含余氯工業(yè)廢水對(duì)不同活性污泥處理工藝的沖擊影響

俞 勇，方 建，李珊珊

(浙江富春紫光環(huán)保股份有限公司，浙江杭州 310012)

我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展以來(lái)，由于城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的建設(shè)、管理存在不平衡，許多地區(qū)的城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水采用合流制排水[1]，混合后輸送到城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)行處理。工業(yè)廢水成分復(fù)雜，含有較多的化學(xué)物質(zhì)，其中不乏有毒有害污染物[2]。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)常有城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥系統(tǒng)被有毒有害污染物沖擊[3-4]，造成污水處理效果下降的情況發(fā)生，沖擊嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐苫钚晕勰嘀卸净蛘弑罎?，危害城?zhèn)污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行。

工業(yè)廢水中有毒有害污染物對(duì)活性污泥的沖擊問題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者的關(guān)注，并開展了大量關(guān)于沖擊機(jī)理和影響程度的研究[5-8]，但是有關(guān)不同的活性污泥工藝對(duì)有毒有害污染物抗沖擊能力比較的報(bào)道較少。本文以浙江某城鎮(zhèn)污水處理廠為例，在受到余氯工業(yè)廢水沖擊期間，對(duì)廠內(nèi)兩種不同的活性污泥法的抗沖擊情況進(jìn)行了研究。通過(guò)比較兩種不同工藝對(duì)有毒有害污染物的抗沖擊性和恢復(fù)能力，以期為評(píng)價(jià)有毒有害污染物對(duì)不同活性污泥工藝的沖擊影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)對(duì)有毒有害污染物的沖擊提供參考。

1 研究對(duì)象

1.1 污水處理廠概況

浙江某城鎮(zhèn)污水處理廠污水收集范圍主要包括城區(qū)的生活污水和周邊工業(yè)園區(qū)的廢水，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[CODCr質(zhì)量濃度≤50 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度≤5(8) mg/L，其中括號(hào)內(nèi)數(shù)值為水溫≤12 ℃時(shí)的控制指標(biāo)]。廠內(nèi)處理工程分為兩期，一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模為0.5×104m3/d，主體處理工藝采用AAO工藝，厭氧、缺氧、好氧的停留時(shí)間分別為1.5、4.0、7.2 h，污泥回流比為50%～100%，硝化液回流比為100%～200%。二期設(shè)計(jì)規(guī)模為1.5×104m3/d，主體處理工藝采用改良式SBR工藝，共4組，SBR池池容為4 000 m3，選擇池和反應(yīng)池的池容比為1∶4，設(shè)計(jì)充水比為30%，運(yùn)行周期為6 h。一期工程和二期工程除主體處理工藝外，其他配套的預(yù)處理工藝和深度處理工藝均相同，城鎮(zhèn)污水處理廠的整體工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程

1.2 沖擊廢水水質(zhì)

城鎮(zhèn)污水處理廠周邊化工園區(qū)的排水企業(yè)主要以化工、造紙和醫(yī)藥中間體企業(yè)為主，園區(qū)排水總量約占污水處理廠總進(jìn)水量的30%。根據(jù)受到?jīng)_擊的原因排查，沖擊廢水為園區(qū)內(nèi)某化工企業(yè)的排水，該企業(yè)排放廢水量為2 500～3 000 m3/d，在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，因發(fā)生次氯酸鈉泄漏，造成大量高余氯的工業(yè)廢水直接排入污水收集管網(wǎng)，從而進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理廠。發(fā)現(xiàn)沖擊后，對(duì)事故企業(yè)排水、工業(yè)園區(qū)排水、污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，廢水水質(zhì)如表1所示。

表1 沖擊廢水進(jìn)水水質(zhì)

1.3 活性污泥沖擊和恢復(fù)過(guò)程

城鎮(zhèn)污水處理廠受到?jīng)_擊和恢復(fù)的過(guò)程分成以下階段：(1)第1 d，AAO和SBR受到?jīng)_擊，污泥出現(xiàn)解絮，處理效果下降，排查和切斷上游事故污水源，對(duì)進(jìn)水水量進(jìn)行控制和向生化池投加應(yīng)急藥劑；(2)第2 d，AAO和SBR的出水水質(zhì)持續(xù)惡化，AAO先出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，加大應(yīng)急藥劑投加量，對(duì)管網(wǎng)中的廢水采取除氯措施；(3)第5 d，AAO和SBR的出水水質(zhì)得到控制，指標(biāo)逐漸穩(wěn)定，向生化池投加和置換活性污泥，逐步恢復(fù)水量；(4)第7 d，SBR的出水水質(zhì)恢復(fù)，SBR向AAO回流部分剩余污泥，加速AAO的恢復(fù)；(5)第11 d，AAO的出水水質(zhì)恢復(fù)，事故處置結(jié)束。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 研究對(duì)象

在受到?jīng)_擊和恢復(fù)階段，對(duì)AAO和SBR的進(jìn)出水水質(zhì)、污泥濃度、沉降性能、DO等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。AAO和SBR存在工藝差異，且城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行管理是動(dòng)態(tài)管理，工藝參數(shù)隨著運(yùn)行情況和出水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整，因此，為了準(zhǔn)確地比較AAO和SBR抗沖擊和恢復(fù)程度，采用可以離線測(cè)定的污泥指數(shù)(SVI)、比耗氧速率(SOUR)等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

2.2 采樣頻率和地點(diǎn)

對(duì)一期AAO和二期1號(hào)SBR池進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比，由于SBR的運(yùn)行周期為6 h，取樣頻率確定為12 h或24 h一次。AAO和SBR的出水分別取自二沉池和1號(hào)SBR池末端(潷水時(shí))，污泥混合液分別取自AAO好氧池末端和1號(hào)SBR池末端(曝氣即將結(jié)束時(shí))。

2.3 檢測(cè)方法

CODCr和氨氮的檢測(cè)采用國(guó)標(biāo)法(重鉻酸鹽法和納氏試劑分光光度法)；SVI通過(guò)測(cè)定SV30和污泥濃度計(jì)算得出；耗氧速率(OUR)測(cè)試方法為取定量曝氣池混合液置于測(cè)試瓶中，加入適量NaHSO3除去余氯，曝氣至DO濃度達(dá)到飽和，加入適量葡萄糖和NH4Cl，用安裝DO電極的橡皮塞密封，在恒溫下進(jìn)行攪拌，測(cè)定DO濃度隨時(shí)間變化的斜率，計(jì)算OUR。由于活性污泥分別來(lái)自AAO和SBR，為提高準(zhǔn)確性，SOUR以可揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)計(jì)算。

3 結(jié)果和討論

3.1 AAO和SBR在不同階段的出水水質(zhì)變化

污水處理廠受到?jīng)_擊前，AAO和SBR出水的CODCr平均質(zhì)量濃度為28.6 mg/L和26.9 mg/L，氨氮平均質(zhì)量濃度為0.61 mg/L和0.75 mg/L。在受到余氯廢水沖擊時(shí)，次氯酸等含氯化合物會(huì)對(duì)微生物的細(xì)胞壁以及細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)酶造成氧化和破壞，對(duì)活性污泥中的微生物產(chǎn)生抑制和致毒作用[9]，導(dǎo)致微生物死亡。同時(shí)，余氯會(huì)與活性污泥的胞外聚合物(EPS)中的蛋白質(zhì)、多糖和核酸反應(yīng)，減少微生物分泌的EPS[10]，導(dǎo)致活性污泥解絮、處理性能下降。由圖2和圖3可知，當(dāng)城鎮(zhèn)污水處理廠發(fā)現(xiàn)余氯廢水沖擊時(shí)，活性污泥已經(jīng)受到一定程度的影響，硝化功能首先受到抑制，對(duì)氨氮進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，AAO出水氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到3.25 mg/L，SBR出水氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到1.24 mg/L，均已高于正常值。隨著時(shí)間的增加，AAO和SBR的出水CODCr也逐步出現(xiàn)惡化。到第12 h，AAO的出水氨氮和CODCr含量先后上升，最后超標(biāo)，SBR的出水氨氮和CODCr也逐步上升到臨界值。污水處理廠根據(jù)沖擊原因采取了對(duì)管網(wǎng)廢水進(jìn)行除氯、控制進(jìn)水流量和投加硫酸亞鐵、粉末活性炭等應(yīng)急措施后，到第24 h，SBR的出水水質(zhì)指標(biāo)含量上升速率得到控制，趨勢(shì)有所放緩。但AAO的出水氨氮含量仍在繼續(xù)上升，說(shuō)明在受到余氯廢水的沖擊階段，AAO的活性污泥受到的沖擊更大，對(duì)水質(zhì)影響更嚴(yán)重。AAO的出水CODCr含量在24～72 h出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象，主要原因是城鎮(zhèn)污水處理廠投加了粉末活性炭，對(duì)CODCr有吸附效果，后又因存量不足停止了投加。為保障出水達(dá)標(biāo)，污水處理廠從鄰近污水處理廠緊急調(diào)運(yùn)活性污泥和應(yīng)急物資，對(duì)AAO和SBR加大投加力度。第96 h時(shí)，AAO出水的氨氮和CODCr質(zhì)量濃度達(dá)到峰值(11.40 mg/L和71.4 mg/L)，SBR出水質(zhì)量濃度分別達(dá)到6.12 mg/L和51.6 mg/L，隨后水質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定。第108 h和144 h，SBR出水的CODCr和氨氮質(zhì)量濃度分別降到50.0 mg/L和5.00 mg/L以下，恢復(fù)達(dá)標(biāo)。第180 h，SBR出水的CODCr和氨氮質(zhì)量濃度分別為25.4 mg/L和2.20 mg/L，處理性能基本恢復(fù)正常。此時(shí)AAO的出水指標(biāo)仍未恢復(fù)，CODCr和氨氮質(zhì)量濃度分別為49.8 mg/L和8.10 mg/L，高于SBR出水。為加快AAO的恢復(fù)，將SBR的部分活性污泥通過(guò)回流系統(tǒng)投加到AAO中，到第276 h，AAO出水的氨氮質(zhì)量濃度也下降到5.00 mg/L以下，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

圖2 沖擊進(jìn)水期間AAO和SBR出水CODCr變化

圖3 沖擊期間AAO和SBR出水氨氮變化

3.2 SV30和SVI的變化

SV30和SVI是衡量活性污泥沉降性能的重要指標(biāo)，反映了活性污泥的凝聚和松散程度。SV30和SVI過(guò)高，除了可能引起出水SS升高，還會(huì)造成活性污泥微生物流失，影響其他指標(biāo)的處理效果。在受沖擊之前，污水處理廠AAO活性污泥的SV30和SVI平均值分別為26%和76 g/mL，SBR活性污泥分別為24%和72 g/mL。對(duì)沖擊和恢復(fù)階段的活性污泥進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，SV30和SVI結(jié)果如圖4和圖5所示。隨著余氯廢水的沖擊，AAO和SBR中的活性污泥出現(xiàn)絮體解絮，沉降性出現(xiàn)下降，AAO的表現(xiàn)尤為明顯，活性污泥的SV30最高達(dá)到95%，SVI最高超過(guò)300 g/mL，現(xiàn)場(chǎng)二沉池的澄清液非常渾濁，出現(xiàn)嚴(yán)重的漂泥現(xiàn)象。城鎮(zhèn)污水處理廠采取控制處理水量、投加硫酸亞鐵和粉末活性炭等藥劑后，仍未能控制SV30和SVI的上升，直到城鎮(zhèn)污水處理廠投加從臨近污水處理廠調(diào)集的活性污泥后，AAO的SVI才逐步回落到200 g/mL以內(nèi)。對(duì)沖擊后的AAO活性污泥進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)活性污泥中僅剩下以絲狀菌為主體的骨架，骨架上附著的菌膠團(tuán)基本解絮，原、后生動(dòng)物完全消失，活性污泥的性狀明顯下降。SBR在受到?jīng)_擊后，SV30和SVI也出現(xiàn)上升，但上升幅度明顯小于AAO，SBR的SVI峰值出現(xiàn)在第48 h，達(dá)到173 g/mL，在投加活性污泥后，SVI回落到150 g/mL左右，后期始終保持在100 g/mL左右。SBR的SV30峰值可達(dá)到65%，潷水器潷水時(shí)，除在潷水末期有短暫性跑泥外，其他時(shí)間出水SS沒有明顯升高，在鏡檢時(shí)活性污泥中仍能發(fā)現(xiàn)少量活動(dòng)的原、后生動(dòng)物，說(shuō)明余氯廢水對(duì)SBR活性污泥的總體影響程度低于AAO。

圖4 沖擊期間AAO和SBR的SV30變化

圖5 沖擊進(jìn)水期間AAO和SBR的SVI變化

3.3 活性污泥SOUR的變化

活性污泥SOUR是指單位質(zhì)量活性污泥在單位時(shí)間所利用DO的量，可以間接表征活性污泥的活性[11]和進(jìn)水的毒性特征。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，活性污泥的SOUR值通常為8.00～20.00 mg O2/(g MLSS·h)[12]，若實(shí)際SOUR值過(guò)低，可能原因是活性污泥負(fù)荷低下或者進(jìn)水中含有有毒物質(zhì)，抑制了微生物的活性。為研究余氯廢水對(duì)AAO和SBR的沖擊程度，對(duì)沖擊期間AAO和SBR的活性污泥SOUR進(jìn)行了監(jiān)測(cè)?？紤]到AAO和SBR污泥濃度中的MLVSS/MLSS不同，為有效進(jìn)行對(duì)比，污泥濃度按照MLVSS計(jì)算。根據(jù)監(jiān)測(cè)，污水處理廠AAO和1號(hào)SBR池的MLVSS/MLSS平均值為0.42和0.49。由圖6可知，AAO和SBR的SOUR變化曲線呈現(xiàn)為先降后升，谷值分別出現(xiàn)在第48 h和第96 h，說(shuō)明余氯廢水對(duì)活性污泥的沖擊在第48 h前已經(jīng)完成。在污水處理廠采取了對(duì)管網(wǎng)廢水進(jìn)行除氯、控制進(jìn)水流量、投加硫酸亞鐵和粉末活性炭等應(yīng)急措施后，余氯廢水沖擊的來(lái)源基本消除。AAO和SBR的出水水質(zhì)繼續(xù)惡化主要是活性污泥的處理效果降低，反應(yīng)池中的污染物總量增加造成。隨著時(shí)間的推移，AAO和SBR活性污泥的SOUR值逐漸恢復(fù)，但是上升幅度較慢。到288 h，AAO和SBR池活性污泥的SOUR值分別為3.50 mg O2/(g MLSS·h)和6.28 mg O2/(g MLSS·h)，低于8.00 mg O2/(g MLSS·h)，推測(cè)主要原因可能與當(dāng)時(shí)水溫較低(10.5 ℃左右)、微生物的增殖速率較低有關(guān)。此時(shí)，AAO和SBR出水指標(biāo)得到控制，主要原因是進(jìn)水污染物濃度不高，且通過(guò)投加活性污泥和減少排泥增加了污泥濃度，降低了污泥負(fù)荷。從AAO和SBR的對(duì)比情況看，不管是受沖擊還是恢復(fù)階段，SBR活性污泥的SOUR值明顯高于AAO，第288 h時(shí)，SBR活性污泥的SOUR值比AAO高出79%，說(shuō)明SBR的活性污泥受沖擊影響較小。

圖6 沖擊進(jìn)水期間AAO和SBR的SOUR變化

3.4 沖擊對(duì)活性污泥微生物的影響

為研究活性污泥受到余氯廢水沖擊后的恢復(fù)情況，對(duì)AAO和SBR的活性污泥做高通量測(cè)序。發(fā)現(xiàn)兩種活性污泥門水平上的主要細(xì)菌種類為12種，其中Proteobacteria(變形菌門)相對(duì)豐度比例最高，分別為33.35%和30.61%，其他相對(duì)豐度比例高于10%的還有Actinobacteria(放線菌門)、Chioroflexi(綠彎菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)，其中AAO活性污泥中放線菌門和綠彎菌門相對(duì)豐度比例與SBR差異較大，AAO中分別為16.98%和12.04%，SBR中分別為11.91%和20.79%。對(duì)門、綱及以下的相對(duì)豐度較高的細(xì)菌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，微生物的相對(duì)豐度分布如圖7所示。AAO和SBR的活性污泥中，豐度較高的微生物群為絲狀菌和反硝化菌為主，其中絲狀菌占比最高，主要的絲狀菌包括Microthrix(微絲菌)、Trichococcus(明串珠菌屬)和Tetrasphaera，反硝化菌占比其次，菌種以Anaerolineae(厭氧繩菌綱)和Flavobacterium(黃桿菌屬)為主，起硝化作用的Nitrosomonas(亞硝化單胞菌屬)和Nitrospira(硝化螺旋菌門)豐度較低。說(shuō)明AAO和SBR池的活性污泥受到余氯廢水沖擊后，絲狀菌的影響程度較小，因此，活性污泥中相對(duì)豐度最高，推測(cè)主要原因是作為骨架的絲狀菌被包裹在活性污泥絮團(tuán)內(nèi)部，接觸余氯濃度較小所致?；钚晕勰嗍艿?jīng)_擊時(shí)硝化功能影響最嚴(yán)重，從圖中也可以看出，硝化菌豐度明顯低于反硝化菌等其他菌群，說(shuō)明硝化菌受到的沖擊最為嚴(yán)重，恢復(fù)速度也最慢，主要是硝化菌較為脆弱、世代周期長(zhǎng)和當(dāng)時(shí)水溫較低所造成。AAO與SBR相比，活性污泥中絲狀菌的豐度高于SBR，但硝化菌和Myxococcales(黏球菌目)等CODCr降解菌群的豐度均少于SBR，與出水氨氮、CODCr數(shù)據(jù)能夠相對(duì)應(yīng)，也說(shuō)明SBR的活性污泥在耐沖擊和恢復(fù)方面要優(yōu)于AAO工藝。

圖7 AAO和SBR活性污泥主要微生物相對(duì)豐度分布

4 結(jié)論

(1)通過(guò)浙江某城鎮(zhèn)污水處理廠的沖擊影響和應(yīng)急處置研究發(fā)現(xiàn)，余氯廢水會(huì)對(duì)AAO和SBR的活性污泥造成不同程度的沖擊，對(duì)出水水質(zhì)造成影響。通過(guò)對(duì)管網(wǎng)廢水除氯、進(jìn)水流量控制和投加藥劑等應(yīng)急措施，可以消除余氯廢水的沖擊。但是對(duì)于已經(jīng)被沖擊的活性污泥，處理功能恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，投加活性污泥可以加快恢復(fù)速度。

(2)AAO和SBR的活性污泥受到余氯廢水沖擊時(shí)，出水指標(biāo)中氨氮比CODCr受到的影響最大?；钚晕勰嗟腟V30和SVI均會(huì)出現(xiàn)不同程度的上升，污泥沉降性變差，活性污泥的SOUR降低，活性污泥中的絲狀菌成為優(yōu)勢(shì)菌群，硝化菌豐度減小。在相同的沖擊和應(yīng)急措施條件下，SBR工藝在抗沖擊性和恢復(fù)方面表現(xiàn)均要強(qiáng)于AAO工藝。說(shuō)明SBR作為典型的完全混合處理工藝，對(duì)有毒有害污染物有較強(qiáng)的緩沖、稀釋作用[13]，抗沖擊能力優(yōu)于推流式工藝。對(duì)易受有毒有害污染物沖擊的污水處理廠，SBR工藝的運(yùn)行穩(wěn)定性要高于AAO工藝，活性污泥抗沖擊能力更強(qiáng)。

(3)隨著國(guó)家對(duì)城鎮(zhèn)污水處理要求的提高，在城鎮(zhèn)污水處理廠新一輪的提標(biāo)改造過(guò)程中，為加強(qiáng)脫氮除磷，一部分SBR工藝被改造成AAO等連續(xù)流工藝，在處理效果上得到了提高，但在活性污泥抗沖擊性上卻可能出現(xiàn)下降。因此，對(duì)于易受有毒有害污染物沖擊的SBR工藝污水處理廠，改造時(shí)需結(jié)合實(shí)際慎重考慮。