東門南華公司無剩余污泥外排生化處理工藝分析
1 引言
廣西是全國最大的糖料蔗和食糖生產基地，大部分糖廠沿江建設，在未建設廢水末端治理之前，每到榨季期間，均向附近的江河排入大量的生產廢水，嚴重污染納污河流的水質，給沿江群眾的生活、飲用水處理廠帶來不利影響。而在上了末端廢水治理項目之后，接著而來的是大量剩余污泥的處理問題。本文旨在提出一種廢水處理工藝（方法），以最大限度的減少污泥排放，甚至是實現“零污泥排放”。
2 實現“零污泥排放”的基本要點
實現污泥零排放對于甘蔗制糖企業有著十分重要的意義。首先是由于省去了污泥處理的設備投資和運行費用，節約了環保資金的投入；其次是簡化了污水處理站的運行管理，除了水質化驗外，污水站幾乎可以實現無人化管理；再次是無剩余污泥外排，使得污水處理站自身實現了“清潔生產”。
在制糖廢水工程實踐中要達到零污泥排放是可能的，也是可行的。在生物接觸氧化法系統設計時必須做好：
（１）選擇好符合糖廠廢水特點的低負荷污水處理工藝，使系統產生的剩余污泥量盡可能地少；
（２）利用諸如特殊微型動物等高級水生動物消化大部分剩余污泥；
（３）恰如其分地利用糖廠季節性生產的特點，在榨季后進一步消化剩余污泥；
（４）二沉池污泥回流到酸化池水解減量，如有必要也可以利用鍋爐排灰系統，將少量剩余污泥壓力排入沉灰池與鍋爐灰渣一并處置。
3 “零污泥排放”在東門南華公司的成功應用
無剩余污泥排放或低污泥量排放的接觸氧化生化處理工藝在廣西東門南華糖業有限責任公司污水處理工程得到實踐和良好應用。東門南華公司污水處理工程于2007年11月建成投入使用，經過07/08、08/09兩個榨季的運行，證明采用接觸氧化工藝不但能夠實現低污泥量排放，而且完全可以實現零污泥排放。
依據東門南華公司的成功案例，現將零污泥排放加以成因闡述，同時分析其經濟技術上的可行性，以同環保同行探討。
3.1 接觸氧化工藝簡介
東門南華公司制糖廢水生化處理采用低負荷接觸氧化法工藝。其構造原理圖如下：
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圖1 接觸氧化法簡圖
接觸氧化池由池體、填料及支架、供氧系統、進水系統和出水系統組成。其中填料是生物膜的載體，是接觸氧化處理工藝的核心部位，直接影響接觸氧化工藝的凈化功能。
生物接觸氧化法工藝應用到處理制糖廢水具有以下優點：
（１）調試運行較活性污泥法簡單方便，運行工人只需經過簡單培訓，按一定程序即可啟動和操作運行。
（２）抗沖擊負荷能力強。本案例設計采用低負荷參數，07/08榨季實際運行時能夠長時間承受160%的負荷沖擊，處理出水仍然保持很好水質。
（３）不會出現絲狀菌膨脹等污泥培養和調試問題，調試成功后的運行穩定可靠。
（４）除電費、人工費用外，無藥劑費、污泥處理費等其它運行費用。
（５）剩余污泥量很少，理論上僅為傳統活性污泥工藝的1/3，如利用污泥水解技術和特殊微型動物的捕食消化技術，在實踐上接觸氧化法剩余污泥量僅為傳統活性污泥工藝的1/10甚至更少，無需投資污泥脫水設備。
（６）處理出水水質穩定，出水水質清澈，色度低。處理出水可以根據企業需要部分或全部回用。
（７）08/09新榨季再次啟動時，生物膜恢復快，不用再次投加外來污泥。開榨第一天起處理出水合格，整個榨季出水達標率100%。
生物接觸氧化法工藝的優點很多，但缺點是一次性設備投資較高，大水量時不具備投資優勢，適用于日處理20000噸以下的中小水量污水處理。
3.2 工藝流程
工藝流程簡圖如下：
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圖2 工藝流程簡圖
3.3 設計參數
東門南華公司水站主要設計參數如下：設計流量Q=800m3/h；進水水質CODcr=800mg/l,BOD5=480mg/l,SS=100mg/l,溫度45℃；酸化池V=720m3（有效容積）；接觸氧化池V=8000m3有效，共分8個池廊道式串聯，每個廊道1000m3；接觸氧化池填料數量V=5600m3
3.4 運行參數
08/09榨季東門南華公司污水站主要運行數據如下：
根據2009年2月16日記錄的各廊道運行數據，計算實際BOD負荷：
1#、2#廊道1.32kgBOD5/m3填料.d，出水CODcr=360mg/l,DO=3.2mg/l,生物膜鏡檢：大量菌膠團，少量絲狀菌，少量纖毛類原生動物；
3#、4#廊道0.63kgBOD5/m3填料.d, 出水CODcr=192mg/l,DO=3.5mg/l，生物膜鏡檢：少量絲狀菌，大量的菌膠團和纖毛類原生動物，如鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲等；
5#、6#廊道0.35kgBOD5/m3填料.d, 出水CODcr=80mg/l,DO=5.6mg/l，生物膜鏡檢：大量的菌膠團和纖毛類原生動物，如鐘蟲、等枝蟲、輪蟲、蓋纖蟲等，大量后生動物；
7#、8#廊道0.18kgBOD5/m3填料.d, 出水CODcr=23mg/l,DO=6.1mg/l，生物膜鏡檢：大量的菌膠團和纖毛類原生動物，如鐘蟲、等枝蟲、輪蟲、肉足蟲類等，大量后生動物，少量藻類。
08/09榨季二沉池向鍋爐沉灰池排泥三次，具體情況如下：
第一次：2008年12月18日排泥150m3（含水率99%），折合含水率70%的干泥5m3；
第二次：2009年2月16日排泥150m3（含水率99%），折合含水率70%的干泥5m3；
第三次：2009年3月8日停榨。2009年3月11日排泥600m3（含水率99%），折合含水率70%的干泥20m3。
4 “零污泥排放”的成因分析
從以上運行數據可以看出，該生物掛膜式接觸氧化法處理廢水工藝在東門南華公司應用取得了很大成功。我們查找理論依據，對比其他廢水處理方法在其他制糖企業的應用，經過認真分析認為，形成“零污泥排放”主要有如下原因：
（１）生化系統的有機負荷十分低，微生物在曝氣池內長期處于內源呼吸，增長的污泥量大部分自身氧化，剩余污泥量很少。
（２）運用生物污泥減量技術，一是利用特殊微型動物等在食物鏈中的捕食作用；二是直接利用特殊微型動物等對污泥的攝食和消化，在減少污泥容量的同時增加污泥的可溶性；三是利用特殊微型動物來增強細菌的活性或增加有活性的細菌的數量，從而增強細菌的自身氧化和代謝能力。
（３）利用二沉池污泥回流系統，將部分剩余污泥回流到酸化池水解酸化，提高污泥在系統中的氧化分解效果。
（４）如果必要，在沉灰池可承受范圍內，可以將剩余污泥壓力自流進入沉灰池與鍋爐灰渣一并處置。
表1為2個基本無剩余污泥排放的生物處理工程實例數據分析。
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表1 基本無污泥排放生物處理工程實例
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由Monod有機底物降解與微生物增長動力學方程得：
△X＝Y(So-Se)Q－KdVXv （１）
△X—每日增長的揮發性污泥量(VSS)，kg/d；
(So-Se)Q—每日有機廢物降解量(BOD5)，kg/d；
VXv—曝氣池混合液中揮發性污泥總量，kg/d；
Y—產率系數；
Kd—活性污泥微生物內源呼吸自身氧化率，d－1；
So、Se—進水、出水BOD5濃度，mg/L；
Q—日處理污水量，t/d；
活性污泥法BOD5 污泥負荷Nrs表達式為：
Nrs＝(So-Se)Q/VXv （２）
將式(2)代入式(1)并整理得：
X＝(So-Se)Q（Y－Kd/Nrs） （３）
由式(3)可知，對于某一確定的污水，其So、Se、Q、Y、Kd相應確定，增長污泥量是污泥負荷Nrs的函數。以生活污水為例，取Y＝0.58，Kd＝0.075 d－1,當進水BOD5濃度So＝200mg/L，出水BOD5濃度Se＝20mg/L，處理流量Q＝600m3/d，其增長揮發性污泥量為：
△X＝108（0.58－0.075/Nrs）
增長污泥量與污泥負荷之間的關系如圖3所示。
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圖3 增長污泥量與污泥負荷關系
式（３）中，Y應當≥Kd/Nrs，即△X應當≥0。理論上當Y=Kd/Nrs，即△X=0時，表明增長的微生物量與微生物內源呼吸減少量相等；當然微生物通過內源呼吸，理論上被氧化成無機物的極限值為80%，仍有20%為不能分解的殘留物質，再加上進水攜帶入的無機性固體與不可生物降解有機物，系統必然還是有很少量的剩余污泥產生，與出水帶出的SS量基本相等時，系統顯示出無污泥排放的表象。
以表1東門南華公司制糖廢水為例，由于制糖廢水中以溶解性食糖為比較的單純污染物，進入水溫30-35℃，其BOD5/CODcr=0.6-0.7，可生化性很好，糖廠35000M3的循環水池對污水處理站來說就是一個很好的初沉池，使污水站進水SS中惰性物質和不可降解固體最大程度地降低。
根據我國《室外排水設計規范-2006版》(ＧＢＪ14-87)第6.6.2條明確規定“在20℃,有機物以ＢＯＤ計時,污泥產率系數Ｙ其常數為0.4～0.8。如處理系統無初次沉淀池,Ｙ值必須通過試驗確定。”同款還規定了Ｋｄ20℃的常數值0.04～0.075ｄ-1。
本案例的制糖廢水從有機污染物單純、可生化性良好、有利的水溫以及初沉池去除SS良好、有機負荷低等因素考慮，可以取值Y＝0.50，Kd＝0.075 d－1,其增長揮發性污泥量（VSS）為：
△X＝0.50(480-10)10000×10-3-0.075×8000×2100×10-3＝1090kg(VSS)/d；
取VSS/MLVSS＝0.75，則全部污泥增長量為：
△X’＝1090/0.75＝1453.3kg(MLSS)/d；
相應地出水攜帶出的SS為：
△X”＝10000×(10～40)×10-3＝100～400kg(MLSS)/d；
根據上述計算，本案例理論上按普通活性污泥法剩余污泥計算公式計算的剩余污泥外排量 1053--1353kg(MLSS)/d，榨季按120天計算，一個榨季需要外排污泥量為126.4噸至162.4噸（折算成含水率為70%的干泥為 421.3噸至541.3噸），這個數據與東門南華公司2008/09榨季實際三次向沉灰池排泥量：5+5+20=30噸（含水率70%）相差甚遠，實際向沉灰池排放污泥僅為理論計算的5.54%～7.12%。
我們知道，只有當實際污泥增長量與出水帶出的SS量比較相近時，系統才會出現無污泥排放的現象。由于東門南華公司2008/09榨季并沒有實行污泥回流，因此我們推斷出引種的特殊微型動物等高級水生動物的污泥捕食消化率達到了92.88%--94.46%。盡管下結論還為時尚早，但如此驚人的實際運行數據還是讓人興奮。
甘蔗制糖工業具有明顯的季節性。甘蔗糖廠的榨季一般從當年的11月份開榨到次年的4月份停榨，一個榨季為140天左右。我們認為如采用恰當的污水處理工藝，利用糖廠季節性生產特點，完全可以做到污泥零排放。
5 技術經濟分析比較
下面以日處理量為10000m3/d規模的制糖廢水處理廠采用不同污泥減量與處理方法進行比較分析。
5.1 工程費用
采用普通活性污泥法(為比較分析簡化，不考慮脫氮除磷因素)，BOD5污泥負荷為0.3 kg/(kg.d)，污泥濃度2.0g/L，由微生物增殖產生的含水率為99%的污泥以150m3/d計；低負荷活性污泥法BOD5污泥負荷為0.075kg/(kg.d)，污泥濃度3.5g/L；采用不同污泥減量與處理方案的工程費用測算見表2。
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表2 不同污泥減量與處理方案的工程費用測算（萬元）
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從表2可見，采用低負荷活性污泥法工藝減少了污泥排放量，但由于曝氣池擴大相應增加了一定的工程的投資費用。整個工程費用，方案3比方案1減少了50萬元左右，但與方案2相比幾乎相當。
5.2 運行成本
供氧耗電成本是污水好氧生物處理成本的主要部分，活性污泥法需氧量計算式為：
O2＝a′(So-Se)Q＋b′VX………………………………<規范>第6.8.2
O2＝(So-Se)Q（a′＋b′/Nrs） （４）
一般制糖廢水取a′＝0.48，b′＝0.15，其負荷變化與需氧量的關系式為：
O2＝(480－20)10000（0.48＋0.15/ Nrs）
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圖4 負荷與需氧量的關系
同表2各方案工藝參數相同，采用不同處理方案的供氧耗電成本及其它運行成本測算比較見表3。
從表3可見，盡管低負荷工藝增加了供氧電耗，但省卻了多項污泥處理費用，最終的運行費用還是普通負荷工藝相當。
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表3 不同污泥減量與處理方案運行成本測算（元/d）
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6 技術進步探討
據最新報道，一些新開發的復合微生物菌群具有相互共生的增殖體系和低污泥增長率的特點，在實驗室條件下達到低剩余污泥排放量。但這一類型的工藝技術在規模的工程實踐中應用還未見報道。
生物污泥減量技術目前還處于研究起步階段，尚無法提供完整的工程應用數據。據查國內外類似的研究成果報道幾乎沒有，最近幾年來我國已經有一些科研機構在做一些前沿性的研究，如中科院武漢水生物研究所一直在實驗室進行機理性研究，浙江菲達環保公司也在市政污水方面取得實質性進展，廣西天潤環保公司針對糖廠等工業廢水的應用也取得了實質性進展。生物污泥減量技術無疑具有很好的應用前景。
隨著技術進步，研究技術可行、經濟合理的零剩余污泥或低剩余污泥排放生物處理工藝，將是我們環保界同行們努力和發展的方向。
參考文獻
[1]張自忠.排水工程(下冊)[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.
[2]張自忠.廢水處理理論與設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.
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