導 讀：針對低碳氮比條件下城市污水處理廠碳源不足、生物脫氮成本費用較高的問題，以山東某城市污水處理廠為例，用某企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯等短分子鏈類復合有機液替代葡萄糖作為碳源，并對其脫氮效果進行試驗論證；分析缺氧池末端NO₃^--N與TN的相關(guān)關(guān)系，以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立缺氧池出口處NO₃^--N與TN控制比值。采取以上控制方法后，污水處理廠節(jié)省脫氮成本48%，污泥日均產(chǎn)量降低46%，取得了良好的經(jīng)濟效益。

1 工程概況

山東省某市政污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模為3萬m3/d，采用AAO工藝，出水TN指標執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。該廠進水工業(yè)廢水占比40%，有機物含量低、可生化性差，絕大多數(shù)情況下，C/N為2.8左右，該廠2019年進出水水質(zhì)見表1，具體運行參數(shù)如下：厭氧池、缺氧池和好氧池末端溶解氧（DO）分別控制在<0.2mg/L 、0.15~0.3mg/L和2~4mg/L，水力停留時間（HRT）分別為2.34h、4.56h、19.03h，硝化液回流和污泥回流均控制在100%，污泥齡為10~14d，pH在7~8，水溫12~31℃。

2 成本控制方法分析及應(yīng)用

2.1 優(yōu)化碳源

該污水處理廠在2019年使用50%液體葡萄糖作為外加碳源，細胞產(chǎn)率高，反硝化利用率低，導致運行成本偏高，產(chǎn)泥量大，經(jīng)濟性差，諸多研究表明，甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等更小分子有機物效果優(yōu)于葡萄糖，且產(chǎn)泥量低，將不同類型碳源對反硝化效果影響進行比較如表2。

甲醇最為適用，但甲醇屬于危險化學品管制藥劑，且具有一定毒性，馴化周期長，使用管理不便，而乙酸或乙酸類有機產(chǎn)品價格較高，使得脫氮成本難以降低，而在其他許多行業(yè)生產(chǎn)過程中會有大量含乙酸或乙酸等短分子鏈類有機物質(zhì)的廢液經(jīng)氧化處置后排放，造成有機資源的浪費，若該類有機廢水能作為碳源使用，既可實現(xiàn)資源化，也能因其同當量價格遠低于國標類產(chǎn)品從而降低污水處理廠脫氮成本。該污水處理廠以當?shù)啬持扑幤髽I(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯等混合類有機液體副產(chǎn)物作為碳源進行試驗分析，其中乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯含量分別為10.18%、16.36%、3.3%，主要指標COD=3.0×105 mg/L，BOD5=2.4×105 mg/L，pH=4.8，首先在試驗室對該復合碳源的反硝化速率、起始投加濃度及脫氮效果進行研究，試驗過程如下：

取缺氧池池進口及內(nèi)回流污泥缺氧池污泥混合液各1L分別放入4個燒杯中，檢測初始SCOD、MLVSS、DO分別為26mg/L、2 370mg/L、0.11mg/L，pH為6.9，3組燒杯中分別投加200、300、400mg/L的復合碳源，一組不投加作為對照組，使用六聯(lián)攪拌機攪拌，由于復合型碳源顯酸性，為防止反硝化反應(yīng)的抑制，采用NaOH溶液調(diào)節(jié)初始pH控制在6.5~7.0，分別在0、10、20、30、60、120、240min時間檢測TN、NO₃^--N、NO₂^--N，繪制不同濃度碳源投加下的反硝化過程，見圖1。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，該混合類有機液作為復合碳源后，生物脫氮效果良好，反硝化速率快，碳源濃度足夠的情況下，反應(yīng)30min內(nèi)NO₃^--N的去除率

在95%以上，隨著反應(yīng)的進行，乙酸乙酯類反硝化速率低的物質(zhì)起了主要作用，因而有了反硝化速率的減低和TN降解的變化。另外，圖1中反應(yīng)時間在30min時存在一個NO₃^--N拐點，結(jié)合NO₂^--N和TN變化情況，認為脫氮的途徑并不僅有“NO₃^-→NO₂^-→NO→N₂O→N₂”一種，據(jù)研究表明城市污水處理廠存在復雜的微生物群落結(jié)構(gòu)和氮素轉(zhuǎn)化途徑，而厭氧氨氧化菌普遍存在各個單元，但菌群豐度較低，在30min節(jié)點，環(huán)境中有機物濃度極低，此時厭氧氨氧化作用顯著，造成30min后的N素趨勢圖，因為在環(huán)境中存在少量有機物時，厭氧氨氧化菌無競爭優(yōu)勢，所以這也間接說明了該復合碳源的反硝化速率快。

根據(jù)試驗結(jié)果，污水處理廠從4月12日開始使用該復合碳源投加，選擇起始投加濃度為300mg/L，一次性全部替換葡萄糖，投加點選擇在缺氧池進口段，根據(jù)實際水質(zhì)情況及時調(diào)整，對脫氮效果進行持續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)污泥對該復合碳源適應(yīng)性強，出水TN指標從當天開始連續(xù)一個月穩(wěn)定達標，同時統(tǒng)計每天污泥濃度變化及脫泥量，見圖2。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，2019年4月、5月投加葡萄糖作為外加碳源，日均脫泥量41 t，污泥濃度維持相對穩(wěn)定，2020年4月、5月投加復合碳源作為外加碳源，日脫泥量與2019年基本不變的情況下，污泥濃度逐步下降，日均脫泥量調(diào)整為22t后，污泥濃度穩(wěn)定在5 000~5 500mg/L，通過以上對比，可從實際結(jié)果上量化該復合碳源能降低產(chǎn)泥量46%。

2.2 增加工藝控制點

在AAO工藝的缺氧池末端出水TN在經(jīng)歷反硝化作用變成氮氣后，剩下的TN一部分以NO₃^--N形式存在，根據(jù)反硝化程度，NO₃^--N的占比不同，在工藝穩(wěn)定、進水內(nèi)部碳源不足的情況下，反硝化程度主要受到外加碳源量的影響，所以碳源投加量可以控制生化池的反硝化脫氮程度，而使得缺氧池末端NO₃^--N/TN是在一個相對穩(wěn)定的范圍，以NO3--N作為出水TN的工藝控制點，在缺氧池末端安裝在線硝態(tài)氮儀表，檢測缺氧池出口NO₃^--N，可實現(xiàn)碳源投加精細化控制，節(jié)約成本。選擇在缺氧池末端主要有以下兩個優(yōu)點：一是能夠及時表現(xiàn)缺氧池反硝化效果，反饋到出水TN的控制；二是具有及時調(diào)控性，由于復合碳源的反硝化速率快，在反硝化能力不足的情況下，增加投加量能夠快速達到脫氮效果。

該廠2020年4月底在#1生化池安裝在線硝態(tài)氮儀表，經(jīng)過1個月的數(shù)據(jù)積累觀察，繪制如圖3。

此過程中，5月15日開始進水氯離子濃度升高，由800mg/L上升至1 400mg/L，對硝態(tài)氮儀器產(chǎn)生一定干擾，5月28日手動調(diào)整氯離子補償后恢復。從圖3數(shù)據(jù)可以看出，在工藝穩(wěn)定的情況下，NO3--N/TN是在相對穩(wěn)定范圍內(nèi)，所以可以從硝態(tài)氮儀器數(shù)據(jù)及時掌握目前TN指標數(shù)據(jù)，從而調(diào)整碳源的投加，該水廠出水口TN出水控制在9~12mg/L范圍內(nèi)。

3 經(jīng)濟效果評價

該水廠自4月12日開始采取上述兩項控制方法，實施精細化投加，截至7月20日共100 d，在此階段記錄每日的藥劑用量、處理水量及進出水質(zhì)指標數(shù)據(jù)，與去年同期使用葡萄糖時對比，以單位水量碳源成本費用I（元/t）作為經(jīng)濟評價指標，見表3。

式中 I——單位水量成本，元/m3；

M——碳源使用量，kg；

P——碳源單價，元/t；

W——處理水量，m3。

控制方法應(yīng)用后，碳源成本費用I應(yīng)用后=（944 506×800）/（2 077 296×1 000）=0.364（元/t）。

控制方法應(yīng)用前，碳源成本費用I應(yīng)用前=（1 107 460×1 419）/（2 250 776×1 000）=0.698（元/t）。

成本降低比例為：100%×（0.698-0.364）/0.364=48%。

該廠實施策略后，出水TN指標控制值提高，在工藝和水質(zhì)基本相同的條件下，使得生物脫氮的噸水成本降低48%，經(jīng)濟效果明顯。

4 結(jié)論及建議

乙酸、乙酸鈉等短分子鏈類的混合有機液在醫(yī)藥、染料、農(nóng)藥等多行業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物或廢液中存在，市場價格遠低于同COD當量的國標類有機碳源，該類短分子鏈混合有機液作為碳源，脫氮效果良好，且產(chǎn)泥量少、反硝化速率快，在實際工程應(yīng)用中可以進行推廣，同時在缺氧池末端增加NO₃^--N工藝控制點，長期觀察累積NO3^--N與TN數(shù)據(jù)，建立相對穩(wěn)定比值關(guān)系，可實現(xiàn)碳源的精準投加和出水TN指標的穩(wěn)定控制，以上可使得在低C/N的條件下，市政污水處理廠能降低生物脫氮成本。但需要注意的是，如果使用的是有機廢液作為碳源，需要滿足當?shù)卣块T的管控要求，也要對這類非國標類碳源中的其他物質(zhì)，如總氮、總磷、重金屬等進行全面的檢測，避免不利影響。長期投加短分子鏈類的混合有機液作為碳源，具有產(chǎn)泥量少的優(yōu)點，但這也是污泥性狀不及投加糖類有機營養(yǎng)物良好的原因，表現(xiàn)在污泥沉降性變的相對較差、鏡檢中的微生物明顯變少，建議在使用該類碳源產(chǎn)品時，參雜投加適量糖類作為營養(yǎng)物培養(yǎng)微生物，維持良好污泥性狀，提高沉降性。