污水清潔處理工藝應用研究

劉捷，范洪波，宋嵩

（東莞理工學院，廣東 東莞 523808）

1 污水處理清潔工藝技術開發背景

1.1 我國城鎮污水處理工藝現狀

截至2017年末，我國建成運行的城鎮污水處理廠為5027座[1]，其中多數污水處理廠采用的是活性污泥法及其衍生的改良工藝技術，如：AA/O、UCT、氧化溝、序批式活性污泥法（SBR、CASS）、利用膜分離污泥的MBR等?；钚晕勰喾ㄊ且环N依靠含有多種微生物的絮體（活性污泥）為主體降解污水中污染物的處理技術。活性污泥由大量繁殖的微生物群體構成，微生物以污水中的有機污染物為營養食料，通過吸附、吸收、氧化、分解等代謝過程，將有機物轉化為簡單的無機物，使污水得到凈化。

活性污泥在處理污水中污染物時，會形成代謝產物（即剩余污泥），這種代謝產物通過沉淀或膜分離實現固液分離，從而產生大量的剩余污泥從系統排出。污水中的氨氮在好氧池中硝化后生成硝態氮，經過混合液回流至反硝化池，還原為氮氣被去除。但這種反硝化過程必須以有機物（碳源）作為電子供體才能實現。

1.2 污水處理工藝存在的問題

活性污泥法可以同步實現脫氮除磷，具有較高的化學轉化效率，是成熟并被廣泛采用的城市污水處理技術。但這種污水處理工藝存在兩個問題難以解決。

其一是采用活性污泥法處理污水的過程中會產生大量的剩余污泥，處理每萬噸城市污水會產生8～10噸含水率80%的泥餅。我國目前每年約產生近5000萬噸的濕泥餅。這些污泥在收集、儲存、處理及處置過程中會產生惡臭，滋生蚊蠅，造成嚴重的二次污染。污水污泥的大部分都是采用填埋方式進行處理，會占用大量土地，并對垃圾填埋場造成負面影響。而采用污泥干化焚燒方式則需要消耗大量能源，處理成本昂貴。為了減少污泥的體積，也會采用污泥深度脫水技術，但脫水過程中需投加大量藥劑，導致處理成本顯著增加。因此，污水處理廠都為污泥的妥善處理處置付出了巨大代價。污水處理廠污泥的二次污染以及昂貴的處理處置成本，已成為污水處理的重大問題之一。

其二是出水中的總氮難以穩定達標。原因是活性污泥法在反硝化脫氮時，需有足夠的碳源。由于我國污水收集管網通常距離較長，污水在長距離輸送過程中，有機物會自然分解，使得污水中的碳源減少、氨氮升高，導致硝態氮反硝化時碳源不能滿足要求，使總氮難以達標。投加碳源又會造成污水處理成本升高，難以接受。

1.3 污水清潔處理工藝技術研發的意義

鑒于上述問題，本研究將含有大量不溶性的高分子有機物的剩余污泥，通過水力空化技術破碎成易被微生物吸收利用的低分子量可溶解的有機物，將這種有機物溶液返回到活性污泥工藝的反硝化系統中作為碳源資源化利用，形成了一種新型的污泥排放量少的清潔生產污水處理工藝技術。

這種新型的污水清潔處理技術的優點是：1）可大量減少污水處理過程中剩余污泥量的60%以上，同時減少了二次污染；2）在污水處理過程中，將污泥資源化利用，提高了總氮的去除效果；3）可大幅度降低污泥處理處置的成本，解決了污泥處理的難題，具有廣闊的應用前景。

2 污水清潔處理工藝簡介

2.1 水力空化減泥技術原理

水力空化減泥技術是將污水處理廠產生的剩余污泥通過高壓泵送入水力空化器中，污泥通過水力空化器時在突然釋壓的條件下，通過水中氧氣的氧化作用、空氣泡潰滅過程的空化作用以及水力破碎作用等多重耦合協同效應，在瞬間將附著于細胞表面的胞外聚合物（EPS）破壞，使污泥絮體中的高分子有機物發生斷鍵而溶入水中，從而使水中難降解的固體性物質轉化、分解成易降解的溶解性物質，然后將這些破碎后的污泥以及細胞溶出物質再次輸入生物處理系統中，可以起到補充碳源、提高微生物對有機污染物的降解以及增強脫氮的作用，從而實現污泥的減量和生化處理效果的改善。

2.2 污水清潔處理工藝原理

污水清潔處理工藝的原理是：將水力空化減泥機安裝在活性污泥系統的剩余污泥濃縮池或者污泥儲存池的出口，剩余污泥通過高壓污泥泵送入水力空化器中，通過水力空化器破碎后的污泥溶液泵送入活性污泥系統的酸化水解池或反硝化水池，在反硝化池中，有機物被大量利用后進入曝氣池進一步去除其中的有機物。然后再進入二沉池進行泥水分離，二沉池底部產生的剩余污泥再進入污泥濃縮池，再次被高壓泵送入水力空化器進行污泥破碎，此過程反復循環進行，達到減少污泥和提高脫氮效果的目的。

2.3 污水清潔處理工藝在工程中的應用

以應用最為廣泛的活性污泥法（AA/O工藝）與水力空化減泥技術相結合為例，形成的污水清潔處理工藝流程如圖1所示。在該工藝中，水力空化減泥機置于AA/O工藝系統的污泥回流池之后，由配套的高壓泵從污泥回流池中抽取污泥，并將污泥輸送入減泥機中進行水力空化處理?？栈蟮奈勰嘟浥涮壮瞿喙艿垒斔腿雲捬醭貐⑴c生物反應。對于二沉池中形成的必須排出的剩余污泥，由于其中的有機物含量減少而容易脫水，配套采用高壓隔膜板框壓濾機脫水，可使外運污泥的含水率降低至50%以下，從而更好地實現了污泥減容，更便于污泥最終處置。

圖1 污水清潔處理工藝流程示意圖

利用水力空化減泥技術對AA/O工藝系統改造時，并沒有明顯改動原有的工藝系統，只是將原來外回流的污泥通過水力空化減泥機后再返回到AA/O原工藝系統中，即可形成一種新型的污水清潔處理工藝。因此這種技術特別適合于現有的污水處理廠升級改造。

該種污水清潔處理工藝的實質是形成了一種完善的源頭減量、過程減排、末端減容、最終處置的工程技術路線。源頭減量就是在水力空化的過程中直接將污泥破碎（可分解約2%的有機物），從而實現源頭減量；過程減排就是破碎后的剩余污泥進入生化處理系統，在生物處理過程中可減少約60%的污泥；末端減容是指這種污泥經高壓板框壓濾機可以減容60%以上；末端處置是指這種污泥無機物含量高，水泥窯摻燒比可以大幅度提高；這就形成了一種全新的城市污水處理廠污泥減容減量的新途徑。

3 污水清潔處理工藝工程應用效果

該污水清潔處理工藝已在深圳鹽田污水處理廠4萬噸/日（一期）、汕尾市西區污水處理廠2.5萬噸/日和廣州市龍歸污水處理廠5萬噸/日（一期）獲得應用。

以汕尾市西區污水處理廠為例，該污水處理廠日處理能力2.5萬噸/日，采用AA/O工藝，各生化反應池水力停留時間為：厭氧池1.14h、缺氧池1.46h、好氧池6.14h、二沉池2.41h。進、出水水質見表1。2017年8月該廠的AA/O工藝系統中安裝了2臺水力空化減泥機，1備1用，每臺設備的空化能力為150m3/h。安裝在污泥回流池出口，經過水力空化后的泥水混合液回流到原系統中的厭氧池。原工藝系統的其他所有設備、管路、操作控制方式均不改變。

表1 進、出水水質表 （單位：mg/L）

3.1 清潔處理工藝的減泥效果

汕尾市西區污水清潔處理工藝自2017年9月開始運行，至2018年1月25日。運行期間好氧池污泥濃度3500～5000mg/L，溶解氧控制在2mg/L左右，回流污泥濃度9000～13,000mg/L。5個月內連續運行的產泥量與前6年同期污泥產量對比數據見表2。柱狀對比圖見圖2。

表2 污水處理清潔工藝同期污泥產量對比表 （單位：t/月）

圖2 污水處理清潔工藝同期污泥產量對比柱狀圖

表2和圖2所示結果表明：汕尾西區污水處理廠采用清潔處理工藝后，AA/O工藝系統的污泥產量比前6年同期平均值減少了60%以上。由此可見，以水力空化減泥技術與AA/O活性污泥工藝系統相結合具有良好的污泥減排效果，是一種可進行工程化應用的污水清潔處理工藝技術。

3.2 清潔處理工藝的TN去除效果

清潔處理工藝通過水力空化減泥機將剩余污泥破碎后回流到生化反應池，在破碎后溶解性的污泥被生物分解減量的同時，為硝態氮的分解起到了補充碳源作用，提高了生化過程對總氮的去除率。汕尾西區污水處理廠在清潔處理工藝應用前后總氮去除率見表3和圖3。

表3 清潔處理工藝應用前后TN濃度測試結果

圖3 2017～2018年清潔處理工藝應用后進出水中TN的變化趨勢

該污水處理廠的運行結果表明：清潔處理工藝運行之前總氮的平均去除率為57.71%，該工藝運行之后總氮的平均去除率提高到67.21%，總氮去除率提升了9.5%。盡管該去除率提高不足10%，但對于國內許多總氮去除率不能穩定達標的污水處理廠仍具有重大意義。

3.3 清潔處理工藝對水質其他指標的影響

汕尾市西區污水處理廠采用清潔處理工藝運行前后，進、出水中COD、BOD、NH3-N、TP、SS等水質指標變化的平均值及其去除效率變化值見表4。運行結果表明：該污水清潔處理工藝除對總氮的去除率有提高外，對COD、BOD、NH3-N、TP、SS等的去除率變化很小，可以認為這種工藝對污水的上述水質指標的變化無影響。

3.4 處理成本核算

汕尾西區污水處理廠采用污水清潔處理工藝的成本核算見表5。由表5可知，在不包括設備折舊費和設備維護費的條件下，水力空化減泥的直接運行成本只有電耗和人工費用，減少每噸濕泥（80%含水率）的直接成本核算為111.05元/t。

表4 清潔處理工藝應用前后水質指標變化

表5 水力空化減泥運行成本表 （單位：元/t）

4 結論

工程應用證明，水力空化減泥技術與活性污泥法相結合形成的城市污水清潔處理工藝技術，是一種環境效果優良、經濟效益低廉、運行效果可靠的先進技術。

（1）通過水力空化作用使污泥破碎，生化過程使污泥作為碳源被生物利用，可使剩余污泥減量60%以上；在末端再安裝高壓板框壓濾機后可使污水處理廠剩余污泥量減少80%以上。

（2）在生物反硝化過程中，通過水力空化補充了污水中的碳源，從而提高了生化系統脫氮效果，出水總氮去除率可提高9%～10%。

（3）水力空化減泥技術應用于實際工程時，只需在回流污泥井出口處增設減泥機設備，無需改變原污水處理廠的流程及處理單元，特別適合于現有的污水處理廠升級改造。

（4）污水清潔處理工藝建設周期短、投資成本低、占地面積小，可減少每噸剩余污泥的直接成本約110元。

該污水清潔處理技術特別適合現有的污水處理廠的升級改造，為我國城市污水處理廠污泥源頭減量、過程減排、末端兼容、最終處置提供了一種簡便易行、成本低廉、運行可靠的升級改造技術路線，為我國擺脫剩余污泥處理處置的困境提供了新途徑，對污水處理產業技術進步具有重要的環境意義和經濟價值。