丁邦宏

(水發(fā)眾興集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)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(jī)物為電子供體經(jīng)過反硝化過程轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴亩瓿擅摰^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(jī)物[3]。對(duì)于有機(jī)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(jī)物以保證反硝化過程的進(jìn)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(jī)物[4]。這些有機(jī)物的消耗在增加污水處理成本的同時(shí)導(dǎo)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(jìn)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(dá)標(biāo)排放的同時(shí)最大程度降低污水處理成本。

與缺乏有機(jī)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(jī)物，COD可達(dá)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(yùn)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(duì)象，從脫氮除碳效能和污泥特性等宏觀層面評(píng)估以制糖廢水代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機(jī)碳源的可行性與穩(wěn)定性。

1 污水處理廠運(yùn)行簡(jiǎn)介

此水廠為山東省某城市污水處理廠，設(shè)計(jì)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(jìn)廠管進(jìn)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(xì)格柵，連續(xù)清除流體中的細(xì)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(zhǎng)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?；搿Ｓ捎谄貧庾饔?，廢水中有機(jī)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(jī)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(jī)物隨水流向前流動(dòng)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(yù)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 工藝流程圖

2 進(jìn)水水質(zhì)和試驗(yàn)方法

該污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)是典型的生活污水，進(jìn)水中無機(jī)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(dá)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(duì)整體水質(zhì)的影響可以忽略。

表1 污水處理廠進(jìn)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(xì)格柵固液篩分后，進(jìn)入曝氣沉砂池之前投加。每日取500 mL進(jìn)出水用于測(cè)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(duì)進(jìn)水和出水樣品進(jìn)行分析。氨氮、總氮、總磷、硝氮通過紫外分光光度計(jì)(北京普析通用)測(cè)定，并使用COD快速分析裝置(北京連華科技有限公司)測(cè)量COD。MLSS、MLVSS、粒徑均通過標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。

4 結(jié)果與討論

4.1 污水處理廠脫氮除碳效能評(píng)估

該水廠運(yùn)行階段可以根據(jù)所加碳源不同劃分為兩個(gè)階段：乙酸鈉階段和制糖廢水階段。本研究分別選取兩個(gè)階段中各90天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。在整個(gè)180天的運(yùn)行中，進(jìn)水中氮素污染主要為氨氮，濃度在35±15 mg/L之間波動(dòng)。由于亞硝與硝氮濃度均低于1 mg/L，因此默認(rèn)進(jìn)水中只含氨氮。除氮素污染物外，生活污水中還有大量有機(jī)物且波動(dòng)幅度更大，COD達(dá)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(dá)到96.70%。與此同時(shí)，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(dá)到國家《城鎮(zhèn)生活污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。作為一種常見低分子易降解有機(jī)物，乙酸鈉的投加不會(huì)增加COD處理的負(fù)擔(dān)。由圖2(b)所示，即便進(jìn)水COD高達(dá)550 mg/L，COD去除率仍然達(dá)到了90%以上。然而，從第60天到第80天，進(jìn)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(jìn)水中基質(zhì)不足導(dǎo)致微生物老化衰亡所導(dǎo)致的。

(a)

總體上來說，第91天將碳源更換為制糖廢水對(duì)整個(gè)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(duì)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(dòng)幅度更大，穩(wěn)定性相對(duì)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(huì)存在明顯波動(dòng)，導(dǎo)致后續(xù)生活污水處理廠脫氮除碳效能不穩(wěn)定。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)及時(shí)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(dòng)所帶來的負(fù)面影響。在90天的運(yùn)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(dá)到國家《城鎮(zhèn)生活污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。制糖廢水帶來的波動(dòng)客觀存在，但是其所帶來的經(jīng)濟(jì)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(jìn)出水總氮

4.2 污水處理廠污泥特性表征

對(duì)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(dá)標(biāo)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(duì)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(biāo)。無論乙酸鈉還是制糖廢水階段，生化池MLSS與MLVSS均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，表明微生物得到富集。這是整個(gè)運(yùn)行期間污水處理廠出水能夠達(dá)標(biāo)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(duì)污泥沉降性能影響更顯著。張立卿等人[5]同樣報(bào)道了類似情況，即在活性污泥體系中有機(jī)負(fù)荷較低時(shí)投加乙酸鈉容易引發(fā)污泥絲狀膨脹，導(dǎo)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(jī)物占比更高。無機(jī)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(qiáng)度，VSS/SS越小，表明污泥機(jī)械強(qiáng)度越高，抗沖擊能力越強(qiáng)[6]。因此，制糖廢水的引入不僅強(qiáng)化了污泥沉降性能，減輕污泥膨脹的危險(xiǎn)；而且強(qiáng)化了污泥的機(jī)械強(qiáng)度，提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？赡艿脑蚴侵铺菑U水中有機(jī)物組分相對(duì)復(fù)雜，可以看作是一種復(fù)合碳源，能夠避免因長(zhǎng)期使用單一碳源導(dǎo)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(jī)離子含量相對(duì)較高，因此容易形成更多的無機(jī)沉淀。綜上，制糖廢水對(duì)污水處理廠生化池中污泥特性的提升有一定促進(jìn)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(shí)驗(yàn)室或中試規(guī)模進(jìn)行，而是在某日處理量高達(dá)13萬t的大型城鎮(zhèn)污水處理廠中進(jìn)行，因此試驗(yàn)結(jié)果更具借鑒與參考意義。對(duì)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(diǎn)，并按照日處理量13萬t的水量進(jìn)行簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)成本核算(表5)。結(jié)果表明，甲醇是成本最低的碳源，每日運(yùn)行總成本僅為2.60萬元，這與甲醇COD當(dāng)量高達(dá)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(jià)格方面有顯著優(yōu)勢(shì)，其易燃易爆的危險(xiǎn)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(dāng)量也高于葡萄糖。然而，較高的單價(jià)導(dǎo)致其每日運(yùn)行總成本高達(dá)9.17萬元。與上述傳統(tǒng)碳源相比，制糖廢水的運(yùn)行成本只有極少的運(yùn)輸成本，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)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(diǎn)及運(yùn)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(jì)成本核算三方面評(píng)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(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控及時(shí)調(diào)整投加量的方式能夠有效減弱制糖廢水水質(zhì)波動(dòng)所造成的負(fù)面影響。污泥特性的變化表明制糖廢水對(duì)生化池中活性污泥沉降性能與機(jī)械強(qiáng)度有一定促進(jìn)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(yùn)行成本。