＊劉波考 陽立平 李海波 劉濟忠 石井裕之

（1.東莞市臺騰環(huán)保材料科技有限公司 廣東 523586 2.深圳高速環(huán)境有限公司 廣東 518038 3.天津城建大學 天津 300192）

隨著“碳達峰”“碳中和”“30/60”目標的制定，以及《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》的出臺，污水處理行業(yè)的低碳減排成為環(huán)境產(chǎn)業(yè)未來的一大趨勢。餐廚垃圾廢水是一種成分復雜、高有機物、高總氮但可生化性好的廢水[1]，現(xiàn)有餐廚垃圾廢水處理工藝最常用工藝主要有“預處理+厭氧+A/O+超濾膜處理技術(shù)”和“預處理+A/O+MBR+超濾膜處理技術(shù)”[1]，該組合工藝可以有效去除廢水中難降解有機物，實現(xiàn)餐廚廢液深度處理。餐廚垃圾廢水傳統(tǒng)生化反硝化脫氮需要消耗大量有機碳源，維持反硝化碳氮比（C:N=5:6），碳源不足需補充投加，無法避免操作繁瑣和成本高的缺點[2-3]。本文研究對象是貴陽某餐廚垃圾處理廠采用預處理+厭氧+A/O+超濾膜處理工藝，生化改造前投加大量甲醇，運行費用高，且出水COD容易超標，改造后末端出水新增SODP自養(yǎng)脫氮設(shè)施后停投甲醇，出水穩(wěn)定達標，年節(jié)約碳源500萬，全年累計減排CO2約1611t，該工藝推廣為高濃度總氮廢水處理提供借鑒經(jīng)驗。

1.生物脫氮技術(shù)研究現(xiàn)狀

生物脫氮技術(shù)指在微生物的作用下，污水中的有機氮同化為內(nèi)源氮或異化為無機氮，最后轉(zhuǎn)化為氮氣的過程。生物脫氮的主要優(yōu)點是脫氮效率高、工藝流程簡單和成本低。脫氮基本原理是厭氧氨化將有機氮轉(zhuǎn)為氨氮再通過好氧硝化作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，最后在缺氧條件下通過反硝化作用將硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)為氮氣。

(1)傳統(tǒng)深度脫氮異養(yǎng)反硝化

生物反硝化脫氮分為異養(yǎng)和自養(yǎng)，異養(yǎng)脫氮需投加甲醇、乙酸鈉等碳源，存在成本高、后續(xù)有二次污染等問題，而自養(yǎng)反硝化可用無機物作為電子供體，不需要外加有機物。

傳統(tǒng)異養(yǎng)脫氮如A2/O等主要通過內(nèi)回流來進行脫氮，循環(huán)量一般為100%～200%，效率難以提高，且動力成本較高。二級深度脫氮主要采用深床反硝化濾池，利用附著在濾料上反硝化細菌生物膜厭氧或缺氧條件下將硝氮、亞硝氮轉(zhuǎn)化為氮氣，從而確保出水總氮達標。

張敏、劉秀紅等[4-5]利用以陶粒為濾料的反硝化濾池，對硝酸鹽氮微污染地表水進行了脫氮研究，表明生物濾池在添加適量有機碳源條件下可獲得較高脫氮率。

劉金瀚等[6]以火山巖作為濾料構(gòu)建反硝化濾池處理生化出水，表明對NO3-N平均進水濃度8mg/L的廢水脫氮需加乙酸鈉保持C/N比高于8才可使出水TN＜1mg/L，水質(zhì)波動時難以及時調(diào)節(jié)碳源用量，成本較高。

(2)SODP自養(yǎng)低碳生物脫氮技術(shù)簡介

所謂硫自養(yǎng)反硝化是指自養(yǎng)反硝化菌可利用無機碳（如C032-、HCO3-）合成細胞，在缺氧或厭氧條件下利用還原態(tài)硫（S2-、S、S2032-等硫源）作為電子供體，通過氧化硫獲取能量，同時以硝酸鹽為電子受體，將其還原為氮氣[7]。

SODP（Sulfur Oxidation Denitrification Pellet）自養(yǎng)反硝化復合生物載體是一種以由硫、天然礦物元素、電子介導體、生物活性酶、堿度平衡劑等活性組分優(yōu)化設(shè)計而成的綠色脫氮系統(tǒng)，具有高密度生物持有量、多元電子傳遞特征，通過馴化成功后可負載高密度脫氮硫桿菌而實現(xiàn)高效率低碳綠色脫氮，具有節(jié)約碳源、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點。

2.工藝概述

(1)處理工藝簡介

項目廢水主要為厭氧發(fā)酵污水、設(shè)備清洗水，經(jīng)廠區(qū)污水管網(wǎng)收集后集中進入廠內(nèi)已建污水處理站進行處理，經(jīng)過預處理“（隔油氣?。?兩級AO生化處理+MBR+SODP自養(yǎng)反硝化深度脫氮處理”，設(shè)計水量為700m3/d，進水總氮為700mg/L，升級改造后，總氮需低于70mg/L，通過自建污水管網(wǎng)進入下游污水處理廠。

(2)進水水質(zhì)

SODP自養(yǎng)工藝實施為貴州某餐廚垃圾處理廠中經(jīng)厭氧發(fā)酵、缺氧、好氧、MBR膜處理后的廢水，其中采集5日數(shù)據(jù)進行分析，進水水質(zhì)指標參見表1。

由表1可知，SODP脫氮系統(tǒng)進水總氮≤700mg/L，硝態(tài)氮占95%，凱氮（氨氮+有機氮）占5%，適合采用自養(yǎng)脫氮工藝。

表1 SODP自養(yǎng)脫氮工藝進水水質(zhì)列表

(3)出水數(shù)據(jù)分析

SODP自養(yǎng)脫氮工藝設(shè)計進水總氮≤700mg/L，進水凱氏氮（KN≤30mg/L），設(shè)計脫氮工藝一級出水總氮≤200mg/L，二級出水總氮≤70mg/L，載體接觸HRT=39h，出水數(shù)據(jù)參照表2。

表2 SODP自養(yǎng)脫氮工藝出水數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3.結(jié)果與討論

(1)SODP自養(yǎng)脫氮效果評估

圖1 SODP自養(yǎng)反硝化深床脫氮濾池進出水總氮對比

該餐廚廢水經(jīng)過SODP深床反硝化脫氮濾池實際處理后，排水總氮≤30mg/L，排水硝態(tài)氮≤5mg/L，總氮去除率≥95%，硝氮去除率≥99%，設(shè)計日處理硝氮負荷410kg/d，實際處理負荷約485kg/d。

圖2 SODP自養(yǎng)反硝化深床脫氮濾池總和硝態(tài)氮去除率對比圖

(2)SODP自養(yǎng)脫氮對COD、pH的去除

通過進出水數(shù)據(jù)分析在脫氮系統(tǒng)過程中也伴隨COD降低，平均去除率約30%，表明自養(yǎng)脫氮的過程中利用好氧出水底物殘留有機物作為碳源，提供電子存在著異養(yǎng)脫氮的暗反應(yīng)，整個脫氮反應(yīng)過程為自養(yǎng)為主、異養(yǎng)為輔的混合營養(yǎng)。自養(yǎng)脫氮反應(yīng)是一個pH降低的過程，自養(yǎng)脫氮硫桿菌可在pH為4.0～9.5的條件下生長[8]，進水pH在7.5～8，出水pH在6.9～7，由于填料已包埋補充反應(yīng)所需堿基，反應(yīng)在pH降低過程中隨時補充消耗堿度，脫氮效率沒有受影響。

圖3 SODP硫自養(yǎng)脫氮處理餐廚廢水進出水COD變化

圖4 SODP硫自養(yǎng)脫氮處理餐廚廢水進出水pH變化

(3)固化填料SEM電鏡分析

圖5 QCL-SODP填料固化前SEM掃描電鏡圖片（放大100倍）

脫氮填料馴化前后電鏡放大100倍對比，固化前填料表面平整，呈片狀及粒狀結(jié)構(gòu)，固化后填料表面呈蜂窩多孔，分析為專屬脫氮硫桿菌依托硝氮吞噬載體表面及內(nèi)部營養(yǎng)完成自身營養(yǎng)代謝，微生物在載體表面及內(nèi)部大量繁殖，在填料中“鑿洞”固化。

4.效益分析

(1)經(jīng)濟效益分析

餐廚廢水治理使用傳統(tǒng)生化去除水中硝態(tài)氮，反硝化反應(yīng)式：2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O傳統(tǒng)生化法反硝化菌脫氮的同時需要消耗有機碳源，碳源一般按C:N=5:6計算消耗量，碳源的投加量計算公式：C=V×G/X。

式中：C—碳源投加量；V—處理水量；G—需要補充COD的差值；X—碳源換算成的COD量。

①采用乙酸鈉噸水運行費用4000元×2.826t乙酸鈉/700m3/d=16.14元。

②采用甲醇碳源噸水運行費用3000元×1.47t甲醇/700m3/d=6.3元。

③采用自氧脫氮無需添加任何營養(yǎng)源，3年后約添加初始載體投加量的3%，本項目設(shè)計初始添加量1375t。

每噸填料按市場價10000元，即1375t×0.03=40t，3年后每年運行費用約40萬，噸水運行費用約1.56元。

表3 碳源投加計算分析表

(2)環(huán)境效益分析

“碳達峰”“碳中和”是今年全國兩會的熱詞。SODP自養(yǎng)脫氮技術(shù)是一項綠色脫氮技術(shù)，零碳源的投加，在節(jié)省碳源降低污水廠運行費用的同時減排了碳源產(chǎn)生CO2及污泥量的產(chǎn)生。貴州該餐廚污水處理廠處理能力700m3/d，正常碳源投加單耗按2100mg/L計，每年可節(jié)省甲醇537t，傳統(tǒng)甲醇以煤制甲醇為主，生產(chǎn)1t甲醇需要煤1.35t，同時約排放3噸的二氧化碳，相當于減排二氧化碳1611t。

5.結(jié)論與展望

SODP創(chuàng)新無機自養(yǎng)脫氮技術(shù)出現(xiàn)，使得污水處理廠可以大幅降低能耗和有機碳源消耗，更有能力轉(zhuǎn)化為零能耗或者能量輸出的“碳中和”型污水廠。中國工業(yè)污水及城市生活污水廠提標改造，尤其餐廚廢水，長期存在碳氮比低，需長期投加補充碳源脫氮的情況，SODP無機自養(yǎng)脫氮技術(shù)可以在未來水環(huán)境治理中發(fā)揮越來越重要的作用。