污水厂生物处理工艺运行诊断与优化建议

陈彦霖 淦方茂 彭梦文 高菲 陈文然 刘人添

摘 要：以湖北省某生活污水和制药废水混合进水污水处理厂为例，结合生产实践，分析该污水处理厂生化工艺运行存在的主要问题与原因，并提出针对性建议。通过流程采样分析和活性污泥耗氧速率测试，发现该污水处理厂水解酸化池存在过度降解可生化性有机物、氧化沟污染物去除效率低、污泥活性低等问题。通过深入调研与分析，提出缩短水解酸化池水力停留时间、增加生物处理系统排泥等优化措施。研究成果可为污水处理厂优化工艺运行管理、挖潜和提质增效提供决策依据。

关键词：制药废水；生活污水；水解酸化；氧化沟；流程分析

中图法分类号：X703                                            文献标志码：A

长江经济带是我国经济密集度最高、最发达、最具活力的地区之一，作为国家重要的生态屏障，生态安全地位举足轻重。湖北地处“长江之腰”，作为长江流域重要的水源涵养地，做好城镇污水处理是落实长江大保护的应有之义。湖北某些区域在长期发展过程中形成了厂镇融合特点，其工业废水在园区内经处理达到接管标准后进入污水处理厂，因此，污水厂接纳生活和工业混合污水的情形依旧存在，导致污水厂进水可生化有机物浓度较低，影响后续生物处理工艺处理效率。根据住建部2019年4月颁布的《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》要求，污水处理厂进水生化需氧量（BOD）浓度低于100 mg/L的，要围绕服务片区管网制定“一厂一策”系统化整治方案，明确整治目标和措施。关于污水处理厂提质增效，目前更多的是以工程改造居多，但是项目改造涉及费用高，程序繁杂，因此污水厂提质增效应优先考虑通过调整关键工艺参数和运行模式，挖掘污水处理工艺的潜力，以此降低成本费用，节约人力物力等。

本文以湖北省某生活污水和制药废水为混合进水的污水处理厂为例，通过对污水处理厂生化处理段进行流程采样与数据分析，确定该厂生化工艺运行过程中存在的主要问题及工艺管理关键要点，并提出针对性达标方案建议，以期为其他类似的污水处理厂生化处理工艺挖潜和提质增效提供决策依据。

1 水质指标方法

1.1 污水处理厂概况

湖北某污水处理厂设计进水流量25 000 m3/d，包括生活污水20 000 m³/d，制药废水5 000 m³/d，实际运行生活污水约为20 000 m³/d，制药废水约为4 000 m³/d。其中生活污水处理工艺流程为集水井—粗格栅—进水提升泵房—细格栅—旋流沉砂池—A2/O

氧化沟—二沉池—高效沉淀池—滤布滤池—臭氧接触池—接触消毒池—出水渠；制药废水处理工艺流程为化工制药企业专管—调节池—水解酸化池— A2/O氧化溝—二沉池—高效沉淀池—滤布滤池—臭氧接触池—接触消毒池—出水渠。污水处理厂水解酸化池分为4组运行，生物处理段采用东侧和西侧两组并行A2/O氧化沟工艺，工艺流程如图1所示，进水水质见表1。污水处理厂尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准。

1.2 检测方法

对污水处理厂生物处理阶段进行采样分析，采样点位设置见图1。根据《水和废水监测分析方法（第四版）》[1]测定水质指标，其中总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；氨态氮（NH4+-N）采用纳氏试剂分光光度法；硝态氮（NO3--N）采用紫外分光光度法；总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法；五日生化需氧量（BOD5）采用稀释与接种法；化学需氧量（COD）采用HACH试剂快速测定法。

1.3 活性污泥比耗氧速率SOUR测定

取活性污泥混合液注满250 mL锥形瓶，将溶解氧探头没入其中，并通过曝气提高混合液溶解氧浓度至8 mg/L左右，用橡胶塞密封后置于磁力搅拌机上使污泥保持完全混合状态。随着微生物好氧反应的进行，溶解氧浓度不断降低。每隔30 s记录一次锥形瓶内溶解氧读数直至水中溶氧量（DO）降至2 mg/L以下。活性污泥比耗氧速率SOUR表达式为

式中：DO0为测定初始时锥形瓶内溶解氧浓度（mgO2/L）；DOt为测定结束时锥形瓶内溶解氧浓度（mgO2/L）；t为测定时间，h；MLVSS为锥形瓶内活性污泥浓度（g MLVSS/L）。

2 结果与分析

通过对污水处理厂生物处理工艺段进行沿程布点取样，考察主要污染物的去除效率，评估生物处理工艺段存在的主要问题。

2.1 水解酸化池

水解酸化池对制药废水有机物去除效果如图2（a）所示。1#～4#水解酸化池制药废水进水COD浓度分别为432 mg/L、399 mg/L、407mg/L和414 mg/L，经过水解酸化处理后，取水解酸化池出水（即上清液），其COD浓度分别为346 mg/L、349 mg/L、333 mg/L和337 mg/L，COD去除率分别为20.03%、12.52%、18.16%和18.64%。水解酸化池进水COD平均浓度为414 mg/L，出水COD平均浓度为341 mg/L，平均去除率为17.41%，低于一般水解酸化池对COD的去除率[2-3]。

如图2（b）所示，该污水处理厂四个水解酸化池进水B/C分别为0.04、0.07、0.07和0.05，出水B/C分别为0.01、0.01、0.03和0.03。制药废水经过水解酸化后，COD和BOD5浓度均出现不同程度降低，但废水B/C并未获得改善，其可生化性仍然较差。一般而言，工业废水（制衣、化工、印染等）经过水解酸化处理后，其B/C可以从0.25～0.33提高至0.40以上，可生化性B/C有所提升[2-4]。

影响水解酸化效果的因素主要有污泥活性、温度、pH和水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）等[2，5]。该污水处理厂制药废水进水pH和进水温度均合适，不会构成影响水解酸化效果的主要因素。制药废水有机物成分甲硝锉、2-甲基咪唑等主要为长链有机物或带硝基（氨基）取代基的苯系物，属于难降解有机物，且会抑制水解酸化微生物活性。水解酸化池水力停留时间约为33 h，高于一般水解酸化池HRT[4-5]。水解酸化作为一种非完全有机物厌氧转化过程，其作用在于使复杂的不溶性高分子有机物经过水解和酸化过程，转化为溶解性的简单低分子有机物[6]。停留时间过长会导致水解酸化池中消耗BOD的微生物数量增多，水解酸化反应向厌氧反应的第三个阶段进行，对于后续的生化处理产生不良影响。此外，有机物负荷也是影响水解酸化微生物生长速率的重要因素[7]。该水解酸化池進水有机物负荷仅为0.25 kgCOD/（m³·d），低于水解酸化常规进水有机负荷，导致主要功能微生物水解产酸菌无法摄取足够的有机物，影响其活性。

2.2 A2/O氧化沟

2.2.1 进水可生化性

A2/O氧化沟混合进水水质如表2所示，其中BOD5/COD值为0.15，BOD5/TN值为1.38，BOD5/TP值为20.63。可生物降解有机碳与总氮比是影响生物反硝化脱氮的重要因素[8]，理论上还原1gNO3--N为N2所需的碳源（以COD计）为2.86/（1-YN）g [9]。根据活性污泥模型ASM1参数推荐，设YN为0.67，则所需的COD为8.67 g。而实际运行中生物反硝化脱氮COD/TN取决于总COD、BOD/COD比例和YN，虽然该厂A2/O工艺进水COD/TN值为9.48，满足一般反硝化需求，但是由于进水混有工业废水，导致BOD5/COD仅为0.15，远低于一般生活污水生化处理B/C要求，导致生物脱氮碳源不足。

此外，进水BOD5/TP也是影响生物除磷效果的重要因素之一，比值过低会导致聚磷菌在厌氧环境中释磷效果差，在好氧环境中聚磷菌吸磷不足，造成出水总磷含量过高。一般而言，每去除0.04～0.08 mg磷需要1 mgBOD5，进水BOD5/TP比值应大于20为宜，该厂A2/O工艺进水BOD5/TP值为20.63，满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）表示有机物氧化分解和无机物对生物污泥毒害的规律，作为活性污泥最敏感的变量之一，可以有效监测活性污泥的实际运行状况。当底物基质浓度较高时，活性污泥新陈代谢旺盛，功能菌群活性高，呼吸速率较大[10]。氧化沟活性污泥呼吸耗氧速率如图3所示，氧化沟活性污泥OUR为4.23 mgO2/（L·h），比耗氧呼吸速率（SOUR）为0.88 mgO2/（gMLSS），低于正常生物处理装置中活性污泥的SOUR为8～20 mgO2/（gMLSS）[11]。此外，氧化沟活性污泥MLVSS/MLSS比值为0.44，远低于正常值0.75，说明污水处理厂旋流沉砂池去除悬浮物效果较差，A2/O工艺进水中大量的无机砂粒进入生物处理系统，造成活性污泥中含有过多的无机物，污泥活性过低。此外，活性污泥浓度达到4 895 mg/L，偏高的污泥浓度导致污泥老化，活性降低，进而影响生物处理效率。

2.2.3 A2/O氧化沟运行效果

A2/O氧化沟处理混合废水效果如图4所示。COD去除效果如图4（a）所示，制药废水与生活污水混合进水COD浓度为150 mg/L，厌氧池COD浓度为48 mg/L，缺氧池COD浓度为76 mg/L，好氧池COD浓度为55 mg/L，生物池末端出水COD浓度为54 mg/L。厌氧池进水来源主要有混合进水与二沉池污泥外回流。另外，从实地调研发现，厌氧池采集水样基本无污泥，说明其搅拌效果极差，厌氧池污泥并未完全混合。厌氧池有机物浓度检测浓度过低主要有两个原因：①回流污泥稀释；②水样中基本不含悬浮物类有机物。因此，有机物的去除主要来自于缺氧区反硝化脱氮降碳和好氧区生物曝气降解，以后者去除为主。但是由于污泥活性低以及可降解碳源过低，导致好氧区出水COD浓度高于50 mg/L。

总磷去除效果见图4（b），制药废水与生活污水混合进水总磷浓度为1.42 mg/L，厌氧池总磷浓度为0.24 mg/L，缺氧池总磷浓度为0.25 mg/L，好氧池总磷浓度为0.20 mg/L，生物池末端出水总磷浓度为0.20 mg/L，总磷去除率高达86%。生物释磷主要是依靠聚磷菌在厌氧条件下实现生物释磷反应，良好的释磷效果会促进后续好氧区高效吸磷。此外，碳源充分不仅有利于维持厌氧环境，而且可以降低回流污泥中硝酸盐的影响，促进生物释磷反应。该厌氧池由于搅拌效果较差，导致微生物不能与底物基质充分接触，并且进水碳源结构较差，导致可生化降解碳源不足，无法形成严格厌氧环境，厌氧池也并未表现出明显的生物释磷特征（总磷浓度升高）。由于前期生物释磷效果不佳，好氧池并未表现出除磷效果。经调研发现，该厂在生物池末端设置有PAC投加点，因此可以推测污水中的溶解性磷通过与PAC相互混合，形成非溶解性颗粒状的沉淀物后在二沉池沉淀后随污泥排除，由此达到化学除磷效果。

总氮去除效果如图4（c）所示，制药废水与生活污水混合进水总氮浓度为16.24 mg/L，厌氧池总氮浓度为11.99 mg/L，缺氧池总氮浓度为10.71 mg/L，好氧池总氮浓度为12.01 mg/L，生物池末端出水总氮浓度为12.18 mg/L，总氮去除率仅为25%。

氨氮去除效果见图4（d），制药废水与生活污水混合进水氨氮浓度为9.77 mg/L，厌氧池氨氮浓度为6.06 mg/L，缺氧池氨氮浓度为4.56 mg/L，好氧池氨氮浓度为2.19 mg/L，生物池末端氨氮浓度为2.22 mg/L，去除率达到77.28%。生物脱氮首先是在好氧条件下自养菌将氨氮氧化为硝酸盐，之后兼性异养菌在缺氧条件下以有机物为电子供体，将硝酸盐还原为N2。由于氧化沟进水有机物浓度低且碳源结构差，BOD/TN为0.69，并不能提供充足的碳源供反硝化功能菌进行反硝化脱氮。此外，污泥活性较低也导致生物脱氮效率较低。在好氧池由于可生化有机物在前序反应池中降解，并不会影响到自养菌的生长，因此，在好氧条件下自养菌通过硝化作用氧化氨氮为硝酸盐，出水氨氮浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准（5 mg/L）。

3 结论与建议

（1）水解酸化池受进水水质、有机物负荷和水力停留时间等因素影响，导致功能菌群无法发挥相关功能，处理效果不佳。为提高水解酸化池效率，同时持续跟踪水解酸化池出水可生化性提升情况，可考虑停用一组水解酸化池以缩短水力停留时间，调整水解酸化池水力停留时间，确保BOD5/COD>0.4。

（2）A2/O氧化沟活性污泥浓度和无机质占比过高，导致其活性较低。为提高污泥活性，建议优化沉砂池悬浮物处理效果，防止过多的无机颗粒进入到生化处理系统，确保悬浮物去除率提升到15%以上，氧化沟活性污泥MLVSS/MLSS比值达到正常值0.75左右，此外可通过增大排泥量淘汰老化污泥，提高污泥活性。为防范将来出水总氮不达标，宜在缺氧池生物处理单元投加一定碳源。

（3）A2/O氧化沟进水可生化有机物浓度不足，厌氧池未充分混匀导致污泥和底物接触不充分。建议检查厌氧池搅拌桨是否正常工作，并通过调节搅拌高度和方向等措施优化厌氧池搅拌效果。

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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