污水處理廠強化生物脫氮措施探析
污水處理廠強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.天津市青成自來水工程有限公司,天津300380)
摘要：針對污水廠經(jīng)常出現(xiàn)的進水碳源不足的問題，從調(diào)整工藝運行模式、內(nèi)碳源挖掘和外碳源的選擇及投加等方面，對污水廠碳源的開發(fā)利用進行了探析，以強化生物脫氮效果，保證出水總氮的穩(wěn)定達標，可為其他污水廠處理同類問題提供參考依據(jù)。
隨著新《環(huán)境保護法》的實施以及《水污染防治行動計劃》（“水十條”）的出臺，我國大部分污水處理廠在運行過程中都面臨著前所未有的壓力。面對嚴厲的運行監(jiān)管和更高標準的出水水質(zhì)要求，如何保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定達標尤其是出水總氮的穩(wěn)定達標是各污水廠面臨的首要問題。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，我國相當一部分污水廠存在進水碳源不足的問題，嚴重制約了生物脫氮效率，使得出水總氮往往不能穩(wěn)定達標，這已成為不少污水處理廠迫切需要解決的問題。因此，尋找適宜的強化生物脫氮措施來解決污水廠碳源不足的問題，是提高生物脫氮效果的有效途徑，也具有很重要的現(xiàn)實意義。
1 調(diào)整工藝運行
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物，因此不可避免地影響缺氧區(qū)反硝化過程的進行。由于目前相當一部分污水廠存在進水碳源不足的問題，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)的競爭性矛盾。
在污水廠的實際運行中，當進水碳源不足以同時滿足生物脫氮和除磷時，由于總氮很難通過化學法去除，而總磷除了可以通過生物法去除外，還可通過后續(xù)深度處理工藝得以去除，因此當生物脫氮除磷因碳源不足而引發(fā)競爭時，宜優(yōu)先利用有限的碳源進行生物脫氮，而總磷的去除可輔以化學除磷。
在工藝運行的具體操作中，應(yīng)首先通過優(yōu)化工藝運行參數(shù)提高生物脫氮效率，同時還可通過調(diào)整工藝運行方式來實現(xiàn)碳源的合理分配，以強化生物脫氮效果。調(diào)整工藝運行方式可通過多點進水、調(diào)整工藝運行模式以及深入挖掘工藝運行潛力等方面實現(xiàn)。
1.1 多點進水
多點進水也稱為分段進水活性污泥法，是根據(jù)進水水質(zhì)特點以及對脫氮除磷的要求，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，從而實現(xiàn)碳源的合理分配。
近年來國外開發(fā)的分段進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碳源的需求，具有脫氮效率高、操作管理簡便和運行費用低等優(yōu)點，在不增加外碳源的條件下，為解決碳源不足問題提供了思路。我國從20世紀90年代末開始關(guān)注分段進水生物脫氮除磷新工藝的開發(fā)與應(yīng)用，吳淑云等對分段進水A/O工藝的最高脫氮率進行了探討，認為其脫氮率受進水流量分配比和進水水質(zhì)的影響；王偉等采用流量分配系數(shù)法對進水流量進行分配，研究了流量分配比對分段進水A/O工藝脫氮性能的影響。郭姣等采用不同的進水方式，比較了單點進水、不同配比的兩點進水和多點進水對UCT工藝脫氮除磷效果的影響，試驗結(jié)果表明多點進水更容易達到較好的同步脫氮除磷效果。目前，多點分段進水的運行方式正逐漸受到一些新建和改擴建污水廠的青睞。
1.2 調(diào)整工藝運行模式
多點進水運行模式只是對進水按不同的比例分配至不同的池體，本質(zhì)上并沒有改變工藝的運行模式，只是碳源的分配更加合理。目前，部分污水處理工藝設(shè)計在多點進水運行方式的基礎(chǔ)上增加了多點內(nèi)回流和多點外回流，通過進水點、內(nèi)回流點和外回流點的調(diào)整，可實現(xiàn)多種工藝運行模式。如目前備受推崇的改良A/A/O工藝，可實現(xiàn)包括A/A/O、倒置A/A/O、脫氮A/O和A+A/A/O等多種運行模式。
付國楷等對低碳源污水廠的工藝選擇和運行模式調(diào)整進行了研究，并建立了基于碳源利用的污水廠優(yōu)化運行模式，在春季宜采用改良型A/A/O工藝運行；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，可有效實現(xiàn)總氮的強化去除。李朝陽等在某市政污水廠的運行過程中，針對出現(xiàn)的定期進水碳源不足的問題，提出了可行的強化脫氮措施。進水有機碳源不足時，通過提前將運行模式調(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)定達標。
1.3 挖掘工藝運行潛力
由于每個污水廠的處理工藝都不盡相同，為強化生物脫氮，應(yīng)根據(jù)各自工藝的特點進行深入分析和挖掘。在原有工藝的基礎(chǔ)上，通過改變池體功能、改變運行條件等方式增加進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非常重要的處理單元，其作用是進一步去除無機顆粒，然而初沉池的設(shè)置同時也帶來了后續(xù)脫氮除磷階段碳源量更低的問題，尤其對于某些進水低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對于進水懸浮物濃度較低且波動不大的污水廠，可直接取消初沉池；②對于進水懸浮物濃度波動較大的污水廠，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間，這樣可以在一定程度上緩解取消初沉池所帶來的弊端。陳杰云等在重慶市某大型污水處理廠的運行過程中，進行了強化脫氮綜合調(diào)控技術(shù)的生產(chǎn)性試驗研究，該廠采取每座初沉池開啟６格中的２格措施，將水力停留時間由1.69 h縮短到0.56 h，以增加進入生物池的可利用碳源量，采用該措施后進入生化池中的COD濃度提高了約15%。
位于美國內(nèi)華達州的Henderson NV污水廠，運行人員將厭氧區(qū)第二個分格中的攪拌器關(guān)掉，每天只進行15 min左右的短時攪拌，進行混合液在線發(fā)酵。調(diào)整運行模式后，進水中的有機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碳，以及從原污水中分離出來的顆粒態(tài)慢速降解有機物和活性污泥微生物死亡或破裂后自溶釋放出來的可被利用的基質(zhì)。在我國節(jié)能減排的環(huán)保政策指引下，內(nèi)碳源的有效開發(fā)利用顯得尤為迫切，因為這不僅可以實現(xiàn)污泥減量，還可以有效提高生物脫氮除磷效果。
采用污泥開發(fā)碳源，使污泥在污水處理廠內(nèi)部進行循環(huán)利用，能在一定程度上解決污泥的處置問題，實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化。
2.1 污泥破碎
污泥破碎是通過物理法、化學法、生物法及一些組合方法來破壞微生物的絮體結(jié)構(gòu)和細胞壁，使其胞內(nèi)物質(zhì)能夠有效釋放出來，同時獲得可溶解性有機物。近幾年發(fā)展起來的污泥破碎方法有：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行對比，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碳源的需求，而取消初沉池則會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目衫锰荚矗ㄟ^生物熱解、化學水解及生物水解等可將其中的固態(tài)有機物轉(zhuǎn)化為易于生物利用的低分子溶解態(tài)有機物（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)酵來增加生物可利用的碳源被證明是行之有效的、最簡單、改造費用最低的一種方式。
初沉污泥水解已在北美一些國家成功應(yīng)用并積累了大量經(jīng)驗，技術(shù)相對成熟，目前國內(nèi)也進行了大量研究和應(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的脫氮率高1/3，初沉污泥體積減少1/5。同時，對初沉污泥水解轉(zhuǎn)化為脫氮可利用的低分子碳源的影響因素（含固率、溫度、停留時間及粒徑等）進行了研究。王佳偉等以北京高碑店污水廠的升級改造工程為背景，開展了將普通初沉池改造成活性初沉池的生產(chǎn)性試驗。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現(xiàn)節(jié)能降耗和穩(wěn)定達標的有效措施。李曉晨等通過現(xiàn)場試驗對水解過程有機物的降解和懸浮物去除情況進行了分析，并通過批量實驗對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，并逐步得到開發(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，北歐一些國家如丹麥、瑞典成功開展了活性污泥水解工藝研究，并得到成功應(yīng)用；而我國在這方面的實踐相對滯后，活性污泥水解多限于實驗室研究階段，生產(chǎn)規(guī)模的工藝案例相對較少。
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)過一個厭氧水解發(fā)酵過程，而側(cè)流水解工藝的水解池則獨立于主生物池之外，在污泥回流環(huán)節(jié)設(shè)置一個單獨的反應(yīng)池，回流污泥中的一小部分進入SSH池，停留一段時間后的污泥再回流至主生物池，實現(xiàn)強化脫氮除磷的目的。
劉智曉等近幾年對活性污泥水解工藝，包括工藝類型、水解過程及影響因素、水解潛力及水解產(chǎn)物等方面進行了系統(tǒng)闡述，并對污泥水解示范項目進行了詳細介紹，為國內(nèi)在開發(fā)活性污泥可持續(xù)性利用技術(shù)方面提供了借鑒。污泥水解示范項目馬鞍山王家山污水處理廠由于進水碳源不足，直接制約了系統(tǒng)的脫氮除磷效果，考慮到污水廠進水碳源嚴重不足的情況，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月完成并投入運行。王家山污水廠改造后運行至今，出水指標尤其是營養(yǎng)鹽指標得到顯著改善，在進水COD及總氮平均含量分別為155.8 mg/L和36.8 mg/L且無外加碳源的情況下，出水總氮<15 mg/L，總磷<1 mg/L。
3 外碳源的選擇及投加
調(diào)整工藝運行只是對碳源進行優(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題，但如果進水碳源非常低，采用調(diào)整工藝運行和內(nèi)碳源挖掘等措施也不足以保證生物脫氮需求時，必須通過外加碳源來保證出水總氮達標。
當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。楊巧林等對以上五種碳源的強化脫氮效果進行了測試。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。在選擇碳源時必須綜合考慮運行效果、經(jīng)濟性、安全性以及便利程度等因素，并結(jié)合污水廠的實際情況進行選擇。在污水廠的實際運行中，為了降低運行成本，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 強化脫氮的生產(chǎn)性試驗
某污水處理廠設(shè)計處理能力為4×104 m3/d，實際處理水量為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)進水分質(zhì)預(yù)處理+改良A/A/O工藝+混凝沉淀過濾+消毒”的污水處理工藝。生活污水通過曝氣沉砂預(yù)處理后直接進入生物池，而工業(yè)廢水通過曝氣沉砂池和水解酸化池后再進入生物池，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A標準。在實際運行過程中，進水水質(zhì)變化較大，C/N值一般為1.7~5.0，生物脫氮受進水碳源含量的影響較大。為了保證系統(tǒng)出水總氮的穩(wěn)定達標，該廠根據(jù)進水水質(zhì)的變化特點，進行了一系列的生產(chǎn)性試驗，摸索出了一套適合于本系統(tǒng)的強化生物脫氮措施。
當進水碳源相對充足時，通過多點配水優(yōu)化碳源配置，盡量在保證脫氮效果的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對總磷的去除效果最大化；當進水碳源不足以同時滿足生物脫氮除磷時，可通過調(diào)整進水點、內(nèi)回流點和外回流點，將工藝運行改為脫氮模式，保證生物脫氮的效果，犧牲部分生物除磷功能，輔以化學除磷；當碳源嚴重不足時，必須通過補充一定量的外部碳源來保證脫氮效果，綜合考慮該污水廠實際情況，選用葡萄糖作為外部碳源。
在采取上述強化生物脫氮措施的同時，該污水廠還利用現(xiàn)有工藝設(shè)施進行了內(nèi)碳源的深挖掘，將剩余污泥由原來直接排入儲泥池改為排至水解酸化池進行活性污泥水解，當水解酸化池內(nèi)的污泥水解達到一定程度后進行排泥，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現(xiàn)出水總氮的穩(wěn)定達標。同時，通過污泥水解還實現(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
針對污水處理中經(jīng)常出現(xiàn)的碳源不足問題，從調(diào)整工藝運行模式、內(nèi)碳源挖掘和外碳源的選擇及投加等方面，對污水廠碳源的開發(fā)利用進行了探析，以強化生物脫氮效果。在污水廠的實際運行中，應(yīng)首先通過優(yōu)化工藝運行參數(shù)提高生物脫氮效率，同時可通過調(diào)整工藝運行方式來實現(xiàn)碳源的合理分配，以強化生物脫氮效果。此外，外加碳源能夠取得良好的脫氮效果，但長期投加無疑會增大運行成本和管理難度。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)。但需要說明的是，因污水系統(tǒng)所處地域、進水水質(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)，需前期進行必要的污泥水解試驗。
（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第16期“述評與討論”欄目）
