SODP創(chuàng)新自養(yǎng)低碳綠色脫氮技術(shù)在餐廚廢水中的應(yīng)用研究

＊?jiǎng)⒉?陽(yáng)立平 李海波 劉濟(jì)忠 石井裕之

（1.東莞市臺(tái)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(xué) 天津 300192）

隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”“30/60”目標(biāo)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(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》的出臺(tái)，污水處理行業(yè)的低碳減排成為環(huán)境產(chǎn)業(yè)未來(lái)的一大趨勢(shì)。餐廚垃圾廢水是一種成分復(fù)雜、高有機(jī)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(yù)處理+厭氧+A/O+超濾膜處理技術(shù)”和“預(yù)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(jī)物，實(shí)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(jī)碳源，維持反硝化碳氮比（C:N=5:6），碳源不足需補(bǔ)充投加，無(wú)法避免操作繁瑣和成本高的缺點(diǎn)[2-3]。本文研究對(duì)象是貴陽(yáng)某餐廚垃圾處理廠采用預(yù)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(yùn)行費(fèi)用高，且出水COD容易超標(biāo)，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(dá)標(biāo)，年節(jié)約碳源500萬(wàn)，全年累計(jì)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(yàn)。

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(jī)氮同化為內(nèi)源氮或異化為無(wú)機(jī)氮，最后轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程。生物脫氮的主要優(yōu)點(diǎn)是脫氮效率高、工藝流程簡(jiǎn)單和成本低。脫氮基本原理是厭氧氨化將有機(jī)氮轉(zhuǎn)為氨氮再通過(guò)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(guò)反硝化作用將硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)為氮?dú)狻?/p>

(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(wèn)題，而自養(yǎng)反硝化可用無(wú)機(jī)物作為電子供體，不需要外加有機(jī)物。

傳統(tǒng)異養(yǎng)脫氮如A2/O等主要通過(guò)內(nèi)回流來(lái)進(jìn)行脫氮，循環(huán)量一般為100%～200%，效率難以提高，且動(dòng)力成本較高。二級(jí)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(xì)菌生物膜厭氧或缺氧條件下將硝氮、亞硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，從而確保出水總氮達(dá)標(biāo)。

張敏、劉秀紅等[4-5]利用以陶粒為濾料的反硝化濾池，對(duì)硝酸鹽氮微污染地表水進(jìn)行了脫氮研究，表明生物濾池在添加適量有機(jī)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(duì)NO3-N平均進(jìn)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(dòng)時(shí)難以及時(shí)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(jiǎn)介

所謂硫自養(yǎng)反硝化是指自養(yǎng)反硝化菌可利用無(wú)機(jī)碳（如C032-、HCO3-）合成細(xì)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(guò)氧化硫獲取能量，同時(shí)以硝酸鹽為電子受體，將其還原為氮?dú)鈁7]。

SODP（Sulfur Oxidation Denitrification Pellet）自養(yǎng)反硝化復(fù)合生物載體是一種以由硫、天然礦物元素、電子介導(dǎo)體、生物活性酶、堿度平衡劑等活性組分優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)馴化成功后可負(fù)載高密度脫氮硫桿菌而實(shí)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(diǎn)。

2.工藝概述

(1)處理工藝簡(jiǎn)介

項(xiàng)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(jìn)入廠內(nèi)已建污水處理站進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)預(yù)處理“（隔油氣?。?兩級(jí)AO生化處理+MBR+SODP自養(yǎng)反硝化深度脫氮處理”，設(shè)計(jì)水量為700m3/d，進(jìn)水總氮為700mg/L，升級(jí)改造后，總氮需低于70mg/L，通過(guò)自建污水管網(wǎng)進(jìn)入下游污水處理廠。

(2)進(jìn)水水質(zhì)

SODP自養(yǎng)工藝實(shí)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(jìn)行分析，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)參見(jiàn)表1。

由表1可知，SODP脫氮系統(tǒng)進(jìn)水總氮≤700mg/L，硝態(tài)氮占95%，凱氮（氨氮+有機(jī)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(jìn)水水質(zhì)列表

(3)出水?dāng)?shù)據(jù)分析

SODP自養(yǎng)脫氮工藝設(shè)計(jì)進(jìn)水總氮≤700mg/L，進(jìn)水凱氏氮（KN≤30mg/L），設(shè)計(jì)脫氮工藝一級(jí)出水總氮≤200mg/L，二級(jí)出水總氮≤70mg/L，載體接觸HRT=39h，出水?dāng)?shù)據(jù)參照表2。

表2 SODP自養(yǎng)脫氮工藝出水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.結(jié)果與討論

(1)SODP自養(yǎng)脫氮效果評(píng)估

圖1 SODP自養(yǎng)反硝化深床脫氮濾池進(jìn)出水總氮對(duì)比

該餐廚廢水經(jīng)過(guò)SODP深床反硝化脫氮濾池實(shí)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(jì)日處理硝氮負(fù)荷410kg/d，實(shí)際處理負(fù)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(duì)比圖

(2)SODP自養(yǎng)脫氮對(duì)COD、pH的去除

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

圖3 SODP硫自養(yǎng)脫氮處理餐廚廢水進(jìn)出水COD變化

圖4 SODP硫自養(yǎng)脫氮處理餐廚廢水進(jìn)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(duì)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(yíng)養(yǎng)完成自身營(yíng)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(jì)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(shí)需要消耗有機(jī)碳源，碳源一般按C:N=5:6計(jì)算消耗量，碳源的投加量計(jì)算公式：C=V×G/X。

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

①采用乙酸鈉噸水運(yùn)行費(fèi)用4000元×2.826t乙酸鈉/700m3/d=16.14元。

②采用甲醇碳源噸水運(yùn)行費(fèi)用3000元×1.47t甲醇/700m3/d=6.3元。

③采用自氧脫氮無(wú)需添加任何營(yíng)養(yǎng)源，3年后約添加初始載體投加量的3%，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)初始添加量1375t。

每噸填料按市場(chǎng)價(jià)10000元，即1375t×0.03=40t，3年后每年運(yùn)行費(fèi)用約40萬(wàn)，噸水運(yùn)行費(fèi)用約1.56元。

表3 碳源投加計(jì)算分析表

(2)環(huán)境效益分析

“碳達(dá)峰”“碳中和”是今年全國(guó)兩會(huì)的熱詞。SODP自養(yǎng)脫氮技術(shù)是一項(xiàng)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(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)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(jì)，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(shí)約排放3噸的二氧化碳，相當(dāng)于減排二氧化碳1611t。

5.結(jié)論與展望

SODP創(chuàng)新無(wú)機(jī)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(jī)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(guó)工業(yè)污水及城市生活污水廠提標(biāo)改造，尤其餐廚廢水，長(zhǎng)期存在碳氮比低，需長(zhǎng)期投加補(bǔ)充碳源脫氮的情況，SODP無(wú)機(jī)自養(yǎng)脫氮技術(shù)可以在未來(lái)水環(huán)境治理中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。