對全國不同地區(qū)的市政污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，以碳氮比為主要評價指標(biāo)，低碳源進(jìn)水情況普遍存在。低碳源市政污水處理的優(yōu)化運行技術(shù)措施可以從原水碳源深度挖掘和外部碳源優(yōu)化利用兩個方面進(jìn)行。

　　溶解氧精確控制、好氧池末端設(shè)置脫氣區(qū)等措施在節(jié)省碳源方面具有有益效果。在傳統(tǒng)生化處理工藝的厭氧段前增加預(yù)缺氧進(jìn)行改良，采用預(yù)缺氧-厭氧兩段分配進(jìn)水，或采用厭氧-缺氧沿程分段進(jìn)水，可平衡生化脫氮除磷對碳源的利用，提高原水碳源利用效率。

　　應(yīng)用反硝化速率進(jìn)行外部碳源效率評價是經(jīng)濟(jì)有效的碳源篩選技術(shù)手段，配合碳源精確投加系統(tǒng)，可最大化實現(xiàn)外部碳源投加的降本增效。

　　隨著國內(nèi)大部分受納水體的環(huán)境容量變小，以及愈加嚴(yán)格的環(huán)境政策，越來越多的市政污水處理廠出水水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)，并有進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)的趨勢。

　　按照《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014-2006）建議的生物脫氮的污水碳氮比BOD5/TKN>4，目前我國不同地區(qū)均存在原水碳源不足、碳氮比低的情況，氮磷達(dá)標(biāo)排放存在難度大和達(dá)標(biāo)成本高的問題。

　　國內(nèi)大部分市政污水處理廠采用AAO、氧化溝、SBR等3大類工藝及其變形工藝，主要為生物脫氮除磷方式。反硝化脫氮和生物除磷涉及的微生物大部分是異養(yǎng)細(xì)菌，對碳源有競爭，當(dāng)進(jìn)水碳源不足時，該矛盾尤其突出。為保證出水達(dá)標(biāo)，通常采用外加碳源的方式提高脫氮除磷效率，增加化學(xué)除磷措施保障出水TP達(dá)標(biāo)，兩類藥劑的投加增加了污水處理成本。

　　因此開發(fā)適應(yīng)低碳源進(jìn)水的高效低耗脫氮除磷技術(shù)具有重要意義。低碳源污水處理可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)和控制方式，提升原水碳源的利用效率，從而強(qiáng)化生物脫氮除磷效果并節(jié)約運行成本。

　　當(dāng)系統(tǒng)原水碳源不足以完成脫氮要求時，需要投加外部碳源。針對外加碳源的優(yōu)化控制方式包含碳源種類的篩選、投加點位的選擇和投加量精細(xì)化等。

　　本文對國內(nèi)不同地區(qū)的污水處理廠進(jìn)水碳源情況進(jìn)行了統(tǒng)計和調(diào)研；針對原水碳源不足的水廠采用不同的技術(shù)手段進(jìn)行了試驗研究和工程應(yīng)用，從工藝優(yōu)化與碳源高效利用等方面分析提出了低碳源市政污水高效達(dá)標(biāo)的技術(shù)措施。

　　1 市政污水低碳源情況分析

　　為研究不同地區(qū)市政污水的碳源情況，分別選定京津冀地區(qū)和云南地區(qū)的典型污水處理廠進(jìn)水進(jìn)行統(tǒng)計分析。京津冀地區(qū)的11座市政污水處理廠原水BOD5/TN不足4的有8座，占72.7%，見圖1a。

　　南方市政污水的碳氮比較北方更低，對云南地區(qū)的13座污水處理廠的進(jìn)水進(jìn)行分析，見圖1b，只有一座污水處理廠的進(jìn)水BOD5/TN超過4，低碳氮比污水占比達(dá)到90%以上。郭泓利等選取國內(nèi)分布在19個省市自治區(qū)的127 座污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，80%的污水處理廠BOD5/TN＜3.6，僅10%的污水處理廠大于4。

　　韋啟信等基于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部城鎮(zhèn)污水處理數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)也表明，我國70%左右的城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN低于4，且南方城市較北方城市碳氮比更低。因此碳源不足的問題在全國范圍內(nèi)普遍存在。

　　2 原水碳源高效利用優(yōu)化措施

　　2.1傳統(tǒng)工藝的改良

　　改良型的AAO、氧化溝和SBR工藝，是在傳統(tǒng)工藝的前段增加一段預(yù)缺氧區(qū)（SBR工藝是在時間順序上增加一段缺氧反應(yīng)時間），主要目的是將外回流帶來的NO-3-N在此區(qū)域進(jìn)行反硝化，為后段的厭氧釋磷創(chuàng)造更好的厭氧環(huán)境；同時預(yù)缺氧段進(jìn)水中的原水有機(jī)物進(jìn)行一定程度的水解后，更容易被聚磷菌利用。同時，增加預(yù)缺氧區(qū)，原水在碳源分配上將具有更多的選擇性，有利于污水處理廠在運行時摸索出最佳的碳源分配方式，將原水碳源利用最優(yōu)化。

　　深圳某20萬m3/d的改良AAO工藝項目中對預(yù)缺氧/厭氧的進(jìn)水比進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果見圖2，在其他工藝條件不變的情況下，預(yù)缺氧/厭氧配水比從2降低到1的過程中，溶解性COD在厭氧和缺氧段的濃度下降趨勢增大、出水的NO-3-N濃度基本維持穩(wěn)定、而出水TP濃度逐漸降低。

　　表明在該配水比范圍內(nèi)，隨著厭氧進(jìn)水量的增大，厭氧釋磷效果增強(qiáng)，并可維持反硝化效率，原水碳源利用率逐漸升高。當(dāng)繼續(xù)降低預(yù)缺氧/厭氧進(jìn)水比到0.5，厭氧釋磷達(dá)到最大，出水TP進(jìn)一步降低，但出水NO-3-N升高，當(dāng)該比例降低到0.2時，出水TP和NO-3-N均升高，并且預(yù)缺氧段和厭氧段的NO-3-N濃度明顯升高，破壞了厭氧環(huán)境，影響除磷效果。

　　綜上所述，改良的AAO工藝通過調(diào)整進(jìn)水比例，在不增加外部碳源的條件下，可較大程度地增加工藝過程的氮磷污染物去除效率。該措施已經(jīng)在多個項目中進(jìn)行應(yīng)用和推廣，獲得了良好的效果反饋。

　　2.2分段進(jìn)水的技術(shù)措施

　　分段進(jìn)水是在傳統(tǒng)生化處理工藝上的進(jìn)一步改進(jìn)，主要目的是通過進(jìn)水在沿程方向上的分布，精細(xì)化利用原水碳源。目前分段進(jìn)水大多用于多級AO工藝和改良的AAO工藝中，多級AO分段進(jìn)水中前一段原水的硝化產(chǎn)物直接進(jìn)入下一段缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化，因此可以較大程度地減少硝化液回流，提高TN理論去除效率并節(jié)約能源，但該工藝難以形成穩(wěn)定的厭氧條件，在提高TN去除的前提下，犧牲了TP的去除效果。

　　在改良的AAO工藝中實施分段進(jìn)水，可一定程度上平衡TN和TP去除對碳源需求的矛盾。

　　山東濟(jì)南某AAO工藝市政污水處理廠分三期建設(shè)，規(guī)模分別為1萬m3/d、2萬m3/d和3萬m3/d，進(jìn)水BOD5/TN長期小于3，為了改善脫氮效果，該廠二期進(jìn)行了分段進(jìn)水的改造。實施方式是將進(jìn)水分配到厭氧段和缺氧段，缺氧段沿程在池前端和中部進(jìn)一步分為兩部分進(jìn)水，使缺氧進(jìn)水更加均勻地分布在整個池內(nèi)，增加混合程度，提高反應(yīng)效率。

　　表1的數(shù)據(jù)表明，在沒有外部碳源投加的情況下，分段進(jìn)水可以將系統(tǒng)TN去除率提升15%以上。

　　同時，針對冬季和夏季的不同氣候條件和進(jìn)水條件，研究了通過調(diào)整缺氧和厭氧段不同的進(jìn)水比例提高效率的途徑，結(jié)果表明分段進(jìn)水配比對出水TN和TP有較大影響。

　　冬季當(dāng)缺氧池進(jìn)水比例在20%~50%范圍內(nèi)時，二沉池出水TP偏低，平均1.7 mg/L左右，但出水TN偏高，當(dāng)缺氧池進(jìn)水比例提升至70%~80%時，二沉池出水TP平均值升至2.1 mg/L左右，但出水TN可以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放；夏季進(jìn)水TN較冬季略低，因此缺氧池進(jìn)水比例降至50%左右，此時出水TN可以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)（＜15 mg/L），生化池出水TP可以達(dá)到1.6 mg/L左右。

　　因此，可以根據(jù)不同情況，靈活調(diào)整運行方式，在保證出水達(dá)標(biāo)的前提下，最大化利用原水碳源。

　　2.3運行參數(shù)的優(yōu)化

　　系統(tǒng)DO控制對生物脫氮除磷效率和碳源優(yōu)化利用有一定的影響。缺氧區(qū)和厭氧區(qū)對氧化還原電位的嚴(yán)格要求和硝化反應(yīng)池對好氧環(huán)境的要求存在矛盾，在回流比確定的前提下，控制好氧池末端DO值，進(jìn)而確保在硝化完全的前提下內(nèi)回流攜帶更低的DO是平衡上述矛盾的關(guān)鍵。

　　廣東省某污水處理廠采用前饋補(bǔ)償-多參數(shù)串級控制精確曝氣系統(tǒng)，針對污水處理廠運行特點仿真模擬獲得生化需氧模型的特征參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)，應(yīng)用于曝氣量計算并精確控制，可以實現(xiàn)好氧池出口DO（2.0 mg/L±0.5 mg/L）的穩(wěn)定控制，有效避免波動過程中高DO濃度的混合液內(nèi)回流對系統(tǒng)脫氮除磷厭氧和缺氧環(huán)境的影響。

　　山東濟(jì)南某污水處理廠的AAO工藝采用智能化“前饋+反饋”控制方式，對污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷、生物處理運行參數(shù)以及出水水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實時采集與監(jiān)控，建立符合該污水處理廠實際工藝的在線水質(zhì)模型，進(jìn)行曝氣工藝關(guān)鍵運行參數(shù)的最優(yōu)化計算與全自動設(shè)備聯(lián)動控制，可較穩(wěn)定地控制生化池末端的DO。

　　監(jiān)測了出水TN與生化池末端DO的關(guān)系（見圖3），隨著生化池末端DO降低，生化系統(tǒng)TN濃度也相應(yīng)降低，且具有良好的相關(guān)性，當(dāng)生化池末端DO由2.5 mg/L降低到1.5 mg/L以下時，出水TN濃度由10~14 mg/L降低到10 mg/L以下。

　　同時，在好氧池末端增加脫氣區(qū)也是有效的DO控制手段，可將回流混合液的DO進(jìn)一步降低，為反硝化創(chuàng)造良好的氧化還原電位條件，降低DO對進(jìn)水碳源的消耗。

　　在山東濟(jì)南某污水處理廠的二期AAO工藝的好氧區(qū)末端增加水力停留時間為0.5 h的脫氣區(qū)，對比廠內(nèi)采用相同的工藝但未設(shè)置脫氣區(qū)的三期，在相同的進(jìn)水條件下，二期TN去除率和出水TN濃度均好于三期，見圖4。

　　3 外部碳源篩選和投加方式的優(yōu)化

　　3.1外部碳源的篩選

　　外部碳源根據(jù)其來源可分為兩大類：包括甲醇、乙酸、糖類等有機(jī)物的傳統(tǒng)碳源；工業(yè)廢水、垃圾滲濾液等有機(jī)污水碳源。不同有機(jī)物在生化系統(tǒng)中具有不同的代謝途徑，導(dǎo)致相應(yīng)的利用效率具有差異性，碳源來源和經(jīng)濟(jì)性也是篩選中重點考慮的因素。

　　有機(jī)污水碳源的利用具有地域性和項目特殊性，因此一般市政污水處理廠多選擇甲醇、乙酸/乙酸鈉或葡萄糖。利用北方4個不同市政污水處理廠的活性污泥進(jìn)行反硝化速率試驗，評價不同污水處理廠污泥對碳源的利用效率，見表2。

　　結(jié)果表明，4個不同污水處理廠的活性污泥對不同的碳源表現(xiàn)出不同的反硝化速率，并且具有較大差異，但外加乙酸鈉的反硝化效果均是最佳，葡萄糖和甲醇的反硝化效果則視不同污泥來源而異。

　　夏瓊瓊等的研究也表明乙酸作為反硝化碳源的反應(yīng)速率高于甲醇、葡萄糖和乙醇，但也有研究表明甲醇作為碳源的反硝化速率和脫氮效果要好于乙酸鈉。因此，在進(jìn)行碳源選擇時，應(yīng)根據(jù)實際項目采用上述方法進(jìn)行試驗，最終結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益綜合篩選最優(yōu)碳源。

　　3.2碳源投加方式的優(yōu)化

　　針對補(bǔ)充外部碳源的二級生化處理脫氮，大部分污水處理廠采用在缺氧池投加的方式。投加量的精準(zhǔn)控制是節(jié)省成本的重要方向。

　　碳源精確投加系統(tǒng)可以實現(xiàn)電氣柜就地控制、遠(yuǎn)程點動控制和遠(yuǎn)程自動控制，具有碳源自動化投加和專家?guī)焱都拥然旌贤都幽Ｊ?，以流量為前饋、水質(zhì)儀表參數(shù)為反饋的控制模型進(jìn)行控制。

　　在北京某市政污水處理廠（AAO工藝，規(guī)模3萬m3/d），采用并聯(lián)運行的兩組生化池，分別用碳源精確投加系統(tǒng)和人工調(diào)節(jié)操作控制碳源投加，對比TN的處理效果。

　　如圖5所示，進(jìn)水TN濃度波動較大（23.5~57.6 mg/L），由碳源精確投加系統(tǒng)控制碳源投加量的生化池出水TN全部達(dá)標(biāo)（＜15 mg/L），且波動范圍與人工投加系列相比較為平穩(wěn)。

　　由于碳源精確投加系統(tǒng)可根據(jù)處理水量及NO-3-N反饋濃度，實時調(diào)節(jié)外加碳源投加量，并在硝酸鹽濃度低于一定值時，停止外加碳源的投加，數(shù)據(jù)統(tǒng)計周期內(nèi)，采用碳源精確投加系統(tǒng)的碳源投加量較人工投加量降低32.1%。

　　因此碳源投加的精確化控制對于保證出水TN濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并降低投加量具有較好的實際應(yīng)用效果。

　　4 結(jié)論

　　我國市政污水普遍存在的低碳源特性使得污水處理廠強(qiáng)化脫氮除磷的難度增加。試驗研究和工程實踐表明，可以通過原水碳源高效利用和外部碳源篩選及精確投加等兩大類技術(shù)手段加以解決。

　　在不大幅實施改造與增加投資的前提下，可對傳統(tǒng)AAO工藝進(jìn)行改進(jìn)，采取增加預(yù)缺氧段，實施分段進(jìn)水并優(yōu)化控制進(jìn)水比例，控制好氧池出水DO等措施，在生物脫氮除磷對碳源需求的矛盾中找到最佳平衡點，提高原水碳源利用效率。

　　當(dāng)通過以上手段仍不能實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需要投加外部碳源時，通過試驗測算不同種類碳源的反硝化速率是評價碳源利用效率的有效手段；碳源精確投加系統(tǒng)可在保證TN達(dá)標(biāo)的前提下有效地節(jié)省外部碳源投加量，實現(xiàn)高效低耗達(dá)標(biāo)。因此，應(yīng)根據(jù)不同項目的具體特點，在適用的邊界條件范圍內(nèi)，選擇最優(yōu)的技術(shù)手段或技術(shù)組合。