引言

       數據顯示，某流域204座城鎮(zhèn)污水處理廠，超過65%以上的污水處理廠存在碳源不足的現象，均需通過外加碳源來保證出水TN、TP的穩(wěn)定達標，運行成本大大增加。

       一邊是有機物濃度較高的食品廢水，一邊是碳源緊缺、“投不起”的污水處理廠，雙方該如何實現共贏呢?

       近日，長沙在望城經開區(qū)及寧鄉(xiāng)經開區(qū)啟動食品廢水協商排放整區(qū)推進試點，20多家企業(yè)的廢水將直接排入污水處理廠，成為碳源。

經初步估算，此次擬試點的18家老企業(yè)每年可減少污水處理設施運營成本1000萬元以上、新引進的5家企業(yè)可節(jié)約建站成本約1680萬元，污水處理廠可節(jié)約碳源費用約220萬元/年，可減少碳排放量4340噸/年。

食品廢水VS傳統(tǒng)碳源，效果相當成本更低

       據了解，早在2022年長沙生態(tài)環(huán)境局牽頭，率先在全省率先開展啤酒企業(yè)生產廢水資源化利用試點，此次選取廢水排放量較大的頂津食品、中糧可口可樂、旺旺食品等20余家企業(yè)，放開可生化性較好廢水的排放限值限制，進行協商排放。

       一方面，企業(yè)可節(jié)約污水處理設施運營成本，新引進的企業(yè)則無需再新建污水處理站；另一方面，污水處理廠可以節(jié)約“碳源”投放成本。

事實上，食品行業(yè)部分企業(yè)生產廢水中有機物濃度很高，可生化性極好，且不含有毒有害物質，可以直接排入污水處理廠，為其有效補充“碳源”。以啤酒企業(yè)生產的廢水為例——

       啤酒廢水CODcr—般為1000mg/L～2500mg/L，BOD5為700mg/L～1500mg/L，pH值為6.0～8.0，不含有毒有害成分，具有良好的可生化性能等特點。廢水中含有大量的有機物，氮磷濃度低且不含有毒有害物質。

       有研究者通過向低C/N城市生活污水中投加啤酒廢水，提高可利用碳源的數量，該方法可顯著提高AAO系統(tǒng)的脫氮除磷效率，且利用率高、無副產物產生。

       研究結果顯示，啤酒廢水較佳投量(以COD計)為70mg/L，此時COD、總氮、氨氮和磷的去除率均較高，依次為94.95%、82.39%、98.25%、72.25%。

       值得一提的是，若啤酒廢水投加量過大，將不利于系統(tǒng)的正常運行。因此，在實際運行中，需合理地控制啤酒廢水的投加量，以滿足不同的脫氮除磷要求。

       也有研究者以啤酒廢水、甲醇和乙酸鈉作為外加碳源，分別比較了其在SBR法處理污水的過程中的硝化和反硝化特性。結果表明，碳源量越充足，反硝化效果越好。3種外加碳源中，反硝化速率從高到低依次為乙酸鈉、啤酒廢水、甲醇。

        還有研究者以生活污水為研究對象，探究了啤酒廢水、葡萄糖和甲醇3種外加碳源對SBR法處理效果的影響。研究結果表明，在投加0.125g葡萄糖時，TN的去除率最高，為65%，其次是0.1mL 的甲醇，TN去除率為56%，啤酒廢水效果較差，TN去除率僅為54.8%。但TP的去除率從高到低依次為啤酒廢水、甲醇和葡萄糖。

        不難看出，啤酒廢水作為外加碳源與傳統(tǒng)外加碳源效果相當，且啤酒廢水成本很低，完全可以替代傳統(tǒng)的外加碳源。

污水處理廠3個“碳源降本”對策

    “ 食品廢水作碳源固然好，可惜周邊沒有酒廠，有沒有其它方式降低碳源成本？”

       某污水處理廠采用A2/O工藝，污水來源全部為生活污水，在系統(tǒng)運行過程中存在碳源不足的問題。為提高脫氮效率，保證出水總氮濃度達標，采用甲醇作為外加碳源，投加點位于厭氧段進水口，實際運行證明出水水質能穩(wěn)定達標，弊端是甲醇藥耗高，運行成本偏高。

       經調查研究后，該污水廠決定從調整碳源投加點與量、以及通過改變內回流流向、內回流比來提高脫氮除磷效果這3個方面入手，降低碳源投加量，減少污水廠運行成本。

      1、調整碳源投加點

       外加碳源主要保證缺氧段有充足的有機物供反硝化細菌利用，從而提高脫氮效率。基于此，該廠運行人員將甲醇投加點從A2/O池厭氧段進水口調整至缺氧段，并對甲醇用量進行合理調節(jié)（當進水濃度以及 C /N值低、出水 TN 值出現上升趨勢時，加大投加量，反之則減少投加量），同時進行相應的工藝調控以滿足生產運行需求，確保出水水質達標。

        碳源投加點調整前，甲醇首先在厭氧段消耗一部分，再進入缺氧段進行反硝化；而調整后，甲醇全部用于反硝化，避免了厭氧段對甲醇的消耗，從而使甲醇用量大幅下降。

        從結果數據來看，該廠甲醇日均用量減少約45.9%，大大降低了運行成本。同時，甲醇用量減少后，各項水質參數均能達標

        2、改變內回流流向

        根據除磷理論可知，要得到較高的除磷率，釋磷必須充分。同時，只有在嚴格的厭氧條件下，聚磷菌才能夠從體內大量釋磷而處于饑餓狀態(tài)，為好氧段大量吸磷創(chuàng)造條件。

        該污水廠的內回流分別進入厭氧段、缺氧段，一方面，部分硝化液回流至厭氧段，使厭氧段DO濃度升高，不利于釋磷，且硝化液對聚磷菌的釋磷具有抑制作用；另一方面，為了保證反硝化的順利進行，必須保證嚴格的缺氧狀態(tài)，而硝化液部分回流至厭氧段，難以保證缺氧段環(huán)境。

        因此，為提高除磷脫氮效率，該水廠關閉厭氧段內回流拍門，使硝化液全部回流至缺氧段。

        總的來說，根據生物脫氮除磷理論調整內回流去向，要嚴格保持厭氧段、缺氧段的DO范圍，使硝化液全部回流至缺氧段進行反硝化，提高了反硝化效率；且消除了硝酸鹽對厭氧釋磷的抑制，聚磷菌在厭氧段釋磷、好氧段吸磷的能力明顯增強，提高了生物除磷效果。

       3、調節(jié)內回流比

       內回流比r直接關系到脫氮效率，r值越大，系統(tǒng)總的脫氮率越高，出水TN值越低。

       但r值過高時，對系統(tǒng)脫氮也會產生負面影響：一方面，通過內回流帶至缺氧段的DO較多，DO濃度較高時會干擾反硝化的進行；另一方面，加大回流量使污水在缺氧段的實際停留時間縮短，使脫氮效率降低；同時，加大回流量還增加了系統(tǒng)的能耗。

       因此，必須找到適合污水廠生產運行的最佳內回流比，使脫氮效率最高，并盡量降低能耗。該水廠通過對不同回流比時脫氮效果的分析，發(fā)現內回流比在200%、300%時出水TN值均能達到一級A標準，內回流比為300%時的TN去除效果較200%時的好，且反硝化時間充足，故300%的內回流比更適合該污水廠的生產運行需求。

       低碳源污水處理廠8個優(yōu)化措施

      “如何在不依賴外加碳源的前提下，解決城鎮(zhèn)污水處理廠脫氮除磷所需碳源不足的問題？”

        1、分段進水活性污泥法

         在實際工作中，我們更喜歡把這個方法叫做多點進水。早期采用多點進水是為了減少生物池需氧量和供氧量的差異，起到節(jié)能降耗的作用。

         目前采用該方式的目的主要有兩方面：一是增加脫氮除磷段的碳源含量；二是通過消耗污泥回流和硝化液回流所攜帶的剩余溶解氧，來優(yōu)化 脫氮除磷的反應環(huán)境，從而提高處理效果。

        值得一提的是，我們走訪的某家污水處理廠就是采用多點進水的改良型UCT工藝。

        2、增設厭氧水解酸化池

        以某家污水處理廠為例，其在氧化溝前設置前置缺氧池（前置反硝化池）和厭氧池，10％的進水直接進入前置缺氧池段給回流污泥提供反硝化所需碳源，而在厭氧池內，大分子和難降解的物質轉化為易于生物降解的物質為聚磷菌提供碳源。

        除此之外，還有很多實際案例都表明，將水解酸化過程作為低濃度城市污水生物脫氮工藝的預處理工藝可以為反硝化段補充一定量的碳源，有效提高脫氮效率。

        不過在這里，有必要提醒大家一句，考慮到水解池的建設運行費用，以及一些地區(qū)污水的實際情況，使用此方法還需綜合處理效果和經濟費用等因素，做到因地制宜。

        3、初沉池的合理設置

       1）直接取消初沉池

        這種方式對于進水SS濃度較低且波動不大的污水廠無疑是個不錯的選擇。比如，目前就有很多污水廠（如現階段較為流行的延時曝氣氧化溝工藝），是污水經過沉砂池之后，直接進入生物池。

       2）在初沉池環(huán)節(jié)處設置超越管

       從實踐經驗來看，這種方式更適合進水SS濃度波動較大的污水處理廠。

       當進水SS濃度較高時，可以開啟初沉池進一步降低SS；而當進水SS濃度較低時，可以開啟超越管超越初沉池來減少有機物的損失，以此增加后續(xù)處理工藝中有機碳源的含量。

       3）減少初沉池的水力停留時間

       一般來說，初沉池的水力停留時間是1～2h。

       但有些水友提出了不一樣的想法，即將初沉池的停留時間減少至0.5～1h，或者適當提高沉砂池池的水力停留時間。因為這樣做，可以在一定程度上緩解取消初沉池所帶來的一系列弊端。

      4、對傳統(tǒng)水處理工藝進行改進

      1）AAO工藝改進

       在沉降區(qū)旁邊依次設置厭氧除磷區(qū)和低氧曝氣區(qū)，形成一體化設置。這樣有利于提高工作效率，縮短污水處理時間。

充分利用空氣壓力的原理建立了一個空氣推流區(qū)前端的低氧曝氣區(qū)域，提供自然力量并減少能源消耗和沖擊載荷。

獨特的溶解氧控制系統(tǒng)，可以加強對COD、總氮TN和總磷TP的去除。它是低碳源城市污水處理的主要工藝。

       2）SBR工藝改進

       SBR工藝是對活性污泥法的一種改進其具有操作簡單、流程少、成本低、固液分離效果好、脫氮除磷效果好以及耐沖擊負荷性強的優(yōu)勢，適用于水量小的企業(yè)廢水處理。

       值得一提的是，在改進SBR工藝的基礎上還可以加入一段預缺氧區(qū)，將外回流帶來的亞硝酸在預缺氧區(qū)域進行反硝化，為后續(xù)的厭氧釋磷提供更好的厭氧環(huán)境。

       當預缺氧區(qū)進水中的原水有機物發(fā)生一定程度的水解反應后，更容易被聚磷菌所高效利用。同時增加預缺氧區(qū)為原水在碳源的分配上提供更多的選擇權。

       這樣能夠優(yōu)化原水分配過程中碳源的選擇，還能將市政污水的碳源集中處理，從而提升整個污水的優(yōu)化效率，提高水資源的循環(huán)使用率。

      5、其它技術的應用

      1）短程硝化反硝化

      在傳統(tǒng)理論中主要依靠的是亞硝化細菌和硝化細菌兩種微生物轉化氨氮。

      若需要對兩種方式進行生態(tài)選擇，需要在污泥中使亞硝化細菌轉變成為優(yōu)勢菌群，并淘汰或減少硝化細菌數量，在亞硝化階段充分發(fā)揮硝化作用，然后直接對其進行反硝化處理，該種方式能夠顯著縮短脫氮的反應進程。

      該工藝在實際應用中能夠有效節(jié)省能源，與傳統(tǒng)工藝相比，減少大約40%左右的碳源。

      2）CANON工藝

      CANON工藝也被稱為生物膜內自養(yǎng)脫氮工藝，其原理為：生物膜內亞硝酸細菌在好氧下把氨氧化成亞硝酸鹽；厭氧氨氧化菌在厭氧條件下把氨和亞硝酸鹽轉化成氮氣；利用亞硝酸細菌和厭氧氨氧化菌的協同作用，最終把氨氧化成氮氣。

CANON工藝反應無需有機碳源，能夠在完全無機的環(huán)境中進行，這樣可以有效節(jié)省100%的外碳源，以及66%的供氣量。

       3）厭氧氨氧化技術

       厭氧氨氧化主要指的是細菌在溶氧濃度較低的前提下，通過細胞內的新陳代謝，促進亞硝酸鹽與氨之間發(fā)生生物氧化的還原反應，從而使氮氣脫除水。

       該種方式在實際應用過程中具有節(jié)省碳源、節(jié)約能耗以及細菌合成量少等特點，因而受到污水處理廠的關注。

       厭氧氨氧化細菌主要是利用氨與亞硝酸根的化學反應而產生能源，并且空氣中的二氧化碳作為碳素的細菌，不需要額外添加有機碳源，具有較為明顯的應用價值。但其缺陷在于培養(yǎng)以及馴化厭氧氨氧化菌的過程較為困難，對環(huán)境要求非常嚴格。