污水清洁处理工艺应用研究

2019-01-03刘捷范洪波宋嵩

中国环保产业 2018年12期

刘捷，范洪波，宋嵩

（东莞理工学院，广东东莞 523808）

1 污水处理清洁工艺技术开发背景

1.1 我国城镇污水处理工艺现状

截至2017年末，我国建成运行的城镇污水处理厂为5027座[1]，其中多数污水处理厂采用的是活性污泥法及其衍生的改良工艺技术，如：AA/O、UCT、氧化沟、序批式活性污泥法（SBR、CASS）、利用膜分离污泥的MBR等。活性污泥法是一种依靠含有多种微生物的絮体（活性污泥）为主体降解污水中污染物的处理技术。活性污泥由大量繁殖的微生物群体构成，微生物以污水中的有机污染物为营养食料，通过吸附、吸收、氧化、分解等代谢过程，将有机物转化为简单的无机物，使污水得到净化。

活性污泥在处理污水中污染物时，会形成代谢产物（即剩余污泥），这种代谢产物通过沉淀或膜分离实现固液分离，从而产生大量的剩余污泥从系统排出。污水中的氨氮在好氧池中硝化后生成硝态氮，经过混合液回流至反硝化池，还原为氮气被去除。但这种反硝化过程必须以有机物（碳源）作为电子供体才能实现。

1.2 污水处理工艺存在的问题

活性污泥法可以同步实现脱氮除磷，具有较高的化学转化效率，是成熟并被广泛采用的城市污水处理技术。但这种污水处理工艺存在两个问题难以解决。

其一是采用活性污泥法处理污水的过程中会产生大量的剩余污泥，处理每万吨城市污水会产生8～10吨含水率80%的泥饼。我国目前每年约产生近5000万吨的湿泥饼。这些污泥在收集、储存、处理及处置过程中会产生恶臭，滋生蚊蝇，造成严重的二次污染。污水污泥的大部分都是采用填埋方式进行处理，会占用大量土地，并对垃圾填埋场造成负面影响。而采用污泥干化焚烧方式则需要消耗大量能源，处理成本昂贵。为了减少污泥的体积，也会采用污泥深度脱水技术，但脱水过程中需投加大量药剂，导致处理成本显著增加。因此，污水处理厂都为污泥的妥善处理处置付出了巨大代价。污水处理厂污泥的二次污染以及昂贵的处理处置成本，已成为污水处理的重大问题之一。

其二是出水中的总氮难以稳定达标。原因是活性污泥法在反硝化脱氮时，需有足够的碳源。由于我国污水收集管网通常距离较长，污水在长距离输送过程中，有机物会自然分解，使得污水中的碳源减少、氨氮升高，导致硝态氮反硝化时碳源不能满足要求，使总氮难以达标。投加碳源又会造成污水处理成本升高，难以接受。

1.3 污水清洁处理工艺技术研发的意义

鉴于上述问题，本研究将含有大量不溶性的高分子有机物的剩余污泥，通过水力空化技术破碎成易被微生物吸收利用的低分子量可溶解的有机物，将这种有机物溶液返回到活性污泥工艺的反硝化系统中作为碳源资源化利用，形成了一种新型的污泥排放量少的清洁生产污水处理工艺技术。

这种新型的污水清洁处理技术的优点是：1）可大量减少污水处理过程中剩余污泥量的60%以上，同时减少了二次污染；2）在污水处理过程中，将污泥资源化利用，提高了总氮的去除效果；3）可大幅度降低污泥处理处置的成本，解决了污泥处理的难题，具有广阔的应用前景。

2 污水清洁处理工艺简介

2.1 水力空化减泥技术原理

水力空化减泥技术是将污水处理厂产生的剩余污泥通过高压泵送入水力空化器中，污泥通过水力空化器时在突然释压的条件下，通过水中氧气的氧化作用、空气泡溃灭过程的空化作用以及水力破碎作用等多重耦合协同效应，在瞬间将附着于细胞表面的胞外聚合物（EPS）破坏，使污泥絮体中的高分子有机物发生断键而溶入水中，从而使水中难降解的固体性物质转化、分解成易降解的溶解性物质，然后将这些破碎后的污泥以及细胞溶出物质再次输入生物处理系统中，可以起到补充碳源、提高微生物对有机污染物的降解以及增强脱氮的作用，从而实现污泥的减量和生化处理效果的改善。

2.2 污水清洁处理工艺原理

污水清洁处理工艺的原理是：将水力空化减泥机安装在活性污泥系统的剩余污泥浓缩池或者污泥储存池的出口，剩余污泥通过高压污泥泵送入水力空化器中，通过水力空化器破碎后的污泥溶液泵送入活性污泥系统的酸化水解池或反硝化水池，在反硝化池中，有机物被大量利用后进入曝气池进一步去除其中的有机物。然后再进入二沉池进行泥水分离，二沉池底部产生的剩余污泥再进入污泥浓缩池，再次被高压泵送入水力空化器进行污泥破碎，此过程反复循环进行，达到减少污泥和提高脱氮效果的目的。

2.3 污水清洁处理工艺在工程中的应用

以应用最为广泛的活性污泥法（AA/O工艺）与水力空化减泥技术相结合为例，形成的污水清洁处理工艺流程如图1所示。在该工艺中，水力空化减泥机置于AA/O工艺系统的污泥回流池之后，由配套的高压泵从污泥回流池中抽取污泥，并将污泥输送入减泥机中进行水力空化处理。空化后的污泥经配套出泥管道输送入厌氧池参与生物反应。对于二沉池中形成的必须排出的剩余污泥，由于其中的有机物含量减少而容易脱水，配套采用高压隔膜板框压滤机脱水，可使外运污泥的含水率降低至50%以下，从而更好地实现了污泥减容，更便于污泥最终处置。

图1 污水清洁处理工艺流程示意图

利用水力空化减泥技术对AA/O工艺系统改造时，并没有明显改动原有的工艺系统，只是将原来外回流的污泥通过水力空化减泥机后再返回到AA/O原工艺系统中，即可形成一种新型的污水清洁处理工艺。因此这种技术特别适合于现有的污水处理厂升级改造。

该种污水清洁处理工艺的实质是形成了一种完善的源头减量、过程减排、末端减容、最终处置的工程技术路线。源头减量就是在水力空化的过程中直接将污泥破碎（可分解约2%的有机物），从而实现源头减量；过程减排就是破碎后的剩余污泥进入生化处理系统，在生物处理过程中可减少约60%的污泥；末端减容是指这种污泥经高压板框压滤机可以减容60%以上；末端处置是指这种污泥无机物含量高，水泥窑掺烧比可以大幅度提高；这就形成了一种全新的城市污水处理厂污泥减容减量的新途径。

3 污水清洁处理工艺工程应用效果

该污水清洁处理工艺已在深圳盐田污水处理厂4万吨/日（一期）、汕尾市西区污水处理厂2.5万吨/日和广州市龙归污水处理厂5万吨/日（一期）获得应用。

以汕尾市西区污水处理厂为例，该污水处理厂日处理能力2.5万吨/日，采用AA/O工艺，各生化反应池水力停留时间为：厌氧池1.14h、缺氧池1.46h、好氧池6.14h、二沉池2.41h。进、出水水质见表1。2017年8月该厂的AA/O工艺系统中安装了2台水力空化减泥机，1备1用，每台设备的空化能力为150m3/h。安装在污泥回流池出口，经过水力空化后的泥水混合液回流到原系统中的厌氧池。原工艺系统的其他所有设备、管路、操作控制方式均不改变。

表1 进、出水水质表（单位：mg/L）

3.1 清洁处理工艺的减泥效果

汕尾市西区污水清洁处理工艺自2017年9月开始运行，至2018年1月25日。运行期间好氧池污泥浓度3500～5000mg/L，溶解氧控制在2mg/L左右，回流污泥浓度9000～13,000mg/L。5个月内连续运行的产泥量与前6年同期污泥产量对比数据见表2。柱状对比图见图2。

表2 污水处理清洁工艺同期污泥产量对比表（单位：t/月）

图2 污水处理清洁工艺同期污泥产量对比柱状图

表2和图2所示结果表明：汕尾西区污水处理厂采用清洁处理工艺后，AA/O工艺系统的污泥产量比前6年同期平均值减少了60%以上。由此可见，以水力空化减泥技术与AA/O活性污泥工艺系统相结合具有良好的污泥减排效果，是一种可进行工程化应用的污水清洁处理工艺技术。

3.2 清洁处理工艺的TN去除效果

清洁处理工艺通过水力空化减泥机将剩余污泥破碎后回流到生化反应池，在破碎后溶解性的污泥被生物分解减量的同时，为硝态氮的分解起到了补充碳源作用，提高了生化过程对总氮的去除率。汕尾西区污水处理厂在清洁处理工艺应用前后总氮去除率见表3和图3。

表3 清洁处理工艺应用前后TN浓度测试结果

图3 2017～2018年清洁处理工艺应用后进出水中TN的变化趋势

该污水处理厂的运行结果表明：清洁处理工艺运行之前总氮的平均去除率为57.71%，该工艺运行之后总氮的平均去除率提高到67.21%，总氮去除率提升了9.5%。尽管该去除率提高不足10%，但对于国内许多总氮去除率不能稳定达标的污水处理厂仍具有重大意义。

3.3 清洁处理工艺对水质其他指标的影响

汕尾市西区污水处理厂采用清洁处理工艺运行前后，进、出水中COD、BOD、NH3-N、TP、SS等水质指标变化的平均值及其去除效率变化值见表4。运行结果表明：该污水清洁处理工艺除对总氮的去除率有提高外，对COD、BOD、NH3-N、TP、SS等的去除率变化很小，可以认为这种工艺对污水的上述水质指标的变化无影响。