置A2/O工藝。在此調(diào)控模式下，可有效實(shí)現(xiàn)總氮的強(qiáng)化去除。李朝陽(yáng)等在某市政污水廠的運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)出現(xiàn)的定期進(jìn)水碳源不足的問(wèn)題，提出了可行的強(qiáng)化脫氮措施。進(jìn)水有機(jī)碳源不足時(shí)，通過(guò)提前將運(yùn)行模式調(diào)整為脫氮A/O模式，利用有限的碳源最大限度地實(shí)現(xiàn)生物脫氮，犧牲生物除磷功能，有效保證了出水總氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
1.3 挖掘工藝運(yùn)行潛力
由于每個(gè)污水廠的處理工藝都不盡相同，為強(qiáng)化生物脫氮，應(yīng)根據(jù)各自工藝的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析和挖掘。在原有工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變池體功能、改變運(yùn)行條件等方式增加進(jìn)入生物池的可利用碳源量，從而提高脫氮效率。
如初沉池是設(shè)置在沉砂池之后的另一個(gè)非常重要的處理單元，其作用是進(jìn)一步去除無(wú)機(jī)顆粒，然而初沉池的設(shè)置同時(shí)也帶來(lái)了后續(xù)脫氮除磷階段碳源量更低的問(wèn)題，尤其對(duì)于某些進(jìn)水低C/N值的污水廠而言，其碳源不足的矛盾將更加突出。為解決上述矛盾，一般可采取以下主要方式：①對(duì)于進(jìn)水懸浮物濃度較低且波動(dòng)不大的污水廠，可直接取消初沉池；②對(duì)于進(jìn)水懸浮物濃度波動(dòng)較大的污水廠，可在初沉池單元設(shè)置超越管；③減少初沉池的水力停留時(shí)間，這樣可以在一定程度上緩解取消初沉池所帶來(lái)的弊端。陳杰云等在重慶市某大型污水處理廠的運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)行了強(qiáng)化脫氮綜合調(diào)控技術(shù)的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，該廠采取每座初沉池開(kāi)啟６格中的２格措施，將水力停留時(shí)間由1.69 h縮短到0.56 h，以增加進(jìn)入生物池的可利用碳源量，采用該措施后進(jìn)入生化池中的COD濃度提高了約15%。
位于美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的Henderson NV污水廠，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。調(diào)整運(yùn)行模式后，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，有效提高了脫氮除磷效果。
2 內(nèi)碳源的挖掘
內(nèi)碳源是指存在于污水處理系統(tǒng)本身的碳源，包括原污水中的可生物降解溶解性有機(jī)碳，以及從原污水中分離出來(lái)的顆粒態(tài)慢速降解有機(jī)物和活性污泥微生物死亡或破裂后自溶釋放出來(lái)的可被利用的基質(zhì)。在我國(guó)節(jié)能減排的環(huán)保政策指引下，內(nèi)碳源的有效開(kāi)發(fā)利用顯得尤為迫切，因?yàn)檫@不僅可以實(shí)現(xiàn)污泥減量，還可以有效提高生物脫氮除磷效果。
采用污泥開(kāi)發(fā)碳源，使污泥在污水處理廠內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)利用，能在一定程度上解決污泥的處置問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化。
2.1 污泥破碎
污泥破碎是通過(guò)物理法、化學(xué)法、生物法及一些組合方法來(lái)破壞微生物的絮體結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁，使其胞內(nèi)物質(zhì)能夠有效釋放出來(lái)，同時(shí)獲得可溶解性有機(jī)物。近幾年發(fā)展起來(lái)的污泥破碎方法有：物理法（高壓噴射法、珠磨法、超聲波法、加熱法）、化學(xué)法（臭氧氧化法、氯氣氧化法、濕式氧化法）、生物法及一些組合方法。Ana Soares等的研究發(fā)現(xiàn)，污泥破碎后VFAs 濃度提高了4.1倍，以破碎污泥作為碳源的磷釋放量和反硝化速率均大于乙酸。Pantelis Kampas等對(duì)利用破碎剩余污泥為內(nèi)碳源、乙酸作為外碳源和不外加碳源等幾種方式的脫氮除磷效率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)破碎污泥作為碳源磷的釋放量和反硝化速率均大于乙酸和不外加碳源，破碎污泥作為碳源有利于生物脫氮除磷。
2.2 初沉污泥水解
建有初沉池的污水處理廠通常都不能滿足生物脫氮除磷對(duì)碳源的需求，而取消初沉池則會(huì)增加好氧池的曝氣能耗并降低生物處理工藝的穩(wěn)定性。在生物處理系統(tǒng)內(nèi)，初沉污泥是最具發(fā)展?jié)摿Φ目衫锰荚�，通過(guò)生物熱解、化學(xué)水解及生物水解等可將其中的固態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易于生物利用的低分子溶解態(tài)有機(jī)物（即快速碳源），重新投加于污水處理系統(tǒng)，從而獲得較高的脫氮除磷效率。利用初沉污泥發(fā)酵來(lái)增加生物可利用的碳源被證明是行之有效的、最簡(jiǎn)單、改造費(fèi)用最低的一種方式。
初沉污泥水解已在北美一些國(guó)家成功應(yīng)用并積累了大量經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)相對(duì)成熟，目前國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用。吳一平等以城市污水處理廠的初沉污泥為對(duì)象，利用厭氧水解將其轉(zhuǎn)化為可生物利用的快速碳源，并用于生物脫氮，結(jié)果表明其脫氮率比甲醇作碳源時(shí)的脫氮率高1/3，初沉污泥體積減少1/5。同時(shí)，對(duì)初沉污泥水解轉(zhuǎn)化為脫氮可利用的低分子碳源的影響因素（含固率、溫度、停留時(shí)間及粒徑等）進(jìn)行了研究。王佳偉等以北京高碑店污水廠的升級(jí)改造工程為背景，開(kāi)展了將普通初沉池改造成活性初沉池的生產(chǎn)性試驗(yàn)。結(jié)果表明，活性初沉池與未改造的普通初沉池相比，出水VFA、SBOD5、COD、C/N、C/P值分別增加了48.8%、45.3%、20.5%、66.2%和26.2%，活性初沉池系列的缺氧反硝化效果明顯好于普通初沉池系列，將普通初沉池改造成活性初沉池是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的有效措施。李曉晨等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)水解過(guò)程有機(jī)物的降解和懸浮物去除情況進(jìn)行了分析，并通過(guò)批量實(shí)驗(yàn)對(duì)比了水解前后污水的反硝化速率。結(jié)果表明，采用厭氧水解取代初沉池作為生物脫氮的預(yù)處理工藝，可以有效提高后續(xù)生物處理工藝的效率，并可補(bǔ)充一定量的反硝化碳源。
2.3 活性污泥水解
近些年，基于活性污泥的污泥水解技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，并逐步得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，與投加外部商業(yè)碳源相比，該技術(shù)可充分挖掘污水廠潛在的內(nèi)碳源，是可持續(xù)的綠色資源化技術(shù)。目前，北歐一些國(guó)家如丹麥、瑞典成功開(kāi)展了活性污泥水解工藝研究，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，生產(chǎn)規(guī)模的工藝案例相對(duì)較少。
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，停留一段時(shí)間后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。
劉智曉等近幾年對(duì)活性污泥水解工藝，包括工藝類型、水解過(guò)程及影響因素、水解潛力及水解產(chǎn)物等方面進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并對(duì)污泥水解示范項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)活性污泥可持續(xù)性利用技術(shù)方面提供了借鑒。污泥水解示范項(xiàng)目馬鞍山王家山污水處理廠由于進(jìn)水碳源不足，直接制約了系統(tǒng)的脫氮除磷效果，考慮到污水廠進(jìn)水碳源嚴(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，改造工程于2013年4月完成并投入運(yùn)行。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及總氮平均含量分別為155.8 mg/L和36.8 mg/L且無(wú)外加碳源的情況下，出水總氮<15 mg/L，總磷<1 mg/L。
3 外碳源的選擇及投加
調(diào)整工藝運(yùn)行只是對(duì)碳源進(jìn)行優(yōu)化利用，將有限的碳源優(yōu)先用于脫氮；內(nèi)碳源的挖掘可有效改善碳源不足的問(wèn)題，但如果進(jìn)水碳源非常低，采用調(diào)整工藝運(yùn)行和內(nèi)碳源挖掘等措施也不足以保證生物脫氮需求時(shí)，必須通過(guò)外加碳源來(lái)保證出水總氮達(dá)標(biāo)。
當(dāng)前使用的外部碳源主要有甲醇、乙醇、乙酸、麥芽糖和葡萄糖等。楊巧林等對(duì)以上五種碳源的強(qiáng)化脫氮效果進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，小分子碳源物質(zhì)在提高反硝化速率方面優(yōu)于大分子碳源物質(zhì)，其中投加乙酸的效果最好，其次為甲醇、乙醇和葡萄糖，而投加麥芽糖的效果最差。在選擇碳源時(shí)必須綜合考慮運(yùn)行效果、經(jīng)濟(jì)性、安全性以及便利程度等因素，并結(jié)合污水廠的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在污水廠的實(shí)際運(yùn)行中，為了降低運(yùn)行成本，除選擇商業(yè)碳源外，還可以積極尋求各種其他可利用的碳源，如糞便、可利用的廢水等。
4 強(qiáng)化脫氮的生產(chǎn)性試驗(yàn)
某污水處理廠設(shè)計(jì)處理能力為4×104 m3/d，實(shí)際處理水量為2.4×104 m3/d左右，主要處理生活污水及部分醫(yī)藥醫(yī)療器械工業(yè)園內(nèi)的工業(yè)廢水，采用“分質(zhì)進(jìn)水分質(zhì)預(yù)處理+改良A/A/O工藝+混凝沉淀過(guò)濾+消毒”的污水處理工藝。生活污水通過(guò)曝氣沉砂預(yù)處理后直接進(jìn)入生物池，而工業(yè)廢水通過(guò)曝氣沉砂池和水解酸化池后再進(jìn)入生物池，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水水質(zhì)變化較大，C/N值一般為1.7~5.0，生物脫氮受進(jìn)水碳源含量的影響較大。為了保證系統(tǒng)出水總氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，該廠根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的變化特點(diǎn)，進(jìn)行了一系列的生產(chǎn)性試驗(yàn)，摸索出了一套適合于本系統(tǒng)的強(qiáng)化生物脫氮措施。
當(dāng)進(jìn)水碳源相對(duì)充足時(shí)，通過(guò)多點(diǎn)配水優(yōu)化碳源配置，盡量在保證脫氮效果的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)總磷的去除效果最大化；當(dāng)進(jìn)水碳源不足以同時(shí)滿足生物脫氮除磷時(shí)，可通過(guò)調(diào)整進(jìn)水點(diǎn)、內(nèi)回流點(diǎn)和外回流點(diǎn)，將工藝運(yùn)行改為脫氮模式，保證生物脫氮的效果，犧牲部分生物除磷功能，輔以化學(xué)除磷；當(dāng)碳源嚴(yán)重不足時(shí)，必須通過(guò)補(bǔ)充一定量的外部碳源來(lái)保證脫氮效果，綜合考慮該污水廠實(shí)際情況，選用葡萄糖作為外部碳源。
在采取上述強(qiáng)化生物脫氮措施的同時(shí)，該污水廠還利用現(xiàn)有工藝設(shè)施進(jìn)行了內(nèi)碳源的深挖掘，將剩余污泥由原來(lái)直接排入儲(chǔ)泥池改為排至水解酸化池進(jìn)行活性污泥水解，當(dāng)水解酸化池內(nèi)的污泥水解達(dá)到一定程度后進(jìn)行排泥，并摻混少量剩余污泥以方便污泥脫水。采取該污泥水解措施后進(jìn)入生物池的碳源含量得到有效改善，目前基本不投加外部碳源就可以實(shí)現(xiàn)出水總氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)污泥水解還實(shí)現(xiàn)了污泥減量化，平均產(chǎn)泥量（80%的脫水污泥）由12~15 t/d降至6 t/d左右。
5 結(jié)論
針對(duì)污水處理中經(jīng)常出現(xiàn)的碳源不足問(wèn)題，從調(diào)整工藝運(yùn)行模式、內(nèi)碳源挖掘和外碳源的選擇及投加等方面，對(duì)污水廠碳源的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了探析，以強(qiáng)化生物脫氮效果。在污水廠的實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)首先通過(guò)優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)提高生物脫氮效率，同時(shí)可通過(guò)調(diào)整工藝運(yùn)行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)碳源的合理分配，以強(qiáng)化生物脫氮效果。此外，外加碳源能夠取得良好的脫氮效果，但長(zhǎng)期投加無(wú)疑會(huì)增大運(yùn)行成本和管理難度。利用污泥破碎、初沉污泥和活性污泥水解等技術(shù)，充分挖掘污水廠的“內(nèi)碳源”，不僅能有效提高脫氮效率，還可以降低污水廠的運(yùn)行能耗及污泥產(chǎn)量，是可持續(xù)的綠色資源化技術(shù)。但需要說(shuō)明的是，因污水系統(tǒng)所處地域、進(jìn)水水質(zhì)、工藝條件的不同，并非所有的污水廠都適合采用污泥水解技術(shù)，需前期進(jìn)行必要的污泥水解試驗(yàn)。
（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第16期“述評(píng)與討論”欄目）
