城鎮(zhèn)污水處理廠食微比調(diào)控污泥濃度的應(yīng)用研究

金江華 ，卜翠娜 *，沈 旺 ，劉運(yùn)東

(1. 天津?yàn)I海新區(qū)塘沽環(huán)科新河污水處理有限公司 天津300450；2. 中國葛洲壩集團(tuán)水務(wù)運(yùn)營有限公司 湖北武漢430000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速的發(fā)展，水污染問題日益加劇，強(qiáng)化污水處理的精細(xì)化控制，提高排水水質(zhì)成為當(dāng)務(wù)之急?；钚晕勰喾ㄊ俏鬯幚碇凶畛Ｓ玫囊环N工藝方法[1]，該方法存在的一個(gè)最大弊端就是在污水處理過程中伴生微生物的繁殖，為維持處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，不斷增殖的微生物就只能以剩余污泥的形式排出系統(tǒng)[2]。因此在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，排泥量的控制是活性污泥法工藝控制中一項(xiàng)重要操作，通過排泥量控制處理系統(tǒng)中污泥濃度以保證處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

污泥濃度(MLSS)是用來衡量污水生化處理系統(tǒng)中活性污泥總量的一個(gè)重要指標(biāo)，控制合理的活性污泥濃度對提高有機(jī)污染物的去除率、提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力、降低出水懸浮顆粒濃度以及節(jié)能降耗等都有顯著的影響。我國大部分污水處理廠均存在不同程度的污泥濃度控制不合理現(xiàn)象，污泥濃度偏高，有機(jī)物無法滿足微生物需求時(shí)，絮凝物質(zhì)會(huì)被細(xì)菌蠶食，活性污泥絮體開始變得松散[4]，同時(shí)也會(huì)造成污水廠電耗藥耗增加，運(yùn)行成本變大等問題；而如果污泥濃度偏低，進(jìn)水污染物濃度高(微生物可食物多)時(shí)，易造成有機(jī)負(fù)荷過高，菌膠團(tuán)內(nèi)未降解有機(jī)物過多，引發(fā)污泥黏性膨脹，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)[5]。所以，找到一種合適的控制模式來實(shí)現(xiàn)污泥濃度的精細(xì)化調(diào)控，對污水處理廠確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗都具有重要的意義。為此天津市某污水處理廠在實(shí)際運(yùn)營中進(jìn)行了通過食微比控制生化系統(tǒng)污泥濃度的實(shí)驗(yàn)研究，摸索出該廠最佳的食微比控制值，并通過實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，取得了比較理想的效果。本文即對該廠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程、結(jié)果進(jìn)行描述、分析和總結(jié)，以期對城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)營中的精細(xì)化控制提供技術(shù)參考。

1 污水廠概況與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 污水廠概況

天津某污水處理廠(A廠)已建工程設(shè)計(jì)處理能力為 7.0萬 m3/d，采用“預(yù)處理+A/O 脫氮+混凝沉淀+過濾+紫外消毒”的二級(jí)生化處理工藝，其中生化段為“厭氧池+A/O 池+二沉池+穩(wěn)定池”的百樂克工藝，各構(gòu)筑物水池均平均分為兩個(gè)系列。A/O池總?cè)莘e為 38500m3，系統(tǒng)外回流量為 100%。出水執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[7]一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。污水廠設(shè)計(jì)的進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 A廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed influent and effluent quality of plant A

1.2 實(shí)驗(yàn)研究方法

通常是通過控制生化池內(nèi)的 MLSS指標(biāo)控制排泥，用 MLSS指標(biāo)法控制排泥量時(shí)一般會(huì)盡量連續(xù)排放或平均排放，因此該法僅適合進(jìn)水水量和水質(zhì)變化不大的情況。在進(jìn)水量和水質(zhì)不穩(wěn)定、波動(dòng)較大時(shí)，進(jìn)水的 COD、N、P等污染物質(zhì)負(fù)荷忽高忽低，對于同樣的活性污泥濃度，則會(huì)出現(xiàn)營養(yǎng)過?；蛭勰囵囸I的不利情況，影響活性污泥的活性，對出水水質(zhì)造成不利影響[6]，而通過食微比(F/M)控制能夠有效地將活性污泥的數(shù)量與營養(yǎng)物質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)。F/M，又叫污泥負(fù)荷，F(xiàn)是進(jìn)水中的有機(jī)污染物負(fù)荷，M 是曝氣池中的微生物量。F在進(jìn)水量穩(wěn)定時(shí)隨進(jìn)水水質(zhì)而波動(dòng)，本次探索首先是通過實(shí)驗(yàn)對比確定污水的最優(yōu)食微比，然后通過調(diào)整排泥量使 F/M 控制在該最優(yōu)值附近，從而實(shí)現(xiàn)污泥濃度的精細(xì)化調(diào)控，增強(qiáng)污泥活性。F/M計(jì)算公式如下：

F/M＝(Q*BOD5)/(MLSS×Va)

式中：F為有機(jī)物量，M 為微生物量；Q為進(jìn)水量，m3/d；BOD5為進(jìn)水 BOD5值，mg/L；Va為生化池的有效容積，m3；MLSS為曝氣池內(nèi)活性污泥濃度，mg/L。

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段。第一階段通過對比污水廠在不同的食微比下的運(yùn)行狀況，尋找出最優(yōu)食微比。由于天津?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)性氣候，四季分明，所以第一階段實(shí)驗(yàn)的時(shí)間選取為2019年3～5月，按往年數(shù)據(jù)此階段的水質(zhì)水量較穩(wěn)定，適宜進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，將各月份食微比分別控制為高中低 3個(gè)值，探究不同食微比下出水水質(zhì)水量及運(yùn)行成本的變化，尋找出適合的最優(yōu)食微比。在第二階段，以之前實(shí)驗(yàn)確定的最優(yōu)食微比來控制生化系統(tǒng)排泥量，精細(xì)化控制系統(tǒng)的污泥濃度，然后與污水廠去年同期對比水量、水質(zhì)與能耗等運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證通過最優(yōu)食微比精確控制的效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)食微比范圍的選擇

微生物的生長條件需要合理的底物濃度、營養(yǎng)物質(zhì)和供氧量。依據(jù)食微比調(diào)控污泥濃度可保證微生物的生長處于平衡狀態(tài)。由于污水廠的特點(diǎn)及工藝不同，最適宜的F/M值也不同。表2歸列了不同污水處理工藝適宜的食微比值。A廠為百樂克工藝，污泥回流量大，污泥濃度 MLSS較高，曝氣時(shí)間長，屬于延時(shí)曝氣法，是低負(fù)荷活性污泥工藝。一般來說，寒冷地區(qū)的百樂克工藝 A/O池的食微比為 0.02～0.1kgBOD5/(kgMLSS·d)。根據(jù)水廠及進(jìn)水特點(diǎn)，食微比為0.06kgBOD5/(kgMLSS·d)左右時(shí)，需控制污泥濃度為 2500mg/L，此時(shí)污泥量將無法去除足夠污染物。所以本實(shí)驗(yàn)選定 3～5月分別控制 F/M 值為0.03、0.04、0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)左右。

表2 食微比參考控制值[6]Tab.2 Reference control value of food-to-micro ratio[6]

2.2 最優(yōu)食微比確定

冬季溫度低，硝化速率下降，曝氣池需要保持較高的污泥濃度。3月溫度逐漸升高，需要增大排泥量，將污泥濃度降低。利用這一時(shí)機(jī)，逐步加大排泥量，將 3、4、5月份 F/M 值分別控制為 0.03、0.04、0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)。實(shí)際運(yùn)行每天 F/M 值如圖 1所示。實(shí)際控制過程中，由于排泥量不可能過大或過小，每日F/M值無法精確達(dá)到控制值，而是在其上下波動(dòng)。其中，5月28日為不明原因的高濃度進(jìn)水沖擊，有機(jī)物 BOD5含量高達(dá) 225mg/L，所以 F/M值達(dá)到0.08kgBOD5/(kgMLSS·d)。

圖1 A廠3～5月F/M控制值Fig.1 F/M control value of plant A from March to May

圖2為 3月水量穩(wěn)定時(shí)期(日進(jìn)水60000m3/d)的污泥濃度和進(jìn)水 BOD5變化圖。當(dāng)進(jìn)水量穩(wěn)定時(shí)，污泥濃度和進(jìn)水有機(jī)物大致呈同升同降趨勢，隨著進(jìn)水有機(jī)物的增加，需要減小排泥量，來達(dá)到有機(jī)物和污泥濃度的平衡。從運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，3月份污泥濃度在 3953～4990mg/L波動(dòng)，平均值為 4425mg/L；4月份污泥濃度在3900～4887mg/L波動(dòng)，平均值為4370mg/L；5月份污泥濃度在3603～4213mg/L波動(dòng)，平均值為 3865mg/L。進(jìn)水負(fù)荷較穩(wěn)定時(shí)，隨控制食微比(F/M)增加，污泥濃度呈下降趨勢。

從運(yùn)行效果來看(表 3)，3月控制食微比為0.03kgBOD5/(kgMLSS·d)，處理水量為164萬t，日均 52903t，消耗電量 470260kW·h，噸水電耗為0.29kW·h/m3。4月食微比為 0.04kg BOD5/(kgMLSS·d)，該月處理水量為171萬t，日均57000t，消耗電量 460920kW·h，噸水電耗為0.27kW·h/m3。5月控制食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，總處理水量為 182萬 t，日均58710t，消耗電量 468770kW·h，噸水電耗為0.26kW·h/m3。調(diào)整食微比后，處理水量增大，對應(yīng)噸水電耗降低。食微比為 0.03kg BOD5/(kgMLSS·d)時(shí)，負(fù)荷過低，系統(tǒng)污泥濃度較高，進(jìn)水有機(jī)物無法滿足微生物生長，導(dǎo)致污泥的活性變差，泥水分離效果變差，穩(wěn)定池跑泥現(xiàn)象嚴(yán)重，影響到深度處理工藝段，從而使得處理效果及處理水量均降低，并且過高的污泥濃度所需曝氣量增大，穩(wěn)定池排泥泵及脫水機(jī)房脫泥機(jī)的運(yùn)行時(shí)間增長，導(dǎo)致整體電耗增加。適當(dāng)增大食微比后，需氧量隨之減少[3]，所需風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，功率下降，電費(fèi)節(jié)省，并且不會(huì)再出現(xiàn)污泥饑餓狀態(tài)，污泥的活性較高，能夠吸取更多營養(yǎng)物質(zhì)，污染物的去除率大幅提高，出水水質(zhì)變好。圖 3對比了2019年3～5月與2018年同期穩(wěn)定池出水總磷月平均值變化，結(jié)果表明低食微比 0.03kg BOD5/(kgMLSS·d)下，總磷(TP)比 2018年同期略高；當(dāng)食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)時(shí)，TP從0.41mg/L降到0.31mg/L，效果明顯。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，最優(yōu)食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)。

圖2 A廠3月水量穩(wěn)定時(shí)期污泥濃度和進(jìn)水BOD5變化圖Fig.2 Change trend graph of MLSS and influent BOD5 value of plant A during water stabilization period in March

表3 2019年3～5月運(yùn)行效果比較Tab.3 Comparison of operating results from March to May in 2019

圖3 2018和2019年3～5月穩(wěn)定池出水總磷對比圖Fig.3 Comparison of stable pool effluent total phosphorus value from March to May between 2018 and 2019

2.3 最優(yōu)食微比運(yùn)行效果

根據(jù)第一階段實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果，確定 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)為最優(yōu)食微比。進(jìn)入 6月，污水廠的水質(zhì)波動(dòng)較大，以此值控制排泥量，精細(xì)化控制污泥濃度。進(jìn)水的 BOD5值在67.8～203mg/L波動(dòng)，污泥濃度在 2823～3917mg/L調(diào)整。以最優(yōu)食微比運(yùn)行后，穩(wěn)定池跑泥現(xiàn)象減少，出水 TP、SS均降低，6月份穩(wěn)定池出水平均TP為0.43mg/L，低于去年同期的 0.48mg/L。穩(wěn)定池出水 SS平均值為 12mg/L，接近于污水廠總出水SS。污水廠穩(wěn)定池出水2019年上半年月平均出水 SS變化如圖 4所示，低食微比時(shí)，SS較2月未下降，以最優(yōu)食微比運(yùn)行時(shí)，SS下降明顯。

圖4 2019年1～6月穩(wěn)定池出水SS變化圖Fig.4 Change chart of stable pool effluent SS value from January to June in 2019

在最優(yōu)食微比控制過程中，水量及電耗運(yùn)行效果如表 4所示，與 2018年相比，2019年總處理水量增加了 12萬 m3，噸水電耗由 0.28kW·h/m3降低到0.24kW·h/m3。以最優(yōu)食微比運(yùn)行后，污泥濃度下降至合理范圍，穩(wěn)定池飄泥得到緩解，穩(wěn)定池浮船刮泥機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少，絮凝劑投加量減少，濾池的運(yùn)行壓力減小，處理水量大幅提升，6月運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到91%，同時(shí)降低了水廠的運(yùn)行成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

表4 2019年6月與上年同期運(yùn)行效果比較Tab.4 Comparison of operating results between June 2019 and same period last year

3 結(jié) 論

綜合天津某污水處理廠的工藝及進(jìn)水特點(diǎn)，確定了實(shí)驗(yàn)研究的食微比范圍為 0.03～0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，通過探究 3～5月范圍內(nèi)不同食微比下出水水質(zhì)、水量及運(yùn)行成本的變化，尋找出最優(yōu)食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，該月處理水量最大，電耗降低到 0.26kW·h/m3。在該最優(yōu)食微比下，能夠達(dá)到營養(yǎng)與污泥濃度的最佳匹配。接下來在水質(zhì)波動(dòng)較大的6月份，利用最優(yōu)食微比精細(xì)化調(diào)控污泥濃度，與上年同期相比，在運(yùn)行負(fù)荷增大、出水水質(zhì)變好的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

本文找到了一種利用食微比來調(diào)控污泥濃度的方法，改變了目前水廠傳統(tǒng)的污泥濃度控制模式，通過工藝調(diào)控和優(yōu)化，可以最優(yōu)食微比控制污泥濃度，實(shí)現(xiàn)水廠的穩(wěn)定運(yùn)行及精細(xì)化管理，從而達(dá)到在達(dá)標(biāo)排放的情況下同時(shí)節(jié)能降耗的目的。