超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究

超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究云文泽１，刘玉安２（１．南京南自科林系统工程有限公司，江苏南京　２１００３２；２．江苏博恩环境工程成套设备有限公司，江苏南京　２１００１９）摘　要　该文针对乡镇污水碳源不足的特点，采用超声波破解剩余污泥，作为外加碳源回流至进水端。通过建立“甲醇投加”和“超声波污泥破解＋甲醇投加”经济模型，进行量化分析和经济比较，可以客观掌握参数与费用的相应关系，并在经济可行的情况下，为试验参数的设定提供依据，从而提高试验效率。关键词　村镇污水　　脱氮除磷　　ＡＯ生物反应器　　市政污泥　　超声破解中图分类号：ＴＵ９９２．３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００９０１７７（２０１６）０５０１１７０４ＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙＳｔｕｄｙｏｎＮｉｔｒｏｇｅｎａｎｄＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＲｅｍｏｖａｌｗｉｔｈＣａｒｂｏｎＳｏｕｒｃｅＡｄｄｅｄｂｙＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＤｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＳｅｗａｇｅＳｌｕｄｇｅＹｕｎＷｅｎｚｅ１，ＬｉｕＹｕａｎ２（１．ＮａｎｊｉｎｇＮａｎｚｉＫｅｌｉｎＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００３２，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉａｎｇＳｕＢｏｈｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＣｏｍｐｌｅｔｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｉｍｉｎｇａｔｌａｃｋｏｆｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓｉｎｖｉｌｌａｇｅｓｅｗａｇｅ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｒｅｌｅａｓｅｓｃａｒｂｏｎｆｒｏｍｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅｔｏｔｈｅｉｎｌｅｔｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｍｏｄｅｌｓｏｆ“ｍｅｔｈａｎｏｌｄｏｓｉｎｇ”ａｎｄ“ｓｌｕｄｇｅｃｒａｃｋｅｄｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ＋ｍｅｔｈａｎｏｌｄｏｓｉｎｇ”ｔｏａｎａｌｙｚｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙａｎｄｍａｋｅｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｉｔｉｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏｇｒａｓｐｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｅｘｐｅｎｓｅｓｏｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｓａｌｓｏｈｅｌｐｆｕｌｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇｓａｔｃｅｒｔａｉｎｅｃｏｎｏｍｉｃｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｖｉｌｌａｇｅｓｅｗａｇｅ　ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓｒｅｍｏｖａｌ　ＡＯｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ　ｓｅｗａｇｅｓｌｕｄｇｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ［收稿日期］　２０１５１１１０［作者简介］　云文泽（１９８４—　），男，工程师，主要从事废水处理、锅炉补给水处理及电除尘等方面工作。电话：[phone]；Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。　　生物脱氮除磷中的反硝化和除磷都需要碳源，而目前我国乡镇污水处理厂进水有机物含量低，氮和磷含量相对较高，使得污水处理后的出水氮、磷含量仍然很高。为了使出水的氮磷浓度达标，需要额外投加碳源，包括甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠、葡萄糖、淀粉等有机物，而这些碳源的投加费用都比较高，增加了污水处理厂的运行费用。若乡镇污水厂的排放污水执行《城镇污水处理厂污水排放标准》（ＧＢ１８９１８—２００２）的一级Ａ排放标准，会进一步增加污水处理厂的运行成本。因此，目前污水厂采用的投加碳源的方式不仅增加了经济成本，同时也与节能减排相违背。寻求节能减排、价格低廉的脱氮除磷技术，无论在学术研究还是工程应用方面都显得特别重要［１］。本研究主要针对乡镇级污水处理厂低Ｃ／Ｎ比、低Ｃ／Ｐ比的特点，为了提高Ｎ、Ｐ的去除率，而采用超声释碳技术。国内外针对超声波污泥破解的研究非常多，从污泥减量到超声波破解污泥作为碳源回用，都屡见不鲜。针对超声波污泥减量化的专利也较多，但针对超声波污泥破解的专利较少，如“超声波辅助脱氮除磷工艺”专利中，采用超声波处理污泥技术，利用剩余污泥或浓缩污泥经超声波辐射处理后，回流至缺氧段，成功解决生物脱氮除磷过程中碳源不足的问题［２］；又如“污水处理方法及其用途”专利中提到将剩余污泥通过超声波处理回流至污水的缺氧或者厌氧段，作为碳源和生物酶，可在提高脱氮除磷效率的同时，减少污泥排放量［３］。超声波在德国已有工业应用，但成本较高，无法工业化普及［４］。国内也有部分厂家掌握相关技术［２，３，５］，但目前都无工业应用记录。因此本文通过建立超声波脱氮除磷经济模型，可为试验参数的设置及工业应用提供依据，从而减少前期研发经费—７１１—净　水　技　术ＷＡＴＥＲＰＵＲＩＦＩＣＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３５，Ｎｏ．５，２０１６Ｏｃｔｏｂｅｒ２５ｔｈ，２０１６净水技术２０１６，３５（５）：１１７１２０ＷａｔｅｒＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙDOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2016.05.024投入。１　技术比较针对我国乡镇污水碳源不足的情况，有外加碳源和污泥破解两种方式可补充碳源。１．１　外加碳源外加碳源主要包括甲醇、乙酸钠、葡萄糖等有机物，或者引入其他渠道的易生物降解高ＣＯＤ废水。低碳源的污水处理厂在选择外加碳源的时候，需要注意考虑：成本和收益、碳源的安全性、负荷、停留时间等因素。其中甲醇价格低廉，较易获得，因此本研究选择甲醇作为外加碳源［６］。１．２　污泥破解目前污泥破解技术有超声波、热处理、微波处理等方法。热处理使污泥热水解，上清液中含有大量的挥发性脂肪酸，可作为碳源用于脱氮系统中的反硝化反应，可以减少外加碳源的投加量。但热解作用难以破解污泥中的微生物细胞壁，且水解速度较慢，能量消耗量较大，运行成本较高，经济性较差［７］。微波辐射可以很快地破坏污泥中微生物的细胞结构，从而改善其脱水性能，且可将微生物细胞的破解物质作为碳源用于反硝化系统的脱氮反应［８］。用于污泥破解的超声波的频率一般选择０．０２～１０ＭＨｚ。一定强度的超声波使溶液中产生或破灭大量的空化气泡，气泡破灭时将产生极短暂的强压力脉冲，产生高温、高压和强冲击力的微射流。空化发生时液体中产生的高剪切力作用于其中的物质，同时还会产生明显的声化学反应，从而改变液体和细胞中的物质特性。利用污泥超声波破解技术可以促进污泥水解，更容易获得内部碳源以回用于反硝化反应［９］。研究表明，在能耗相同的条件下，对污泥的破解效果从优到次依次为：超声波、微波和热处理［７］。因此本文采用超声波对污泥进行破解，并进行其经济性的分析。２　模型建立影响超声波释碳量的因素主要有ｐＨ、温度、超声波密度、超声波频率、污泥密度等［１０］，其中超声波密度直接影响破解效率及运营费用，而其他因素对运营费用影响较少，可选择释碳量最大的数值，并假定在此数值下污泥上清液溶解性ＣＯＤ（简称ＳＣＯＤ）值为一固定值（假定３０００ｍｇ／Ｌ）。因此在其他参数确定的前提下，本研究将超声波密度作为设定参数，建立经济分析模型。乡镇污水中的碳源由超声波破解污泥后的上清液提供，主要用于反硝化过程和除磷过程。传统脱氮过程包括硝化和反硝化过程，微生物先将有机氮分解为氨氮，再由硝化菌将ＮＨ＋４氧化为ＮＯ－３，反硝化菌再将ＮＯ－３还原为Ｎ２。反硝化过程中的碳氮比［１１］如式（１）所示。Ｃ／Ｎ＝２．８６１－ＹＨ（１）其中：Ｃ／Ｎ—反硝化过程中所需的ＣＯＤ（ｋｇＣＯＤ／ｋｇＴＮ）；ＹＨ—缺氧微生物生长因子（ｋｇＶＳＳ／ｋｇＣＯＤ）。活性污泥法除磷依靠聚磷菌的超量吸磷能力。在厌氧条件下聚磷菌利用胞内贮存的聚磷化合物水解产生能量，释放胞内磷酸盐，吸收水中的溶解性有机物转化为聚β羟丁酸（简称ＰＨＢ），消耗水中有机物；在好氧条件下，聚磷菌将体内ＰＨＢ降解提供能量，从污水中超量吸收磷酸盐。根据生物除磷理论，生物除磷的实质就是排放富磷剩余污泥。除磷过程中的碳磷比如式（２）所示。Ｃ／Ｐ＝１ＰＰＹｏｂｓＰＢ∶Ｃ（２）其中：Ｃ／Ｐ—聚磷过程中所需的ＣＯＤ，ｋｇＣＯＤ／ｋｇＴＰ；ＰＰ—污泥含磷率，％，设定为６％［１２］；Ｙｏｂｓ—污泥净产率系数，ｋｇＶＳＳ／ｋｇＢＯＤ；ＰＢ∶Ｃ—污水ＢＯＤ和ＣＯＤ比值，％。故一定规模的污水处理厂每日投加的有效碳源量如式（３）所示。ＱＣ＝（ＣＮｉ－ＣＮｏ）×ＱＷ×Ｃ／Ｎ＋（ＣＰｉ－ＣＰｏ）×ＱＷ×Ｃ／Ｐ－（ＣＣｉ－ＣＣｏ）×ＱＷ（３）其中：ＱＣ—每日投加有效碳源量，ｋｇ／ｄ；ＣＮｉ—入口污水氮浓度，ｇ／Ｌ；ＣＮｏ—出口污水氮浓度，ｇ／Ｌ；ＣＰｉ—入口污水磷浓度，ｇ／Ｌ；ＣＰｏ—出口污水磷浓度，ｇ／Ｌ；ＱＷ—污水流量，ｍ３／ｄ。污水处理厂的剩余污泥每日排放量如式４—８１１—云文泽，刘玉安．超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．５，２０１６所示。Ｑ′Ｓ＝ΔＣＯＤ×ＰＢ∶Ｃ×Ｙｏｂｓ÷（１－ＰＷ）÷ρｓ（４）其中：Ｑ′Ｓ—每日剩余污泥排放量，ｍ３／ｄ；ΔＣＯＤ—每日消耗的ＣＯＤ，ｋｇ／ｄ；ＰＷ—剩余污泥含水率，％。每日超声波需要破解的污泥量如式５所示。Ｑ″Ｓ＝ＱＣ÷ＣＳ÷ＰＳ（５）其中：Ｑ″Ｓ—每日所需超声波破解污泥量，ｍ３／ｄ；ＣＳ—上清液有效ＣＯＤ，ｇ／Ｌ；ＰＳ—上清液占污泥百分比，％。式（５）中ＣＳ计算如式（６）所示。ＣＳ＝Ｃ′Ｓ－（ＣＳＮ×Ｃ／Ｎ＋ＣＳＰ×Ｃ／Ｐ）（６）其中：Ｃ′Ｓ—污泥破解后上清液ＣＯＤ，ｇ／Ｌ；ＣＳＮ—污泥破解后上清液为总氮浓度，ｇ／Ｌ；ＣＳＰ—污泥破解后上清液总磷浓度，ｇ／Ｌ。若Ｑ′Ｓ＞Ｑ″Ｓ，则实际超声波污泥破解量ＱＳ＝Ｑ″Ｓ；如果Ｑ″Ｓ＞Ｑ′Ｓ，则实际超声波污泥破解量ＱＳ＝Ｑ′Ｓ。因此超声波破解费用如式（７）所示。Ｅ′＝ＱＳ×ＤＵ×ＥＥ×１０００÷６０（７）其中：Ｅ′—超声波破解费用，元／ｄ；ＤＵ—超声波密度，Ｗ·ｍｉｎ／ｍＬ；ＥＥ—电费单价，元／ｋＷｈ。如果剩余污泥不能满足碳源供给，则还需投加额外碳源甲醇，投加费用如式（８）所示。Ｅ″＝（Ｑ″Ｓ－Ｑ′Ｓ）×ＣＳ÷ＹＭ×ＥＭ（８）其中：Ｅ″—每日甲醇投加费用，元／ｄ；ＹＭ—甲醇ＣＯＤ当量，１．５ｋｇＣＯＤ／ｋｇ甲醇；ＥＭ—单位质量甲醇价格，３元／ｋｇ。因此超声波污泥破解＋甲醇投加模式的总运行费用如式（９）所示。Ｅ＝Ｅ′＋Ｅ″（９）而甲醇单独作为碳源进行投加的费用如式（１０）所示。Ｅ＝ＱＣ÷ＹＭ×ＥＭ（１０）其中：Ｅ—每日甲醇单独投加费用，元／ｄ。因此，通过以上模型建立，并以甲醇投加模式为基准，对超声波污泥破解＋甲醇投加模式进行回收期计算，建立经济模型。３　实例分析乡镇污水处理规模为５００ｍ３／ｄ，根据以往设计经验和国内一些乡镇污水处理厂的实测资料，进水水质拟定：ＣＯＤＣｒ均值为３００ｍｇ／Ｌ、ＴＮ浓度４０ｍｇ／Ｌ、ＴＰ浓度５ｍｇ／Ｌ。排放标准执行《城镇污水处理厂污水排放标准》（ＧＢ１８９１８—２００２）中的一级Ａ标准，即ＣＯＤＣｒ为５０ｍｇ／Ｌ、ＴＮ为１５ｍｇ／Ｌ、ＴＰ为０．５ｍｇ／Ｌ。详细参数设置及其分析如表１所示。表１　经济模型分析Ｔａｂ．１　ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃＭｏｄｅｌ项　目单位甲醇添加污泥破解＋甲醇水量ｍ３／ｄ５００进口ＣＯＤＣｒｍｇ／Ｌ３００进口ＴＮｍｇ／Ｌ４０进口ＴＰｍｇ／Ｌ５出口ＣＯＤＣｒｍｇ／Ｌ５０出口ＴＮｍｇ／Ｌ１５出口ＴＰｍｇ／Ｌ０．５ＣＯＤ投加量ｋｇ／ｄ９０．５１７８５７１４破解后上清液ＣＯＤＣｒｍｇ／Ｌ　３０００破解后上清液ＴＮ［９］ｍｇ／Ｌ　６０破解后上清液ＴＰ［９］ｍｇ／Ｌ　３０声能密度Ｗ／ｍＬ　０．１作用时间ｍｉｎ　１投加费用万元／ｙ６．６１６．６５建设费用万元８８．５６回收期（基于甲醇添加）年０经济不可行内部收益率８％超声波毛利润８０％　　对以上输入数据进行测算，发现超声波污泥破解所需污泥量要远大于剩余污泥经浓缩后排除的污泥量，因此即使采用超声波破解，仍然需要增加甲醇投加系统。因而分别采用外加碳源（甲醇投加）和超声波污泥破解＋甲醇投加两种模式建立模