中试规模剩余活性污泥减量及剪切泵辅助碱性发酵碳回收用于强化厌氧-缺氧-好氧系统营养物去除

《Desalination and Water Treatment》：Pilot-scale waste activated sludge reduction and carbon recovery by shear pump-assisted alkaline fermentation for enhanced nutrient removal in anaerobic-anoxic-oxic system

　　

废弃活性污泥（WAS）减量和碳回收是城市污水处理厂的关键挑战。研究人员开发了一种中试规模集成工艺，结合剪切泵解体、碱性发酵、固液分离和发酵液回用，以实现污泥最小化并强化厌氧-缺氧-好氧（AAO）系统中的营养物去除。研究人员将WAS机械解体并在pH 10下发酵，以促进溶解和挥发性脂肪酸（VFA）产生。在100天的中试运行期间，实现了稳定的溶解性化学需氧量（SCOD）和VFA积累，其中乙酸占定量VFA的75.0 ± 2.1%。水解和酸化产率分别稳定在35.92 ± 0.53%和61.85 ± 0.79%。总悬浮固体（TSS）含量比从4.03 ± 0.22%降至2.03 ± 0.27%，对应的表观污泥减量比为34.2 ± 3.43%。发酵液的回用将总氮（TN）和磷酸盐（PO₄^3--P）去除效率分别提高至79.8–86.8%和86.8–93.8%，同时出水SCOD保持在排放限值（GB 18918-2002）以下。发酵液还表现出2.72 ± 0.07 mg N/(g VSS·h)的比反硝化速率，与乙酸钠相当。这些结果证明了一种同时实现WAS减量、VFA回收和AAO系统强化的可行策略。

在市政污水处理厂中，剩余活性污泥（WAS）的处理与处置约占运行总成本的60%，且随着氮磷排放标准趋严，反硝化过程常依赖外加碳源（如乙酸钠、甲醇），进一步增加经济负担与污泥产量。针对低C/N比污水导致的碳源不足问题，研究人员开发了一种中试规模集成工艺，将剪切泵解体、碱性发酵、固液分离及发酵液回用相结合，旨在同时实现污泥减量、碳回收并强化厌氧-缺氧-好氧（AAO）系统营养物去除。该研究历时100天，验证了工艺的长期稳定性与可行性，论文发表在《Desalination and Water Treatment》。

关键技术方法方面，研究人员采用剪切泵（DISPAX-REACTOR? DR 2000/10，IKA-Werke GmbH & Co. KG，德国）对污泥进行机械解体，随后在预处理罐中用Ca(OH)?调节pH至约10，再进入碱性发酵罐进行水解酸化。发酵后，通过FeSO?和阳离子聚丙烯酰胺（PAM）进行固液分离，所得富含挥发性脂肪酸（VFA）的发酵液（约占进水流量1.0%）连续投加至下游AAO系统。污泥和废水均来自广东省某实际城市污水处理厂浓缩池及进水。

研究结果如下：

**3.1 发酵时间和pH对SCOD和VFA积累的影响**
通过批式试验发现，pH 10条件下发酵10天可最大化可溶性有机物（SCOD）和VFA的产量。SCOD在7天后趋于平稳，VFA/SCOD比值维持在0.61–0.65，表明大部分溶解有机物转化为易生物降解的VFA。与pH 8相比，pH 10使SCOD和VFA分别增加约80.4%和85.9%。

**3.2 长期中试发酵性能与VFA组成**
在100天运行中，SCOD和VFA浓度在20天内迅速上升并进入稳定期，平均SCOD为5075 ± 75 mg/L，VFA/SCOD约为0.59。水解产率和酸化产率分别稳定在35.92 ± 0.53%和61.85 ± 0.79%。VFA中乙酸占主导（75.0 ± 2.1%），其次为丙酸（16.6 ± 1.5%）和丁酸（8.4 ± 0.7%），表明发酵液适合作为反硝化碳源。

**3.3 中试工艺沿线表观TSS浓度降低**
从原始WAS的总悬浮固体（TSS）含量比4.03 ± 0.22%降至剪切泵预处理后的3.85 ± 0.32%（减量3.80 ± 0.87%），碱性发酵后进一步降至2.03 ± 0.27%，对应表观减量比34.2 ± 3.43%。TSS质量负荷的逐步降低证实了剪切辅助碱性发酵有效将颗粒物转化为可溶性有机物。

**3.4 发酵液投加对AAO营养物去除的强化**
未投加发酵液时，总氮（TN）去除效率仅62.7–68.8%，磷酸盐（PO₄^3--P）去除效率59.6–63.8%。投加后，进水SCOD/TN比从3.77升至4.21，TN去除效率提高至79.8–86.8%，PO₄^3--P去除效率升至86.8–93.8%，出水SCOD保持在40 mg/L以下（GB 18918-2002）。氨氮（NH₄⁺-N）去除也略有改善，可能与异养硝化-好氧反硝化细菌活性增强有关。

**3.5 不同电子供体的反硝化动力学**
离体批式试验显示，发酵液的比反硝化速率为2.72 ± 0.07 mg N/(g VSS·h)，与乙酸钠（2.88 ± 0.08 mg N/(g VSS·h)）接近，显著高于甲醇（1.35 ± 0.05 mg N/(g VSS·h)）和空白对照（0.35 ± 0.03 mg N/(g VSS·h)）。硝酸盐在120 min内去除率达99.4%，证实发酵液可作为高效电子供体。

讨论部分（工程启示）指出，该工艺可侧流改造为：浓缩WAS经在线剪切装置、碱化发酵罐、固液分离后，将VFA-rich液体投加至AAO主流程的厌氧/缺氧区。实际控制应基于直接测量的发酵液流量、SCOD或VFA负荷、进水TN、pH、氨氮、磷和出水COD，而非固定体积百分比。本研究中约1.0%的流量比例仅为初步参考，非通用设计值。

研究结论（翻译）：剪切泵辅助碱性发酵中试系统在长期运行中保持高效性能，水解和酸化产率分别稳定在35.92 ± 0.53%和61.85 ± 0.79%。乙酸是主要VFA，占定量VFA的75.0 ± 2.1%，表明发酵液作为易生物降解碳源的适用性。该组合工艺实现了显著的污泥减量，使WAS的TSS含量比从4.03 ± 0.22%降至2.03 ± 0.27%，表观TSS浓度减量比为34.2 ± 3.43%。发酵液回用将TN和PO₄^3--P去除效率分别提高至79.8–86.8%和86.8–93.8%，且出水SCOD和营养物浓度可稳定达到市政污水排放标准。总体而言，该组合工艺为污泥最小化和AAO系统升级提供了一种可行的低碳策略。