我國污水處理廠多采用生物脫氮除磷工藝，碳源一直是傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝的控制因素，碳源是微生物生長必須的營養(yǎng)元素，主要消耗于釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌代謝。中國有相當一部分污水處理廠的進水都存在碳源含量低，造成出水脫氮除磷效果較差。因此有效解決城市污水處理廠碳源不足問題，是提高污水脫氮除磷效率從而實現達標排放的有效途徑。
今天擬從內碳源和外加碳源兩個方面，對城鎮(zhèn)污水處理廠碳源的開發(fā)利用進行分析。
1內碳源
內碳源是指存在于污水處理系統(tǒng)本身的碳源。包括原污水中的可生物降解溶解性有機碳，從原污水中分離出來的顆粒態(tài)慢速降解有機物(初沉污泥)和活性污泥微生物死亡或破裂后自溶釋放出來的可被利用的基質。在中國節(jié)能減排的環(huán)保政策指引下，內碳源的有效開發(fā)利用便顯得尤為迫切。不但可以減少廢物排放量，還可以有效提高生物脫氮除磷效果，可謂一舉兩得。
1.1多點進水
也稱為分段進水活性污泥法，污水經過簡單的物理處理后，直接進入生物池。早期采用多點進水方式的目的是減少生物池需氧量和供氧量的差異，起到節(jié)能降耗的作用。目前采用該方式的目的一方面是增加脫氮除磷段的碳源含量，同時也是消耗污泥回流和硝化液回流所攜帶的剩余的溶解氧，優(yōu)化脫氮除磷的反應環(huán)境，從而提高處理效果。這種運行方式目前逐漸受到了一些新建和改擴建的污水廠的青睞，如鄭州市新建的某污水處理廠就是采用多點進水的改良型UCT工藝，排放標準執(zhí)行一級A的排放標準。
這種運行方式由于是增加了進水點，從而增加構筑物池容和管線系統(tǒng)，無疑會帶來系統(tǒng)相對復雜，反應池容積和建設投資的增加，運行管理難度增大等問題，相對于提高處理效果來講，這些弊端也是可以忽視的。
1.2初沉池的合理設置
常規(guī)來講，初沉池是設置在沉砂池之后的另一個非常重要的物理法處理單元，其作用是進一步去除沉砂池不能去除的更加細小的無機顆粒，可去除10%~20%的有機物，還具有一定的水解酸化的作用，從而減少后續(xù)生物處理單元的負荷，對提高處理效果起到了重要的促進作用。然而初沉池的設置同時也帶來了后續(xù)脫氮除磷處理階段碳源量更低的問題，尤其是對于某些進水低C/N的污水廠來講，其碳源不足的矛盾將更加突出。這無疑使得關于初沉池的設置與否陷入了兩難的尷尬境地。業(yè)內關于是否取消初沉池的討論也是不絕于耳。據筆者的調查了解，目前初沉池的設置與否歸納為以下三種主要方式：
(1)直接取消初沉池。目前相當一部分污水廠(如現階段較為流行的延時曝氣氧化溝工藝)，是污水經過沉砂池之后，直接進入生物池。這種做法的優(yōu)勢是減少了初沉池的建設投資，簡化了處理流程，對于緩解建設單位的資金和占地規(guī)劃緊張狀況起到積極作用。筆者認為這種方式對于進水SS濃度較低且波動不大的污水廠無疑是個不錯的選擇。
(2)可在初沉池環(huán)節(jié)處設置超越管，根據實際進水情況決定是否取消初沉池，以解決脫氮除磷系統(tǒng)中有機碳源不足的狀況。筆者認為，這種方式更適合進水SS濃度波動較大的污水廠。即當進水SS濃度較高時，開啟初沉池進一步降低SS;當進水SS濃度較低時，開啟超越管超越初沉池來減少有機物的損失。以期增加后續(xù)處理工藝中有機碳源的含量。
(3)減少初沉池的水力停留時間。常規(guī)來講，初沉池的水力停留時間為1~2h，有些業(yè)內人士提出將初沉池的停留時間減少至0.5~1h[1]，或者適當提高沉砂池池的水力停留時間，這樣可以在一定程度上緩解取消初沉池所帶來的一系列弊端。
這三種方式各有利弊，需要設計和建設單位根據進水的實際情況以及具體的建設情況，進行合理的設計和建設。
1.3增設厭氧水解酸化池
改進脫氮除磷工藝，目前常用的主要方式是在脫氮除磷反應器前增加厭氧水解酸化池(段)。在厭氧水解酸化階段，大分子有機物質轉化為簡單的化合物并分泌到細胞外，主要產物有揮發(fā)性脂肪酸(VolatileFattyAcids，VFAs)，醇類，乳酸等，削減待處理污水的有機負荷，改善了污水的可生化性，提高后續(xù)處理的效率。梁存珍等[2]采用水解酸化-反硝化-硝化的組合工藝對土霉素廢水進行了實驗室規(guī)模的連續(xù)處理。
廢水經過厭氧水解，反硝化速率從0.31kg/m3˙d增加到0.45kg/m3˙d，提高了45.2%。這類研究成果為實際工程的推廣和應用提供了有力的技術支持，如鄭州市某污水處理廠在氧化溝前設置前置缺氧池(前置反硝化池)和厭氧池，10%的進水直接進入前置缺氧池段給回流污泥提供反硝化所需碳源，在厭氧池內，大分子和難降解的物質轉化為易于生物降解的物質為聚磷菌提供碳源。改良型氧化溝和改良型A2/O等均是在此基礎上演化而來，有一些新建和改擴建的污水處理廠也積極采納了這種方式，并取得了較好的處理效果。
結果表明，將水解酸化過程作為低濃度城市污水生物脫氮工藝的預處理工藝可以為反硝化段補充一定量的碳源，有效提高脫氮效率?？紤]到水解池的建設運行費用，以及一些地區(qū)廢水的實際情況，還需要綜合處理效果和經濟費用等因素因地制宜地確定運行工藝及工藝條件。
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1.4利用污泥開發(fā)碳源
采用污泥開發(fā)碳源，使得污泥在城市污水處理廠內部進行循環(huán)利用，能在一定程度上解決污泥的處置問題，實現污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化。但由于污泥微生物的細胞壁半剛性結構很難通過直接厭氧水解產酸，只有對污泥進行預處理，以破壞污泥的絮體結構、細胞壁，使其胞內物質能夠有效的釋放出來，才能獲得可溶解性有機物，進而水解產生VFAs。近幾年發(fā)展起來的污泥預處理方法有：物理法(高壓噴射法、珠磨法、超聲波法、加熱法)、化學法(臭氧氧化法、氯氣氧化法、濕式氧化法)、生物法及一些組合方法。VFAs為碳源的反硝化速率高于甲醇、乙醇等傳統(tǒng)碳源，因為在生物降解過程中甲醇和乙醇是先被轉化成相應的VFAs，然后再進行進一步的降解。但一般城市污水處理廠進水中，每升水含VFAs僅有幾十毫克。
目前國內外開始利用生物法使污泥水解發(fā)酵來產生VFAs的研究越來越多。以開發(fā)碳源為目的的污泥水解酸化的研究重點，應著力于如何使反應保持在產酸階段，使得VFAs得到積累作為后續(xù)生物脫氮除磷的碳源使用。研究較為成熟的還有污泥法中的超聲波法并且已達到工程應用程度，利用低頻超聲波開發(fā)碳源，在強化污水脫氮除磷效果達20%~30%[3]的同時還可減少剩余污泥的排放。
需要注意的是，發(fā)酵液中不但含有大量的溶解性有機物，還含有大量的N、P，如果直接作為碳源，勢必會增加進水的N、P含量，給后續(xù)脫氮除磷工藝增加負擔。因此需要對發(fā)酵液中的N、P進行回收，目前大多數是以鳥糞石沉淀形式回收磷，其次是磷酸鈣、磷酸鋁及磷酸鐵。利用鳥糞石工藝回收N、P在Mg/N=1.8，pH=10.0，P/N=1.13即最佳N、P回收條件下NH4+-N和SOP的去除率為73.6%和82.2%[4]。
2外加碳源
外加碳源大體上可以分為兩大類：(1)傳統(tǒng)碳源，包括甲醇、乙醇、乙酸等液態(tài)有機物及糖類;(2)其他類型的碳源，如工業(yè)廢水、垃圾滲濾液。
2.1傳統(tǒng)碳源
傳統(tǒng)碳源是目前研究較為成熟，應用較多的碳源，主要包括：低分子有機物，如甲醇、乙醇、乙酸等以及糖類，如葡萄糖、蔗糖。投加適量這類低分子有機物在反硝化過程中均能實現完全脫氮[5]，由于每種碳源代謝途徑不同，造成反硝化速率各不相同其中以乙酸、甲醇的反硝化速率最快，丁酸、丙酸次之，葡萄糖的最慢。反硝化菌要求要求反硝化過程中的碳源是低生長量的碳源。單碳化合物的生長量最低，因為從單碳化合物中合成細胞物質所需能量較大，在一定程度上阻止了細胞的生長，而將碳源氧化，使硝酸鹽和亞硝酸鹽轉化為氮氣去除，甲醇反應生成二氧化碳和水，沒有衍生的副產物，是最清潔的碳源，從這個角度來講甲醇這種單碳化合物做碳源效果最好，其次是乙醇，糖類等易降解有機物。大量試驗結果均顯示[6-7]，甲醇、乙醇、乙酸及糖類物質做為碳源時，脫氮效率要明顯高于未投加是的反硝化速率，是可利用的碳源。
這類碳源雖然能夠取得良好的反硝化效果，但長期投加帶來的運行費用增加，是限制其應用的主要因素。
2.2其他碳源
可作為碳源利用的廢棄物包括工業(yè)廢水、垃圾滲濾液，工業(yè)廢水中的啤酒廢水[8]、淀粉廢水、合成氨企業(yè)的甲醇殘液等等，含有大量的糖類、蛋白質、脂肪等，可生化性好且不含有毒有害物質，能夠成為生物脫氮除磷的理想碳源。對于一些COD含量高但可生化性不好的廢水如造紙廢水，可將其與肉類加工廢水混合提高可生化性[9]成為有效碳源。在填埋初期的垃圾滲濾液有良好的可生化性[10]將其作為反硝化系統(tǒng)的外加碳源，既能補充污水中碳源含量，又使得垃圾滲濾液得到處理。
上述這些碳源目前由于其數量少，主要用于生產廢水的脫氮除磷，在用以提高城市污水處理廠的脫氮除磷效率的應用環(huán)節(jié)上有待進一步的探討。
3結語
綜上所述，目前已發(fā)現的可利用碳源的數量繁多，但是在城市污水處理廠實際運行中，究竟選取何種碳源才能做到經濟性、實用性和高效性的協(xié)調統(tǒng)一，這成為目前的研究焦點?？傮w上講外加碳源能夠取得良好的脫氮除磷效果，但長期投加無疑會增加處理運行成本和管理難度，也是限制其應用的主要因素。而內碳源的開發(fā)利用只能對提高脫氮除磷效率起到一定的積極作用，而不是特別有效。但可以在滿足脫氮除磷的同時達到對廢物的資源化利用，降低城鎮(zhèn)污水處理廠的運行成本，這符合中國節(jié)能減排的環(huán)保理念?？v觀國內外開發(fā)碳源的進程，充分利用內碳源和外碳源以降低外碳源使用時增加的污水處理成本是今后的發(fā)展方向和研究重點。
因此，在城市污水處理廠的實際運行中，優(yōu)選碳源時應注意以下幾點：(1)深入了解不同碳源的特性，結合具體的進水水質特點，選擇最佳碳源，具體問題具體分析，切忌照搬;(2)可開發(fā)利用的碳源種類很多，但考慮到污水處理廠的運行成本，并注意選擇可操控性強的碳源，做到經濟性和高效性的統(tǒng)一;(3)根據不同碳源的不同性質，還可考慮同時利用多種碳源，做到內、外碳源有機結合，以達到最佳脫氮除磷效果;(4)進一步優(yōu)化城市污水處理廠的處理工藝和運行參數，提高運行管理水平，最大限度提高整個流程的處理效率。