餐厨预处理三相水作为碳源在餐厨沼液处理中的应用研究

田延威 丁乃初 黄兴东 褚禛 单君 朱丽可 张思运

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州 213000）

1 引言

餐厨垃圾厌氧发酵后产生的沼液中含有未被发酵分解的果皮、蔬菜、米面、鱼、肉等有机物，餐厨垃圾中蛋白质被氨化后留下的含氮化合物，脱水后残余的悬浮物等。该污水具有水量大、排水不均匀、有机物及氨氮浓度高、杂质和悬浮物多、盐分含量高、易腐发酵发臭等特点［1］，是一种高有机物、高氨氮、高总氮的高难度处理污水。此类废水在进行深度脱氨处理过程中，反硝化碳源严重不足，需投加碳源，以提高脱氮效率［2］。目前大部分污水处理厂通常利用甲醇、葡萄糖等作为外加碳源，但此类碳源价格昂贵，用于污水厂碳源成本较高［3］，尽管目前已有利用餐厨垃圾处理后溶液进行污水处理的研究［4-5］，但并未进行工程实例的应用，因此，寻求经济合理的碳源应用于实际工程势在必行［6］。

本文以河南某餐厨垃圾处理厂实际工程为例，采用餐厨预处理三相水作为碳源，投加至污水处理系统中，分析其处理工艺、设计参数、运行效果并进行经济评价，以期为餐厨沼液及同类水质特点的项目应用碳源提供一定的参考。

2 项目基本情况

2.1 设计规模

河南某餐厨垃圾处理厂主要处理餐厨垃圾和地沟油，设计能力为100 t/d 餐厨垃圾和20 t/d 地沟油，采用“预处理＋湿式厌氧发酵”工艺。污水的主要来源为餐厨垃圾和地沟油经过预处理后，联合厌氧后的沼液、生活污水、厂区冲洗水等废水。根据全厂的水量平衡分析，进入污水处理系统的水量为140 t/d，因此该项目污水处理系统设计处理规模为150 t/d。

2.2 设计进、出水水质

厌氧沼液（约占总污水量的80%）［7］中，COD、BOD5、NH3－N、TN、SS、TP、动植物油脂等浓度较高，水质波动大；生活污水和厂区冲洗水（各占总污水量的15%和5%）水量较小，主要污染物指标分别为NH3－N、TN、SS、COD、动植物油脂。

污水水量及主要污染物情况见表1。

表1 污水水量及主要特征污染物 m3/d

根据同类项目的实际进水情况，确定本项目进水水质，按照本项目环境影响评价报告及批复意见，污水处理系统出水水质满足GB/T 31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》A 级标准中的要求。

主要的设计进、出水水质见表2。

表2 设计进、出水指标 mg/L

3 处理工艺

餐厨沼液具有有机物浓度大、悬浮物含量高、总氮浓度高等特点［8］，本污水处理系统工艺确定遵循如下原则：

（1）鉴于生物法的经济性与环保性，污水中的绝大部分有机污染物（COD）和氨氮应采用生物法进行降解去除，尽量避免污染物的二次转移。

（2）结合本项目的出水排放要求，采用生物法即可达到出水标准［9］，同时为避免生物法处理后出现水质波动的情况，采用物理法（如膜技术）和化学法（如混凝沉淀）对经过生物法处理后的残留污染物进行处理，即采用“生物＋物化”的组合工艺。

综合考虑本项目主体工艺路线确定为“预处理（离心脱水＋气浮）＋两级A/O＋UF＋混凝沉淀”工艺，本工艺路线成熟稳定、技术先进可靠。

沼液处理工艺流程如图1 所示。

图1 沼液处理工艺流程

4 主要工艺路线及设计参数

根据工艺流程，本项目污水处理可以分为预处理、调节池、MBR 及混凝沉淀4 个系统［10-11］。

4.1 预处理系统

厌氧发酵系统沼液从沼液罐自流至沼液池，由于沼液中固体物含量较高，且可能含有纤维等颗粒较大的物质，在离心脱水前设置污泥粉碎机，粉碎后的沼液泵送至污泥脱水机进行离心脱水，脱水后的沼渣含水率降至80%后外运处置，沼液自流至滤液池。此时沼液中的SS 和油含量仍然较高，通过气浮机气浮后沼液自流至调节池。

预处理系统主要配置：2 台污泥脱水机，分别用于沼液和生化污泥脱水，沼液脱水机处理量为25 m3/h，生化污泥脱水机处理量为10 m3/h；污泥粉碎机1 台，处理量为25 m3/h；气浮机1 台，处理量为10 m3/h；沼液脱水进料泵1 台，处理量为25 m3/h；生化脱水进料泵1 台，处理量为10 m3/h；气浮进料泵1 台，处理量为10 m3/h。设置主要构筑物：沼液池1 座，有效容积为150 m3；生化污泥池1 座，有效容积为65 m3；滤液池1 座，有效容积为30 m3。

4.2 调节池系统

餐厨污水经过厌氧处理后，COD 得到大幅度降解，但对氨氮没有去除作用，而且一部分有机氮会转化为氨氮，可能会导致厌氧出水的碳氮比失调，因此，考虑设置碳源投加装置，可利用预处理三相水作为碳源进行水质调节，以获得合适的碳氮比。调节池内的污水由MBR 进水泵提升进入外置式膜生化反应器，为保护后续的膜处理单元，在系统前设有过滤级别为0.8 mm 的过滤器，以防止大颗粒固体物进入后续的处理单元。

调节池系统主要配置：碳源储罐1 座，容积为10 m3；碳源投加泵1 台，处理量为200 L/h；MBR 进水泵2 台（1 用1 备），处理量为10 m3/h；袋式过滤器2 台（1 用1 备），处理量为10 m3/h。设置主要构筑物：调节池1 座，有效容积180 m3。

4.3 MBR 系统

膜生化反应器主要由一级反硝化、硝化系统，二级反硝化、硝化系统和超滤单元组成。将两级生物脱氮技术与膜生化反应器技术组合，同时综合了两级生物脱氮技术与MBR 技术的优点。当一级反硝化池和一级硝化脱氮不完全时，一级反硝化、硝化过程中残留的氨氮、硝态氮和亚硝态氮可在二级反硝化池和二级硝化池中进行深度脱氮反应，从而保障生化脱氮的完全性和稳定性［12］。一级、二级硝化池采用鼓风射流曝气，以增加水中溶解氧；由于生化池内污水温度较高，为使池内温度保持在硝化反应适宜范围内，设置冷却塔和换热设备对硝化池污水进行换热。

MBR 系统主要配置：一级射流曝气器1 套；一级射流循环泵2 台，处理量为300 m3/h；硝酸盐回流泵1 台，处理量为300 m3/h；鼓风机3 台，风量为1 250 m3/h；二级射流曝气器1 套；二级射流循环泵1 台，处理量为75 m3/h；超滤进水泵2 台（1 用1备），处理量为75 m3/h；超滤集成设备1 套，处理量为150 m3/h；超滤清液罐1 座，容积为10 m3；超滤清液外排泵1 台，处理量为10 m3/h。设置主要构筑物：一级反硝化池1 座，有效容积为790 m3；一级消化池2 座，总有效容积为1 300 m3；二级反硝化池1 座，有效容积为2 800 m3；一级消化池1 座，有效容积为280 m3。

4.4 混凝沉淀系统

经过外置式MBR 处理的超滤出水不稳定，COD，TP 和SS 会有波动，设置混凝沉淀装置进一步去除超标物质，确保最终出水达标排放，沉淀污泥排入生化污泥池中，与生化污泥混合脱水。

混凝沉淀系统主要配置：混凝沉淀装置1 套，处理量为10 m3/h；清液外排泵1 台，处理量为10 m3/h。配置主要构筑物：清液池1 座，有效容积为150 m3。

5 碳源及投加方法

5.1 外加碳源

本项目外加碳源为工业甲醇和餐厨预处理三相水［13］。其中餐厨预处理三相水为本项目预处理系统经过“分选、除砂、除渣”后加热进行三相提油后的水相，该物料呈酸性，COD，TS 含量高，且易生物降解。两种外加碳源具体指标见表3。

表3 外加碳源类别及性质

5.2 投加方法

研究表明［14-15］，在COD/NO3-－N 为6.0 的条件下，硝态氮去除速率较快，累计的亚硝态氮及时被还原，出水总氮符合要求，总体上脱氮处理效果较好。因此，经换算生化系统COD/TN 在7.0 左右条件下效果最佳。

餐厨预处理的三相水TS 含量高［16］，如直接投加至调节池中，会对生化和膜系统冲击较大，因此，三相水投加位置为脱水前的沼液池或气浮前的滤液池，去除大部分SS。工程调试成功后，于2022 年5—9 月进行了5 个月的工况试验，具体方法见表4。

表4 试验运行条件 m3/d

6 工程运行效果

项目建成投运后，按照试验方法运行，污水处理系统实际接纳水量120～155 m3/d，平均值在140 m3/d左右。从5 个月的运行数据中，得到不同碳源情况下系统COD 去除效果，见表5。

表5 不同碳源情况下系统COD 去除效果

不同碳源情况下系统TN 去除效果见表6。

表6 不同碳源情况下系统TN 去除效果

不同碳源情况下系统TP 去除效果见表7。

表7 不同碳源情况下系统TP 去除效果

从表5～7 可知，5 种碳源投加的试验方式，COD，TN，TP 指标均能稳定达到出水标准要求。

从表4 和表5 可知，6 月和7 月在沼液池中分别投加三相水量为12 m3/d 和25 m3/d，混合沼液后COD 平均可达33 679 mg/L 和45 189 mg/L，但经过脱水和气浮后，COD 平均分别降为10 864 mg/L 和15 546 mg/L；8 月和9 月在滤液池中分别投加三相水量为5 m3/d 和10 m3/d，混合沼液后COD 平均可达140 82 mg/L 和23 987 mg/L，但经过气浮后COD平均分别降为10 214 mg/L 和14 582 mg/L。这是由于三相水中COD 一部分溶解在水相中，一部分在悬浮物中，经过脱水和气浮去除大部分悬浮物后，悬浮物中的COD 进到脱水污泥中外排。

通过表6 和表7 中的数据计算后可知，6 月和7月在沼液池中投加三相水量后，平均TN 分别增加了8.32%和12.97%，平均TP 分别增加了13.50%和48.16%；8 月和9 月在沼液池中投加三相水量后，平均TN 分别增加了7.85%和5.81%，平均TP 分别增加了9.18%和10.56%。比较分析，TN 增幅不大，对于生化系统几乎没有影响；但TP 增幅较大，尤其是7月，因此，在气浮阶段需要加大PAC 药剂的投入。

7 经济评价

试验运行过程中主要针对碳源及脱水段、气浮段、混凝沉淀段的聚丙烯酰胺（PAM）和聚合氯化铝（PAC）药剂成本进行统计分析，具体成本见表8。

表8 不同碳源情况下药剂成本分析 元/t

从表8 可知，5 月药剂成本中，碳源占药剂成本的50%以上；6—9 月平均总药剂成本比5 月分别降低了8.02，14.70，12.81，18.47 元/t，因此，减少碳源投入，增加三相水量，可有效降低药剂成本。从表8 中可知，5 个月的平均药剂成本中，9 月的平均药剂成本最低，为26.31 元/t，9 月平均总药剂成本比5 月降低了41.25%，因此，餐厨预处理三相水可作为碳源，投加位置选择滤液池，在保障出水水质稳定达标的同时，可有效降低药剂成本。

8 结论

餐厨垃圾厌氧发酵后产生的沼液C/N 比失衡严重，进行深度脱氨处理过程中，反硝化碳源严重不足，餐厨预处理三相水可作为碳源，主体工艺路线采用“预处理（离心脱水＋气浮）＋两级A/O＋UF＋混凝沉淀”工艺，出水水质可稳定达到GB/T 31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》A 级标准中的要求。结果表明，减少碳源投入，增加三相水量，可有效降低药剂成本；三相水作为碳源投加到滤液池中，药剂成本可降低41.25%，该运行方式在经济效益方面有明显的优势，可以为餐厨沼液处理及其他同类项目建设和运行提供有益参考和借鉴。

日常运行过程中，需加强生化污泥的监测和膜处理设备的维护保养，定时排泥防止生化系统污泥膨胀，膜处理设备定期清洗，确保膜使用寿命。另外，三相水投加前还应检测油脂含量，防止油脂对生化系统产生不良影响。