污水有機物結構改善型初沉池技術研究進展

祝磊,鄭興燦,李圭白,殷益明,孫永利

(1.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，黑龍江 哈爾濱 150090；2.江蘇一環集團有限公司，江蘇 宜興 214206；3.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300070)

顆粒有機物是生活污水COD的主要貢獻來源，早期的污水處理以有機物去除為主要目標，有機物作為污染物隨初沉等預處理工藝得到去除。但隨著脫氮除磷要求的提高，城鎮污水處理廠普遍出現脫氮除磷所需碳源不足、碳氮比(BOD5/TN)偏低、污泥泥砂含量過高等問題[1]。郭泓利等[2]分析全國127座污水處理廠進水水質，發現80%污水處理廠的BOD5/TN低于3.6，22%的污水處理廠SS/BOD5值低于1.2，碳源不足和無機組分含量低等問題較為嚴重。傳統初沉池的核心功能是去除進水中的SS，以提升后續生物單元的有機組分含量并降低有機負荷[3]。但由于進水COD大部分以顆粒態形式存在，傳統初沉池在去除SS的同時也去除了大量的COD，從而加劇了污水廠碳源不足的問題，因此有些地區提出要取消初沉池[4]。而取消初沉池又會導致大量泥砂等無機組分進入生化系統，導致生化系統無機組分含量偏高并形成巨大的沖擊負荷，影響生化系統的運行穩定性[4-6]。開發同時具有無機組分截留去除和碳源結構改善功能的新型初沉池，提高進入生物處理單元污水的有機物濃度和可生化性，并據此提升生物處理單元的有機組分含量和快速可生物降解有機物濃度，對改善城鎮污水處理系統運行效能，提高生物系統池容利用率具有重要的工程應用和理論研究價值。

1 初沉池碳源改善機理

生活污水中的有機物多以顆粒態存在，部分地區生活污水有機物中顆粒態有機物的比例已經超過60%，其中快速、慢速、難生物降解有機物比例分別為15.58%,54.2%和30%[4]。通過初沉池SS吸附攜帶去除的有機物以蛋白質、糖類和脂肪為主，造成對污水處理廠碳源的部分損耗[3,7]。研究表明，合理優化和調整初沉池的HRT和SRT，不僅可以保障SS的去除效果，還可以將顆粒態有機物的分解轉化控制在水解產酸階段，實現污水處理廠碳源結構的改善。結合Alberto Rozzi和Enrico Remigi[7]的研究成果，發現新型初沉池污泥中有機物的轉化可分為2個階段：1)水解階段，顆粒態有機物在分解、溶解和酶水解等作用下由顆粒物變為溶解性大分子及小分子物質；2)酸化階段，主要是單糖、氨基酸等為主的小分子物質被轉化為脂肪酸、醇類和酮類等物質。新型初沉池中沉降顆粒有機物的厭氧發酵過程路徑見圖1。

圖1 新型初沉系統中有機物分解過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of decomposition process of organic matter in the new type primary sedimentation tank

2 新型初沉池在國外研究進展

國外污水處理廠已經開始廣泛采用初沉污泥發酵提取碳源的工藝技術，并用其生產的含揮發性脂肪酸的混合發酵液進行生物脫氮[8]。美國、澳大利亞、加拿大、南非、瑞典和西班牙等國家的污水處理廠已將初沉污泥發酵作為一種生產VFA的方法用于生物除磷[9]。

早在20世紀70年代，國外就開展了初沉污泥發酵產酸用于提高生物脫氮除磷效果的研究。B Rabinowitz和W K Oldham[10]研究初沉污泥發酵強化生物除磷效果，提出了醋酸鹽和丙酸鹽是最有效的誘導厭氧磷釋放的基質，可以通過初沉污泥原位發酵產生醋酸鹽和丙酸鹽，以大幅提高活性污泥系統的除磷效率。A R Pitman[11]指出初步沉淀是保留原始污泥固體進行產酸發酵所必需的環節，此外為了獲得更多的SCOD和最大程度地減少VFA轉化為甲烷，系統污泥齡宜控制在2～6 d并確保泥齡可調。R Moser-Engeler等[12]研究發現初沉污泥發酵產生的易生物降解底物可以有效替代外加碳源，在20 ℃下5 d內可將17%的COD轉化為為SCOD，并且水解系數是10 ℃條件下的3倍。R Moser-Engeler等[13]在瑞士污水處理廠開展初沉污泥預發酵產短鏈脂肪酸的研究，發現污泥濃縮池和淘洗設施耦合組成的污泥預發酵系統可以有效產生短鏈脂肪酸，并且由于淘洗系統可以去除不能沉淀的懸浮顆粒物，系統內可以實現更好的沉淀和污泥濃縮效果。J Ribes等[14]設計一套研究初沉污泥發酵的中試設備并建立了包含初沉池的沉淀和濃縮過程的模型，通過調整沉淀和生物參數，該模型可以很好的擬合不同污泥齡和循環流速下總污泥濃度和VFA的生成。

J Chanona等[15]闡述了2種基本的初沉污泥發酵系統：(1)活性初沉池，活性初沉池具體污泥發酵和污泥淘洗的功能，并且有用于沉淀原泥富集的空間且具備用于污泥淘洗的污泥回流系統(圖2a)；(2)側流發酵系統，當初沉池本身不能產生足夠的VFA濃度時，可以使用一個分離的發酵單元以增加VFA的產量(圖2b)。在這種情況下，沉淀的污泥被輸送到發酵裝置，發酵的污泥返回到初沉池，與進水一起對VFA進行淋濾。并通過中試研究發現，隨著污泥池高度的增加，產酸菌在沉降系統中的停留時間延長，VFA的產量也隨之增加，更高的循環流量也會導致更高濃度VFA的生產。Y H Ahn和R E Speece[16]開發了一種新的洗脫式發酵工藝，并在間歇和半連續運行條件下研究了系統對城市污泥的水解/產酸性能的影響，結果顯示污泥的水解作用顯著依賴于季節對污泥特性的影響，但對產酸作用影響較小，在SRT為5 d時系統性能最好，在pH為9和55 ℃時系統產酸量最大。

H V Phan等[17]對44種微量有機污染物(TrOCs)在初沉污泥厭氧消化過程中的遷移轉換規律開展中試研究，發現其中24種物質一直存在于初沉污泥中，并指出TrOCs多數富集在固相中，在厭氧消化期間其在固液兩相中的遷移轉化行為受其本身物理化學性質的影響，含有供電子官能團的親水TrOCs具有較高的生物轉化率，此外還發現厭氧條件下污泥的吸附可能會阻礙疏水性TrOCs的生物轉化。Sreejon Das等[18]研究未處理和臭氧處理的樹脂酸對初污泥厭氧消化的影響，發現當樹脂酸濃度為150 mg/L時系統甲烷產量降低了42%，樹脂酸在45～75 mg/L范圍內對甲烷產量沒有負面影響，此外用0.52 mgO3/mg COD的臭氧添加可以去除初級污泥中50%～70%的樹脂酸，同時混合有機物的水解SCOD濃度提高了(31±2.5)%。Priyanka Ali等[19]研究了利用初沉污泥污泥發酵液作為部分反硝化-厭氧氨氧化替代碳源的可行性，研究發現SRT為1～2 d時產量最高，隨著試驗期延長VFA相對含量會越來越低，并且靜態試驗結果表明發酵液的最大短程反硝化效率為93%，與純醋酸酯相當。

3 新型初沉池在國內研究進展

國內在二十一世紀初逐漸開始關注初沉污泥發酵，并開展相關研究和工程應用。鄭興燦等[20]依據江蘇省太湖流域多座城鎮污水處理廠實際運行情況的調查分析，首次在國內提出了包含初沉池(發酵)的城鎮污水處理廠一級A穩定達標處理的基本工藝流程和擴展工藝流程。任健等[21]開展城市污水處理廠的初沉污泥水解酸化試驗，研究發現當控制HRT為32 h，溫度為35 ℃，污泥回流比為100%，SRT為4 d時，產酸效果最佳，出水SCOD穩定在1 178.149 mg/L 左右。2010年，國家城市給水排水工程技術研究中心和江蘇一環集團有限公司聯合研發了新型高效能初沉池成套系統，該系統停留時間短(30～45 min)、運行泥位高(最高為液位的80%)，集懸浮固體分離、初沉污泥發酵、絮凝沉淀于一體，此外系統內微旋流可以有效的將吸附在沉淀污泥上的VFA等洗脫，從而提高系統出水中SCOD和VFA含量，系統示意圖見圖3。

圖3 新型高效能初沉池成套系統主要構筑物及關鍵設備運行示意圖Fig.3 Operation diagram of main structures and key equipment of the new high efficiency primary settling tank complete system1.初沉發酵池主體；2.進水；3.橋架結構；4.低速推進器；5.固液分離區堰板

王佳偉等[22]在北京高碑店污水廠開展了將普通初沉池改造成活性初沉池的生產性試驗研究，并提出與未改造的普通初沉池相比，活性初沉池出水的VFA、SBOD5、COD、C/N、C/P值分別增加了48.8%,45.3%,20.5%,66.2%和26.2%。李鵬峰等[23]開展環溝型改良A2/O型工藝中試研究，該工藝集高效初沉發酵池、回流污泥反硝化池、厭氧池及雙溝道氧化溝道工藝于一體，在總HRT不足8 h的條件下，達到了較好的脫氮除磷效果，出水水質穩定達到一級A標準。王佳偉等[24]分析了泥齡和循環比對活性初沉池中污泥水解發酵效果的影響，發現在污泥齡為3.5 d和循環比為20%的條件下，活性初沉池出水的BOD5、COD和VFA的濃度較傳統初沉池分別提高了41.3%,30.8%,24%，活性初沉池示意圖見圖4。此外，李鵬峰等[25]開展了高效初沉發酵池處理城市污水的中試研究，并發現在水力停留時間為0.75 h、懸浮污泥絮體層界面高度不低于高效初沉發酵池有效池深的70%、SRT為4 d的條件下，高效初沉池對SS的去除效率是普通初沉池的近2倍，出水VSS/SS、C/N和C/P等較普通初沉池分別提高了17.3%,33%和14%。

圖4 活性初沉池示意圖Fig.4 Schematic diagram of active primary sedimentation tank

李秀芳[26]研究發現通過微生物的水解發酵及機械攪拌單元的淘洗作用，活性初沉池出水 SCOD與VFAs 可分別增加51.7 mg/L 和18.8 mg/L，經過活性初沉池后污水的 SCOD/TN值和SCOD/TP值可分別提高40.9%和41.8%。Pengkang Jin等[27]研發了一種新型活性初沉池工藝(APT工藝)，通過發酵和污泥淘洗實現碳源回收，并提出該工藝的最佳運行參數為：SRT=5 d、G=152 S-1、污泥回流量=10%，具體工藝流程圖見圖5。

Xianbao Wang等[28]對機械洗脫對APT工藝污泥碳源回收的影響展開了研究，結果顯示淘洗強度越大，污泥中可溶性化學需氧量(SCOD)、揮發性脂肪酸(VFAs)釋放量越多，并且發現淘洗強度的作用比淘洗時間的作用更大。Xuan Shi等[29]開展了流態調控對提高活性初沉淀池碳源回收的影響研究，結果顯示與無擋板的APT工藝相比，在沉降區前端設置一個擋板，可以使SCOD的沉降損失最小，出水中SCOD和揮發性脂肪酸的度分別提高了52,4.49 mg/L， 并且SCOD/總氮(TN)、SCOD/總磷(TP)的出水也分別增加了22.47%和11.95%。

圖5 APT工藝示意圖Fig.5 APT process diagram

4 結論

我國城市污水處理廠普遍存在碳氮磷比例失調的問題，為了緩解碳源不足，很多污水處理廠普遍采用外加碳源的方式，這也很大程度上提高了污水廠的運行成本。傳統的初沉池的確在很大程度上加劇了污水廠碳源不足的問題，然而直接取消初沉池也會帶來生物系統有機負荷加大、有效池容降低和剩余污泥產率量加大及污泥處理成本增加等問題。新型初沉池作為兼具SS去除和進水碳源改善的系統，可以很好的緩解污水廠碳源不足的問題，具有很高的推廣和應用價值。