以制糖廢水代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源實現(xiàn)城市污水高效脫氮除碳的可行性研究

丁邦宏

(水發(fā)眾興集團有限公司，山東 濟南 250102)

目前，我國絕大部分污水處理廠所使用的生物脫氮工藝是基于傳統(tǒng)硝化-反硝化理論所開發(fā)的。首先，污水中的氨氮在硝化過程被氧化成硝態(tài)氮，硝態(tài)氮再以有機物為電子供體經(jīng)過反硝化過程轉(zhuǎn)化為氮氣從而完成脫氮過程[2]。在此期間硝化過程需要高濃度氧氣，反硝化過程需要充足的有機物[3]。對于有機物貧瘠的低C/N生活污水而言，通常需要額外投加大量有機物以保證反硝化過程的進行。目前，污水處理廠常用的外加碳源包括乙酸鈉、甲酸、葡萄糖等小分子有機物[4]。這些有機物的消耗在增加污水處理成本的同時導致大量CO2的排放，顯然不符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和全面推進生態(tài)文明建設(shè)的要求。因此，有必要尋找新型可替代碳源在污水達標排放的同時最大程度降低污水處理成本。

與缺乏有機物的生活污水相比，以制糖廢水為代表的食品加工廢水含有大量的易降解有機物，COD可達幾百到上萬毫克。與其他化工廢水不同，制糖廢水不含重金屬等具有生物毒性的物質(zhì)，因此可以作為一種優(yōu)質(zhì)碳源用以支持生物脫氮過程的完成。以制糖廢水為碳源不僅減少了其自身處理過程的投入，還顯著降低了生活污水處理廠的運行成本。

綜上，基于“以廢治廢”的理念，本研究擬以山東某大型污水處理廠為研究對象，從脫氮除碳效能和污泥特性等宏觀層面評估以制糖廢水代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機碳源的可行性與穩(wěn)定性。

1 污水處理廠運行簡介

此水廠為山東省某城市污水處理廠，設(shè)計日處理規(guī)模13萬t，采用倒置A2/O工藝，其工藝流程圖如圖1所示。

城鎮(zhèn)污水首先由污水進廠管進入格柵間，經(jīng)粗格柵快速分離較大的固體雜物。之后通過提升泵房流入細格柵，連續(xù)清除流體中的細小雜質(zhì)。固液篩分完畢后，污水流入曝氣沉砂池，曝氣沉砂池為長形渠道，距池底60～90 cm處安設(shè)曝氣裝置，在其下部設(shè)置集砂斗，池底有i=0.1～0.5的坡度，以保證砂粒滑入。由于曝氣作用，廢水中有機顆粒經(jīng)常處于懸浮狀態(tài)，砂粒互相摩擦并承受曝氣的剪切力，去除砂粒上附著的有機污染物。在旋流的離心力作用下，這些密度較大的砂粒被甩向外部沉入集砂槽，而密度較小的有機物隨水流向前流動被帶到下一處理單元。另外，在水中曝氣可脫臭，改善水質(zhì)，有利于后續(xù)處理，還可起到預曝氣作用。為使一些難生物降解大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易降解的小分子物質(zhì)，曝氣沉砂池出水隨后流入水解酸化池，在水解菌、產(chǎn)酸菌的作用下，提高廢水的可生化性和降解速率，以利于后續(xù)好氧生物處理。本污水處理系統(tǒng)核心單元為倒置的A2/O生化反應(yīng)池，作為活性污泥法的一種，將傳統(tǒng)的A2/O工藝中的厭氧和缺氧環(huán)境倒置，形成缺氧、厭氧、好氧的流程，不僅能高效去除BOD，還能顯著提高生化反應(yīng)系統(tǒng)的脫氮除磷功能。最后經(jīng)A2/O工藝處理后的污水再通過二沉池泥水分離，D型濾池的纖維濾料過濾和二氧化氯消毒后，出水水質(zhì)達到排放標準。

圖1 工藝流程圖

2 進水水質(zhì)和試驗方法

該污水處理廠進水水質(zhì)是典型的生活污水，進水中無機氮幾乎只含有氨氮，平均濃度為35 mg/L(表1)。制糖廢水水質(zhì)見表2，COD濃度高達52 130 mg/L。此外，作為食品加工廢水，制糖廢水中氮、磷污染物濃度較高。然而，由于制糖廢水每日投加量有限，因此其中污染物在被稀釋后對整體水質(zhì)的影響可以忽略。

表1 污水處理廠進水性質(zhì)

該水廠以碳源投加種類為變量，分別嘗試了乙酸鈉和制糖廠廢水兩種碳源。碳源均是在污水經(jīng)細格柵固液篩分后，進入曝氣沉砂池之前投加。每日取500 mL進出水用于測樣分析。

表2 制糖廠廢水水質(zhì)

3 分析方法

樣品在通過定性濾紙過濾后，對進水和出水樣品進行分析。氨氮、總氮、總磷、硝氮通過紫外分光光度計(北京普析通用)測定，并使用COD快速分析裝置(北京連華科技有限公司)測量COD。MLSS、MLVSS、粒徑均通過標準方法測定。

4 結(jié)果與討論

4.1 污水處理廠脫氮除碳效能評估

該水廠運行階段可以根據(jù)所加碳源不同劃分為兩個階段：乙酸鈉階段和制糖廢水階段。本研究分別選取兩個階段中各90天的數(shù)據(jù)進行分析研究。在整個180天的運行中，進水中氮素污染主要為氨氮，濃度在35±15 mg/L之間波動。由于亞硝與硝氮濃度均低于1 mg/L，因此默認進水中只含氨氮。除氮素污染物外，生活污水中還有大量有機物且波動幅度更大，COD達到300±200 mg/L。由圖2(a)可知，乙酸鈉階段氨氮的去除率非常穩(wěn)定，出水中氨氮平均濃度為0.94 mg/L，平均去除率達到96.70%。與此同時，出水中硝態(tài)氮、亞硝和總氮平均濃度分別為0.56 mg/L、0.11 mg/L和13.63 mg/L(見表3)，達到國家《城鎮(zhèn)生活污水處理廠排放標準》一級A排放標準。作為一種常見低分子易降解有機物，乙酸鈉的投加不會增加COD處理的負擔。由圖2(b)所示，即便進水COD高達550 mg/L，COD去除率仍然達到了90%以上。然而，從第60天到第80天，進水中COD顯著從368降低至155 mg/L。相應(yīng)地，COD去除率從89.36%持續(xù)降低至83.62%。這是由于進水中基質(zhì)不足導致微生物老化衰亡所導致的。

(a)

總體上來說，第91天將碳源更換為制糖廢水對整個污水處理廠脫氮除碳效能無顯著影響，表明污水處理廠中硝化菌和反硝化菌等主要脫氮功能菌對制糖廢水均有較好的適應(yīng)能力，這與該制糖廢水中不含重金屬等有害物質(zhì)密切相關(guān)。在更換制糖廢水后甚至出現(xiàn)了氨氮去除(96.70%)略高于乙酸鈉階段的情況(97.35%)。然而，從圖2(b)可以看到，制糖廢水階段氨氮和COD去除率的波動幅度更大，穩(wěn)定性相對于乙酸鈉較差。作為一種工業(yè)廢水，制糖廢水無論成分、含量還是水量均會存在明顯波動，導致后續(xù)生活污水處理廠脫氮除碳效能不穩(wěn)定。通過實時監(jiān)測出水水質(zhì)及時調(diào)整制糖廢水投加量的措施能夠有效削減制糖廢水水質(zhì)波動所帶來的負面影響。在90天的運行中，僅有3天出水總氮超過15 mg/L，(15.3～15.9 mg/L)，平均出水總氮僅為13.32 mg/L，同樣達到國家《城鎮(zhèn)生活污水處理廠排放標準》一級A排放標準。制糖廢水帶來的波動客觀存在，但是其所帶來的經(jīng)濟效益同樣不可忽視，甚至使得其成為一種比乙酸鈉更優(yōu)的選擇。綜上，在污水處理過程中使用高濃度制糖廢水代替常規(guī)碳源是可行的。

表3 各階段進出水總氮

4.2 污水處理廠污泥特性表征

對于以活性污泥法為主的生活污水處理廠來說，污泥特性的變化將直接影響著污染物去除效果，最終決定著出水水質(zhì)是否能夠達標排放。因此，除了污染物去除效能外，本研究還聚焦于生化池(改良型A2/O)污泥特性對乙酸鈉和制糖廢水的響應(yīng)。表4中分別列舉了乙酸鈉和制糖廢水階段生化池中混合液懸浮固體濃度(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)、污泥體積指數(shù)(SVI)、揮發(fā)比(VSS/SS)和平均粒徑等污泥指標。無論乙酸鈉還是制糖廢水階段，生化池MLSS與MLVSS均隨著時間的延長逐漸升高，表明微生物得到富集。這是整個運行期間污水處理廠出水能夠達標排放的重要前提。值得注意的是，制糖廢水階段SVI整體低于乙酸鈉階段，表明制糖廢水階段污泥沉降性能優(yōu)于乙酸鈉階段。彭永臻等人[4]的研究表明，在四種污水處理廠常用碳源(乙酸鈉、葡萄糖、甲醇、乙醇)中，乙酸鈉對污泥沉降性能影響更顯著。張立卿等人[5]同樣報道了類似情況，即在活性污泥體系中有機負荷較低時投加乙酸鈉容易引發(fā)污泥絲狀膨脹，導致出水中懸浮物(SS)較多。

此外，觀察到制糖廢水階段VSS/SS同樣低于乙酸鈉階段，表明制糖廢水階段活性污泥中無機物占比更高。無機組分占比的提高意味著污泥密度的增加，有利于污泥沉降性能的改善，與SVI結(jié)果相一致。此外，早期研究中通過VSS/SS衡量污泥強度，VSS/SS越小，表明污泥機械強度越高，抗沖擊能力越強[6]。因此，制糖廢水的引入不僅強化了污泥沉降性能，減輕污泥膨脹的危險；而且強化了污泥的機械強度，提升了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。可能的原因是制糖廢水中有機物組分相對復雜，可以看作是一種復合碳源，能夠避免因長期使用單一碳源導致某些異養(yǎng)微生物碳代謝途徑被抑制而衰亡的發(fā)生。其次，與乙酸鈉相比，制糖廢水中無機離子含量相對較高，因此容易形成更多的無機沉淀。綜上，制糖廢水對污水處理廠生化池中污泥特性的提升有一定促進作用。

表4 不同階段生化池中污泥特性

4.3 本研究的意義

與其他大部分研究不同，本研究并非在實驗室或中試規(guī)模進行，而是在某日處理量高達13萬t的大型城鎮(zhèn)污水處理廠中進行，因此試驗結(jié)果更具借鑒與參考意義。對比分析了污水處理廠中常用的幾種碳源和制糖廢水的優(yōu)缺點，并按照日處理量13萬t的水量進行簡單的經(jīng)濟成本核算(表5)。結(jié)果表明，甲醇是成本最低的碳源，每日運行總成本僅為2.60萬元，這與甲醇COD當量高達1.5 g COD/g有關(guān)，幾乎是乙酸鈉的兩倍。然而，盡管甲醇在投加量與價格方面有顯著優(yōu)勢，其易燃易爆的危險特性表明甲醇不是一種較好的選擇。乙酸鈉是最常用的外加碳源，其性質(zhì)穩(wěn)定，COD當量也高于葡萄糖。然而，較高的單價導致其每日運行總成本高達9.17萬元。與上述傳統(tǒng)碳源相比，制糖廢水的運行成本只有極少的運輸成本，經(jīng)濟優(yōu)勢顯而易見。此外，幫制糖廠處理廢水甚至還能幫水廠創(chuàng)收，可謂一舉兩得。

表5 各種碳源優(yōu)缺點及運行成本

5 結(jié) 論

本研究從脫氮除碳效能、污泥特性以及經(jīng)濟成本核算三方面評估了用制糖廢水代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源的可行性。結(jié)果表明更換制糖廢水后，出水水質(zhì)仍然達到國家一級A排放標準。通過實時監(jiān)控及時調(diào)整投加量的方式能夠有效減弱制糖廢水水質(zhì)波動所造成的負面影響。污泥特性的變化表明制糖廢水對生化池中活性污泥沉降性能與機械強度有一定促進作用。最后，成本核算表明制糖廢水每天可為日處理量13萬t的污水處理廠節(jié)約8萬元左右的運行成本。