祝磊,鄭興燦,李圭白,殷益明,孫永利

(1.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，黑龍江 哈爾濱 150090；2.江蘇一環(huán)集團(tuán)有限公司，江蘇 宜興 214206；3.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300070)

顆粒有機(jī)物是生活污水COD的主要貢獻(xiàn)來源，早期的污水處理以有機(jī)物去除為主要目標(biāo)，有機(jī)物作為污染物隨初沉等預(yù)處理工藝得到去除。但隨著脫氮除磷要求的提高，城鎮(zhèn)污水處理廠普遍出現(xiàn)脫氮除磷所需碳源不足、碳氮比(BOD5/TN)偏低、污泥泥砂含量過高等問題[1]。郭泓利等[2]分析全國127座污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)80%污水處理廠的BOD5/TN低于3.6，22%的污水處理廠SS/BOD5值低于1.2，碳源不足和無機(jī)組分含量低等問題較為嚴(yán)重。傳統(tǒng)初沉池的核心功能是去除進(jìn)水中的SS，以提升后續(xù)生物單元的有機(jī)組分含量并降低有機(jī)負(fù)荷[3]。但由于進(jìn)水COD大部分以顆粒態(tài)形式存在，傳統(tǒng)初沉池在去除SS的同時(shí)也去除了大量的COD，從而加劇了污水廠碳源不足的問題，因此有些地區(qū)提出要取消初沉池[4]。而取消初沉池又會導(dǎo)致大量泥砂等無機(jī)組分進(jìn)入生化系統(tǒng)，導(dǎo)致生化系統(tǒng)無機(jī)組分含量偏高并形成巨大的沖擊負(fù)荷，影響生化系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[4-6]。開發(fā)同時(shí)具有無機(jī)組分截留去除和碳源結(jié)構(gòu)改善功能的新型初沉池，提高進(jìn)入生物處理單元污水的有機(jī)物濃度和可生化性，并據(jù)此提升生物處理單元的有機(jī)組分含量和快速可生物降解有機(jī)物濃度，對改善城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)運(yùn)行效能，提高生物系統(tǒng)池容利用率具有重要的工程應(yīng)用和理論研究價(jià)值。

1 初沉池碳源改善機(jī)理

生活污水中的有機(jī)物多以顆粒態(tài)存在，部分地區(qū)生活污水有機(jī)物中顆粒態(tài)有機(jī)物的比例已經(jīng)超過60%，其中快速、慢速、難生物降解有機(jī)物比例分別為15.58%,54.2%和30%[4]。通過初沉池SS吸附攜帶去除的有機(jī)物以蛋白質(zhì)、糖類和脂肪為主，造成對污水處理廠碳源的部分損耗[3,7]。研究表明，合理優(yōu)化和調(diào)整初沉池的HRT和SRT，不僅可以保障SS的去除效果，還可以將顆粒態(tài)有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化控制在水解產(chǎn)酸階段，實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳源結(jié)構(gòu)的改善。結(jié)合Alberto Rozzi和Enrico Remigi[7]的研究成果，發(fā)現(xiàn)新型初沉池污泥中有機(jī)物的轉(zhuǎn)化可分為2個階段：1)水解階段，顆粒態(tài)有機(jī)物在分解、溶解和酶水解等作用下由顆粒物變?yōu)槿芙庑源蠓肿蛹靶》肿游镔|(zhì)；2)酸化階段，主要是單糖、氨基酸等為主的小分子物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類和酮類等物質(zhì)。新型初沉池中沉降顆粒有機(jī)物的厭氧發(fā)酵過程路徑見圖1。

圖1 新型初沉系統(tǒng)中有機(jī)物分解過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of decomposition process of organic matter in the new type primary sedimentation tank

2 新型初沉池在國外研究進(jìn)展

國外污水處理廠已經(jīng)開始廣泛采用初沉污泥發(fā)酵提取碳源的工藝技術(shù)，并用其生產(chǎn)的含揮發(fā)性脂肪酸的混合發(fā)酵液進(jìn)行生物脫氮[8]。美國、澳大利亞、加拿大、南非、瑞典和西班牙等國家的污水處理廠已將初沉污泥發(fā)酵作為一種生產(chǎn)VFA的方法用于生物除磷[9]。

早在20世紀(jì)70年代，國外就開展了初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)酸用于提高生物脫氮除磷效果的研究。B Rabinowitz和W K Oldham[10]研究初沉污泥發(fā)酵強(qiáng)化生物除磷效果，提出了醋酸鹽和丙酸鹽是最有效的誘導(dǎo)厭氧磷釋放的基質(zhì)，可以通過初沉污泥原位發(fā)酵產(chǎn)生醋酸鹽和丙酸鹽，以大幅提高活性污泥系統(tǒng)的除磷效率。A R Pitman[11]指出初步沉淀是保留原始污泥固體進(jìn)行產(chǎn)酸發(fā)酵所必需的環(huán)節(jié)，此外為了獲得更多的SCOD和最大程度地減少VFA轉(zhuǎn)化為甲烷，系統(tǒng)污泥齡宜控制在2～6 d并確保泥齡可調(diào)。R Moser-Engeler等[12]研究發(fā)現(xiàn)初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)生的易生物降解底物可以有效替代外加碳源，在20 ℃下5 d內(nèi)可將17%的COD轉(zhuǎn)化為為SCOD，并且水解系數(shù)是10 ℃條件下的3倍。R Moser-Engeler等[13]在瑞士污水處理廠開展初沉污泥預(yù)發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的研究，發(fā)現(xiàn)污泥濃縮池和淘洗設(shè)施耦合組成的污泥預(yù)發(fā)酵系統(tǒng)可以有效產(chǎn)生短鏈脂肪酸，并且由于淘洗系統(tǒng)可以去除不能沉淀的懸浮顆粒物，系統(tǒng)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更好的沉淀和污泥濃縮效果。J Ribes等[14]設(shè)計(jì)一套研究初沉污泥發(fā)酵的中試設(shè)備并建立了包含初沉池的沉淀和濃縮過程的模型，通過調(diào)整沉淀和生物參數(shù)，該模型可以很好的擬合不同污泥齡和循環(huán)流速下總污泥濃度和VFA的生成。

J Chanona等[15]闡述了2種基本的初沉污泥發(fā)酵系統(tǒng)：(1)活性初沉池，活性初沉池具體污泥發(fā)酵和污泥淘洗的功能，并且有用于沉淀原泥富集的空間且具備用于污泥淘洗的污泥回流系統(tǒng)(圖2a)；(2)側(cè)流發(fā)酵系統(tǒng)，當(dāng)初沉池本身不能產(chǎn)生足夠的VFA濃度時(shí)，可以使用一個分離的發(fā)酵單元以增加VFA的產(chǎn)量(圖2b)。在這種情況下，沉淀的污泥被輸送到發(fā)酵裝置，發(fā)酵的污泥返回到初沉池，與進(jìn)水一起對VFA進(jìn)行淋濾。并通過中試研究發(fā)現(xiàn)，隨著污泥池高度的增加，產(chǎn)酸菌在沉降系統(tǒng)中的停留時(shí)間延長，VFA的產(chǎn)量也隨之增加，更高的循環(huán)流量也會導(dǎo)致更高濃度VFA的生產(chǎn)。Y H Ahn和R E Speece[16]開發(fā)了一種新的洗脫式發(fā)酵工藝，并在間歇和半連續(xù)運(yùn)行條件下研究了系統(tǒng)對城市污泥的水解/產(chǎn)酸性能的影響，結(jié)果顯示污泥的水解作用顯著依賴于季節(jié)對污泥特性的影響，但對產(chǎn)酸作用影響較小，在SRT為5 d時(shí)系統(tǒng)性能最好，在pH為9和55 ℃時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)酸量最大。

H V Phan等[17]對44種微量有機(jī)污染物(TrOCs)在初沉污泥厭氧消化過程中的遷移轉(zhuǎn)換規(guī)律開展中試研究，發(fā)現(xiàn)其中24種物質(zhì)一直存在于初沉污泥中，并指出TrOCs多數(shù)富集在固相中，在厭氧消化期間其在固液兩相中的遷移轉(zhuǎn)化行為受其本身物理化學(xué)性質(zhì)的影響，含有供電子官能團(tuán)的親水TrOCs具有較高的生物轉(zhuǎn)化率，此外還發(fā)現(xiàn)厭氧條件下污泥的吸附可能會阻礙疏水性TrOCs的生物轉(zhuǎn)化。Sreejon Das等[18]研究未處理和臭氧處理的樹脂酸對初污泥厭氧消化的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樹脂酸濃度為150 mg/L時(shí)系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量降低了42%，樹脂酸在45～75 mg/L范圍內(nèi)對甲烷產(chǎn)量沒有負(fù)面影響，此外用0.52 mgO3/mg COD的臭氧添加可以去除初級污泥中50%～70%的樹脂酸，同時(shí)混合有機(jī)物的水解SCOD濃度提高了(31±2.5)%。Priyanka Ali等[19]研究了利用初沉污泥污泥發(fā)酵液作為部分反硝化-厭氧氨氧化替代碳源的可行性，研究發(fā)現(xiàn)SRT為1～2 d時(shí)產(chǎn)量最高，隨著試驗(yàn)期延長VFA相對含量會越來越低，并且靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)酵液的最大短程反硝化效率為93%，與純醋酸酯相當(dāng)。

3 新型初沉池在國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)在二十一世紀(jì)初逐漸開始關(guān)注初沉污泥發(fā)酵，并開展相關(guān)研究和工程應(yīng)用。鄭興燦等[20]依據(jù)江蘇省太湖流域多座城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況的調(diào)查分析，首次在國內(nèi)提出了包含初沉池(發(fā)酵)的城鎮(zhèn)污水處理廠一級A穩(wěn)定達(dá)標(biāo)處理的基本工藝流程和擴(kuò)展工藝流程。任健等[21]開展城市污水處理廠的初沉污泥水解酸化試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制HRT為32 h，溫度為35 ℃，污泥回流比為100%，SRT為4 d時(shí)，產(chǎn)酸效果最佳，出水SCOD穩(wěn)定在1 178.149 mg/L 左右。2010年，國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心和江蘇一環(huán)集團(tuán)有限公司聯(lián)合研發(fā)了新型高效能初沉池成套系統(tǒng)，該系統(tǒng)停留時(shí)間短(30～45 min)、運(yùn)行泥位高(最高為液位的80%)，集懸浮固體分離、初沉污泥發(fā)酵、絮凝沉淀于一體，此外系統(tǒng)內(nèi)微旋流可以有效的將吸附在沉淀污泥上的VFA等洗脫，從而提高系統(tǒng)出水中SCOD和VFA含量，系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 新型高效能初沉池成套系統(tǒng)主要構(gòu)筑物及關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行示意圖Fig.3 Operation diagram of main structures and key equipment of the new high efficiency primary settling tank complete system1.初沉發(fā)酵池主體；2.進(jìn)水；3.橋架結(jié)構(gòu)；4.低速推進(jìn)器；5.固液分離區(qū)堰板

王佳偉等[22]在北京高碑店污水廠開展了將普通初沉池改造成活性初沉池的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，并提出與未改造的普通初沉池相比，活性初沉池出水的VFA、SBOD5、COD、C/N、C/P值分別增加了48.8%,45.3%,20.5%,66.2%和26.2%。李鵬峰等[23]開展環(huán)溝型改良A2/O型工藝中試研究，該工藝集高效初沉發(fā)酵池、回流污泥反硝化池、厭氧池及雙溝道氧化溝道工藝于一體，在總HRT不足8 h的條件下，達(dá)到了較好的脫氮除磷效果，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。王佳偉等[24]分析了泥齡和循環(huán)比對活性初沉池中污泥水解發(fā)酵效果的影響，發(fā)現(xiàn)在污泥齡為3.5 d和循環(huán)比為20%的條件下，活性初沉池出水的BOD5、COD和VFA的濃度較傳統(tǒng)初沉池分別提高了41.3%,30.8%,24%，活性初沉池示意圖見圖4。此外，李鵬峰等[25]開展了高效初沉發(fā)酵池處理城市污水的中試研究，并發(fā)現(xiàn)在水力停留時(shí)間為0.75 h、懸浮污泥絮體層界面高度不低于高效初沉發(fā)酵池有效池深的70%、SRT為4 d的條件下，高效初沉池對SS的去除效率是普通初沉池的近2倍，出水VSS/SS、C/N和C/P等較普通初沉池分別提高了17.3%,33%和14%。

圖4 活性初沉池示意圖Fig.4 Schematic diagram of active primary sedimentation tank

李秀芳[26]研究發(fā)現(xiàn)通過微生物的水解發(fā)酵及機(jī)械攪拌單元的淘洗作用，活性初沉池出水 SCOD與VFAs 可分別增加51.7 mg/L 和18.8 mg/L，經(jīng)過活性初沉池后污水的 SCOD/TN值和SCOD/TP值可分別提高40.9%和41.8%。Pengkang Jin等[27]研發(fā)了一種新型活性初沉池工藝(APT工藝)，通過發(fā)酵和污泥淘洗實(shí)現(xiàn)碳源回收，并提出該工藝的最佳運(yùn)行參數(shù)為：SRT=5 d、G=152 S-1、污泥回流量=10%，具體工藝流程圖見圖5。

Xianbao Wang等[28]對機(jī)械洗脫對APT工藝污泥碳源回收的影響展開了研究，結(jié)果顯示淘洗強(qiáng)度越大，污泥中可溶性化學(xué)需氧量(SCOD)、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)釋放量越多，并且發(fā)現(xiàn)淘洗強(qiáng)度的作用比淘洗時(shí)間的作用更大。Xuan Shi等[29]開展了流態(tài)調(diào)控對提高活性初沉淀池碳源回收的影響研究，結(jié)果顯示與無擋板的APT工藝相比，在沉降區(qū)前端設(shè)置一個擋板，可以使SCOD的沉降損失最小，出水中SCOD和揮發(fā)性脂肪酸的度分別提高了52,4.49 mg/L， 并且SCOD/總氮(TN)、SCOD/總磷(TP)的出水也分別增加了22.47%和11.95%。

圖5 APT工藝示意圖Fig.5 APT process diagram

4 結(jié)論

我國城市污水處理廠普遍存在碳氮磷比例失調(diào)的問題，為了緩解碳源不足，很多污水處理廠普遍采用外加碳源的方式，這也很大程度上提高了污水廠的運(yùn)行成本。傳統(tǒng)的初沉池的確在很大程度上加劇了污水廠碳源不足的問題，然而直接取消初沉池也會帶來生物系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷加大、有效池容降低和剩余污泥產(chǎn)率量加大及污泥處理成本增加等問題。新型初沉池作為兼具SS去除和進(jìn)水碳源改善的系統(tǒng)，可以很好的緩解污水廠碳源不足的問題，具有很高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。