餐廚預處理三相水作為碳源在餐廚沼液處理中的應用研究

田延威 丁乃初 黃興東 褚禛 單君 朱麗可 張思運

（維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇常州 213000）

1 引言

餐廚垃圾厭氧發酵后產生的沼液中含有未被發酵分解的果皮、蔬菜、米面、魚、肉等有機物，餐廚垃圾中蛋白質被氨化后留下的含氮化合物，脫水后殘余的懸浮物等。該污水具有水量大、排水不均勻、有機物及氨氮濃度高、雜質和懸浮物多、鹽分含量高、易腐發酵發臭等特點［1］，是一種高有機物、高氨氮、高總氮的高難度處理污水。此類廢水在進行深度脫氨處理過程中，反硝化碳源嚴重不足，需投加碳源，以提高脫氮效率［2］。目前大部分污水處理廠通常利用甲醇、葡萄糖等作為外加碳源，但此類碳源價格昂貴，用于污水廠碳源成本較高［3］，盡管目前已有利用餐廚垃圾處理后溶液進行污水處理的研究［4-5］，但并未進行工程實例的應用，因此，尋求經濟合理的碳源應用于實際工程勢在必行［6］。

本文以河南某餐廚垃圾處理廠實際工程為例，采用餐廚預處理三相水作為碳源，投加至污水處理系統中，分析其處理工藝、設計參數、運行效果并進行經濟評價，以期為餐廚沼液及同類水質特點的項目應用碳源提供一定的參考。

2 項目基本情況

2.1 設計規模

河南某餐廚垃圾處理廠主要處理餐廚垃圾和地溝油，設計能力為100 t/d 餐廚垃圾和20 t/d 地溝油，采用“預處理＋濕式厭氧發酵”工藝。污水的主要來源為餐廚垃圾和地溝油經過預處理后，聯合厭氧后的沼液、生活污水、廠區沖洗水等廢水。根據全廠的水量平衡分析，進入污水處理系統的水量為140 t/d，因此該項目污水處理系統設計處理規模為150 t/d。

2.2 設計進、出水水質

厭氧沼液（約占總污水量的80%）［7］中，COD、BOD5、NH3－N、TN、SS、TP、動植物油脂等濃度較高，水質波動大；生活污水和廠區沖洗水（各占總污水量的15%和5%）水量較小，主要污染物指標分別為NH3－N、TN、SS、COD、動植物油脂。

污水水量及主要污染物情況見表1。

表1 污水水量及主要特征污染物 m3/d

根據同類項目的實際進水情況，確定本項目進水水質，按照本項目環境影響評價報告及批復意見，污水處理系統出水水質滿足GB/T 31962—2015《污水排入城鎮下水道水質標準》A 級標準中的要求。

主要的設計進、出水水質見表2。

表2 設計進、出水指標 mg/L

3 處理工藝

餐廚沼液具有有機物濃度大、懸浮物含量高、總氮濃度高等特點［8］，本污水處理系統工藝確定遵循如下原則：

（1）鑒于生物法的經濟性與環保性，污水中的絕大部分有機污染物（COD）和氨氮應采用生物法進行降解去除，盡量避免污染物的二次轉移。

（2）結合本項目的出水排放要求，采用生物法即可達到出水標準［9］，同時為避免生物法處理后出現水質波動的情況，采用物理法（如膜技術）和化學法（如混凝沉淀）對經過生物法處理后的殘留污染物進行處理，即采用“生物＋物化”的組合工藝。

綜合考慮本項目主體工藝路線確定為“預處理（離心脫水＋氣浮）＋兩級A/O＋UF＋混凝沉淀”工藝，本工藝路線成熟穩定、技術先進可靠。

沼液處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 沼液處理工藝流程

4 主要工藝路線及設計參數

根據工藝流程，本項目污水處理可以分為預處理、調節池、MBR 及混凝沉淀4 個系統［10-11］。

4.1 預處理系統

厭氧發酵系統沼液從沼液罐自流至沼液池，由于沼液中固體物含量較高，且可能含有纖維等顆粒較大的物質，在離心脫水前設置污泥粉碎機，粉碎后的沼液泵送至污泥脫水機進行離心脫水，脫水后的沼渣含水率降至80%后外運處置，沼液自流至濾液池。此時沼液中的SS 和油含量仍然較高，通過氣浮機氣浮后沼液自流至調節池。

預處理系統主要配置：2 臺污泥脫水機，分別用于沼液和生化污泥脫水，沼液脫水機處理量為25 m3/h，生化污泥脫水機處理量為10 m3/h；污泥粉碎機1 臺，處理量為25 m3/h；氣浮機1 臺，處理量為10 m3/h；沼液脫水進料泵1 臺，處理量為25 m3/h；生化脫水進料泵1 臺，處理量為10 m3/h；氣浮進料泵1 臺，處理量為10 m3/h。設置主要構筑物：沼液池1 座，有效容積為150 m3；生化污泥池1 座，有效容積為65 m3；濾液池1 座，有效容積為30 m3。

4.2 調節池系統

餐廚污水經過厭氧處理后，COD 得到大幅度降解，但對氨氮沒有去除作用，而且一部分有機氮會轉化為氨氮，可能會導致厭氧出水的碳氮比失調，因此，考慮設置碳源投加裝置，可利用預處理三相水作為碳源進行水質調節，以獲得合適的碳氮比。調節池內的污水由MBR 進水泵提升進入外置式膜生化反應器，為保護后續的膜處理單元，在系統前設有過濾級別為0.8 mm 的過濾器，以防止大顆粒固體物進入后續的處理單元。

調節池系統主要配置：碳源儲罐1 座，容積為10 m3；碳源投加泵1 臺，處理量為200 L/h；MBR 進水泵2 臺（1 用1 備），處理量為10 m3/h；袋式過濾器2 臺（1 用1 備），處理量為10 m3/h。設置主要構筑物：調節池1 座，有效容積180 m3。

4.3 MBR 系統

膜生化反應器主要由一級反硝化、硝化系統，二級反硝化、硝化系統和超濾單元組成。將兩級生物脫氮技術與膜生化反應器技術組合，同時綜合了兩級生物脫氮技術與MBR 技術的優點。當一級反硝化池和一級硝化脫氮不完全時，一級反硝化、硝化過程中殘留的氨氮、硝態氮和亞硝態氮可在二級反硝化池和二級硝化池中進行深度脫氮反應，從而保障生化脫氮的完全性和穩定性［12］。一級、二級硝化池采用鼓風射流曝氣，以增加水中溶解氧；由于生化池內污水溫度較高，為使池內溫度保持在硝化反應適宜范圍內，設置冷卻塔和換熱設備對硝化池污水進行換熱。

MBR 系統主要配置：一級射流曝氣器1 套；一級射流循環泵2 臺，處理量為300 m3/h；硝酸鹽回流泵1 臺，處理量為300 m3/h；鼓風機3 臺，風量為1 250 m3/h；二級射流曝氣器1 套；二級射流循環泵1 臺，處理量為75 m3/h；超濾進水泵2 臺（1 用1備），處理量為75 m3/h；超濾集成設備1 套，處理量為150 m3/h；超濾清液罐1 座，容積為10 m3；超濾清液外排泵1 臺，處理量為10 m3/h。設置主要構筑物：一級反硝化池1 座，有效容積為790 m3；一級消化池2 座，總有效容積為1 300 m3；二級反硝化池1 座，有效容積為2 800 m3；一級消化池1 座，有效容積為280 m3。

4.4 混凝沉淀系統

經過外置式MBR 處理的超濾出水不穩定，COD，TP 和SS 會有波動，設置混凝沉淀裝置進一步去除超標物質，確保最終出水達標排放，沉淀污泥排入生化污泥池中，與生化污泥混合脫水。

混凝沉淀系統主要配置：混凝沉淀裝置1 套，處理量為10 m3/h；清液外排泵1 臺，處理量為10 m3/h。配置主要構筑物：清液池1 座，有效容積為150 m3。

5 碳源及投加方法

5.1 外加碳源

本項目外加碳源為工業甲醇和餐廚預處理三相水［13］。其中餐廚預處理三相水為本項目預處理系統經過“分選、除砂、除渣”后加熱進行三相提油后的水相，該物料呈酸性，COD，TS 含量高，且易生物降解。兩種外加碳源具體指標見表3。

表3 外加碳源類別及性質

5.2 投加方法

研究表明［14-15］，在COD/NO3-－N 為6.0 的條件下，硝態氮去除速率較快，累計的亞硝態氮及時被還原，出水總氮符合要求，總體上脫氮處理效果較好。因此，經換算生化系統COD/TN 在7.0 左右條件下效果最佳。

餐廚預處理的三相水TS 含量高［16］，如直接投加至調節池中，會對生化和膜系統沖擊較大，因此，三相水投加位置為脫水前的沼液池或氣浮前的濾液池，去除大部分SS。工程調試成功后，于2022 年5—9 月進行了5 個月的工況試驗，具體方法見表4。

表4 試驗運行條件 m3/d

6 工程運行效果

項目建成投運后，按照試驗方法運行，污水處理系統實際接納水量120～155 m3/d，平均值在140 m3/d左右。從5 個月的運行數據中，得到不同碳源情況下系統COD 去除效果，見表5。

表5 不同碳源情況下系統COD 去除效果

不同碳源情況下系統TN 去除效果見表6。

表6 不同碳源情況下系統TN 去除效果

不同碳源情況下系統TP 去除效果見表7。

表7 不同碳源情況下系統TP 去除效果

從表5～7 可知，5 種碳源投加的試驗方式，COD，TN，TP 指標均能穩定達到出水標準要求。

從表4 和表5 可知，6 月和7 月在沼液池中分別投加三相水量為12 m3/d 和25 m3/d，混合沼液后COD 平均可達33 679 mg/L 和45 189 mg/L，但經過脫水和氣浮后，COD 平均分別降為10 864 mg/L 和15 546 mg/L；8 月和9 月在濾液池中分別投加三相水量為5 m3/d 和10 m3/d，混合沼液后COD 平均可達140 82 mg/L 和23 987 mg/L，但經過氣浮后COD平均分別降為10 214 mg/L 和14 582 mg/L。這是由于三相水中COD 一部分溶解在水相中，一部分在懸浮物中，經過脫水和氣浮去除大部分懸浮物后，懸浮物中的COD 進到脫水污泥中外排。

通過表6 和表7 中的數據計算后可知，6 月和7月在沼液池中投加三相水量后，平均TN 分別增加了8.32%和12.97%，平均TP 分別增加了13.50%和48.16%；8 月和9 月在沼液池中投加三相水量后，平均TN 分別增加了7.85%和5.81%，平均TP 分別增加了9.18%和10.56%。比較分析，TN 增幅不大，對于生化系統幾乎沒有影響；但TP 增幅較大，尤其是7月，因此，在氣浮階段需要加大PAC 藥劑的投入。

7 經濟評價

試驗運行過程中主要針對碳源及脫水段、氣浮段、混凝沉淀段的聚丙烯酰胺（PAM）和聚合氯化鋁（PAC）藥劑成本進行統計分析，具體成本見表8。

表8 不同碳源情況下藥劑成本分析 元/t

從表8 可知，5 月藥劑成本中，碳源占藥劑成本的50%以上；6—9 月平均總藥劑成本比5 月分別降低了8.02，14.70，12.81，18.47 元/t，因此，減少碳源投入，增加三相水量，可有效降低藥劑成本。從表8 中可知，5 個月的平均藥劑成本中，9 月的平均藥劑成本最低，為26.31 元/t，9 月平均總藥劑成本比5 月降低了41.25%，因此，餐廚預處理三相水可作為碳源，投加位置選擇濾液池，在保障出水水質穩定達標的同時，可有效降低藥劑成本。

8 結論

餐廚垃圾厭氧發酵后產生的沼液C/N 比失衡嚴重，進行深度脫氨處理過程中，反硝化碳源嚴重不足，餐廚預處理三相水可作為碳源，主體工藝路線采用“預處理（離心脫水＋氣浮）＋兩級A/O＋UF＋混凝沉淀”工藝，出水水質可穩定達到GB/T 31962—2015《污水排入城鎮下水道水質標準》A 級標準中的要求。結果表明，減少碳源投入，增加三相水量，可有效降低藥劑成本；三相水作為碳源投加到濾液池中，藥劑成本可降低41.25%，該運行方式在經濟效益方面有明顯的優勢，可以為餐廚沼液處理及其他同類項目建設和運行提供有益參考和借鑒。

日常運行過程中，需加強生化污泥的監測和膜處理設備的維護保養，定時排泥防止生化系統污泥膨脹，膜處理設備定期清洗，確保膜使用壽命。另外，三相水投加前還應檢測油脂含量，防止油脂對生化系統產生不良影響。