利用活性污泥水解發(fā)酵補充碳源優(yōu)化脫氮除磷

劉智曉，季民，郝赟，孟軼，G. Petersen

強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)，是未來我國改善水體環(huán)境的必然選擇。對于特定污水廠，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，而我國很多污水廠COD/TKN卻在3~5之間；對于EBPR，進(jìn)水COD/TP≥40，可快速降解有機物（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，而我國很多污水廠實際進(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的短時間發(fā)酵，往往無法滿足脫氮除磷對rbCOD和VFA的要求，因此補充rbCOD、VFA往往是實現(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，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”補充進(jìn)水rbCOD，無疑是綠色、可持續(xù)的發(fā)展方向�；钚晕勰嗨�解技術(shù)逐步得到開發(fā)和應(yīng)用，但生產(chǎn)規(guī)模的工藝案例相對較少，北歐一些國家如丹麥、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，最近同濟大學(xué)進(jìn)行了活性污泥在堿性條件下(pH值=10)水解補充VFA強化脫氮除磷的中試研究，但國內(nèi)工程規(guī)模的污泥水解案例尚未見報道。

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(jìn)入SSH池，停留1~4 d后富含rbCOD的污泥再回流至主生物池，實現(xiàn)強化脫氮除磷的目的。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，在強化脫氮除磷的同時，還能提高進(jìn)水有機負(fù)荷或水力負(fù)荷，目前丹麥、瑞典已經(jīng)有數(shù)十座ARP/SSH工藝污水廠在運行。

1.2 活性污泥水解過程及影響因素

活性污泥作為污水廠數(shù)量最為龐大的潛在碳源，評估污泥水解工藝的碳源貢獻(xiàn)率，對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)量來推算活性污泥水解技術(shù)的潛在除磷量。實際上，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，這些污染物會在整個SRT內(nèi)被微生物水解、儲存和利用，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程更復(fù)雜，主要包含兩個過程：首先，要考慮進(jìn)水中被活性污泥吸附的有機物將在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)水中有機物實際被污泥吸附的數(shù)量，同時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程，也就是說對于混合液水解，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實際產(chǎn)率受發(fā)酵過程產(chǎn)氫量的影響而不同)，進(jìn)一步計算得出進(jìn)水bCOD對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)酵會獲得更高的VFA產(chǎn)率，對除磷貢獻(xiàn)率更高。

2 污泥水解示范項目

2.1 中國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B標(biāo)準(zhǔn)，2007年建成運行。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。實測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圖1,SSH池鳥瞰圖見圖2，改造工程于2012年4月完成并投入運行。

圖1 采用ＳＳＨ技術(shù)改造的工藝流程

圖2 王家山污水廠ＳＳＨ池鳥瞰圖

王家山污水廠改造后運行至今，出水指標(biāo)尤其是營養(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Henderson NV污水廠的混合液發(fā)酵

位于美國內(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。該系列在啟動期進(jìn)水中VFA<5 mg/L，無法滿足EBPR要求，因此，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(jìn)行15 min左右的短時攪拌，進(jìn)行混合液在線發(fā)酵，即按照“UMIF”模式運行。調(diào)整運行模式后，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，比正常運行模式（AN2攪拌器開啟）的釋磷濃度高出近7 mg/L，出水TP顯著降低，說明關(guān)掉攪拌器后，進(jìn)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”過程中發(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

無論是主流活性污泥混合液水解，還是側(cè)流污泥水解，都能有效補充污水廠進(jìn)水rbCOD、VFA的不足，并提高脫氮除磷效率，無論是現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造，還是新建項目，都要考慮對污水廠“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)的運行穩(wěn)定性及可靠性，活性污泥水解過程中的氮、磷釋放并不會對改善系統(tǒng)的脫氮除磷性能造成負(fù)面影響。

評語：

國內(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)污泥處理帶來的一系列問題。因此其具備更好的研究意義和實際利用價值。本文研究了活性污泥水解發(fā)酵補充污水處理廠生物處理系統(tǒng)中的碳源，對不同水解工藝類型、不同水解對象的水解提供碳源能力的潛力等進(jìn)行了分析闡述。通過兩種活性污泥水解示范項目詳實闡明了活性污泥水解提供碳源對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)用價值，能為污水處理廠的規(guī)劃和改進(jìn)帶來良好的指導(dǎo)意義，且?guī)�來很好的�?jīng)濟效益。

本文榮獲《中國給水排水》2013年度“得利滿”優(yōu)秀論文一等獎

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