我國污水處理廠多采用生物脫氮除磷工藝，碳源一直是傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝的控制因素，碳源是微生物生長必須的營養(yǎng)元素，主要消耗于釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌代謝。中國有相當一部分污水處理廠的進水都存在碳源含量低，造成出水脫氮除磷效果較差。因此有效解決城市污水處理廠碳源不足問題，是提高污水脫氮除磷效率從而實現(xiàn)達標排放的有效途徑。
今天擬從內(nèi)碳源和外加碳源兩個方面，對城鎮(zhèn)污水處理廠碳源的開發(fā)利用進行分析。
1內(nèi)碳源
內(nèi)碳源是指存在于污水處理系統(tǒng)本身的碳源。包括原污水中的可生物降解溶解性有機碳，從原污水中分離出來的顆粒態(tài)慢速降解有機物(初沉污泥)和活性污泥微生物死亡或破裂后自溶釋放出來的可被利用的基質(zhì)。在中國節(jié)能減排的環(huán)保政策指引下，內(nèi)碳源的有效開發(fā)利用便顯得尤為迫切。不但可以減少廢物排放量，還可以有效提高生物脫氮除磷效果，可謂一舉兩得。
1.1多點進水
也稱為分段進水活性污泥法，污水經(jīng)過簡單的物理處理后，直接進入生物池。早期采用多點進水方式的目的是減少生物池需氧量和供氧量的差異，起到節(jié)能降耗的作用。目前采用該方式的目的一方面是增加脫氮除磷段的碳源含量，同時也是消耗污泥回流和硝化液回流所攜帶的剩余的溶解氧，優(yōu)化脫氮除磷的反應(yīng)環(huán)境，從而提高處理效果。這種運行方式目前逐漸受到了一些新建和改擴建的污水廠的青睞，如鄭州市新建的某污水處理廠就是采用多點進水的改良型UCT工藝，排放標準執(zhí)行一級A的排放標準。
這種運行方式由于是增加了進水點，從而增加構(gòu)筑物池容和管線系統(tǒng)，無疑會帶來系統(tǒng)相對復(fù)雜，反應(yīng)池容積和建設(shè)投資的增加，運行管理難度增大等問題，相對于提高處理效果來講，這些弊端也是可以忽視的。
1.2初沉池的合理設(shè)置
常規(guī)來講，初沉池是設(shè)置在沉砂池之后的另一個非常重要的物理法處理單元，其作用是進一步去除沉砂池不能去除的更加細小的無機顆粒，可去除10%~20%的有機物，還具有一定的水解酸化的作用，從而減少后續(xù)生物處理單元的負荷，對提高處理效果起到了重要的促進作用。然而初沉池的設(shè)置同時也帶來了后續(xù)脫氮除磷處理階段碳源量更低的問題，尤其是對于某些進水低C/N的污水廠來講，其碳源不足的矛盾將更加突出。這無疑使得關(guān)于初沉池的設(shè)置與否陷入了兩難的尷尬境地。業(yè)內(nèi)關(guān)于是否取消初沉池的討論也是不絕于耳。據(jù)筆者的調(diào)查了解，目前初沉池的設(shè)置與否歸納為以下三種主要方式：
(1)直接取消初沉池。目前相當一部分污水廠(如現(xiàn)階段較為流行的延時曝氣氧化溝工藝)，是污水經(jīng)過沉砂池之后，直接進入生物池。這種做法的優(yōu)勢是減少了初沉池的建設(shè)投資，簡化了處理流程，對于緩解建設(shè)單位的資金和占地規(guī)劃緊張狀況起到積極作用。筆者認為這種方式對于進水SS濃度較低且波動不大的污水廠無疑是個不錯的選擇。
(2)可在初沉池環(huán)節(jié)處設(shè)置超越管，根據(jù)實際進水情況決定是否取消初沉池，以解決脫氮除磷系統(tǒng)中有機碳源不足的狀況。筆者認為，這種方式更適合進水SS濃度波動較大的污水廠。即當進水SS濃度較高時，開啟初沉池進一步降低SS;當進水SS濃度較低時，開啟超越管超越初沉池來減少有機物的損失。以期增加后續(xù)處理工藝中有機碳源的含量。
(3)減少初沉池的水力停留時間。常規(guī)來講，初沉池的水力停留時間為1~2h，有些業(yè)內(nèi)人士提出將初沉池的停留時間減少至0.5~1h[1]，或者適當提高沉砂池池的水力停留時間，這樣可以在一定程度上緩解取消初沉池所帶來的一系列弊端。
這三種方式各有利弊，需要設(shè)計和建設(shè)單位根據(jù)進水的實際情況以及具體的建設(shè)情況，進行合理的設(shè)計和建設(shè)。
1.3增設(shè)厭氧水解酸化池
改進脫氮除磷工藝，目前常用的主要方式是在脫氮除磷反應(yīng)器前增加厭氧水解酸化池(段)。在厭氧水解酸化階段，大分子有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的化合物并分泌到細胞外，主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸(VolatileFattyAcids，VFAs)，醇類，乳酸等，削減待處理污水的有機負荷，改善了污水的可生化性，提高后續(xù)處理的效率。梁存珍等[2]采用水解酸化-反硝化-硝化的組合工藝對土霉素廢水進行了實驗室規(guī)模的連續(xù)處理。
廢水經(jīng)過厭氧水解，反硝化速率從0.31kg/m3˙d增加到0.45kg/m3˙d，提高了45.2%。這類研究成果為實際工程的推廣和應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持，如鄭州市某污水處理廠在氧化溝前設(shè)置前置缺氧池(前置反硝化池)和厭氧池，10%的進水直接進入前置缺氧池段給回流污泥提供反硝化所需碳源，在厭氧池內(nèi)，大分子和難降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于生物降解的物質(zhì)為聚磷菌提供碳源。改良型氧化溝和改良型A2/O等均是在此基礎(chǔ)上演化而來，有一些新建和改擴建的污水處理廠也積極采納了這種方式，并取得了較好的處理效果。
結(jié)果表明，將水解酸化過程作為低濃度城市污水生物脫氮工藝的預(yù)處理工藝可以為反硝化段補充一定量的碳源，有效提高脫氮效率。考慮到水解池的建設(shè)運行費用，以及一些地區(qū)廢水的實際情況，還需要綜合處理效果和經(jīng)濟費用等因素因地制宜地確定運行工藝及工藝條件。
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1.4利用污泥開發(fā)碳源
采用污泥開發(fā)碳源，使得污泥在城市污水處理廠內(nèi)部進行循環(huán)利用，能在一定程度上解決污泥的處置問題，實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化。但由于污泥微生物的細胞壁半剛性結(jié)構(gòu)很難通過直接厭氧水解產(chǎn)酸，只有對污泥進行預(yù)處理，以破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)、細胞壁，使其胞內(nèi)物質(zhì)能夠有效的釋放出來，才能獲得可溶解性有機物，進而水解產(chǎn)生VFAs。近幾年發(fā)展起來的污泥預(yù)處理方法有：物理法(高壓噴射法、珠磨法、超聲波法、加熱法)、化學(xué)法(臭氧氧化法、氯氣氧化法、濕式氧化法)、生物法及一些組合方法。VFAs為碳源的反硝化速率高于甲醇、乙醇等傳統(tǒng)碳源，因為在生物降解過程中甲醇和乙醇是先被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的VFAs，然后再進行進一步的降解。但一般城市污水處理廠進水中，每升水含VFAs僅有幾十毫克。
目前國內(nèi)外開始利用生物法使污泥水解發(fā)酵來產(chǎn)生VFAs的研究越來越多。以開發(fā)碳源為目的的污泥水解酸化的研究重點，應(yīng)著力于如何使反應(yīng)保持在產(chǎn)酸階段，使得VFAs得到積累作為后續(xù)生物脫氮除磷的碳源使用。研究較為成熟的還有污泥法中的超聲波法并且已達到工程應(yīng)用程度，利用低頻超聲波開發(fā)碳源，在強化污水脫氮除磷效果達20%~30%[3]的同時還可減少剩余污泥的排放。
需要注意的是，發(fā)酵液中不但含有大量的溶解性有機物，還含有大量的N、P，如果直接作為碳源，勢必會增加進水的N、P含量，給后續(xù)脫氮除磷工藝增加負擔。因此需要對發(fā)酵液中的N、P進行回收，目前大多數(shù)是以鳥糞石沉淀形式回收磷，其次是磷酸鈣、磷酸鋁及磷酸鐵。利用鳥糞石工藝回收N、P在Mg/N=1.8，pH=10.0，P/N=1.13即最佳N、P回收條件下NH4+-N和SOP的去除率為73.6%和82.2%[4]。
2外加碳源
外加碳源大體上可以分為兩大類：(1)傳統(tǒng)碳源，包括甲醇、乙醇、乙酸等液態(tài)有機物及糖類;(2)其他類型的碳源，如工業(yè)廢水、垃圾滲濾液。
2.1傳統(tǒng)碳源
傳統(tǒng)碳源是目前研究較為成熟，應(yīng)用較多的碳源，主要包括：低分子有機物，如甲醇、乙醇、乙酸等以及糖類，如葡萄糖、蔗糖。投加適量這類低分子有機物在反硝化過程中均能實現(xiàn)完全脫氮[5]，由于每種碳源代謝途徑不同，造成反硝化速率各不相同其中以乙酸、甲醇的反硝化速率最快，丁酸、丙酸次之，葡萄糖的最慢。反硝化菌要求要求反硝化過程中的碳源是低生長量的碳源。單碳化合物的生長量最低，因為從單碳化合物中合成細胞物質(zhì)所需能量較大，在一定程度上阻止了細胞的生長，而將碳源氧化，使硝酸鹽和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣去除，甲醇反應(yīng)生成二氧化碳和水，沒有衍生的副產(chǎn)物，是最清潔的碳源，從這個角度來講甲醇這種單碳化合物做碳源效果最好，其次是乙醇，糖類等易降解有機物。大量試驗結(jié)果均顯示[6-7]，甲醇、乙醇、乙酸及糖類物質(zhì)做為碳源時，脫氮效率要明顯高于未投加是的反硝化速率，是可利用的碳源。
這類碳源雖然能夠取得良好的反硝化效果，但長期投加帶來的運行費用增加，是限制其應(yīng)用的主要因素。
2.2其他碳源
可作為碳源利用的廢棄物包括工業(yè)廢水、垃圾滲濾液，工業(yè)廢水中的啤酒廢水[8]、淀粉廢水、合成氨企業(yè)的甲醇殘液等等，含有大量的糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等，可生化性好且不含有毒有害物質(zhì)，能夠成為生物脫氮除磷的理想碳源。對于一些COD含量高但可生化性不好的廢水如造紙廢水，可將其與肉類加工廢水混合提高可生化性[9]成為有效碳源。在填埋初期的垃圾滲濾液有良好的可生化性[10]將其作為反硝化系統(tǒng)的外加碳源，既能補充污水中碳源含量，又使得垃圾滲濾液得到處理。
上述這些碳源目前由于其數(shù)量少，主要用于生產(chǎn)廢水的脫氮除磷，在用以提高城市污水處理廠的脫氮除磷效率的應(yīng)用環(huán)節(jié)上有待進一步的探討。
3結(jié)語
綜上所述，目前已發(fā)現(xiàn)的可利用碳源的數(shù)量繁多，但是在城市污水處理廠實際運行中，究竟選取何種碳源才能做到經(jīng)濟性、實用性和高效性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這成為目前的研究焦點。總體上講外加碳源能夠取得良好的脫氮除磷效果，但長期投加無疑會增加處理運行成本和管理難度，也是限制其應(yīng)用的主要因素。而內(nèi)碳源的開發(fā)利用只能對提高脫氮除磷效率起到一定的積極作用，而不是特別有效。但可以在滿足脫氮除磷的同時達到對廢物的資源化利用，降低城鎮(zhèn)污水處理廠的運行成本，這符合中國節(jié)能減排的環(huán)保理念。縱觀國內(nèi)外開發(fā)碳源的進程，充分利用內(nèi)碳源和外碳源以降低外碳源使用時增加的污水處理成本是今后的發(fā)展方向和研究重點。
因此，在城市污水處理廠的實際運行中，優(yōu)選碳源時應(yīng)注意以下幾點：(1)深入了解不同碳源的特性，結(jié)合具體的進水水質(zhì)特點，選擇最佳碳源，具體問題具體分析，切忌照搬;(2)可開發(fā)利用的碳源種類很多，但考慮到污水處理廠的運行成本，并注意選擇可操控性強的碳源，做到經(jīng)濟性和高效性的統(tǒng)一;(3)根據(jù)不同碳源的不同性質(zhì)，還可考慮同時利用多種碳源，做到內(nèi)、外碳源有機結(jié)合，以達到最佳脫氮除磷效果;(4)進一步優(yōu)化城市污水處理廠的處理工藝和運行參數(shù)，提高運行管理水平，最大限度提高整個流程的處理效率。