污水清潔處理工藝應(yīng)用研究

劉捷，范洪波，宋嵩

（東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808）

1 污水處理清潔工藝技術(shù)開發(fā)背景

1.1 我國城鎮(zhèn)污水處理工藝現(xiàn)狀

截至2017年末，我國建成運(yùn)行的城鎮(zhèn)污水處理廠為5027座[1]，其中多數(shù)污水處理廠采用的是活性污泥法及其衍生的改良工藝技術(shù)，如：AA/O、UCT、氧化溝、序批式活性污泥法（SBR、CASS）、利用膜分離污泥的MBR等。活性污泥法是一種依靠含有多種微生物的絮體（活性污泥）為主體降解污水中污染物的處理技術(shù)。活性污泥由大量繁殖的微生物群體構(gòu)成，微生物以污水中的有機(jī)污染物為營養(yǎng)食料，通過吸附、吸收、氧化、分解等代謝過程，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物，使污水得到凈化。

活性污泥在處理污水中污染物時(shí)，會(huì)形成代謝產(chǎn)物（即剩余污泥），這種代謝產(chǎn)物通過沉淀或膜分離實(shí)現(xiàn)固液分離，從而產(chǎn)生大量的剩余污泥從系統(tǒng)排出。污水中的氨氮在好氧池中硝化后生成硝態(tài)氮，經(jīng)過混合液回流至反硝化池，還原為氮?dú)獗蝗コ?。但這種反硝化過程必須以有機(jī)物（碳源）作為電子供體才能實(shí)現(xiàn)。

1.2 污水處理工藝存在的問題

活性污泥法可以同步實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，具有較高的化學(xué)轉(zhuǎn)化效率，是成熟并被廣泛采用的城市污水處理技術(shù)。但這種污水處理工藝存在兩個(gè)問題難以解決。

其一是采用活性污泥法處理污水的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，處理每萬噸城市污水會(huì)產(chǎn)生8～10噸含水率80%的泥餅。我國目前每年約產(chǎn)生近5000萬噸的濕泥餅。這些污泥在收集、儲(chǔ)存、處理及處置過程中會(huì)產(chǎn)生惡臭，滋生蚊蠅，造成嚴(yán)重的二次污染。污水污泥的大部分都是采用填埋方式進(jìn)行處理，會(huì)占用大量土地，并對(duì)垃圾填埋場造成負(fù)面影響。而采用污泥干化焚燒方式則需要消耗大量能源，處理成本昂貴。為了減少污泥的體積，也會(huì)采用污泥深度脫水技術(shù)，但脫水過程中需投加大量藥劑，導(dǎo)致處理成本顯著增加。因此，污水處理廠都為污泥的妥善處理處置付出了巨大代價(jià)。污水處理廠污泥的二次污染以及昂貴的處理處置成本，已成為污水處理的重大問題之一。

其二是出水中的總氮難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。原因是活性污泥法在反硝化脫氮時(shí)，需有足夠的碳源。由于我國污水收集管網(wǎng)通常距離較長，污水在長距離輸送過程中，有機(jī)物會(huì)自然分解，使得污水中的碳源減少、氨氮升高，導(dǎo)致硝態(tài)氮反硝化時(shí)碳源不能滿足要求，使總氮難以達(dá)標(biāo)。投加碳源又會(huì)造成污水處理成本升高，難以接受。

1.3 污水清潔處理工藝技術(shù)研發(fā)的意義

鑒于上述問題，本研究將含有大量不溶性的高分子有機(jī)物的剩余污泥，通過水力空化技術(shù)破碎成易被微生物吸收利用的低分子量可溶解的有機(jī)物，將這種有機(jī)物溶液返回到活性污泥工藝的反硝化系統(tǒng)中作為碳源資源化利用，形成了一種新型的污泥排放量少的清潔生產(chǎn)污水處理工藝技術(shù)。

這種新型的污水清潔處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：1）可大量減少污水處理過程中剩余污泥量的60%以上，同時(shí)減少了二次污染；2）在污水處理過程中，將污泥資源化利用，提高了總氮的去除效果；3）可大幅度降低污泥處理處置的成本，解決了污泥處理的難題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 污水清潔處理工藝簡介

2.1 水力空化減泥技術(shù)原理

水力空化減泥技術(shù)是將污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥通過高壓泵送入水力空化器中，污泥通過水力空化器時(shí)在突然釋壓的條件下，通過水中氧氣的氧化作用、空氣泡潰滅過程的空化作用以及水力破碎作用等多重耦合協(xié)同效應(yīng)，在瞬間將附著于細(xì)胞表面的胞外聚合物（EPS）破壞，使污泥絮體中的高分子有機(jī)物發(fā)生斷鍵而溶入水中，從而使水中難降解的固體性物質(zhì)轉(zhuǎn)化、分解成易降解的溶解性物質(zhì)，然后將這些破碎后的污泥以及細(xì)胞溶出物質(zhì)再次輸入生物處理系統(tǒng)中，可以起到補(bǔ)充碳源、提高微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解以及增強(qiáng)脫氮的作用，從而實(shí)現(xiàn)污泥的減量和生化處理效果的改善。

2.2 污水清潔處理工藝原理

污水清潔處理工藝的原理是：將水力空化減泥機(jī)安裝在活性污泥系統(tǒng)的剩余污泥濃縮池或者污泥儲(chǔ)存池的出口，剩余污泥通過高壓污泥泵送入水力空化器中，通過水力空化器破碎后的污泥溶液泵送入活性污泥系統(tǒng)的酸化水解池或反硝化水池，在反硝化池中，有機(jī)物被大量利用后進(jìn)入曝氣池進(jìn)一步去除其中的有機(jī)物。然后再進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，二沉池底部產(chǎn)生的剩余污泥再進(jìn)入污泥濃縮池，再次被高壓泵送入水力空化器進(jìn)行污泥破碎，此過程反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，達(dá)到減少污泥和提高脫氮效果的目的。

2.3 污水清潔處理工藝在工程中的應(yīng)用

以應(yīng)用最為廣泛的活性污泥法（AA/O工藝）與水力空化減泥技術(shù)相結(jié)合為例，形成的污水清潔處理工藝流程如圖1所示。在該工藝中，水力空化減泥機(jī)置于AA/O工藝系統(tǒng)的污泥回流池之后，由配套的高壓泵從污泥回流池中抽取污泥，并將污泥輸送入減泥機(jī)中進(jìn)行水力空化處理?？栈蟮奈勰嘟?jīng)配套出泥管道輸送入?yún)捬醭貐⑴c生物反應(yīng)。對(duì)于二沉池中形成的必須排出的剩余污泥，由于其中的有機(jī)物含量減少而容易脫水，配套采用高壓隔膜板框壓濾機(jī)脫水，可使外運(yùn)污泥的含水率降低至50%以下，從而更好地實(shí)現(xiàn)了污泥減容，更便于污泥最終處置。

圖1 污水清潔處理工藝流程示意圖

利用水力空化減泥技術(shù)對(duì)AA/O工藝系統(tǒng)改造時(shí)，并沒有明顯改動(dòng)原有的工藝系統(tǒng)，只是將原來外回流的污泥通過水力空化減泥機(jī)后再返回到AA/O原工藝系統(tǒng)中，即可形成一種新型的污水清潔處理工藝。因此這種技術(shù)特別適合于現(xiàn)有的污水處理廠升級(jí)改造。

該種污水清潔處理工藝的實(shí)質(zhì)是形成了一種完善的源頭減量、過程減排、末端減容、最終處置的工程技術(shù)路線。源頭減量就是在水力空化的過程中直接將污泥破碎（可分解約2%的有機(jī)物），從而實(shí)現(xiàn)源頭減量；過程減排就是破碎后的剩余污泥進(jìn)入生化處理系統(tǒng)，在生物處理過程中可減少約60%的污泥；末端減容是指這種污泥經(jīng)高壓板框壓濾機(jī)可以減容60%以上；末端處置是指這種污泥無機(jī)物含量高，水泥窯摻燒比可以大幅度提高；這就形成了一種全新的城市污水處理廠污泥減容減量的新途徑。

3 污水清潔處理工藝工程應(yīng)用效果

該污水清潔處理工藝已在深圳鹽田污水處理廠4萬噸/日（一期）、汕尾市西區(qū)污水處理廠2.5萬噸/日和廣州市龍歸污水處理廠5萬噸/日（一期）獲得應(yīng)用。

以汕尾市西區(qū)污水處理廠為例，該污水處理廠日處理能力2.5萬噸/日，采用AA/O工藝，各生化反應(yīng)池水力停留時(shí)間為：厭氧池1.14h、缺氧池1.46h、好氧池6.14h、二沉池2.41h。進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。2017年8月該廠的AA/O工藝系統(tǒng)中安裝了2臺(tái)水力空化減泥機(jī)，1備1用，每臺(tái)設(shè)備的空化能力為150m3/h。安裝在污泥回流池出口，經(jīng)過水力空化后的泥水混合液回流到原系統(tǒng)中的厭氧池。原工藝系統(tǒng)的其他所有設(shè)備、管路、操作控制方式均不改變。

表1 進(jìn)、出水水質(zhì)表 （單位：mg/L）

3.1 清潔處理工藝的減泥效果

汕尾市西區(qū)污水清潔處理工藝自2017年9月開始運(yùn)行，至2018年1月25日。運(yùn)行期間好氧池污泥濃度3500～5000mg/L，溶解氧控制在2mg/L左右，回流污泥濃度9000～13,000mg/L。5個(gè)月內(nèi)連續(xù)運(yùn)行的產(chǎn)泥量與前6年同期污泥產(chǎn)量對(duì)比數(shù)據(jù)見表2。柱狀對(duì)比圖見圖2。

表2 污水處理清潔工藝同期污泥產(chǎn)量對(duì)比表 （單位：t/月）

圖2 污水處理清潔工藝同期污泥產(chǎn)量對(duì)比柱狀圖

表2和圖2所示結(jié)果表明：汕尾西區(qū)污水處理廠采用清潔處理工藝后，AA/O工藝系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量比前6年同期平均值減少了60%以上。由此可見，以水力空化減泥技術(shù)與AA/O活性污泥工藝系統(tǒng)相結(jié)合具有良好的污泥減排效果，是一種可進(jìn)行工程化應(yīng)用的污水清潔處理工藝技術(shù)。

3.2 清潔處理工藝的TN去除效果

清潔處理工藝通過水力空化減泥機(jī)將剩余污泥破碎后回流到生化反應(yīng)池，在破碎后溶解性的污泥被生物分解減量的同時(shí)，為硝態(tài)氮的分解起到了補(bǔ)充碳源作用，提高了生化過程對(duì)總氮的去除率。汕尾西區(qū)污水處理廠在清潔處理工藝應(yīng)用前后總氮去除率見表3和圖3。

表3 清潔處理工藝應(yīng)用前后TN濃度測試結(jié)果

圖3 2017～2018年清潔處理工藝應(yīng)用后進(jìn)出水中TN的變化趨勢

該污水處理廠的運(yùn)行結(jié)果表明：清潔處理工藝運(yùn)行之前總氮的平均去除率為57.71%，該工藝運(yùn)行之后總氮的平均去除率提高到67.21%，總氮去除率提升了9.5%。盡管該去除率提高不足10%，但對(duì)于國內(nèi)許多總氮去除率不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理廠仍具有重大意義。

3.3 清潔處理工藝對(duì)水質(zhì)其他指標(biāo)的影響

汕尾市西區(qū)污水處理廠采用清潔處理工藝運(yùn)行前后，進(jìn)、出水中COD、BOD、NH3-N、TP、SS等水質(zhì)指標(biāo)變化的平均值及其去除效率變化值見表4。運(yùn)行結(jié)果表明：該污水清潔處理工藝除對(duì)總氮的去除率有提高外，對(duì)COD、BOD、NH3-N、TP、SS等的去除率變化很小，可以認(rèn)為這種工藝對(duì)污水的上述水質(zhì)指標(biāo)的變化無影響。

3.4 處理成本核算

汕尾西區(qū)污水處理廠采用污水清潔處理工藝的成本核算見表5。由表5可知，在不包括設(shè)備折舊費(fèi)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)的條件下，水力空化減泥的直接運(yùn)行成本只有電耗和人工費(fèi)用，減少每噸濕泥（80%含水率）的直接成本核算為111.05元/t。

表4 清潔處理工藝應(yīng)用前后水質(zhì)指標(biāo)變化

表5 水力空化減泥運(yùn)行成本表 （單位：元/t）

4 結(jié)論

工程應(yīng)用證明，水力空化減泥技術(shù)與活性污泥法相結(jié)合形成的城市污水清潔處理工藝技術(shù)，是一種環(huán)境效果優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益低廉、運(yùn)行效果可靠的先進(jìn)技術(shù)。

（1）通過水力空化作用使污泥破碎，生化過程使污泥作為碳源被生物利用，可使剩余污泥減量60%以上；在末端再安裝高壓板框壓濾機(jī)后可使污水處理廠剩余污泥量減少80%以上。

（2）在生物反硝化過程中，通過水力空化補(bǔ)充了污水中的碳源，從而提高了生化系統(tǒng)脫氮效果，出水總氮去除率可提高9%～10%。

（3）水力空化減泥技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)，只需在回流污泥井出口處增設(shè)減泥機(jī)設(shè)備，無需改變原污水處理廠的流程及處理單元，特別適合于現(xiàn)有的污水處理廠升級(jí)改造。

（4）污水清潔處理工藝建設(shè)周期短、投資成本低、占地面積小，可減少每噸剩余污泥的直接成本約110元。

該污水清潔處理技術(shù)特別適合現(xiàn)有的污水處理廠的升級(jí)改造，為我國城市污水處理廠污泥源頭減量、過程減排、末端兼容、最終處置提供了一種簡便易行、成本低廉、運(yùn)行可靠的升級(jí)改造技術(shù)路線，為我國擺脫剩余污泥處理處置的困境提供了新途徑，對(duì)污水處理產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。