以制糖废水代替传统碳源实现城市污水高效脱氮除碳的可行性研究

丁邦宏

(水发众兴集团有限公司，山东 济南 250102)

目前，我国绝大部分污水处理厂所使用的生物脱氮工艺是基于传统硝化-反硝化理论所开发的。首先，污水中的氨氮在硝化过程被氧化成硝态氮，硝态氮再以有机物为电子供体经过反硝化过程转化为氮气从而完成脱氮过程[2]。在此期间硝化过程需要高浓度氧气，反硝化过程需要充足的有机物[3]。对于有机物贫瘠的低C/N生活污水而言，通常需要额外投加大量有机物以保证反硝化过程的进行。目前，污水处理厂常用的外加碳源包括乙酸钠、甲酸、葡萄糖等小分子有机物[4]。这些有机物的消耗在增加污水处理成本的同时导致大量CO2的排放，显然不符合我国可持续发展战略和全面推进生态文明建设的要求。因此，有必要寻找新型可替代碳源在污水达标排放的同时最大程度降低污水处理成本。

与缺乏有机物的生活污水相比，以制糖废水为代表的食品加工废水含有大量的易降解有机物，COD可达几百到上万毫克。与其他化工废水不同，制糖废水不含重金属等具有生物毒性的物质，因此可以作为一种优质碳源用以支持生物脱氮过程的完成。以制糖废水为碳源不仅减少了其自身处理过程的投入，还显著降低了生活污水处理厂的运行成本。

综上，基于“以废治废”的理念，本研究拟以山东某大型污水处理厂为研究对象，从脱氮除碳效能和污泥特性等宏观层面评估以制糖废水代替传统有机碳源的可行性与稳定性。

此水厂为山东省某城市污水处理厂，设计日处理规模13万t，采用倒置A2/O工艺，其工艺流程图如图1所示。

城镇污水首先由污水进厂管进入格栅间，经粗格栅快速分离较大的固体杂物。之后通过提升泵房流入细格栅，连续清除流体中的细小杂质。固液筛分完毕后，污水流入曝气沉砂池，曝气沉砂池为长形渠道，距池底60～90 cm处安设曝气装置，在其下部设置集砂斗，池底有i=0.1～0.5的坡度，以保证砂粒滑入。由于曝气作用，废水中有机颗粒经常处于悬浮状态，砂粒互相摩擦并承受曝气的剪切力，去除砂粒上附着的有机污染物。在旋流的离心力作用下，这些密度较大的砂粒被甩向外部沉入集砂槽，而密度较小的有机物随水流向前流动被带到下一处理单元。另外，在水中曝气可脱臭，改善水质，有利于后续处理，还可起到预曝气作用。为使一些难生物降解大分子物质转化为易降解的小分子物质，曝气沉砂池出水随后流入水解酸化池，在水解菌、产酸菌的作用下，提高废水的可生化性和降解速率，以利于后续好氧生物处理。本污水处理系统核心单元为倒置的A2/O生化反应池，作为活性污泥法的一种，将传统的A2/O工艺中的厌氧和缺氧环境倒置，形成缺氧、厌氧、好氧的流程，不仅能高效去除BOD，还能显著提高生化反应系统的脱氮除磷功能。最后经A2/O工艺处理后的污水再通过二沉池泥水分离，D型滤池的纤维滤料过滤和二氧化氯消毒后，出水水质达到排放标准。

图1 工艺流程图

该污水处理厂进水水质是典型的生活污水，进水中无机氮几乎只含有氨氮，平均浓度为35 mg/L(表1)。制糖废水水质见表2，COD浓度高达52 130 mg/L。此外，作为食品加工废水，制糖废水中氮、磷污染物浓度较高。然而，由于制糖废水每日投加量有限，因此其中污染物在被稀释后对整体水质的影响可以忽略。

表1 污水处理厂进水性质

该水厂以碳源投加种类为变量，分别尝试了乙酸钠和制糖厂废水两种碳源。碳源均是在污水经细格栅固液筛分后，进入曝气沉砂池之前投加。每日取500 mL进出水用于测样分析。

表2 制糖厂废水水质

样品在通过定性滤纸过滤后，对进水和出水样品进行分析。氨氮、总氮、总磷、硝氮通过紫外分光光度计(北京普析通用)测定，并使用COD快速分析装置(北京连华科技有限公司)测量COD。MLSS、MLVSS、粒径均通过标准方法测定。

4.1 污水处理厂脱氮除碳效能评估

该水厂运行阶段可以根据所加碳源不同划分为两个阶段：乙酸钠阶段和制糖废水阶段。本研究分别选取两个阶段中各90天的数据进行分析研究。在整个180天的运行中，进水中氮素污染主要为氨氮，浓度在35±15 mg/L之间波动。由于亚硝与硝氮浓度均低于1 mg/L，因此默认进水中只含氨氮。除氮素污染物外，生活污水中还有大量有机物且波动幅度更大，COD达到300±200 mg/L。由图2(a)可知，乙酸钠阶段氨氮的去除率非常稳定，出水中氨氮平均浓度为0.94 mg/L，平均去除率达到96.70%。与此同时，出水中硝态氮、亚硝和总氮平均浓度分别为0.56 mg/L、0.11 mg/L和13.63 mg/L(见表3)，达到国家《城镇生活污水处理厂排放标准》一级A排放标准。作为一种常见低分子易降解有机物，乙酸钠的投加不会增加COD处理的负担。由图2(b)所示，即便进水COD高达550 mg/L，COD去除率仍然达到了90%以上。然而，从第60天到第80天，进水中COD显著从368降低至155 mg/L。相应地，COD去除率从89.36%持续降低至83.62%。这是由于进水中基质不足导致微生物老化衰亡所导致的。

(a)

总体上来说，第91天将碳源更换为制糖废水对整个污水处理厂脱氮除碳效能无显著影响，表明污水处理厂中硝化菌和反硝化菌等主要脱氮功能菌对制糖废水均有较好的适应能力，这与该制糖废水中不含重金属等有害物质密切相关。在更换制糖废水后甚至出现了氨氮去除(96.70%)略高于乙酸钠阶段的情况(97.35%)。然而，从图2(b)可以看到，制糖废水阶段氨氮和COD去除率的波动幅度更大，稳定性相对于乙酸钠较差。作为一种工业废水，制糖废水无论成分、含量还是水量均会存在明显波动，导致后续生活污水处理厂脱氮除碳效能不稳定。通过实时监测出水水质及时调整制糖废水投加量的措施能够有效削减制糖废水水质波动所带来的负面影响。在90天的运行中，仅有3天出水总氮超过15 mg/L，(15.3～15.9 mg/L)，平均出水总氮仅为13.32 mg/L，同样达到国家《城镇生活污水处理厂排放标准》一级A排放标准。制糖废水带来的波动客观存在，但是其所带来的经济效益同样不可忽视，甚至使得其成为一种比乙酸钠更优的选择。综上，在污水处理过程中使用高浓度制糖废水代替常规碳源是可行的。

表3 各阶段进出水总氮

4.2 污水处理厂污泥特性表征

对于以活性污泥法为主的生活污水处理厂来说，污泥特性的变化将直接影响着污染物去除效果，最终决定着出水水质是否能够达标排放。因此，除了污染物去除效能外，本研究还聚焦于生化池(改良型A2/O)污泥特性对乙酸钠和制糖废水的响应。表4中分别列举了乙酸钠和制糖废水阶段生化池中混合液悬浮固体浓度(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)、污泥体积指数(SVI)、挥发比(VSS/SS)和平均粒径等污泥指标。无论乙酸钠还是制糖废水阶段，生化池MLSS与MLVSS均随着时间的延长逐渐升高，表明微生物得到富集。这是整个运行期间污水处理厂出水能够达标排放的重要前提。值得注意的是，制糖废水阶段SVI整体低于乙酸钠阶段，表明制糖废水阶段污泥沉降性能优于乙酸钠阶段。彭永臻等人[4]的研究表明，在四种污水处理厂常用碳源(乙酸钠、葡萄糖、甲醇、乙醇)中，乙酸钠对污泥沉降性能影响更显著。张立卿等人[5]同样报道了类似情况，即在活性污泥体系中有机负荷较低时投加乙酸钠容易引发污泥丝状膨胀，导致出水中悬浮物(SS)较多。

此外，观察到制糖废水阶段VSS/SS同样低于乙酸钠阶段，表明制糖废水阶段活性污泥中无机物占比更高。无机组分占比的提高意味着污泥密度的增加，有利于污泥沉降性能的改善，与SVI结果相一致。此外，早期研究中通过VSS/SS衡量污泥强度，VSS/SS越小，表明污泥机械强度越高，抗冲击能力越强[6]。因此，制糖废水的引入不仅强化了污泥沉降性能，减轻污泥膨胀的危险；
而且强化了污泥的机械强度，提升了整个系统的稳定性。可能的原因是制糖废水中有机物组分相对复杂，可以看作是一种复合碳源，能够避免因长期使用单一碳源导致某些异养微生物碳代谢途径被抑制而衰亡的发生。其次，与乙酸钠相比，制糖废水中无机离子含量相对较高，因此容易形成更多的无机沉淀。综上，制糖废水对污水处理厂生化池中污泥特性的提升有一定促进作用。

表4 不同阶段生化池中污泥特性

4.3 本研究的意义

与其他大部分研究不同，本研究并非在实验室或中试规模进行，而是在某日处理量高达13万t的大型城镇污水处理厂中进行，因此试验结果更具借鉴与参考意义。对比分析了污水处理厂中常用的几种碳源和制糖废水的优缺点，并按照日处理量13万t的水量进行简单的经济成本核算(表5)。结果表明，甲醇是成本最低的碳源，每日运行总成本仅为2.60万元，这与甲醇COD当量高达1.5 g COD/g有关，几乎是乙酸钠的两倍。然而，尽管甲醇在投加量与价格方面有显著优势，其易燃易爆的危险特性表明甲醇不是一种较好的选择。乙酸钠是最常用的外加碳源，其性质稳定，COD当量也高于葡萄糖。然而，较高的单价导致其每日运行总成本高达9.17万元。与上述传统碳源相比，制糖废水的运行成本只有极少的运输成本，经济优势显而易见。此外，帮制糖厂处理废水甚至还能帮水厂创收，可谓一举两得。

表5 各种碳源优缺点及运行成本

本研究从脱氮除碳效能、污泥特性以及经济成本核算三方面评估了用制糖废水代替传统碳源的可行性。结果表明更换制糖废水后，出水水质仍然达到国家一级A排放标准。通过实时监控及时调整投加量的方式能够有效减弱制糖废水水质波动所造成的负面影响。污泥特性的变化表明制糖废水对生化池中活性污泥沉降性能与机械强度有一定促进作用。最后，成本核算表明制糖废水每天可为日处理量13万t的污水处理厂节约8万元左右的运行成本。