城市污水厂剩余污泥厌氧发酵产酸中试综合分析

随着城市化进程的加快以及工业园区化的发展，部分城市污水厂水质呈现出“混合型”的特点（工业废水占比超过50%）。混合型城市污水的这一特点，使其经常出现C/N较低现象，污水厂不得不通过外加碳源的方法来提高工艺的脱氮除磷效果，这势必会提高污水厂运行成本。城市化带来的还有城市生活污水收集与处理量的增加，产生的剩余污泥的量也越来越多，污泥的处理和处置的传统方法存在诸多方面的限制，如何有效地处理和处置剩余污泥仍是亟待解决的问题。
近年来的众多研究表明，城市污水厂剩余污泥厌氧发酵液作为碳源是可行的：剩余污泥中含有大量有机质，通过厌氧发酵不仅能够实现剩余污泥减量化，发酵产生的挥发性脂肪酸（VFA）等易于被微生物利用的碳源基质还可作为补充碳源投加至污水厂生物处理系统，能有效缓解城市污水厂碳源不足的问题，强化
污水处理厂脱氮除磷效率。
苏州某
污水处理厂服务区域涵盖进出口加工区、工业园区以及生活居住区，具有典型的“混合型”特点。污水处理厂规模为40×10³m³/d（其中生活污水量与工业废水的体积比约为4:6），采用“预处理+CAST生物处理单元+深度处理”组合工艺。本研究旨在通过对该污水处理厂“城市污水厂剩余污泥厌氧发酵产酸中试”的运行效果和经济效益进行综合分析，以期为污泥厌氧发酵产酸技术的产业化应用和推广提供参考和借鉴。
1　中试装置及流程
污水处理厂进水COD为190.1——313.3mg/L，BOD5为122.5——225.9mg/L，pH为7.4——7.6，SS、TP、TN、NH4+-N、PO43--P的质量浓度分别为203.5——244、5.26——9.03、40.4——59.1、28.9——40.7、3.25——7.06mg/L。由此可知，进水COD/ρ(TN)在4.7——5.3，属于典型的低C/N城市污水，无法满足生物脱氮要求，污水厂实际运行中一直通过投加甲醇方式来补充碳源。
中试装置位于该污水处理厂的污泥处理区内，装置主体由污泥厌氧发酵罐和沉淀池2部分组成，其流程如图1所示。
污水厂污泥池剩余污泥经污泥泵输送至厌氧发酵罐内，通过自混合的方式进行厌氧发酵反应，发酵产生的混合液自流进入沉淀池进行泥水分离，上清液采用磷酸铵镁沉淀法去除其中大部分氮磷后，作为碳源投加至污水厂循环式活性污泥法（CAST）池；沉淀污泥采用板框压滤机脱水后外运处置。
厌氧发酵罐污泥来源是CAST池排出的剩余生物污泥，其pH为6.62——7.35，COD为18.6g/L，SCOD为68——110mg/L，总固体（TS）的质量浓度为10——13g/L（其中挥发性固体VS的质量分数63.8%——65.1%），总有机碳（TOC）、总碳水化合物、NH4+-N、PO43--P的质量浓度分别为28.88、12.4、2——10、5.0——10mg/L，VFAs含量为0。
设计采用的污泥发酵罐为一种自混合方式运行的塔式反应器，直径为4m，高为10m，有效容积为125m?，全碳钢结构。罐体设有循环加热系统，保持罐内温度35——50℃。通过调节进泥量与内循环比，使得发酵罐内pH稳定在7.0左右，形成稳定的发酵产酸环境。
2　运行效果
污泥发酵罐反应器经80d的调试运行，反应器内形成以产酸菌为优势菌属的微生物种群。利用实验室小试初步确定中试系统的运行参数，在中试系统中进行单因素实验，最终获得污泥发酵罐优化运行参数为：污泥停留时间（SRT）=10d、内循环体积比为300%。反应器VFAs产量最高为284.6mg/L，最大产酸率（m(VFAs)/m(VS)）为0.58g/g。
发酵罐平均进泥量为12.5m³/d，其中TS的质量浓度为10——13g/L，则进泥TS总质量为125——163kg。发酵原液沉淀污泥经板框压滤机处理后水的质量分数80%，泥量为0.315——0.455t/d，则出泥TS总质量为63——91kg。由此计算出系统对剩余污泥减量化程度达到44%——50%。
控制反应器保持优化运行状态，进行了为期1a的数据监测，获得污泥发酵液等指标年平均数据见表1。

由表1可知，发酵上清液中N、P元素含量较高。原因是在污泥发酵产酸过程中，剩余污泥中的N、P被再次释放。中试采用磷酸铵镁沉淀法去除发酵原液中较高含量的氮磷元素：在污泥发酵原液沉淀阶段，投加NaOH调节发酵液pH至9。通过小试确定优化的Mg、P摩尔比为2:1，投加MgCl2至沉淀池产生鸟粪石沉淀。实验结果表明：发酵液中PO43--P和NH4+-N的去除率分别为97.28%、87.35%，鸟粪石产量1.6kg/d，纯度73.06%。说明磷酸铵镁沉淀法能够较好的去除污泥发酵原液中的N、P。
为了验证污泥发酵上清液作为碳源的可行性，利用序批式活性污泥法（SBR）装置模拟污水处理厂生物单元，以污泥发酵上清液作为外加碳源进行小试，结果表明，在不同的发酵剂投加比例情况下，PO43--P、TN平均去除率分别达到79.8%、71.4%。这说明污泥发酵液作为外加碳源能够强化低C/N的污水厂脱氮除磷。同时有研究表明，污泥发酵上清液中VFAs作为碳源非常容易被微生物利用，而其中的氮磷含量较高时，对污水厂出水效果没有明显的负面影响。因此当中试应用于实际生产时，不会由于污泥发酵上清液投加量的提高而增加污水厂生物处理阶段的氮磷负荷，说明污泥厌氧发酵产酸技术具有较高的推广应用前景。
3　经济效益分析
3.1　工程建设及运行费用
工程建设费。中试系统总投资62.21万元，其中材料费37.91万元、设备费24.30万元，其中设备费详见表2（单价中已包含折合的安装费）。

动力费。系统每天消耗电能19.59kW·h，电价按1.0元/(kW·h)计算，则污泥动力费E1=1.57元/m³，日运行费19.59元，年运行费用为7150.35元。
药剂费。氢氧化钠、氯化镁每日分别消耗3.2、1kg，单价分别为1.8、0.8元/kg，核算污泥药剂费E2=0.52元/m³，日运行费6.56元，年运行费用2394.4元。
综上所述，中试系统直接运行成本为2.09元/m³。
3.2　收益分析
减少碳源投加费用。根据剩余污泥的TS的质量浓度为10——13g/L（其中VS的质量分数63.8%——65.1%）、污泥发酵罐最大产酸率0.58g/g可计算得，发酵罐每天产酸量为46.26——61.36kg。按甲醇6.8元/kg计，则每天最多可减少外加碳源费用417.25元。
降低污泥处置费用。实际运行中，该污水处理厂的剩余污泥经干化后进行焚烧处理。干化焚烧要求污泥含水质量分数在60%以下，剩余污泥经本试系统处理后，污泥减量化程度可达到44%——50%，即每天最高可减少污泥处置量(12.5m³/d)×(0.01t/m³)× 50%/60%=0.104t。干化焚烧处理污泥的费用（包含加药、脱水、干化、焚烧等所有费用）按1000元/t计，则每天可减少污泥处置费用为104.0元。
回收鸟粪石。通过加药每天产生约1.6kg的鸟粪石，以1.2元/kg计，每天通过鸟粪石获得经济效益为1.92元/d。虽然通过鸟粪石获得的经济效益不足药剂费的1/3，但是从长远利益来看，采用鸟粪石沉淀工艺是经济的。原因是当发酵液中的N、P含量较高时，N、P会在发酵液投加过程中形成沉淀致使管道堵塞，从而影响碳源投加系统的正常运行。
综上所述，中试系统运行费用（电费+药剂费）为26.15元/d，产生的收益合计为523.17元/d，即每日收益497.02元，另污泥收益为39.76元/t，年收益约为18.14万元。中试系统的总投资为62.21万元，约3.5年可达到成本支出与效益回收的平衡。
4　结　论
城市污水厂剩余污泥厌氧发酵产酸中试对剩余污泥减量化程度可达44%——50%，中试系统日产酸量46.26——61.36kg，污泥收益为39.76元/t，投资回收期限为3.5年。
对综合分析中试结果表明，城市污水厂剩余污泥厌氧发酵产酸技术的应用，可较好地实现城市污水厂污泥减量化和资源化，有助于强化低C/N进水水质的污水厂脱氮除磷，具有良好的社会效益、环境效益与经济效益，符合节能减排的理念。中试达到了预期目标，可为污水厂剩余污泥厌氧发酵产酸技术产业化应用发展提供参考和借鉴。