某污水处理厂低负荷运行问题的分析与调控措施

方佩珍，徐旭东，徐正启

（浙江建投环保工程有限公司，浙江杭州 310002）

1 项目概况

污水处理厂位于湖州市南部，采用传统AAO工艺，建设规模为 0.5×104m3／d，实际运行水量为0.33×104m3／d，进水中工业污水和生活污水比例约1∶1。工业废水的纳管标准执行《污水排入城市下水道水质标准》（CJ 3082—1999），污水厂出水标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。

1.1 工艺流程

工艺流程如图1所示。

1.2 工艺特点及参数

图1 污水厂工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart of Wastewater Treatment Plant

由于园区工业污水类型多、成分复杂、处理难度大，因此本工艺在初沉池设计了PAC投加点，降低后续处理单元负荷，但由于水质水量未达到预期，从调试初期至今进水超越初沉池进入生化系统。设计总停留时间为49 h，总变化系数 Kz＝1.57，其中生化系统停留时间33.1 h。其中厌氧停留时间为 8.3 h，缺氧为 8.3 h，好氧为 16.5 h，设计污泥负荷为 0.07 kg BOD5／（kg MLSS·d）供气设备采用罗茨风机，供气量为3 200 m3／h，风量可调。

1.3 设计水量、水质负荷与实际值对比

本项目于2015年启动调试，期间由于进水负荷偏低，给污水厂运营造成较大困难，统计2016年全年进水 CODCr平均值为 77.2 mg／L，BOD5平均值为32.4 mg／L。实际水质情况远低于设计值，如表 1所示。

表1 设计与实际水量、水质对比Tab.1 Comparison of Water Quantity and Quality between Design and Practice

1.4 水量、水质负荷偏低的原因分析

为了迎合地区经济的高速发展，经济开发区内的污水处理厂，在建设规划阶段会考虑未来几年区域内企业及人口的增长，因此污水处理厂设计水量会较实际值相应增加，已满足未来3～5年的水量增长，导致污水厂投运初期水量偏小。

根据实际情况造成水质偏低的原因有：（1）管网溢流堰设计不合理，雨季时存在不同程度的河水倒灌情况；（2）南方水系发达，纳管区域内有部分管路穿过河道汇总至截污主干管，该处管道接口施工难度较大，导致部分河水渗漏进入管网；（3）纳管区域内排水管网多采用雨污合流制，加之南方雨水较多［1］，因此平均水量中含有部分雨水，使污水处理厂的水质负荷问题进一步加剧，平均进水CODCr浓度进一步降低。

设计日处理量为 0.5×104m3／d，实际日处理量为 0.33×104m3／d，水量和水质均低于设计负荷，导致进水中的有机物总量偏低，不利于活性污泥微生物培养，严重影响污水处理厂的稳定达标运行。

2 低负荷运行存在的问题

2.1 溶解氧控制问题

好氧池满负荷运行停留时间为18.5 h，目前处理量只能达到0.33×104m3／d，仅为设计值的66%；CODCr实际负荷远低于设计值，导致活性污泥耗氧量偏低，因此好氧池DO浓度较高，活性污泥自身氧化速率加快，在日常运行中污泥浓度呈逐渐下降趋势，使出水水质难以得到保障。为了尽量降低好氧池DO浓度，将风机频率调整至最低值，但DO浓度无明显下降。

2.2 污泥老化问题

污水厂污泥负荷设计值为 0.072 kg BOD5／（kg MLSS·d），按照原设计污泥浓度应控制在3 g／L。污泥浓度是指导工艺运行的关键参数，调整污泥浓度需要通过进水有机物浓度、进水水量、污泥耗氧速率、污泥沉降性、污泥性状等多个工艺参数综合考量。根据以往运行经验，污泥浓度控制应参考污泥负荷，当BOD5浓度过高时，应提高污泥浓度，增加微生物菌群数量，将污泥负荷控制在设计范围内；当BOD5浓度过低时，活性污泥微生物内源呼吸速率增加，污泥松散、絮体较小、污泥龄加长、污泥老化活性降低，导致出水指标波动。本项目污水厂长期处于低负荷运行状态，污泥增长速度缓慢，污泥老化严重。

2.3 出水TN波动

由于进水负荷较低，导致好氧池末端DO浓度平均值在7 mg／L左右，内回流液中的DO回流至缺氧池前端，破坏了缺氧环境，抑制反硝化细菌脱氮；回流液中含有7 mg／L左右的DO，回流至缺氧前端会消耗部分进水碳源，使反硝化碳源不足的情况加剧。综上所述，导致出水TN波动，无法稳定达到15 mg／L 以下。

3 措施与方法

3.1 采用间歇曝气的方式运行

在实际运行过程中，对鼓风机的控制进行了相应调整，由常开状态调整为间歇式运行，鼓风机由溶解氧控制改为时间控制。当停止鼓风曝气后，会产生泥水分离，污泥自由沉降，影响出水水质效果，并且易堵塞曝气盘。因此，分别在好氧池廊道内布设推流式搅拌机，每个廊道2台，共4台推流搅拌机。本项目污水厂不能以常规溶解氧作为工艺调整参数，而是参照好氧末端氨氮及CODCr浓度，对曝气时间进行调整。由于本工艺停留时间较长，因此可根据每天好氧末端出水水质进行严格控制。

采用间歇运行的方式进行曝气，在好氧池内安装推流搅拌机防止污泥沉降，生化系统运行分为曝气与静置两种状态：（1）当风机开启曝气后，将好氧池内的活性污泥充分混合，曝气孔内的浮泥在气流的作用下迅速扩散到四周，防止曝气孔堵塞。曝气时间根据好氧末端氨氮及CODCr数据灵活调整，目前启动 0.5 h，静置 3.5 h。（2）静置阶段，此时溶解氧会逐渐下降，最终形成缺氧环境。

运行方式改变前后，好氧池DO浓度变化情况如图2所示。

图2 好氧池DO浓度日变化曲线Fig.2 Daily Variation Curve of DO Concentration in Aerobic Tank

3.2 降低污泥浓度

生化池污泥浓度设计值为3 g／L，通过长期的摸索，当MLSS控制在1.5 g／L时比较适宜，污泥负荷为 0.03 kg BOD／（kg MLSS·d），并且严格控制排泥量，避免污泥浓度降低。调整前后，污泥活性明显改善，活性污泥耗氧速率平均值由 0.08提升至0.097 mg O2／（g MLSS·min）。活性污泥耗氧速率的检测采用李冰等设计的简易OUR测量装置［2］。具体试验结果如图3所示。

3.3 强化反硝化脱氮

3.3.1 回流量控制

在低负荷运行状态下，内回流液中含有大量溶解氧，回流至缺氧池破坏缺氧环境，同时消耗碳源，严重影响了反硝化速率［3］。因此，采用关闭内回流，同时外回流满负荷运行的方式保证氮的有效去除。当前水量为设计值的50%左右，当外回流满负荷开启时可达到200%回流。工艺调整后，缺氧池缺氧环境明显改善，调整前后ORP与DO变化如图4所示。

图3 调整前后OUR变化趋势Fig.3 Variation Curve of OUR Before and After Adjustment

图4 调整前后缺氧池ORP与DO变化Fig.4 Variation Curve of ORP and DO Before and After Adjustment in Anoxic Tank

3.3.2 增加缺氧时间

本项目采用间歇运行的曝气方式，好氧池内安装推流器。因此曝气时间与缺氧时间可灵活调整，当TN出现波动时，通过减小曝气时间，延长缺氧时间，保证反硝化有足够的停留时间，通过内源呼吸提供的碳源［4］和外加碳源，有效降低TN，使出水稳定达到一级A标准。

3.3.3 精确投加碳源

当出水TN出现波动时，最为有效的方式是投加外部碳源，但外加碳源价格昂贵，使直接运行成本提高，对生产运行造成较大经济压力。通过对缺氧环境的控制，有效减少了好氧菌对碳源的消耗，增加了反硝化细菌对碳源的有效利用率。为了确定碳源投加量，达到精确投加的目的，取缺氧池污泥混合液，投加不同浓度的冰醋酸，并连续慢速搅拌2 h，检测TN变化情况，具体试验结果如图5所示。

图5 不同浓度碳源投加量对出水TN的影响Fig.5 Effect of Carbon Source Dosage on Effluent TN

当投加量为 0 mg／L 时，TN 从 19.2 mg／L 下降至 18.6 mg／L，仅降低了 0.6 mg／L，因此小试试验反应时间不宜过长，应考虑在 2 h内使 TN达到15 mg／L以下，以确保出水水质稳定达标。当投加量为 10 mg／L 时，TN 从19.2 mg／L 降低至16.4 mg／L，未能达到15 mg／L以下；当投加量为20 mg／L时，TN降低至14.6 mg／L；当投加量为30 mg／L 时，TN 降低至13.8 mg／L，因此通过小试试验确定醋酸最优投加量为 20 mg／L。

碳源的投加点不宜设置在缺氧池前端，尽量减少回流消化液中好氧微生物对碳源的消耗［5］，同时不宜设在缺氧池后端，避免反硝化不完全造成碳源的浪费。因此碳源投加点应设置在缺氧池中间位置，保证了反硝化细菌对碳源的有效利用，做到精确投加。在前中后三个碳源投加点，分别投加20 mg／L醋酸，出水TN变化如图6所示。

3.4 调控前后出水水质指标对比

为了保证系统长期稳定达标，本项目通过改变现有的曝气方式，将原连续运行改为间歇式运行，有效降低了生化池内整体DO水平，使污泥老化问题得到明显改善；通过降低污泥浓度，从3 g／L降低至1.5 g／L使污泥负荷相对提高，污泥系统实现稳定运行；通过改变回流方式，精确投加投加碳源，增加缺氧时间使出水TN稳定达标。本项目进水TP浓度较低，日常生产运行当二沉池TP大于0.5 mg／L时，在末端投加PAC药剂辅助除磷，因此出水TP指标相对稳定，调整后出水 TN、TP指标情况如图 7所示。

图6 不同碳源投加点对出水TN的影响Fig.6 Effect of Different Dosing Points of Carbon Sourre on Effluent TN

图7 调整后出水TP、TN指标变化情况Fig.7 Changes of Effluent TP and TN after Adjusting

4 经济指标分析

本项目投运初期至工艺调整前，运行成本中吨水电费0.406元／t；外加碳源采用冰醋酸，吨水药剂成本0.09元／t。调整后增加了4台推流器的总功率22 kW·h，关闭内回流节省5 kW·h，间歇曝气节省了每天 21 h的曝气时间，实际耗电量约50 kW·h，测算后吨水电耗 0.332 元／t；调整回流方式及改变碳源投加点至缺氧池中间位置后，碳源投加量由原20 mg／L降低至15 mg／L，吨水药剂成本降低至 0.068 元／t。运行总成本降低 0.096 元／t，按照每天处理水量0.5万t计算，每年可节约直接运行成本17.5万元。

5 结果与讨论

（1）本项目污水处理厂位于湖州市南部，长期处于低负荷运行的状态，其主要原因包括市政管网的渗漏；南方雨水较多；河水的倒灌；设计水量水质未达到预期导致。

（2）长期低负荷运行给污水厂运行调控带来较大困难，在实际运行过程中采取间歇曝气的方式，安装推流器使泥水在停止曝气阶段处于完全混合状态，保证生化系统内活性污泥微生物对污染物的去除相对稳定。通过对工艺参数的调整实现出水水质稳定达标，其中包括：污泥浓度由设计值3 g／L降低至1.5 g／L左右；关闭内回流，增加外回流至200%；改变碳源投加点至缺氧池中间位置。经过工艺优化调整，生化系统 DO平均值由 7.2 mg／L降低至1.6 mg／L，缺氧池 ORP 从 70 mV 降低至－60 mV，活性污泥好氧速率从 0.08 提高至 0.097（mg O2／g MLSS·min）污泥性状得到改善。

（3）吨水成本下降 0.096 元／t，估算年节约直接运行成本17.5万元。

［1］毕学军，张波，高廷耀.低负荷运行对城市污水生物除磷的影响［J］.上海环境科学，2002（2）：93-96，125-126.

［2］李冰，孙英兰，李玉瑛.耗氧速率（OUR）测量方法的实验研究［J］.中国海洋大学学报 （自然科学版），2006，36（3）：456-460.

［3］李柏林.A／A／O氧化沟工艺强化脱氮调控技术研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［4］孙月鹏，王火青，孙广垠，等.不同污泥龄条件下多级AO工艺强化生物脱氮性能研究［J］.水处理技术，2014，40（10）：47-52，57.

［5］孙永利，李鹏峰，隋克俭，等.内回流混合液DO对缺氧池脱氮的影响及控制方法［J］.中国给水排水，2015，31（21）：81-84.