在上海国际水展的前沿技术交流中，众多污水处理行业从业者聚焦一个共性难题：当进水碳源难以满足脱氮除磷需求时，如何通过工艺优化实现高效处理？这一问题在我国城镇污水处理领域尤为突出，调研显示，相当比例的水厂面临碳源不足困境，亟需系统性解决方案。本文结合行业实践与技术创新，提炼八大核心优化措施，为污水处理厂突破碳源瓶颈提供新思路。
一、分段式进水工艺：精准碳源分配激活反应效率
传统活性污泥法的升级版本——分段式进水工艺，通过多点布水实现碳源的梯度利用。该工艺在生物反应池设置多个进水口，将原水按比例分配至不同反应区域：一部分直接进入缺氧段，为反硝化菌提供即时碳源；另一部分与回流污泥混合后进入厌氧段，满足聚磷菌释磷需求。这种设计不仅避免了碳源在单一区域的过度消耗，还能通过消耗回流液中的溶解氧，为缺氧反硝化创造理想厌氧环境。
某沿海城市污水处理厂在改良UCT工艺中引入三点进水模式，将20%原水直接注入缺氧区，剩余水量按梯度分配至厌氧段与好氧段。运行数据显示，该工艺使反硝化速率提升30%，总氮去除率从75%提高至88%，有效缓解了外碳源投加压力。尽管该工艺需增加管线布置与自控系统，但在新建水厂或提标改造项目中，其对碳源的高效利用优势显著优于传统单级进水模式。
二、厌氧水解预处理：大分子碳源的“生物转化器”
在主反应系统前增设厌氧水解酸化池，如同为污水加装“生物转化器”，将难降解的大分子有机物分解为易利用的挥发性脂肪酸（VFAs）。这一过程不仅降低后续处理负荷，更关键的是为聚磷菌和反硝化菌提供“优质口粮”。水解池的水力停留时间通常控制在24小时，通过搅拌系统维持厌氧环境，促使发酵菌群充分发挥作用。
中部某工业城市污水处理厂在氧化沟前设置两级水解单元，15%原水直接进入前置缺氧池，为反硝化提供碳源；剩余污水经水解后，BOD/COD比值从0.3提升至0.5，可生化性显著改善。实际运行表明，该预处理工艺使外碳源用量减少40%，同时总磷去除率稳定在90%以上。值得注意的是，水解池的建设需结合进水水质，高悬浮物污水需配套预处理单元，避免污泥淤积影响效果。
三、初沉池灵活调控：在固液分离与碳源保留间找平衡
初沉池的设置曾被视为“标准配置”，但在低碳源场景下，其功能需要重新审视。根据进水悬浮物（SS）浓度波动，可采用三种差异化策略：
取消初沉池：适用于生活污水占比高、SS浓度低于150mg/L的水厂。如采用延时曝气工艺的小型污水处理厂，省去初沉环节后，原水中的颗粒有机物直接进入生物池，经微生物吸附降解，使碳源利用率提升15%20%，同时节省占地与建设成本。
设置超越管：针对SS波动较大的复合型水质（如接纳工业废水的水厂），在初沉池旁增设超越管线。当进水SS>300mg/L时，开启初沉池降低后续负荷；当SS<100mg/L时，关闭初沉池直接进水，避免可降解有机物无谓流失。某工业园区污水处理厂通过该设计，在雨季高负荷期保持处理稳定，旱季碳源利用率提高25%。
缩短停留时间：将传统1.52小时的初沉时间压缩至0.51小时，在去除砂粒等无机杂质的同时，保留更多胶体态有机物。配合沉砂池优化，可在不显著增加后续处理负荷的前提下，为生物段多保留10%15%的碳源。
四、污泥资源化：从处置负担到碳源“补给站”
污水处理产生的剩余污泥，经预处理后可转化为优质碳源。污泥细胞结构致密，需通过物理、化学或生物方法破坏细胞壁，释放胞内有机物。常用预处理技术包括：
物理法：超声波破碎（频率2040kHz）、高压均质（100200MPa），通过能量冲击破解污泥絮体；
化学法：臭氧氧化（投加量50100mgO3/gDS）、碱解（pH>12），利用强氧化或碱性环境溶解细胞；
生物法：投加嗜热菌剂，在5560℃条件下加速污泥发酵，产酸率可达30%40%。
南方某大型污水处理厂建立污泥酸化车间，将脱水污泥经热水解（120℃，30分钟）后，与原水按1:10比例混合，每日可产出相当于5吨乙酸钠的VFAs，满足全厂30%的碳源需求，同时减少污泥含水率，降低后续处置成本。该技术特别适合污泥产量大、外碳源依赖度高的水厂，实现“以废治废”的循环利用。
五、传统工艺改良：细节优化释放系统潜力
1.AAO工艺升级：一体化高效反应单元
在经典AAO工艺基础上，将厌氧除磷区与低氧曝气区集成设计，通过空气推流技术形成“厌氧缺氧低氧”梯度反应环境。低氧区溶解氧控制在0.51.0mg/L，既满足部分硝化需求，又减少氧气消耗。某中型水厂改造后，曝气能耗下降20%，同时总氮去除率提升10%，碳源利用率从60%提高至75%。
2.SBR预缺氧改造：为聚磷菌“保驾护航”
在SBR反应池前端增设预缺氧区，利用原水碳源优先去除回流污泥中的硝酸盐，避免其干扰厌氧释磷。预缺氧时间控制在3060分钟，使反硝化率先消耗60%70%的回流硝态氮，为后续厌氧段创造纯净环境。小型污水处理站应用该技术后，除磷效率从85%提升至95%，且对水质波动的适应能力显著增强。
六、外碳源精准筛选：性价比与效率双优选择
当内部碳源挖掘仍不足时，合理选择外碳源至关重要。工业级碳源主要分为两类：
传统药剂：甲醇、乙酸钠、葡萄糖。其中乙酸钠反硝化速率最快（2530mgNO3N/(gMLSS·h)），且无残留毒性，成为首选；葡萄糖需转化为单糖后利用，速率稍慢（1520mgNO3N/(gMLSS·h)），但成本较低。
有机废水：啤酒厂废水、食品加工废水、垃圾渗滤液等，需检测其COD浓度与组分，确保不含抑制性物质。某啤酒厂配套污水处理站直接回用酿造废水，替代80%的外购碳源，年节约成本超百万元。
筛选时需通过小试确定最佳种类，同时优化投加方式：将碳源从厌氧段改投至缺氧段，避免聚磷菌与反硝化菌竞争。某水厂调整投加点后，甲醇用量减少45%，出水总氮稳定在10mg/L以下，实现“精准投喂”。
七、短程脱氮技术：流程精简开启节能通道
突破传统“氨氮→亚硝酸盐→硝酸盐”的全程硝化路径，通过控制溶解氧（0.51.0mg/L）和pH（7.58.0），使亚硝化菌成为优势菌群，直接将氨氮氧化至亚硝酸盐阶段，随后进行反硝化。该工艺缩短反应流程，节省40%的碳源消耗与25%的曝气量。
北方某寒冷地区污水处理厂采用短程硝化反硝化工艺，在冬季低温（1015℃）条件下，通过提高污泥浓度（35004000mg/L）维持亚硝化菌活性，总氮去除率保持80%以上，外碳源用量较传统工艺减少30%。
八、自养脱氮技术：彻底摆脱碳源依赖
CANON工艺与厌氧氨氧化技术代表了脱氮技术的革新方向，其核心是利用自养微生物完成氮素转化：
CANON工艺：在生物膜内构建微环境，好氧区亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，厌氧区厌氧氨氧化菌将亚硝酸盐与氨氮转化为氮气。该工艺无需有机碳源，且节省60%的曝气量，特别适合高氨氮、低碳源的工业废水处理。
厌氧氨氧化：对水质要求严苛（溶解氧<0.2mg/L，亚硝酸盐与氨氮比例1:1.32），但一旦实现稳定运行，可完全摒弃外碳源。某化工园区污水处理厂耗时18个月驯化菌种，成功将氨氮去除负荷提升至1.5kgN/(m³·d)，运行成本较传统工艺降低70%。
结语：系统化思维破解碳源困局
面对低碳源污水处理难题，单一技术难以奏效，需从“开源”与“节流”双向发力：一方面通过工艺优化挖掘内部碳源潜力，如分段进水、污泥资源化；另一方面借助技术创新提升转化效率，如短程硝化、厌氧氨氧化。上海国际水展上展示的众多前沿案例表明，结合水厂实际水质特点，定制化组合应用上述技术，可在降低外碳源依赖的同时，实现脱氮除磷效果与经济性的双重提升。对于污水处理行业而言，这不仅是技术升级的路径，更是践行“双碳”目标的必然选择。
