SODP创新自养低碳绿色脱氮技术在餐厨废水中的应用研究

＊刘波考 阳立平 李海波 刘济忠 石井裕之

（1.东莞市台腾环保材料科技有限公司 广东 523586 2.深圳高速环境有限公司 广东 518038 3.天津城建大学 天津 300192）

随着“碳达峰”“碳中和”“30/60”目标的制定，以及《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》的出台，污水处理行业的低碳减排成为环境产业未来的一大趋势。餐厨垃圾废水是一种成分复杂、高有机物、高总氮但可生化性好的废水[1]，现有餐厨垃圾废水处理工艺最常用工艺主要有“预处理+厌氧+A/O+超滤膜处理技术”和“预处理+A/O+MBR+超滤膜处理技术”[1]，该组合工艺可以有效去除废水中难降解有机物，实现餐厨废液深度处理。餐厨垃圾废水传统生化反硝化脱氮需要消耗大量有机碳源，维持反硝化碳氮比（C:N=5:6），碳源不足需补充投加，无法避免操作繁琐和成本高的缺点[2-3]。本文研究对象是贵阳某餐厨垃圾处理厂采用预处理+厌氧+A/O+超滤膜处理工艺，生化改造前投加大量甲醇，运行费用高，且出水COD容易超标，改造后末端出水新增SODP自养脱氮设施后停投甲醇，出水稳定达标，年节约碳源500万，全年累计减排CO2约1611t，该工艺推广为高浓度总氮废水处理提供借鉴经验。

1.生物脱氮技术研究现状

生物脱氮技术指在微生物的作用下，污水中的有机氮同化为内源氮或异化为无机氮，最后转化为氮气的过程。生物脱氮的主要优点是脱氮效率高、工艺流程简单和成本低。脱氮基本原理是厌氧氨化将有机氮转为氨氮再通过好氧硝化作用，将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，最后在缺氧条件下通过反硝化作用将硝态氮、亚硝态氮转为氮气。

(1)传统深度脱氮异养反硝化

生物反硝化脱氮分为异养和自养，异养脱氮需投加甲醇、乙酸钠等碳源，存在成本高、后续有二次污染等问题，而自养反硝化可用无机物作为电子供体，不需要外加有机物。

传统异养脱氮如A2/O等主要通过内回流来进行脱氮，循环量一般为100%～200%，效率难以提高，且动力成本较高。二级深度脱氮主要采用深床反硝化滤池，利用附着在滤料上反硝化细菌生物膜厌氧或缺氧条件下将硝氮、亚硝氮转化为氮气，从而确保出水总氮达标。

张敏、刘秀红等[4-5]利用以陶粒为滤料的反硝化滤池，对硝酸盐氮微污染地表水进行了脱氮研究，表明生物滤池在添加适量有机碳源条件下可获得较高脱氮率。

刘金瀚等[6]以火山岩作为滤料构建反硝化滤池处理生化出水，表明对NO3-N平均进水浓度8mg/L的废水脱氮需加乙酸钠保持C/N比高于8才可使出水TN＜1mg/L，水质波动时难以及时调节碳源用量，成本较高。

(2)SODP自养低碳生物脱氮技术简介

所谓硫自养反硝化是指自养反硝化菌可利用无机碳（如C032-、HCO3-）合成细胞，在缺氧或厌氧条件下利用还原态硫（S2-、S、S2032-等硫源）作为电子供体，通过氧化硫获取能量，同时以硝酸盐为电子受体，将其还原为氮气[7]。

SODP（Sulfur Oxidation Denitrification Pellet）自养反硝化复合生物载体是一种以由硫、天然矿物元素、电子介导体、生物活性酶、碱度平衡剂等活性组分优化设计而成的绿色脱氮系统，具有高密度生物持有量、多元电子传递特征，通过驯化成功后可负载高密度脱氮硫杆菌而实现高效率低碳绿色脱氮，具有节约碳源、污泥产量低等优点。

2.工艺概述

(1)处理工艺简介

项目废水主要为厌氧发酵污水、设备清洗水，经厂区污水管网收集后集中进入厂内已建污水处理站进行处理，经过预处理“（隔油气浮）+两级AO生化处理+MBR+SODP自养反硝化深度脱氮处理”，设计水量为700m3/d，进水总氮为700mg/L，升级改造后，总氮需低于70mg/L，通过自建污水管网进入下游污水处理厂。

(2)进水水质

SODP自养工艺实施为贵州某餐厨垃圾处理厂中经厌氧发酵、缺氧、好氧、MBR膜处理后的废水，其中采集5日数据进行分析，进水水质指标参见表1。

由表1可知，SODP脱氮系统进水总氮≤700mg/L，硝态氮占95%，凯氮（氨氮+有机氮）占5%，适合采用自养脱氮工艺。

表1 SODP自养脱氮工艺进水水质列表

(3)出水数据分析

SODP自养脱氮工艺设计进水总氮≤700mg/L，进水凯氏氮（KN≤30mg/L），设计脱氮工艺一级出水总氮≤200mg/L，二级出水总氮≤70mg/L，载体接触HRT=39h，出水数据参照表2。

表2 SODP自养脱氮工艺出水数据统计表

3.结果与讨论

(1)SODP自养脱氮效果评估

图1 SODP自养反硝化深床脱氮滤池进出水总氮对比

该餐厨废水经过SODP深床反硝化脱氮滤池实际处理后，排水总氮≤30mg/L，排水硝态氮≤5mg/L，总氮去除率≥95%，硝氮去除率≥99%，设计日处理硝氮负荷410kg/d，实际处理负荷约485kg/d。

图2 SODP自养反硝化深床脱氮滤池总和硝态氮去除率对比图

(2)SODP自养脱氮对COD、pH的去除

通过进出水数据分析在脱氮系统过程中也伴随COD降低，平均去除率约30%，表明自养脱氮的过程中利用好氧出水底物残留有机物作为碳源，提供电子存在着异养脱氮的暗反应，整个脱氮反应过程为自养为主、异养为辅的混合营养。自养脱氮反应是一个pH降低的过程，自养脱氮硫杆菌可在pH为4.0～9.5的条件下生长[8]，进水pH在7.5～8，出水pH在6.9～7，由于填料已包埋补充反应所需碱基，反应在pH降低过程中随时补充消耗碱度，脱氮效率没有受影响。

图3 SODP硫自养脱氮处理餐厨废水进出水COD变化

图4 SODP硫自养脱氮处理餐厨废水进出水pH变化

(3)固化填料SEM电镜分析

图5 QCL-SODP填料固化前SEM扫描电镜图片（放大100倍）

脱氮填料驯化前后电镜放大100倍对比，固化前填料表面平整，呈片状及粒状结构，固化后填料表面呈蜂窝多孔，分析为专属脱氮硫杆菌依托硝氮吞噬载体表面及内部营养完成自身营养代谢，微生物在载体表面及内部大量繁殖，在填料中“凿洞”固化。

4.效益分析

(1)经济效益分析

餐厨废水治理使用传统生化去除水中硝态氮，反硝化反应式：2NO3-+10e-+12H+→N2↑+6H2O传统生化法反硝化菌脱氮的同时需要消耗有机碳源，碳源一般按C:N=5:6计算消耗量，碳源的投加量计算公式：C=V×G/X。

式中：C—碳源投加量；V—处理水量；G—需要补充COD的差值；X—碳源换算成的COD量。

①采用乙酸钠吨水运行费用4000元×2.826t乙酸钠/700m3/d=16.14元。

②采用甲醇碳源吨水运行费用3000元×1.47t甲醇/700m3/d=6.3元。

③采用自氧脱氮无需添加任何营养源，3年后约添加初始载体投加量的3%，本项目设计初始添加量1375t。

每吨填料按市场价10000元，即1375t×0.03=40t，3年后每年运行费用约40万，吨水运行费用约1.56元。

表3 碳源投加计算分析表

(2)环境效益分析

“碳达峰”“碳中和”是今年全国两会的热词。SODP自养脱氮技术是一项绿色脱氮技术，零碳源的投加，在节省碳源降低污水厂运行费用的同时减排了碳源产生CO2及污泥量的产生。贵州该餐厨污水处理厂处理能力700m3/d，正常碳源投加单耗按2100mg/L计，每年可节省甲醇537t，传统甲醇以煤制甲醇为主，生产1t甲醇需要煤1.35t，同时约排放3吨的二氧化碳，相当于减排二氧化碳1611t。

5.结论与展望

SODP创新无机自养脱氮技术出现，使得污水处理厂可以大幅降低能耗和有机碳源消耗，更有能力转化为零能耗或者能量输出的“碳中和”型污水厂。中国工业污水及城市生活污水厂提标改造，尤其餐厨废水，长期存在碳氮比低，需长期投加补充碳源脱氮的情况，SODP无机自养脱氮技术可以在未来水环境治理中发挥越来越重要的作用。