污水有机物结构改善型初沉池技术研究进展

祝磊,郑兴灿,李圭白,殷益明,孙永利

(1.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，黑龙江 哈尔滨 150090；2.江苏一环集团有限公司，江苏 宜兴 214206；3.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300070)

颗粒有机物是生活污水COD的主要贡献来源，早期的污水处理以有机物去除为主要目标，有机物作为污染物随初沉等预处理工艺得到去除。但随着脱氮除磷要求的提高，城镇污水处理厂普遍出现脱氮除磷所需碳源不足、碳氮比(BOD5/TN)偏低、污泥泥砂含量过高等问题[1]。郭泓利等[2]分析全国127座污水处理厂进水水质，发现80%污水处理厂的BOD5/TN低于3.6，22%的污水处理厂SS/BOD5值低于1.2，碳源不足和无机组分含量低等问题较为严重。传统初沉池的核心功能是去除进水中的SS，以提升后续生物单元的有机组分含量并降低有机负荷[3]。但由于进水COD大部分以颗粒态形式存在，传统初沉池在去除SS的同时也去除了大量的COD，从而加剧了污水厂碳源不足的问题，因此有些地区提出要取消初沉池[4]。而取消初沉池又会导致大量泥砂等无机组分进入生化系统，导致生化系统无机组分含量偏高并形成巨大的冲击负荷，影响生化系统的运行稳定性[4-6]。开发同时具有无机组分截留去除和碳源结构改善功能的新型初沉池，提高进入生物处理单元污水的有机物浓度和可生化性，并据此提升生物处理单元的有机组分含量和快速可生物降解有机物浓度，对改善城镇污水处理系统运行效能，提高生物系统池容利用率具有重要的工程应用和理论研究价值。

1 初沉池碳源改善机理

生活污水中的有机物多以颗粒态存在，部分地区生活污水有机物中颗粒态有机物的比例已经超过60%，其中快速、慢速、难生物降解有机物比例分别为15.58%,54.2%和30%[4]。通过初沉池SS吸附携带去除的有机物以蛋白质、糖类和脂肪为主，造成对污水处理厂碳源的部分损耗[3,7]。研究表明，合理优化和调整初沉池的HRT和SRT，不仅可以保障SS的去除效果，还可以将颗粒态有机物的分解转化控制在水解产酸阶段，实现污水处理厂碳源结构的改善。结合Alberto Rozzi和Enrico Remigi[7]的研究成果，发现新型初沉池污泥中有机物的转化可分为2个阶段：1)水解阶段，颗粒态有机物在分解、溶解和酶水解等作用下由颗粒物变为溶解性大分子及小分子物质；2)酸化阶段，主要是单糖、氨基酸等为主的小分子物质被转化为脂肪酸、醇类和酮类等物质。新型初沉池中沉降颗粒有机物的厌氧发酵过程路径见图1。

图1 新型初沉系统中有机物分解过程示意图Fig.1 Schematic diagram of decomposition process of organic matter in the new type primary sedimentation tank

2 新型初沉池在国外研究进展

国外污水处理厂已经开始广泛采用初沉污泥发酵提取碳源的工艺技术，并用其生产的含挥发性脂肪酸的混合发酵液进行生物脱氮[8]。美国、澳大利亚、加拿大、南非、瑞典和西班牙等国家的污水处理厂已将初沉污泥发酵作为一种生产VFA的方法用于生物除磷[9]。

早在20世纪70年代，国外就开展了初沉污泥发酵产酸用于提高生物脱氮除磷效果的研究。B Rabinowitz和W K Oldham[10]研究初沉污泥发酵强化生物除磷效果，提出了醋酸盐和丙酸盐是最有效的诱导厌氧磷释放的基质，可以通过初沉污泥原位发酵产生醋酸盐和丙酸盐，以大幅提高活性污泥系统的除磷效率。A R Pitman[11]指出初步沉淀是保留原始污泥固体进行产酸发酵所必需的环节，此外为了获得更多的SCOD和最大程度地减少VFA转化为甲烷，系统污泥龄宜控制在2～6 d并确保泥龄可调。R Moser-Engeler等[12]研究发现初沉污泥发酵产生的易生物降解底物可以有效替代外加碳源，在20 ℃下5 d内可将17%的COD转化为为SCOD，并且水解系数是10 ℃条件下的3倍。R Moser-Engeler等[13]在瑞士污水处理厂开展初沉污泥预发酵产短链脂肪酸的研究，发现污泥浓缩池和淘洗设施耦合组成的污泥预发酵系统可以有效产生短链脂肪酸，并且由于淘洗系统可以去除不能沉淀的悬浮颗粒物，系统内可以实现更好的沉淀和污泥浓缩效果。J Ribes等[14]设计一套研究初沉污泥发酵的中试设备并建立了包含初沉池的沉淀和浓缩过程的模型，通过调整沉淀和生物参数，该模型可以很好的拟合不同污泥龄和循环流速下总污泥浓度和VFA的生成。

J Chanona等[15]阐述了2种基本的初沉污泥发酵系统：(1)活性初沉池，活性初沉池具体污泥发酵和污泥淘洗的功能，并且有用于沉淀原泥富集的空间且具备用于污泥淘洗的污泥回流系统(图2a)；(2)侧流发酵系统，当初沉池本身不能产生足够的VFA浓度时，可以使用一个分离的发酵单元以增加VFA的产量(图2b)。在这种情况下，沉淀的污泥被输送到发酵装置，发酵的污泥返回到初沉池，与进水一起对VFA进行淋滤。并通过中试研究发现，随着污泥池高度的增加，产酸菌在沉降系统中的停留时间延长，VFA的产量也随之增加，更高的循环流量也会导致更高浓度VFA的生产。Y H Ahn和R E Speece[16]开发了一种新的洗脱式发酵工艺，并在间歇和半连续运行条件下研究了系统对城市污泥的水解/产酸性能的影响，结果显示污泥的水解作用显著依赖于季节对污泥特性的影响，但对产酸作用影响较小，在SRT为5 d时系统性能最好，在pH为9和55 ℃时系统产酸量最大。

H V Phan等[17]对44种微量有机污染物(TrOCs)在初沉污泥厌氧消化过程中的迁移转换规律开展中试研究，发现其中24种物质一直存在于初沉污泥中，并指出TrOCs多数富集在固相中，在厌氧消化期间其在固液两相中的迁移转化行为受其本身物理化学性质的影响，含有供电子官能团的亲水TrOCs具有较高的生物转化率，此外还发现厌氧条件下污泥的吸附可能会阻碍疏水性TrOCs的生物转化。Sreejon Das等[18]研究未处理和臭氧处理的树脂酸对初污泥厌氧消化的影响，发现当树脂酸浓度为150 mg/L时系统甲烷产量降低了42%，树脂酸在45～75 mg/L范围内对甲烷产量没有负面影响，此外用0.52 mgO3/mg COD的臭氧添加可以去除初级污泥中50%～70%的树脂酸，同时混合有机物的水解SCOD浓度提高了(31±2.5)%。Priyanka Ali等[19]研究了利用初沉污泥污泥发酵液作为部分反硝化-厌氧氨氧化替代碳源的可行性，研究发现SRT为1～2 d时产量最高，随着试验期延长VFA相对含量会越来越低，并且静态试验结果表明发酵液的最大短程反硝化效率为93%，与纯醋酸酯相当。

3 新型初沉池在国内研究进展

国内在二十一世纪初逐渐开始关注初沉污泥发酵，并开展相关研究和工程应用。郑兴灿等[20]依据江苏省太湖流域多座城镇污水处理厂实际运行情况的调查分析，首次在国内提出了包含初沉池(发酵)的城镇污水处理厂一级A稳定达标处理的基本工艺流程和扩展工艺流程。任健等[21]开展城市污水处理厂的初沉污泥水解酸化试验，研究发现当控制HRT为32 h，温度为35 ℃，污泥回流比为100%，SRT为4 d时，产酸效果最佳，出水SCOD稳定在1 178.149 mg/L 左右。2010年，国家城市给水排水工程技术研究中心和江苏一环集团有限公司联合研发了新型高效能初沉池成套系统，该系统停留时间短(30～45 min)、运行泥位高(最高为液位的80%)，集悬浮固体分离、初沉污泥发酵、絮凝沉淀于一体，此外系统内微旋流可以有效的将吸附在沉淀污泥上的VFA等洗脱，从而提高系统出水中SCOD和VFA含量，系统示意图见图3。

图3 新型高效能初沉池成套系统主要构筑物及关键设备运行示意图Fig.3 Operation diagram of main structures and key equipment of the new high efficiency primary settling tank complete system1.初沉发酵池主体；2.进水；3.桥架结构；4.低速推进器；5.固液分离区堰板

王佳伟等[22]在北京高碑店污水厂开展了将普通初沉池改造成活性初沉池的生产性试验研究，并提出与未改造的普通初沉池相比，活性初沉池出水的VFA、SBOD5、COD、C/N、C/P值分别增加了48.8%,45.3%,20.5%,66.2%和26.2%。李鹏峰等[23]开展环沟型改良A2/O型工艺中试研究，该工艺集高效初沉发酵池、回流污泥反硝化池、厌氧池及双沟道氧化沟道工艺于一体，在总HRT不足8 h的条件下，达到了较好的脱氮除磷效果，出水水质稳定达到一级A标准。王佳伟等[24]分析了泥龄和循环比对活性初沉池中污泥水解发酵效果的影响，发现在污泥龄为3.5 d和循环比为20%的条件下，活性初沉池出水的BOD5、COD和VFA的浓度较传统初沉池分别提高了41.3%,30.8%,24%，活性初沉池示意图见图4。此外，李鹏峰等[25]开展了高效初沉发酵池处理城市污水的中试研究，并发现在水力停留时间为0.75 h、悬浮污泥絮体层界面高度不低于高效初沉发酵池有效池深的70%、SRT为4 d的条件下，高效初沉池对SS的去除效率是普通初沉池的近2倍，出水VSS/SS、C/N和C/P等较普通初沉池分别提高了17.3%,33%和14%。

图4 活性初沉池示意图Fig.4 Schematic diagram of active primary sedimentation tank

李秀芳[26]研究发现通过微生物的水解发酵及机械搅拌单元的淘洗作用，活性初沉池出水 SCOD与VFAs 可分别增加51.7 mg/L 和18.8 mg/L，经过活性初沉池后污水的 SCOD/TN值和SCOD/TP值可分别提高40.9%和41.8%。Pengkang Jin等[27]研发了一种新型活性初沉池工艺(APT工艺)，通过发酵和污泥淘洗实现碳源回收，并提出该工艺的最佳运行参数为：SRT=5 d、G=152 S-1、污泥回流量=10%，具体工艺流程图见图5。

Xianbao Wang等[28]对机械洗脱对APT工艺污泥碳源回收的影响展开了研究，结果显示淘洗强度越大，污泥中可溶性化学需氧量(SCOD)、挥发性脂肪酸(VFAs)释放量越多，并且发现淘洗强度的作用比淘洗时间的作用更大。Xuan Shi等[29]开展了流态调控对提高活性初沉淀池碳源回收的影响研究，结果显示与无挡板的APT工艺相比，在沉降区前端设置一个挡板，可以使SCOD的沉降损失最小，出水中SCOD和挥发性脂肪酸的度分别提高了52,4.49 mg/L， 并且SCOD/总氮(TN)、SCOD/总磷(TP)的出水也分别增加了22.47%和11.95%。

图5 APT工艺示意图Fig.5 APT process diagram

4 结论

我国城市污水处理厂普遍存在碳氮磷比例失调的问题，为了缓解碳源不足，很多污水处理厂普遍采用外加碳源的方式，这也很大程度上提高了污水厂的运行成本。传统的初沉池的确在很大程度上加剧了污水厂碳源不足的问题，然而直接取消初沉池也会带来生物系统有机负荷加大、有效池容降低和剩余污泥产率量加大及污泥处理成本增加等问题。新型初沉池作为兼具SS去除和进水碳源改善的系统，可以很好的缓解污水厂碳源不足的问题，具有很高的推广和应用价值。