污泥和餐厨垃圾协同厌氧发酵沼液脱氮工艺的选择——以九江市城镇污泥和餐厨垃圾处理处置工程为例

污泥和餐厨垃圾协同厌氧发酵沼液脱氮工艺的选择——以九江市城镇污泥和餐厨垃圾处理处置工程为例

王秋阳

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司

摘要：在城镇污泥与餐厨垃圾协同处理处置工程中，常选用“厌氧消化”工艺作为主工艺步骤。由于餐厨垃圾的加入，导致厌氧消化沼液脱水清液具有总氮、氨氮浓度很高的特征。为保障沼液的下一步处理工艺有效、经济，避免碳源的过度投加，需在生化反应前加入脱氮工艺。经工艺比较，选用原位pH脱氨技术作为前置脱氮工艺。

关键词：污泥处置；消化沼液；高氮废水；脱氮处理；原位pH脱氨技术

1 工程简介

九江市城镇污泥和餐厨垃圾处理处置工程设计规模为150 t/d污泥（含水率80%）和200 t/d餐厨垃圾。涉及的主要处理工艺流程有：预处理、厌氧消化、沼渣脱水及干化、滤液处理、沼气利用等。

图1 总体工艺流程图

在滤液处理工艺环节中，由于餐厨垃圾中蛋白质含量较高，经过厌氧消化后转化为氨氮，沼液脱水清液总氮、氨氮浓度较高，氨氮浓度一般在1500 mg/L以上，要求处理工艺具备较高的脱氮能力。

2 污水处理规模

由物料平衡计算，本工程经厌氧发酵后，产生沼渣147.74 t/d、沼液404.16 t/d；沼渣经干化处理产生的冷凝水一并纳入沼液进行污水处理。因此本工程污水设计规模为500 t/d，包括调节池、混凝沉淀预处理、气浮预处理及氨汽提预处理等单元。除此之外，本工程生产废水还包括车间地面及设备冲洗水、废气洗涤废水等，因此本工程生物处理单元后设计规模均为600 t/d，包括两级A/O、MBR、超滤系统等处理单元。综上，本工程水处理预处理单元设计规模500 t/d，预处理单元后设计规模600 t/d。

3、设计进水水质

由类似工程项目运行数据可知，镇江市餐厨废弃物及生活污泥协同处理一期项目沼液COD范围在1100~9820mg/L之间、氨氮在522~1250mg/L之间、总氮在951~2000mg/L之间、总磷在17.1~50.9mg/L之间。浙江桐庐县餐厨垃圾资源化和无害化处置项目水质数据如下：COD范围在5210~16833 mg/L之间、氨氮在1165~1370之间、总氮在1319~2020之间。因此根据以往项目运行情况及相关数据，确定本项目的滤液水质如下：

表1 滤液水质指标

4 高氨氮沼液处理的问题

在初始方案论证中，污水处理拟采用“预处理+两级A/O生化+超滤”工艺，考虑到实际水质特点，混凝、气浮对原水中悬浮物去除效果较好，但是难以去除氨氮，后端生化池的氨氮负荷仍然很高，去除高氨氮需额外消耗大量碳源，加药成本高昂。因此，本工程废水处理的难点主要在与脱氮。脱氮工艺主要有传统的生物硝化-反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺或氨汽提+铵盐回收的工艺。

传统的生物脱氮由硝化和反硝化两部分组成。硝化过程是在好氧条件下，亚硝化菌和硝化菌将氨氮转化为亚硝态氮或硝态氮；反硝化过程是通过异养反硝化细菌在缺氧环境下以有机氮源为电子供体将硝化过程中产生的亚硝态氮或硝态氮转化为N₂。

5 沼液脱氮工艺的比选

目前脱氮去除工艺包括生物法和物理化学法。

5.1厌氧氨氧化法

厌氧氨氧化是一种创新型生物脱氮工艺技术，该工艺是在氧限制条件下，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸盐，再通过厌氧氨氧化细菌利用已生成的亚硝酸盐去氧化氨，直接生成氮气，以达到脱氮的目的。厌氧氨氧化技术是二十一世纪最具创新力的污水脱氮技术之一，其脱氮成本与其他技术相比具有极大的优势。

脱氮过程的反应机理如下：

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→1.02N₂+0.26N+

O₃^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O

与传统生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有以下优点：

① 反应只消耗CO₂和HCO₃^-，无需外加有机碳源作为电子供体，在节约成本的同时，防止了投加碳源产生的二次污染；

② 只需将进水中部分氨氮氧化为亚硝酸氮，节省了供氧动力消耗，比传统硝化反硝化工艺可节约60%的能耗；

③ 反应过程中几乎不产生N₂O，避免了其他工艺中产生的温室气体排放；

④ 污泥产生量降低90%；

⑤ 脱氮效率高，氨氮去除效率可达到90%，总氮去除效率可达到80%。

图1 厌氧氨氧化原理示意图

图2 厌氧氨氧化工艺与传统工艺消耗品对比

厌氧氨氧化工艺的主要形式包括一体式和两段式。

一体式是指通过控制溶解氧，在一个反应器内实现好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的富集，好氧氨氧化菌将氨氮转化为亚硝态氮的同时厌氧氨氧化菌利用亚硝氧化氨氮为氮气。

两段式指通利用SBR工艺或Sharon工艺氧化50%的氨氮为亚硝态氮，其出水进入厌氧氨氧化反应器，氨氮和亚硝酸盐被厌氧氨氧化菌转化为氮气。

一体式的优点在于操作运行方面，启动时间迅速，亚硝酸盐浓度可控。一体式释放的氧化亚氮可能高于常规的硝化反硝化工艺，但是由于节省了曝气能耗和反硝化碳源，整个工艺的温室气体排放较常规处理工艺减少。两段式的厌氧氨氧化反应中，AOB和厌氧氨氧化菌各自生存条件适宜，可以达到很高的负荷，但是氧化亚氮的释放要多于一体式厌氧氨氧化工艺。

厌氧氨氧化工艺也存在一定缺点：

启动周期长，购买接种菌液单价高昂；

工艺运行对水质和设备稳定性、自控系统精度和技术人员的要求较高，且一旦出现意外导致氨氧化菌量受到较大影响，重新恢复稳定运行需要的周期较长；

必须精确调控，保证严格的反应条件，控制氨氮与亚硝酸盐比例；氨氧化菌对亚硝酸盐抑制较敏感，严格控制亚硝酸盐浓度；

两段式工艺调控难度小，但需投加酸碱药剂，一体式工艺无需投加酸碱药剂，但调控难度大。

此外，虽然厌氧氨氧化用于污泥厌氧消化沼液处理已有工程化案例，但本工程处理物料餐厨废弃物的比例较高，沼液中含盐量将高于传统污泥厌氧消化沼液的含盐量，厌氧氨氧化工艺的稳定性存在一定的风险。

5.2 物理化学法

目前，国内外可应用于厌氧消化液的化学脱氨技术包括：吹脱法、常规蒸氨法、膜分离法、化学沉淀法、氧化还原法等；其中膜分离法主要适用于较清洁废水，不适用于厌氧消化液这样复杂浑浊的废水；化学沉淀法主要利用化学药剂与氨氮形成沉淀，其运行成本较高，且容易产生二次污染；氧化还原法主要利用氧化还原的原理，将水中氨氮形成氮气去除，其会造成资源的浪费，运行成本高，且高级氧化还原法仍未完全成熟；生物法主要利用硝化与反硝化细菌实现氨氮的分解去除，但厌氧消化液中氨氮浓度过高，不利于细菌的生长。故目前，能应用于厌氧消化液的简单、高效、成熟的脱氨技术主要为厌氧消化液原位pH脱氨技术、吹脱法、常规蒸氨法。现将各方法进行简单的对比。

5.2.1厌氧消化液原位pH脱氨技术

厌氧消化液原位pH脱氨技术表现为双塔负压汽提塔的形式，利用气液相分离系数的不同，使厌氧消化液中的氨氮及二氧化碳传递至气相中，从而实现去除厌氧消化液中氨氮的目的。其主要特点为：

1. 负压状态下运行，强化气液相的分离平衡，厌氧消化液中氨氮及二氧化碳更易脱出，蒸汽耗量50-90 kg/t_水；

2. 原位pH脱氨，无需添加任何碱液，不增加厌氧消化液的盐浓度，氨氮去除率80-98%；

3. 后续生化无需添加碳源，大大降低运行成；

4. 减少后续生化周期，在后续采用生处理的条件下，生化处理能力可提高35%以上；

5. 厌氧消化液经处理后，电导率下降，总硬度下降，可将最终产水率从85%提升至95%左右；

6. 回收合格品碳酸氢铵，纯度高，便于储存、运输，增加额外收益；

7. 由于厌氧消化液中含有大量总硬度，脂肪酸、有机物等，在脱氨过程中会形成沉淀析出，厌氧消化液原位pH脱氨技术采用自清洁塔板，防止塔板堵塞，保证双塔的高效稳定运行，运行周期10-30天清洗一次。

5.2.2吹脱法

吹脱法是将空气作为气相，利用气液相的分离平衡，通过空气与厌氧消化液的接触，实现厌氧消化液中氨氮和二氧化碳的脱出。其主要特点为：

1. 吹脱法常规参数为pH9.5以上，温度40℃以上，气液比≥2000:1；

2. 吹脱塔常采用填料塔或板式塔，但对于厌氧消化液高SS，易沉淀析出的特性，极易产生堵塞；

3. 不消耗蒸汽，仅耗电；

4. 仅能回收铵盐溶液，如硫酸铵，无法回收氨水、碳酸氢铵。

5.2.3常规蒸氨法

常规蒸氨法是在常压条件下，利用蒸汽热量及气液相的分离系数，实现消化液中氨氮的去除。其主要特点为：

1. 常压或微正压下运行，蒸汽耗量130-150 kg/t_水；

2. 塔板极易堵塞，运行周期约0.5-2天需清洗一次；

3. 需添加碱液，且由于消化液中碱度极高，加碱量增加，运行成本高；

4. 回收氨水，但氨水中含有碳酸氢根离子，消化液中易挥发组分，纯度低，储存、运输不易。

通过上述各技术的说明对比，厌氧消化液原位pH脱氨技术针对餐厨垃圾厌氧消化液具有独特的优势，为了能更清晰、直观的进行对比，各脱氨技术的特点总结如下表：

表2 脱氨技术对比表

综上所述，通过对比发现厌氧消化液原位pH脱氨技术（简称“氨汽提”）针对餐厨垃圾厌氧消化液的脱氨处理具有极大的先进性。本工程滤液为污泥和餐厨垃圾厌氧消化后的滤液，氨氮含量极高，含盐率较高，运行维护稳定性存在较大风险，最终选择采用氨汽提工艺进行预处理，降低氨氮负荷后通过传统硝化反硝化工艺进行脱氮。本工程污水处理规模600 m³/d，其中氨汽提规模按照500 m³/d进行设计。

6 结语

在城镇污泥与餐厨垃圾协同厌氧发酵工程中，由于餐厨垃圾的加入使得厌氧消化后的沼液具有高氮、高盐等特征。对于沼液有必要先行实施脱氮处理，以保障后续生化处理单元的正常运行。经技术经济比较，原位pH脱氨技术（简称“氨汽提”）具有运行成本低、稳定性高、自动化高、不易堵塞等技术特点，且相较于厌氧氨氧化法可避免污水高含盐量带来的运行稳定性风险。

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