污水廠生物處理工藝運(yùn)行診斷與優(yōu)化建議

陳彥霖 淦方茂 彭夢(mèng)文 高菲 陳文然 劉人添

摘 要：以湖北省某生活污水和制藥廢水混合進(jìn)水污水處理廠為例，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，分析該污水處理廠生化工藝運(yùn)行存在的主要問題與原因，并提出針對(duì)性建議。通過流程采樣分析和活性污泥耗氧速率測試，發(fā)現(xiàn)該污水處理廠水解酸化池存在過度降解可生化性有機(jī)物、氧化溝污染物去除效率低、污泥活性低等問題。通過深入調(diào)研與分析，提出縮短水解酸化池水力停留時(shí)間、增加生物處理系統(tǒng)排泥等優(yōu)化措施。研究成果可為污水處理廠優(yōu)化工藝運(yùn)行管理、挖潛和提質(zhì)增效提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：制藥廢水；生活污水；水解酸化；氧化溝；流程分析

中圖法分類號(hào)：X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

長江經(jīng)濟(jì)帶是我國經(jīng)濟(jì)密集度最高、最發(fā)達(dá)、最具活力的地區(qū)之一，作為國家重要的生態(tài)屏障，生態(tài)安全地位舉足輕重。湖北地處“長江之腰”，作為長江流域重要的水源涵養(yǎng)地，做好城鎮(zhèn)污水處理是落實(shí)長江大保護(hù)的應(yīng)有之義。湖北某些區(qū)域在長期發(fā)展過程中形成了廠鎮(zhèn)融合特點(diǎn)，其工業(yè)廢水在園區(qū)內(nèi)經(jīng)處理達(dá)到接管標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入污水處理廠，因此，污水廠接納生活和工業(yè)混合污水的情形依舊存在，導(dǎo)致污水廠進(jìn)水可生化有機(jī)物濃度較低，影響后續(xù)生物處理工藝處理效率。根據(jù)住建部2019年4月頒布的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》要求，污水處理廠進(jìn)水生化需氧量（BOD）濃度低于100 mg/L的，要圍繞服務(wù)片區(qū)管網(wǎng)制定“一廠一策”系統(tǒng)化整治方案，明確整治目標(biāo)和措施。關(guān)于污水處理廠提質(zhì)增效，目前更多的是以工程改造居多，但是項(xiàng)目改造涉及費(fèi)用高，程序繁雜，因此污水廠提質(zhì)增效應(yīng)優(yōu)先考慮通過調(diào)整關(guān)鍵工藝參數(shù)和運(yùn)行模式，挖掘污水處理工藝的潛力，以此降低成本費(fèi)用，節(jié)約人力物力等。

本文以湖北省某生活污水和制藥廢水為混合進(jìn)水的污水處理廠為例，通過對(duì)污水處理廠生化處理段進(jìn)行流程采樣與數(shù)據(jù)分析，確定該廠生化工藝運(yùn)行過程中存在的主要問題及工藝管理關(guān)鍵要點(diǎn)，并提出針對(duì)性達(dá)標(biāo)方案建議，以期為其他類似的污水處理廠生化處理工藝挖潛和提質(zhì)增效提供決策依據(jù)。

1 水質(zhì)指標(biāo)方法

1.1 污水處理廠概況

湖北某污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水流量25 000 m3/d，包括生活污水20 000 m3/d，制藥廢水5 000 m3/d，實(shí)際運(yùn)行生活污水約為20 000 m3/d，制藥廢水約為4 000 m3/d。其中生活污水處理工藝流程為集水井—粗格柵—進(jìn)水提升泵房—細(xì)格柵—旋流沉砂池—A2/O

氧化溝—二沉池—高效沉淀池—濾布濾池—臭氧接觸池—接觸消毒池—出水渠；制藥廢水處理工藝流程為化工制藥企業(yè)專管—調(diào)節(jié)池—水解酸化池— A2/O氧化溝—二沉池—高效沉淀池—濾布濾池—臭氧接觸池—接觸消毒池—出水渠。污水處理廠水解酸化池分為4組運(yùn)行，生物處理段采用東側(cè)和西側(cè)兩組并行A2/O氧化溝工藝，工藝流程如圖1所示，進(jìn)水水質(zhì)見表1。污水處理廠尾水執(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排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 檢測方法

對(duì)污水處理廠生物處理階段進(jìn)行采樣分析，采樣點(diǎn)位設(shè)置見圖1。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[1]測定水質(zhì)指標(biāo)，其中總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；氨態(tài)氮（NH4+-N）采用納氏試劑分光光度法；硝態(tài)氮（NO3--N）采用紫外分光光度法；總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法；五日生化需氧量（BOD5）采用稀釋與接種法；化學(xué)需氧量（COD）采用HACH試劑快速測定法。

1.3 活性污泥比耗氧速率SOUR測定

取活性污泥混合液注滿250 mL錐形瓶，將溶解氧探頭沒入其中，并通過曝氣提高混合液溶解氧濃度至8 mg/L左右，用橡膠塞密封后置于磁力攪拌機(jī)上使污泥保持完全混合狀態(tài)。隨著微生物好氧反應(yīng)的進(jìn)行，溶解氧濃度不斷降低。每隔30 s記錄一次錐形瓶內(nèi)溶解氧讀數(shù)直至水中溶氧量（DO）降至2 mg/L以下。活性污泥比耗氧速率SOUR表達(dá)式為

式中：DO0為測定初始時(shí)錐形瓶內(nèi)溶解氧濃度（mgO2/L）；DOt為測定結(jié)束時(shí)錐形瓶內(nèi)溶解氧濃度（mgO2/L）；t為測定時(shí)間，h；MLVSS為錐形瓶內(nèi)活性污泥濃度（g MLVSS/L）。

2 結(jié)果與分析

通過對(duì)污水處理廠生物處理工藝段進(jìn)行沿程布點(diǎn)取樣，考察主要污染物的去除效率，評(píng)估生物處理工藝段存在的主要問題。

2.1 水解酸化池

水解酸化池對(duì)制藥廢水有機(jī)物去除效果如圖2（a）所示。1#～4#水解酸化池制藥廢水進(jìn)水COD濃度分別為432 mg/L、399 mg/L、407mg/L和414 mg/L，經(jīng)過水解酸化處理后，取水解酸化池出水（即上清液），其COD濃度分別為346 mg/L、349 mg/L、333 mg/L和337 mg/L，COD去除率分別為20.03%、12.52%、18.16%和18.64%。水解酸化池進(jìn)水COD平均濃度為414 mg/L，出水COD平均濃度為341 mg/L，平均去除率為17.41%，低于一般水解酸化池對(duì)COD的去除率[2-3]。

如圖2（b）所示，該污水處理廠四個(gè)水解酸化池進(jìn)水B/C分別為0.04、0.07、0.07和0.05，出水B/C分別為0.01、0.01、0.03和0.03。制藥廢水經(jīng)過水解酸化后，COD和BOD5濃度均出現(xiàn)不同程度降低，但廢水B/C并未獲得改善，其可生化性仍然較差。一般而言，工業(yè)廢水（制衣、化工、印染等）經(jīng)過水解酸化處理后，其B/C可以從0.25～0.33提高至0.40以上，可生化性B/C有所提升[2-4]。

影響水解酸化效果的因素主要有污泥活性、溫度、pH和水力停留時(shí)間（Hydraulic Retention Time，HRT）等[2，5]。該污水處理廠制藥廢水進(jìn)水pH和進(jìn)水溫度均合適，不會(huì)構(gòu)成影響水解酸化效果的主要因素。制藥廢水有機(jī)物成分甲硝銼、2-甲基咪唑等主要為長鏈有機(jī)物或帶硝基（氨基）取代基的苯系物，屬于難降解有機(jī)物，且會(huì)抑制水解酸化微生物活性。水解酸化池水力停留時(shí)間約為33 h，高于一般水解酸化池HRT[4-5]。水解酸化作為一種非完全有機(jī)物厭氧轉(zhuǎn)化過程，其作用在于使復(fù)雜的不溶性高分子有機(jī)物經(jīng)過水解和酸化過程，轉(zhuǎn)化為溶解性的簡單低分子有機(jī)物[6]。停留時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致水解酸化池中消耗BOD的微生物數(shù)量增多，水解酸化反應(yīng)向厭氧反應(yīng)的第三個(gè)階段進(jìn)行，對(duì)于后續(xù)的生化處理產(chǎn)生不良影響。此外，有機(jī)物負(fù)荷也是影響水解酸化微生物生長速率的重要因素[7]。該水解酸化池進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷僅為0.25 kgCOD/（m3·d），低于水解酸化常規(guī)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷，導(dǎo)致主要功能微生物水解產(chǎn)酸菌無法攝取足夠的有機(jī)物，影響其活性。

2.2 A2/O氧化溝

2.2.1 進(jìn)水可生化性

A2/O氧化溝混合進(jìn)水水質(zhì)如表2所示，其中BOD5/COD值為0.15，BOD5/TN值為1.38，BOD5/TP值為20.63。可生物降解有機(jī)碳與總氮比是影響生物反硝化脫氮的重要因素[8]，理論上還原1gNO3--N為N2所需的碳源（以COD計(jì)）為2.86/（1-YN）g [9]。根據(jù)活性污泥模型ASM1參數(shù)推薦，設(shè)YN為0.67，則所需的COD為8.67 g。而實(shí)際運(yùn)行中生物反硝化脫氮COD/TN取決于總COD、BOD/COD比例和YN，雖然該廠A2/O工藝進(jìn)水COD/TN值為9.48，滿足一般反硝化需求，但是由于進(jìn)水混有工業(yè)廢水，導(dǎo)致BOD5/COD僅為0.15，遠(yuǎn)低于一般生活污水生化處理B/C要求，導(dǎo)致生物脫氮碳源不足。

此外，進(jìn)水BOD5/TP也是影響生物除磷效果的重要因素之一，比值過低會(huì)導(dǎo)致聚磷菌在厭氧環(huán)境中釋磷效果差，在好氧環(huán)境中聚磷菌吸磷不足，造成出水總磷含量過高。一般而言，每去除0.04～0.08 mg磷需要1 mgBOD5，進(jìn)水BOD5/TP比值應(yīng)大于20為宜，該廠A2/O工藝進(jìn)水BOD5/TP值為20.63，滿足一般生物除磷需求。

2.2.2 活性污泥耗氧速率

活性污泥耗氧速率（OUR）表示有機(jī)物氧化分解和無機(jī)物對(duì)生物污泥毒害的規(guī)律，作為活性污泥最敏感的變量之一，可以有效監(jiān)測活性污泥的實(shí)際運(yùn)行狀況。當(dāng)?shù)孜锘|(zhì)濃度較高時(shí)，活性污泥新陳代謝旺盛，功能菌群活性高，呼吸速率較大[10]。氧化溝活性污泥呼吸耗氧速率如圖3所示，氧化溝活性污泥OUR為4.23 mgO2/（L·h），比耗氧呼吸速率（SOUR）為0.88 mgO2/（gMLSS），低于正常生物處理裝置中活性污泥的SOUR為8～20 mgO2/（gMLSS）[11]。此外，氧化溝活性污泥MLVSS/MLSS比值為0.44，遠(yuǎn)低于正常值0.75，說明污水處理廠旋流沉砂池去除懸浮物效果較差，A2/O工藝進(jìn)水中大量的無機(jī)砂粒進(jìn)入生物處理系統(tǒng)，造成活性污泥中含有過多的無機(jī)物，污泥活性過低。此外，活性污泥濃度達(dá)到4 895 mg/L，偏高的污泥濃度導(dǎo)致污泥老化，活性降低，進(jìn)而影響生物處理效率。

2.2.3 A2/O氧化溝運(yùn)行效果

A2/O氧化溝處理混合廢水效果如圖4所示。COD去除效果如圖4（a）所示，制藥廢水與生活污水混合進(jìn)水COD濃度為150 mg/L，厭氧池COD濃度為48 mg/L，缺氧池COD濃度為76 mg/L，好氧池COD濃度為55 mg/L，生物池末端出水COD濃度為54 mg/L。厭氧池進(jìn)水來源主要有混合進(jìn)水與二沉池污泥外回流。另外，從實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，厭氧池采集水樣基本無污泥，說明其攪拌效果極差，厭氧池污泥并未完全混合。厭氧池有機(jī)物濃度檢測濃度過低主要有兩個(gè)原因：①回流污泥稀釋；②水樣中基本不含懸浮物類有機(jī)物。因此，有機(jī)物的去除主要來自于缺氧區(qū)反硝化脫氮降碳和好氧區(qū)生物曝氣降解，以后者去除為主。但是由于污泥活性低以及可降解碳源過低，導(dǎo)致好氧區(qū)出水COD濃度高于50 mg/L。

總磷去除效果見圖4（b），制藥廢水與生活污水混合進(jìn)水總磷濃度為1.42 mg/L，厭氧池總磷濃度為0.24 mg/L，缺氧池總磷濃度為0.25 mg/L，好氧池總磷濃度為0.20 mg/L，生物池末端出水總磷濃度為0.20 mg/L，總磷去除率高達(dá)86%。生物釋磷主要是依靠聚磷菌在厭氧條件下實(shí)現(xiàn)生物釋磷反應(yīng)，良好的釋磷效果會(huì)促進(jìn)后續(xù)好氧區(qū)高效吸磷。此外，碳源充分不僅有利于維持厭氧環(huán)境，而且可以降低回流污泥中硝酸鹽的影響，促進(jìn)生物釋磷反應(yīng)。該厭氧池由于攪拌效果較差，導(dǎo)致微生物不能與底物基質(zhì)充分接觸，并且進(jìn)水碳源結(jié)構(gòu)較差，導(dǎo)致可生化降解碳源不足，無法形成嚴(yán)格厭氧環(huán)境，厭氧池也并未表現(xiàn)出明顯的生物釋磷特征（總磷濃度升高）。由于前期生物釋磷效果不佳，好氧池并未表現(xiàn)出除磷效果。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該廠在生物池末端設(shè)置有PAC投加點(diǎn)，因此可以推測污水中的溶解性磷通過與PAC相互混合，形成非溶解性顆粒狀的沉淀物后在二沉池沉淀后隨污泥排除，由此達(dá)到化學(xué)除磷效果。

總氮去除效果如圖4（c）所示，制藥廢水與生活污水混合進(jìn)水總氮濃度為16.24 mg/L，厭氧池總氮濃度為11.99 mg/L，缺氧池總氮濃度為10.71 mg/L，好氧池總氮濃度為12.01 mg/L，生物池末端出水總氮濃度為12.18 mg/L，總氮去除率僅為25%。

氨氮去除效果見圖4（d），制藥廢水與生活污水混合進(jìn)水氨氮濃度為9.77 mg/L，厭氧池氨氮濃度為6.06 mg/L，缺氧池氨氮濃度為4.56 mg/L，好氧池氨氮濃度為2.19 mg/L，生物池末端氨氮濃度為2.22 mg/L，去除率達(dá)到77.28%。生物脫氮首先是在好氧條件下自養(yǎng)菌將氨氮氧化為硝酸鹽，之后兼性異養(yǎng)菌在缺氧條件下以有機(jī)物為電子供體，將硝酸鹽還原為N2。由于氧化溝進(jìn)水有機(jī)物濃度低且碳源結(jié)構(gòu)差，BOD/TN為0.69，并不能提供充足的碳源供反硝化功能菌進(jìn)行反硝化脫氮。此外，污泥活性較低也導(dǎo)致生物脫氮效率較低。在好氧池由于可生化有機(jī)物在前序反應(yīng)池中降解，并不會(huì)影響到自養(yǎng)菌的生長，因此，在好氧條件下自養(yǎng)菌通過硝化作用氧化氨氮為硝酸鹽，出水氨氮濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)（5 mg/L）。

3 結(jié)論與建議

（1）水解酸化池受進(jìn)水水質(zhì)、有機(jī)物負(fù)荷和水力停留時(shí)間等因素影響，導(dǎo)致功能菌群無法發(fā)揮相關(guān)功能，處理效果不佳。為提高水解酸化池效率，同時(shí)持續(xù)跟蹤水解酸化池出水可生化性提升情況，可考慮停用一組水解酸化池以縮短水力停留時(shí)間，調(diào)整水解酸化池水力停留時(shí)間，確保BOD5/COD>0.4。

（2）A2/O氧化溝活性污泥濃度和無機(jī)質(zhì)占比過高，導(dǎo)致其活性較低。為提高污泥活性，建議優(yōu)化沉砂池懸浮物處理效果，防止過多的無機(jī)顆粒進(jìn)入到生化處理系統(tǒng)，確保懸浮物去除率提升到15%以上，氧化溝活性污泥MLVSS/MLSS比值達(dá)到正常值0.75左右，此外可通過增大排泥量淘汰老化污泥，提高污泥活性。為防范將來出水總氮不達(dá)標(biāo)，宜在缺氧池生物處理單元投加一定碳源。

（3）A2/O氧化溝進(jìn)水可生化有機(jī)物濃度不足，厭氧池未充分混勻?qū)е挛勰嗪偷孜锝佑|不充分。建議檢查厭氧池?cái)嚢铇欠裾９ぷ?，并通過調(diào)節(jié)攪拌高度和方向等措施優(yōu)化厭氧池?cái)嚢栊Ч?/p>

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Process Diagnosis and Optimization Measures of a Wastewater Treatment Plant

Chen Yanlin1，3，Gan Fangmao1，Peng Mengwen2，Gao Fei1，Chen Wenran1，Liu Rentian1

（1.Yangtze Ecology and Environmental Co.，Ltd.，Wuhan 430077，China；2. China Three Gorges Corporation，Beijing 100038，China；3. Chongqing Innovation Center on Three Gorges Ecological & Environmental Technology，Chongqing 400000，China）

Abstract：The major problems and causes of the biological treatment in a wastewater treatment plant （WWTP） in Hubei Province are analyzed as a case study，and targeted suggestions are put forward. The influent of the WWTP is composed of domestic sewage and pharmaceutical wastewater. Through process sampling analysis and activated sludge oxygen consumption rate test，we found excessive degradation of biodegradable organic matter in the hydrolysis acidification tank and low pollutant removal efficiency as well as low sludge activity in the oxidation ditch. We propose to shorten the hydraulic retention of hydrolysis acidification tank and increase the sludge discharge of biological treatment system. The research is expected to provide decision-making basis for optimizing process operation management and improving efficiency.

Key words：pharmaceutical wastewater；domestic sewage；hydrolysis acidification；oxidation ditch；process analysis