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我国污水排放标准提标的必然趋势分析

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面临日益艰巨的水体环境问题,强化污水处理厂的脱氮除磷,执行更为严格的排放标准,甚至在局部敏感区域采用深度脱氮除磷技术,是未来我国改善水体环境的必然选择。 

对于特定污水处理厂,制约其生物脱氮除磷效果的直接因素是进水中的有机物浓度及其可利用性,为了获得可靠的生物脱氮效果,进水COD/TKN至少要达到7~8以上,而我国很多污水处理厂COD/TKN却在3~5之间;对于EBPR,进水COD/TP≥40,可快速降解有机物(rbCOD)与TP比值至少要在18~20以上,或VFA/TP≥4~7,厌氧区挥发性脂肪酸VFA浓度至少要达到25mg/L,才有可能获得比较满意的除磷效果。

理论及实践表明,只要厌氧区的VFA浓度足够,EBPR工艺可以使出水TP达到0.1mg/L,而我国很多污水处理厂实际进水VFA却不足10mg/L,尤其是南方城市,如果仅仅依赖进水中极为有限的VFA含量和厌氧池内1~2h的短时间发酵,往往无法满足脱氮除磷对rbCOD和VFA的要求,因此补充rbCOD、VFA往往是实现EBPR、改善出水水质的必然选择。 

近些年,基于初沉污泥或活性污泥的污泥水解技术逐渐成为研究热点,与投加外部商业碳源相比,充分发掘污水厂潜在的“内碳源”补充进水rbCOD,无疑是绿色、可持续的发展方向。 

活性污泥水解技术逐步得到开发和应用,但生产规模的工艺案例相对较少,北欧一些国家如丹麦、瑞典近些年成功发展了侧流活性污泥水解工艺,并得到成功应用,而我国在这方面的实践相对滞后,活性污泥水解多限于实验室研究阶段,最近同济大学进行了活性污泥在碱性条件下(pH值=10)水解补充VFA强化脱氮除磷的中试研究,但国内工程规模的污泥水解案例尚未见报道。

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1、 活性污泥水解工艺及潜力分析 

1.1 活性污泥发酵工艺类型 

目前活性污泥水解工艺已形成了不同的工艺构型,从工艺类型上主要分为主流水解(MSH)和侧流水解(SSH)两种形式,从水解对象选择上分为混合液水解、回流污泥水解及剩余污泥水解三种。 

主流水解是指从二沉池回流到生物池的活性污泥全部经过一个厌氧水解发酵过程,而侧流水解工艺的水解池则独立于主生物池之外,在污泥回流环节设置一个单独的反应池,回流污泥中的一小部分进入SSH池,停留1~4d后富含rbCOD的污泥再回流至主生物池,实现强化脱氮除磷的目的。 

SSH工艺在丹麦及瑞典得到快速发展和应用,在SSH技术基础上,丹麦EnviDan公司进一步发展并提出了ARP/SSH工艺,在强化脱氮除磷的同时,还能提高进水有机负荷或水力负荷,目前丹麦、瑞典已经有数十座ARP/SSH工艺污水厂在运行。 

1.2 活性污泥水解过程及影响因素 

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活性污泥作为污水厂数量最为庞大的潜在碳源,评估污泥水解工艺的碳源贡献率,对其可利用性及水解潜力分析至关重要。虽然初沉污泥水解VFA产率要高于活性污泥,但是对于特定的污水厂,初沉污泥数量要远远低于活性污泥。 

结合进水中可降解COD(以bCOD表示)的生化转化过程,估算混合液水解与活性污泥水解的VFA贡献能力及除磷潜力分析。 

在活性污泥水解过程中,进水中1kg的bCOD最终能被PAO利用并去除的磷量为0.009~0.014kg。需要说明的是,Houweling等人给出的估算是基于BioWin活性污泥模型软件的活性污泥表观产率系数Yobs=0.2kgCOD/kgbCOD,综合参考国内外的文献数据,笔者认为此值偏低,建议根据工艺实际情况Yobs取0.3~0.5kgCOD/kgbCOD,依此可以根据特定污水厂的进水bCOD浓度及数量来推算活性污泥水解技术的潜在除磷量。 

实际上,上述估算是基于纯活性生物量的水解估算,然而活性污泥除生物量本身外,还吸附了大量的污染物,这些污染物会在整个SRT内被微生物水解、储存和利用,因此系统SRT是影响污泥水解产率的关键因子。 

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混合液水解(UMIF)工艺比单纯菌体水解过程更复杂,主要包含两个过程:首先,要考虑进水中被活性污泥吸附的有机物将在UMIF区优先水解,而这部分水解量贡献率主要取决于进水中有机物实际被污泥吸附的数量,同时UMIF区厌氧污泥量占系统总污泥量的比例也是影响UMIF水解产率的关键因子; 

其次,活性污泥本身的水解过程,也就是说对于混合液水解,既包含进水bCOD的直接水解发酵,又包含后续活性污泥的水解发酵过程。经估算,利用进水rbCOD发酵生成VFA的产率为0.55~0.9kgCOD(VFA实际产率受发酵过程产氢量的影响而不同),进一步计算得出进水bCOD对TP的去除贡献量为0.055~0.09kgP/kgbCOD。 

由上述两种发酵途径可看出,直接利用进水bCOD进行混合液发酵会获得更高的VFA产率,对除磷贡献率更高。

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