SODP創新自養低碳綠色脫氮技術在餐廚廢水中的應用研究

＊劉波考 陽立平 李海波 劉濟忠 石井裕之

（1.東莞市臺騰環保材料科技有限公司 廣東 523586 2.深圳高速環境有限公司 廣東 518038 3.天津城建大學 天津 300192）

隨著“碳達峰”“碳中和”“30/60”目標的制定，以及《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》的出臺，污水處理行業的低碳減排成為環境產業未來的一大趨勢。餐廚垃圾廢水是一種成分復雜、高有機物、高總氮但可生化性好的廢水[1]，現有餐廚垃圾廢水處理工藝最常用工藝主要有“預處理+厭氧+A/O+超濾膜處理技術”和“預處理+A/O+MBR+超濾膜處理技術”[1]，該組合工藝可以有效去除廢水中難降解有機物，實現餐廚廢液深度處理。餐廚垃圾廢水傳統生化反硝化脫氮需要消耗大量有機碳源，維持反硝化碳氮比（C:N=5:6），碳源不足需補充投加，無法避免操作繁瑣和成本高的缺點[2-3]。本文研究對象是貴陽某餐廚垃圾處理廠采用預處理+厭氧+A/O+超濾膜處理工藝，生化改造前投加大量甲醇，運行費用高，且出水COD容易超標，改造后末端出水新增SODP自養脫氮設施后停投甲醇，出水穩定達標，年節約碳源500萬，全年累計減排CO2約1611t，該工藝推廣為高濃度總氮廢水處理提供借鑒經驗。

1.生物脫氮技術研究現狀

生物脫氮技術指在微生物的作用下，污水中的有機氮同化為內源氮或異化為無機氮，最后轉化為氮氣的過程。生物脫氮的主要優點是脫氮效率高、工藝流程簡單和成本低。脫氮基本原理是厭氧氨化將有機氮轉為氨氮再通過好氧硝化作用，將氨氮轉化為亞硝態氮、硝態氮，最后在缺氧條件下通過反硝化作用將硝態氮、亞硝態氮轉為氮氣。

(1)傳統深度脫氮異養反硝化

生物反硝化脫氮分為異養和自養，異養脫氮需投加甲醇、乙酸鈉等碳源，存在成本高、后續有二次污染等問題，而自養反硝化可用無機物作為電子供體，不需要外加有機物。

傳統異養脫氮如A2/O等主要通過內回流來進行脫氮，循環量一般為100%～200%，效率難以提高，且動力成本較高。二級深度脫氮主要采用深床反硝化濾池，利用附著在濾料上反硝化細菌生物膜厭氧或缺氧條件下將硝氮、亞硝氮轉化為氮氣，從而確保出水總氮達標。

張敏、劉秀紅等[4-5]利用以陶粒為濾料的反硝化濾池，對硝酸鹽氮微污染地表水進行了脫氮研究，表明生物濾池在添加適量有機碳源條件下可獲得較高脫氮率。

劉金瀚等[6]以火山巖作為濾料構建反硝化濾池處理生化出水，表明對NO3-N平均進水濃度8mg/L的廢水脫氮需加乙酸鈉保持C/N比高于8才可使出水TN＜1mg/L，水質波動時難以及時調節碳源用量，成本較高。

(2)SODP自養低碳生物脫氮技術簡介

所謂硫自養反硝化是指自養反硝化菌可利用無機碳（如C032-、HCO3-）合成細胞，在缺氧或厭氧條件下利用還原態硫（S2-、S、S2032-等硫源）作為電子供體，通過氧化硫獲取能量，同時以硝酸鹽為電子受體，將其還原為氮氣[7]。

SODP（Sulfur Oxidation Denitrification Pellet）自養反硝化復合生物載體是一種以由硫、天然礦物元素、電子介導體、生物活性酶、堿度平衡劑等活性組分優化設計而成的綠色脫氮系統，具有高密度生物持有量、多元電子傳遞特征，通過馴化成功后可負載高密度脫氮硫桿菌而實現高效率低碳綠色脫氮，具有節約碳源、污泥產量低等優點。

2.工藝概述

(1)處理工藝簡介

項目廢水主要為厭氧發酵污水、設備清洗水，經廠區污水管網收集后集中進入廠內已建污水處理站進行處理，經過預處理“（隔油氣浮）+兩級AO生化處理+MBR+SODP自養反硝化深度脫氮處理”，設計水量為700m3/d，進水總氮為700mg/L，升級改造后，總氮需低于70mg/L，通過自建污水管網進入下游污水處理廠。

(2)進水水質

SODP自養工藝實施為貴州某餐廚垃圾處理廠中經厭氧發酵、缺氧、好氧、MBR膜處理后的廢水，其中采集5日數據進行分析，進水水質指標參見表1。

由表1可知，SODP脫氮系統進水總氮≤700mg/L，硝態氮占95%，凱氮（氨氮+有機氮）占5%，適合采用自養脫氮工藝。

表1 SODP自養脫氮工藝進水水質列表

(3)出水數據分析

SODP自養脫氮工藝設計進水總氮≤700mg/L，進水凱氏氮（KN≤30mg/L），設計脫氮工藝一級出水總氮≤200mg/L，二級出水總氮≤70mg/L，載體接觸HRT=39h，出水數據參照表2。

表2 SODP自養脫氮工藝出水數據統計表

3.結果與討論

(1)SODP自養脫氮效果評估

圖1 SODP自養反硝化深床脫氮濾池進出水總氮對比

該餐廚廢水經過SODP深床反硝化脫氮濾池實際處理后，排水總氮≤30mg/L，排水硝態氮≤5mg/L，總氮去除率≥95%，硝氮去除率≥99%，設計日處理硝氮負荷410kg/d，實際處理負荷約485kg/d。

圖2 SODP自養反硝化深床脫氮濾池總和硝態氮去除率對比圖

(2)SODP自養脫氮對COD、pH的去除

通過進出水數據分析在脫氮系統過程中也伴隨COD降低，平均去除率約30%，表明自養脫氮的過程中利用好氧出水底物殘留有機物作為碳源，提供電子存在著異養脫氮的暗反應，整個脫氮反應過程為自養為主、異養為輔的混合營養。自養脫氮反應是一個pH降低的過程，自養脫氮硫桿菌可在pH為4.0～9.5的條件下生長[8]，進水pH在7.5～8，出水pH在6.9～7，由于填料已包埋補充反應所需堿基，反應在pH降低過程中隨時補充消耗堿度，脫氮效率沒有受影響。

圖3 SODP硫自養脫氮處理餐廚廢水進出水COD變化

圖4 SODP硫自養脫氮處理餐廚廢水進出水pH變化

(3)固化填料SEM電鏡分析

圖5 QCL-SODP填料固化前SEM掃描電鏡圖片（放大100倍）

脫氮填料馴化前后電鏡放大100倍對比，固化前填料表面平整，呈片狀及粒狀結構，固化后填料表面呈蜂窩多孔，分析為專屬脫氮硫桿菌依托硝氮吞噬載體表面及內部營養完成自身營養代謝，微生物在載體表面及內部大量繁殖，在填料中“鑿洞”固化。

4.效益分析

(1)經濟效益分析

餐廚廢水治理使用傳統生化去除水中硝態氮，反硝化反應式：2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O傳統生化法反硝化菌脫氮的同時需要消耗有機碳源，碳源一般按C:N=5:6計算消耗量，碳源的投加量計算公式：C=V×G/X。

式中：C—碳源投加量；V—處理水量；G—需要補充COD的差值；X—碳源換算成的COD量。

①采用乙酸鈉噸水運行費用4000元×2.826t乙酸鈉/700m3/d=16.14元。

②采用甲醇碳源噸水運行費用3000元×1.47t甲醇/700m3/d=6.3元。

③采用自氧脫氮無需添加任何營養源，3年后約添加初始載體投加量的3%，本項目設計初始添加量1375t。

每噸填料按市場價10000元，即1375t×0.03=40t，3年后每年運行費用約40萬，噸水運行費用約1.56元。

表3 碳源投加計算分析表

(2)環境效益分析

“碳達峰”“碳中和”是今年全國兩會的熱詞。SODP自養脫氮技術是一項綠色脫氮技術，零碳源的投加，在節省碳源降低污水廠運行費用的同時減排了碳源產生CO2及污泥量的產生。貴州該餐廚污水處理廠處理能力700m3/d，正常碳源投加單耗按2100mg/L計，每年可節省甲醇537t，傳統甲醇以煤制甲醇為主，生產1t甲醇需要煤1.35t，同時約排放3噸的二氧化碳，相當于減排二氧化碳1611t。

5.結論與展望

SODP創新無機自養脫氮技術出現，使得污水處理廠可以大幅降低能耗和有機碳源消耗，更有能力轉化為零能耗或者能量輸出的“碳中和”型污水廠。中國工業污水及城市生活污水廠提標改造，尤其餐廚廢水，長期存在碳氮比低，需長期投加補充碳源脫氮的情況，SODP無機自養脫氮技術可以在未來水環境治理中發揮越來越重要的作用。