侧流污泥生物强化技术及其在污水厂升级改造中的适用性

书书书檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲殘殘殘殘述评与讨论侧流污泥生物强化技术及其在污水厂升级改造中的适用性刘智晓１，　胡春萍１，　詹卫东２，　刘　敏２，　杨蛟云１（１．首创爱华＜天津＞市政环境工程有限公司，天津３０００６０；２．北京首创股份有限公司，北京１０００２８）　　摘　要：　严峻的水环境形势使得我国许多地区的污水厂正面临提标改造，但是进水碳源不足、规划场地受限等诸多因素一直困扰升级改造工艺的选择，常规的应对技术又具有投资大、运行费用高等不足，未必适合我国大部分地区采用，因此甄选投资及运行费用低廉的具有可持续发展特性的新工艺、新技术显得迫在眉睫。侧流污泥生物强化技术近些年在国外得到快速发展和应用，对其中的侧流污泥水解技术、侧流污泥原位生物富集技术、侧流腐殖土污泥培养技术进行了介绍，并对其在升级改造中的适用性进行了分析。　　关键词：　侧流处理系统；　水解；　生物扩增；　升级改造；　挥发性脂肪酸中图分类号：Ｘ７０３　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１０００－４６０２（２０１０）１６－０００１－０６ＳｉｄｅｓｔｒｅａｍＳｌｕｄｇｅＢｉｏａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄＴｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｉｎＵｐｇｒａｄｉｎｇａｎｄＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＷａｓｔｅｗａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔＰｌａｎｔｓＬＩＵＺｈｉｘｉａｏ１，　ＨＵＣｈｕｎｐｉｎｇ１，　ＺＨＡＮＷｅｉｄｏｎｇ２，　ＬＩＵＭｉｎ２，　ＹＡＮＧＪｉａｏｙｕｎ１（１．ＣａｐｉｔａｌＡｉｈｕａ＜Ｔｉａｎｊｉｎ＞ＭｕｎｉｃｉｐａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００６０，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＣａｐｉｔａｌＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２８，Ｃｈｉｎａ）　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ＭｏｓｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｓａｒｅｆａｃｉｎｇｗｉｔｈｕｐｇｒａｄｉｎｇａｎｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｕｅｔｏｔｈｅｓｅｖｅｒｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｕｐｇｒａｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｓｈｉｎｄｅｒｅｄｂｙｌａｃｋｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅ，ｌｉｍｉｔｅｄｐｒｏｐｏｓｅｄｌａｎｄａｎｄｍａｎｙｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｈｉｇｈｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｓｔ，ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｍａｙｎｏｔｂｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｕｓｅｉｎｍｏｓｔｐａｒｔｓｏｆＣｈｉｎａ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｎｅｗｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｌｏｗｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｓｔａｎｄｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｐｐｅａｒｓｕｒｇｅｎｔ．Ｓｉｄｅｓｔｒｅａｍｓｌｕｄｇｅｂｉｏａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｒａｐｉｄｌｙａｂｒｏａｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｓｉｄｅｓｔｒｅａｍｓｌｕｄｇｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ，ｉｎｓｉｔｕｂｉｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｈｕｍｕｓｓｌｕｄｇｅｃｕｌｔｕｒｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅｕｐｇｒａｄｉｎｇａｎｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｓｉｄｅｓｔｒｅａｍｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ；　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ；　ｂｉｏａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ；　ｕｐｇｒａｄｉｎｇａｎｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；　ｖｏｌａｔｉｌｅｆａｔｔｙａｃｉｄｓ　　随着我国面临日益严峻的环境压力，各地对污水处理厂出水水质提出了日益严格的要求，常规污水处理工艺面临提标改造。我国污水厂提标升级改造面临的主要问题是进水有机碳源不足及场地限制等，进水碳源的不足直接影响了生物除磷（ＥＢＰＲ）效果及对ＴＮ的去除效率，改造方案不得不考虑采用化学除磷，外加碳源强化反硝化实现对ＴＮ的去除。另外，提标改造往往需要扩建生物池池容，但是·１·第２６卷　第１６期２０１０年８月　　　　　　　　　　　　中国给水排水ＣＨＩＮＡＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．１６Ａｕｇ．２０１０有限的污水厂占地使得确定改造方案时显得捉襟见肘。国外近些年得到快速发展和应用的侧流污泥生物强化技术为解决上述问题提供了一个崭新的思路。１　侧流污泥水解技术１１　污泥水解方式比较近些年，基于利用污水厂“内碳源”的污泥处理技术逐步得到研究和工程化应用［１］，利用污泥厌氧水解可以产生易生物降解有机物（ＲＢＣＯＤ）和挥发性脂肪酸（ＶＦＡｓ）［２］，可以有效补充进水ＲＢＣＯＤ及ＶＦＡｓ的不足，强化对营养盐的去除。城市污水处理厂的污泥可分为初沉污泥和活性污泥，现有的研究表明，两种污泥经过水解、发酵后都能够产生ＲＢＣＯＤ及ＶＦＡｓ，因而都可以作为污水厂的内碳源［３］。但是两者在应用方式、水解产率及对后续工艺的影响等方面存在较大差异，因此具体选择何种污泥进行水解产酸要视情况而定。初沉污泥和剩余活性污泥主要区别如下：①　在工艺构型及水解产物利用方式上的差异。初沉污泥水解需要将水解池中的浓缩污泥进行回流，通过上清液的分离实现水解产物的利用，因而相当一部分水解产物被吸附滞留在回流的泥相中。研究表明，只有将初沉池污泥含固率从２％浓缩到８％，７５％的污泥水解产物才能被利用［４］。但活性污泥水解池无需采用浓缩污泥回流系统，挟带水解产物的泥水混合液直接进入厌氧池，因而对水解产物利用率可达１００％，设备投资及工艺复杂程度低。②　水解产率的差异。通常情况下，在同样的ＳＲＴ条件下初沉污泥水解ＶＦＡｓ、溶解性ＣＯＤ（ＳＣＯＤ）的产率要高于活性污泥。Ａｎｄｒｅａｓｅｎ等［５］研究发现初沉污泥在２０℃时水解后，ＳＣＯＤ占总ＣＯＤ的９％～１６％，而活性污泥ＳＣＯＤ／ＴＣＯＤ仅为２．５％。但ＹｕａｎＱ等人最新的研究表明，只要ＳＲＴ稍长一些，活性污泥水解一样能取得较高的水解产率，其中ＳＲＴ及ＭＬＳＳ对活性污泥水解产率有显著影响［６］。另外，还需要说明的是，初沉池污泥水解产物成分不如活性污泥稳定，尤其是当污水收集于地势平坦的长距离排水管网系统［７］。另外，虽然初沉污泥水解产率高于活性污泥，但是初沉污泥发酵易产生较为严重的恶臭问题［３］，需要增设除臭设施。基于上述两种污泥的水解特性，研究者开始关注污水厂剩余活性污泥的利用［８］，在实现污泥减量的同时，可充分利用污泥作为“内碳源”，用于补充进水碳源不足，进而改善污水处理工艺的脱氮除磷效果［９］。１２　活性污泥水解方式的选择典型的活性污泥水解流程见图１。!#$%#&’(!#$%)*+&,&-./0!#$%#&’(!#$%)*+,-./&0&图１　两种活性污泥水解工艺流程Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｗｏａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｓ其中方式ａ是全回流水解，可称之为主流污泥水解工艺（ＭＳＨ），即全部回流活性污泥都经过厌氧水解池进行水解，此方式需要建设较大容积的水解池，投资较大，设计停留时间通常选择２～４ｈ，此种方式适于污水厂具有较大占地且进水碳源严重不足的情况。方式ｂ为典型的侧流污泥水解工艺（ＳＳＨ），只有２％～８％的回流污泥量进入厌氧水解池进行发酵产酸，设计停留时间通常选择２４～７２ｈ，该方式适于厂区占地受限、进水碳源不足时选用。对于ＳＳＨ的工艺设计，停留时间及厌氧泥龄的选取主要取决于进水ＣＯＤ／ＴＰ值，当进水ＣＯＤ／ＴＰ值为５０～６０时，ＳＳＨ池的厌氧泥龄可选总泥龄的１３％～２０％，据此核算ＳＳＨ池容。对于影响污泥水解产物及效率的环境因子，研究表明，碱性条件（ｐＨ＝９～１１）及酸性条件（ｐＨ＝４～５）都可以改善ＳＣＯＤ的产生率，但是碱性环境更有利于ＳＣＯＤ的产生［８］。１３　侧流污泥水解方式应用情况及适用性分析目前，侧流污泥水解工艺在北欧一些国家（如瑞典、丹麦）有较多研究和应用，主要归因于这些国家的许多污水厂进水ＲＢＣＯＤ及ＶＦＡｓ浓度较低，影·２·第２６卷　第１６期　　　　　　　　　　　　　　中国给水排水　　　　　　　　　　　　ｗｗｗ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｃｏｍ响生物脱氮除磷效果，因此比较关注污泥水解的应用。从１９９６年至今，丹麦有３０余座污水厂采用侧流活性污泥水解工艺以改善污水厂的除磷效果，如Ａａｌｂｏｒｇ市的西部污水厂，进水ＲＢＣＯＤ平均为１５０ｍｇ／Ｌ，ＶＦＡｓ却不足１ｍｇ／Ｌ，这严重影响了活性污泥工艺的ＥＢＰＲ效率。Ｖｏｌｌｅｒｔｓｅｎ等人通过对位于丹麦Ａａｌｂｏｒｇ市东、西两座污水厂的ＳＳＨ工艺研究表明［１０］，ＳＳＨ可以降低工艺对进水ＲＢＣＯＤ的依赖，能显著改善生物处理系统ＥＢＰＲ效果，根据对ＳＳＨ工艺物料平衡计算可知，东污水厂通过污泥水解可以产生ＲＢＣＯＤ约１３６ｍｇ／Ｌ，其中约８９ｍｇ／Ｌ被聚磷菌（ＰＡＯｓ）储存利用；西污水厂水解可以产生ＲＢＣＯＤ约１４９ｍｇ／Ｌ，其中约６３ｍｇ／Ｌ被ＰＡＯｓ储存利用。我国目前在城镇污水厂升级改造中遇到的主要水质问题也是碳源不足，这一直在困扰着工艺的选择。在低碳源条件下，由于可利用有机物有限，反硝化菌与ＰＡＯｓ对基质的竞争使系统氮、磷（尤其是磷）去除效果变差［１１］。为了强化对磷及ＴＮ的去除效果，经常迫不得已采用的手段是增加化学除磷及投加外部碳源（如甲醇等），虽然这种方式可以满足严格的出水水质要求，但是无疑会导致昂贵的运行费用，同时外碳源的投加也会增加污水厂的污泥产量，这在我国一些经济欠发达地区未必可取。侧流污泥水解无疑为此提供了一个既能解决碳源不足的问题，又能实现污泥减量的理想方式，因而是可持续的处理技术，充分利用污水厂“内碳源”思想是值得借鉴的。２　侧流污泥原位生物扩增技术２１　基本原理现代分子生物技术分析表明，活性污泥中自养菌数量仅占总生物量的１％～３％，只要自养菌数量有少许增加，系统的硝化性能就会有显著改善［１２］。近些年，侧流原位生物扩增技术（ＳｉｄｅＳｔｒｅａｍＩｎｓｉｔｕＢｉｏａｕｇｍｅｎｔａｉｔｏｎ，ＳＳＩＢＡ）得到研究和应用，ＳＳＩＢＡ不但可以充分利用污水厂污泥处理系统尤其是污泥消化工艺排放的富氮上清液（ｒｅｊｅｃｔｗａｔｅｒ），更为关键的是该技术可以原位培养扩增适于本厂水质特性的硝化菌并释放到生物处理系统内，因而减小了硝化对生物处理系统泥龄（ＳＲＴ）的要求，其典型工艺流程见图２。通过比较侧流生物扩增工艺与常规处理工艺对满足硝化功能的最小理论泥龄ＳＲＴｍｉｎ的不同要求，可以定量分析ＳＳＩＢＡ技术对降低活性污泥系统理论泥龄的贡献水平。!#$%&’()*)*+)*,-./0)*12)*34567图２　侧流污泥原位生物扩增工艺流程示意Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｄｅｓｔｒｅａｍｓｌｕｄｇｅｉｎｓｉｔｕｂｉｏａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ根据“增殖速率＝生长速率＋补充速率－衰减速率－洗出速率”物料平衡原理，分别建立适用于常规处理工艺与侧流污泥原位生物扩增工艺的硝化菌增殖速率数学模型。①　对于常规处理工艺，无“补充速率”项，“洗出速率＝ＣＡ／ＳＲＴ”［１３］，建立物料平衡如下：　ｄＣＡｄｔ＝μｍａｘＣＮＣＮ＋ＫＮＣＡ－κｄＣＡ－ＣＡＳＲＴ（１）式中　ＣＡ———硝化菌浓度，ｇ／ｍ３　μｍａｘ———硝化菌的最大比增殖速率，ｄ－１　ＣＮ———ＮＨ３－Ｎ底物浓度，ｇ／ｍ３　ＫＮ———半饱和常数，ｇ／ｍ３　κｄ———自养菌内源衰减系数，ｄ－１　ＳＲＴ———泥龄，ｄ稳态条件下，可以得出常规工艺满足硝化要求的最小泥龄ＳＲＴＢｍｉｎ（推导过程略）：　ＳＲＴｍｉｎ＝ＣＮ＋ＫＮＣＮμｍａｘ－κｄ（ＣＮ＋ＫＮ）（２）②　对于ＳＳＩＢＡ工艺，由于在系统流程上添加了一个独立的硝化菌原位富集培养