污水处理厂强化生物脱氮措施探析
污水处理厂强化生物脱氮措施探析
司文曦1，李辰2，马庆3
（1.华陆工程科技有限责任公司,陕西西安710065;2.天津市华博水务有限公司,天津300011;3.天津市青成自来水工程有限公司,天津300380)
摘要：针对污水厂经常出现的进水碳源不足的问题，从调整工艺运行模式、内碳源挖掘和外碳源的选择及投加等方面，对污水厂碳源的开发利用进行了探析，以强化生物脱氮效果，保证出水总氮的稳定达标，可为其他污水厂处理同类问题提供参考依据。
随着新《环境保护法》的实施以及《水污染防治行动计划》（“水十条”）的出台，我国大部分污水处理厂在运行过程中都面临着前所未有的压力。面对严厉的运行监管和更高标准的出水水质要求，如何保证出水水质的稳定达标尤其是出水总氮的稳定达标是各污水厂面临的首要问题。生物脱氮是目前应用最广泛的脱氮形式，但它受到各种因素的制约，其中碳源是影响生物脱氮的重要因素，直接影响生物脱氮的效果。目前，我国相当一部分污水厂存在进水碳源不足的问题，严重制约了生物脱氮效率，使得出水总氮往往不能稳定达标，这已成为不少污水处理厂迫切需要解决的问题。因此，寻找适宜的强化生物脱氮措施来解决污水厂碳源不足的问题，是提高生物脱氮效果的有效途径，也具有很重要的现实意义。
1 调整工艺运行
在生物脱氮除磷系统中，碳源大致消耗于释磷、反硝化和异养菌的正常代谢方面。在生物脱氮除磷工艺中，由于厌氧区的释磷消耗大量的易生物降解有机物，因此不可避免地影响缺氧区反硝化过程的进行。由于目前相当一部分污水厂存在进水碳源不足的问题，所以在污水生物脱氮除磷系统中的反硝化和释磷之间，存在着因碳源不足而引发的竞争性矛盾。
在污水厂的实际运行中，当进水碳源不足以同时满足生物脱氮和除磷时，由于总氮很难通过化学法去除，而总磷除了可以通过生物法去除外，还可通过后续深度处理工艺得以去除，因此当生物脱氮除磷因碳源不足而引发竞争时，宜优先利用有限的碳源进行生物脱氮，而总磷的去除可辅以化学除磷。
在工艺运行的具体操作中，应首先通过优化工艺运行参数提高生物脱氮效率，同时还可通过调整工艺运行方式来实现碳源的合理分配，以强化生物脱氮效果。调整工艺运行方式可通过多点进水、调整工艺运行模式以及深入挖掘工艺运行潜力等方面实现。
1.1 多点进水
多点进水也称为分段进水活性污泥法，是根据进水水质特点以及对脱氮除磷的要求，原水按一定比例分配至各功能池体，包括厌氧池和缺氧池等，从而实现碳源的合理分配。
近年来国外开发的分段进水生物脱氮除磷新工艺，在一定程度上优化了反硝化菌和聚磷菌对碳源的需求，具有脱氮效率高、操作管理简便和运行费用低等优点，在不增加外碳源的条件下，为解决碳源不足问题提供了思路。我国从20世纪90年代末开始关注分段进水生物脱氮除磷新工艺的开发与应用，吴淑云等对分段进水A/O工艺的最高脱氮率进行了探讨，认为其脱氮率受进水流量分配比和进水水质的影响；王伟等采用流量分配系数法对进水流量进行分配，研究了流量分配比对分段进水A/O工艺脱氮性能的影响。郭姣等采用不同的进水方式，比较了单点进水、不同配比的两点进水和多点进水对UCT工艺脱氮除磷效果的影响，试验结果表明多点进水更容易达到较好的同步脱氮除磷效果。目前，多点分段进水的运行方式正逐渐受到一些新建和改扩建污水厂的青睐。
1.2 调整工艺运行模式
多点进水运行模式只是对进水按不同的比例分配至不同的池体，本质上并没有改变工艺的运行模式，只是碳源的分配更加合理。目前，部分污水处理工艺设计在多点进水运行方式的基础上增加了多点内回流和多点外回流，通过进水点、内回流点和外回流点的调整，可实现多种工艺运行模式。如目前备受推崇的改良A/A/O工艺，可实现包括A/A/O、倒置A/A/O、脱氮A/O和A+A/A/O等多种运行模式。
付国楷等对低碳源污水厂的工艺选择和运行模式调整进行了研究，并建立了基于碳源利用的污水厂优化运行模式，在春季宜采用改良型A/A/O工艺运行；夏季宜采用预缺氧+倒置A/A/O工艺；秋季宜采用低氧/常氧交替运行的倒置A/A/O工艺；冬季宜采用倒置A2/O工艺。在此调控模式下，可有效实现总氮的强化去除。李朝阳等在某市政污水厂的运行过程中，针对出现的定期进水碳源不足的问题，提出了可行的强化脱氮措施。进水有机碳源不足时，通过提前将运行模式调整为脱氮A/O模式，利用有限的碳源最大限度地实现生物脱氮，牺牲生物除磷功能，有效保证了出水总氮的稳定达标。
1.3 挖掘工艺运行潜力
由于每个污水厂的处理工艺都不尽相同，为强化生物脱氮，应根据各自工艺的特点进行深入分析和挖掘。在原有工艺的基础上，通过改变池体功能、改变运行条件等方式增加进入生物池的可利用碳源量，从而提高脱氮效率。
如初沉池是设置在沉砂池之后的另一个非常重要的处理单元，其作用是进一步去除无机颗粒，然而初沉池的设置同时也带来了后续脱氮除磷阶段碳源量更低的问题，尤其对于某些进水低C/N值的污水厂而言，其碳源不足的矛盾将更加突出。为解决上述矛盾，一般可采取以下主要方式：①对于进水悬浮物浓度较低且波动不大的污水厂，可直接取消初沉池；②对于进水悬浮物浓度波动较大的污水厂，可在初沉池单元设置超越管；③减少初沉池的水力停留时间，这样可以在一定程度上缓解取消初沉池所带来的弊端。陈杰云等在重庆市某大型污水处理厂的运行过程中，进行了强化脱氮综合调控技术的生产性试验研究，该厂采取每座初沉池开启６格中的２格措施，将水力停留时间由1.69 h缩短到0.56 h，以增加进入生物池的可利用碳源量，采用该措施后进入生化池中的COD浓度提高了约15%。
位于美国内华达州的Henderson NV污水厂，运行人员将厌氧区第二个分格中的搅拌器关掉，每天只进行15 min左右的短时搅拌，进行混合液在线发酵。调整运行模式后，进水中的有机物被回流污泥迅速吸附后在该区域静止沉淀发酵，有效提高了脱氮除磷效果。
2 内碳源的挖掘
内碳源是指存在于污水处理系统本身的碳源，包括原污水中的可生物降解溶解性有机碳，以及从原污水中分离出来的颗粒态慢速降解有机物和活性污泥微生物死亡或破裂后自溶释放出来的可被利用的基质。在我国节能减排的环保政策指引下，内碳源的有效开发利用显得尤为迫切，因为这不仅可以实现污泥减量，还可以有效提高生物脱氮除磷效果。
采用污泥开发碳源，使污泥在污水处理厂内部进行循环利用，能在一定程度上解决污泥的处置问题，实现污泥的减量化、稳定化和资源化。
2.1 污泥破碎
污泥破碎是通过物理法、化学法、生物法及一些组合方法来破坏微生物的絮体结构和细胞壁，使其胞内物质能够有效释放出来，同时获得可溶解性有机物。近几年发展起来的污泥破碎方法有：物理法（高压喷射法、珠磨法、超声波法、加热法）、化学法（臭氧氧化法、氯气氧化法、湿式氧化法）、生物法及一些组合方法。Ana Soares等的研究发现，污泥破碎后VFAs 浓度提高了4.1倍，以破碎污泥作为碳源的磷释放量和反硝化速率均大于乙酸。Pantelis Kampas等对利用破碎剩余污泥为内碳源、乙酸作为外碳源和不外加碳源等几种方式的脱氮除磷效率进行对比，结果发现破碎污泥作为碳源磷的释放量和反硝化速率均大于乙酸和不外加碳源，破碎污泥作为碳源有利于生物脱氮除磷。
2.2 初沉污泥水解
建有初沉池的污水处理厂通常都不能满足生物脱氮除磷对碳源的需求，而取消初沉池则会增加好氧池的曝气能耗并降低生物处理工艺的稳定性。在生物处理系统内，初沉污泥是最具发展潜力的可利用碳源，通过生物热解、化学水解及生物水解等可将其中的固态有机物转化为易于生物利用的低分子溶解态有机物（即快速碳源），重新投加于污水处理系统，从而获得较高的脱氮除磷效率。利用初沉污泥发酵来增加生物可利用的碳源被证明是行之有效的、最简单、改造费用最低的一种方式。
初沉污泥水解已在北美一些国家成功应用并积累了大量经验，技术相对成熟，目前国内也进行了大量研究和应用。吴一平等以城市污水处理厂的初沉污泥为对象，利用厌氧水解将其转化为可生物利用的快速碳源，并用于生物脱氮，结果表明其脱氮率比甲醇作碳源时的脱氮率高1/3，初沉污泥体积减少1/5。同时，对初沉污泥水解转化为脱氮可利用的低分子碳源的影响因素（含固率、温度、停留时间及粒径等）进行了研究。王佳伟等以北京高碑店污水厂的升级改造工程为背景，开展了将普通初沉池改造成活性初沉池的生产性试验。结果表明，活性初沉池与未改造的普通初沉池相比，出水VFA、SBOD5、COD、C/N、C/P值分别增加了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显好于普通初沉池系列，将普通初沉池改造成活性初沉池是实现节能降耗和稳定达标的有效措施。李晓晨等通过现场试验对水解过程有机物的降解和悬浮物去除情况进行了分析，并通过批量实验对比了水解前后污水的反硝化速率。结果表明，采用厌氧水解取代初沉池作为生物脱氮的预处理工艺，可以有效提高后续生物处理工艺的效率，并可补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术逐渐成为研究热点，并逐步得到开发和应用，与投加外部商业碳源相比，该技术可充分挖掘污水厂潜在的内碳源，是可持续的绿色资源化技术。目前，北欧一些国家如丹麦、瑞典成功开展了活性污泥水解工艺研究，并得到成功应用；而我国在这方面的实践相对滞后，活性污泥水解多限于实验室研究阶段，生产规模的工艺案例相对较少。
目前，活性污泥水解工艺已形成了不同的工艺构型，从工艺类型上主要分为主流水解（MSH）和侧流水解（SSH）两种形式；从水解对象选择上分为混合液水解、回流污泥水解及剩余污泥水解三种。主流水解是指从二沉池回流到生物池的活性污泥全部经过一个厌氧水解发酵过程，而侧流水解工艺的水解池则独立于主生物池之外，在污泥回流环节设置一个单独的反应池，回流污泥中的一小部分进入SSH池，停留一段时间后的污泥再回流至主生物池，实现强化脱氮除磷的目的。
刘智晓等近几年对活性污泥水解工艺，包括工艺类型、水解过程及影响因素、水解潜力及水解产物等方面进行了系统阐述，并对污泥水解示范项目进行了详细介绍，为国内在开发活性污泥可持续性利用技术方面提供了借鉴。污泥水解示范项目马鞍山王家山污水处理厂由于进水碳源不足，直接制约了系统的脱氮除磷效果，考虑到污水厂进水碳源严重不足的情况，改造方案采用了SSH技术。为降低土建投资，利用原来一期三沟式氧化沟闲置池容，将其改造为SSH池，改造工程于2013年4月完成并投入运行。王家山污水厂改造后运行至今，出水指标尤其是营养盐指标得到显著改善，在进水COD及总氮平均含量分别为155.8 mg/L和36.8 mg/L且无外加碳源的情况下，出水总氮<15 mg/L，总磷<1 mg/L。
3 外碳源的选择及投加
调整工艺运行只是对碳源进行优化利用，将有限的碳源优先用于脱氮；内碳源的挖掘可有效改善碳源不足的问题，但如果进水碳源非常低，采用调整工艺运行和内碳源挖掘等措施也不足以保证生物脱氮需求时，必须通过外加碳源来保证出水总氮达标。
当前使用的外部碳源主要有甲醇、乙醇、乙酸、麦芽糖和葡萄糖等。杨巧林等对以上五种碳源的强化脱氮效果进行了测试。结果表明，小分子碳源物质在提高反硝化速率方面优于大分子碳源物质，其中投加乙酸的效果最好，其次为甲醇、乙醇和葡萄糖，而投加麦芽糖的效果最差。在选择碳源时必须综合考虑运行效果、经济性、安全性以及便利程度等因素，并结合污水厂的实际情况进行选择。在污水厂的实际运行中，为了降低运行成本，除选择商业碳源外，还可以积极寻求各种其他可利用的碳源，如粪便、可利用的废水等。
4 强化脱氮的生产性试验
某污水处理厂设计处理能力为4×104 m3/d，实际处理水量为2.4×104 m3/d左右，主要处理生活污水及部分医药医疗器械工业园内的工业废水，采用“分质进水分质预处理+改良A/A/O工艺+混凝沉淀过滤+消毒”的污水处理工艺。生活污水通过曝气沉砂预处理后直接进入生物池，而工业废水通过曝气沉砂池和水解酸化池后再进入生物池，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准。在实际运行过程中，进水水质变化较大，C/N值一般为1.7~5.0，生物脱氮受进水碳源含量的影响较大。为了保证系统出水总氮的稳定达标，该厂根据进水水质的变化特点，进行了一系列的生产性试验，摸索出了一套适合于本系统的强化生物脱氮措施。
当进水碳源相对充足时，通过多点配水优化碳源配置，尽量在保证脱氮效果的基础上实现对总磷的去除效果最大化；当进水碳源不足以同时满足生物脱氮除磷时，可通过调整进水点、内回流点和外回流点，将工艺运行改为脱氮模式，保证生物脱氮的效果，牺牲部分生物除磷功能，辅以化学除磷；当碳源严重不足时，必须通过补充一定量的外部碳源来保证脱氮效果，综合考虑该污水厂实际情况，选用葡萄糖作为外部碳源。
在采取上述强化生物脱氮措施的同时，该污水厂还利用现有工艺设施进行了内碳源的深挖掘，将剩余污泥由原来直接排入储泥池改为排至水解酸化池进行活性污泥水解，当水解酸化池内的污泥水解达到一定程度后进行排泥，并掺混少量剩余污泥以方便污泥脱水。采取该污泥水解措施后进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实现出水总氮的稳定达标。同时，通过污泥水解还实现了污泥减量化，平均产泥量（80%的脱水污泥）由12~15 t/d降至6 t/d左右。
5 结论
针对污水处理中经常出现的碳源不足问题，从调整工艺运行模式、内碳源挖掘和外碳源的选择及投加等方面，对污水厂碳源的开发利用进行了探析，以强化生物脱氮效果。在污水厂的实际运行中，应首先通过优化工艺运行参数提高生物脱氮效率，同时可通过调整工艺运行方式来实现碳源的合理分配，以强化生物脱氮效果。此外，外加碳源能够取得良好的脱氮效果，但长期投加无疑会增大运行成本和管理难度。利用污泥破碎、初沉污泥和活性污泥水解等技术，充分挖掘污水厂的“内碳源”，不仅能有效提高脱氮效率，还可以降低污水厂的运行能耗及污泥产量，是可持续的绿色资源化技术。但需要说明的是，因污水系统所处地域、进水水质、工艺条件的不同，并非所有的污水厂都适合采用污泥水解技术，需前期进行必要的污泥水解试验。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第16期“述评与讨论”栏目）
