近年來，全國各地開始推進污水提質增效工作，隨著截污管網不斷完善和污水提質增效的落實，污水處理廠進水濃度發生了較大變化，或許會對原工藝造成一定的沖擊。以東莞某5萬 m3/d的污水處理廠為例，對提質增效后多點進水多段AAO-高效沉淀池-濾布濾池工藝對進水濃度提高的耐沖擊能力進行分析，以期提出提質增效后污水處理廠較合理的應對策略。


    01 項目概況


    東莞市F污水處理廠設計規模5萬m3/d，總變化系數1.38，采用多點進水多段AAO-高效沉淀池-濾布濾池-紫外消毒工藝，二期出水標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中一級A標準及廣東省地方標準《水污染物排放限值》（DB 44/26-2001）中第二時段一級標準兩者中較嚴值。F污水處理廠所在地區已基本完成了截污管網及錯混接建設工作，本次研究的核心任務是分析提質增效后進水濃度的提高對污水處理廠一級處理、生物池、深度處理單元和污泥脫水系統的影響。


    02 提質增效對污水處理廠各處理單元的影響


    2.1 對一級處理單元的影響


    粗格柵及進水泵房主要去除大的漂浮物及懸浮物，保護提升泵運行不受影響，同時完成能量提升。細格柵及旋流沉砂池主要去除更為細小懸浮物、除砂等作用，為污水進入生物池作預處理。因提質增效后進水量、水中漂浮物、懸浮物和砂粒等均未發生明顯變化，故提質增效對一級處理單元影響較小。


    2.2 對生物池的影響


    2.2.1 對 COD和BOD5去除效果分析


    F污水處理廠生物池為多點進水多段AAO工藝，進水分成三部分，第一部分進入預缺氧區，第二部分進入第一缺氧區、第三部分進入第二缺氧區。水流依次經過預缺氧區、厭氧區、第一缺氧區、第一好氧區、脫氣區、第二缺氧區、第二好氧區，設計進、出水濃度如表1所示。設計生物池總停留時間12.48 h，其中預缺氧區、厭氧區、第一缺氧區、第一好氧區、脫氣區、第二缺氧區、第二好氧區停留時間分別為0.4 h、1.37 h、2.89 h、5.75 h、0.3 h、0.97 h、 0.8 h，污泥回流比為33%~100%，混合液回流比為100%~300%。




    如表1所示，提質增效后90%涵蓋率進水COD濃度為378 mg/L，超過設計值51.2%，超過提質增效前進水濃度46.51%，進水BOD5濃度為185 mg/L，超過設計值54.17%，超過提質增效前濃度77.88%，在以上進水濃度大幅增加的前提下，污水處理廠出水BOD5和COD均能維持在10 mg/L和40 mg/L以內，其平均值分別為1.1 mg/L和20 mg/L，去除率平均值分別為93.2%和99.0%，這說明生物池內異養菌活性較強，對于進水COD和BOD5負荷增加有較強適應能力（見圖1和圖2）。

    分析以上現象主要原因是：多段AAO工藝采用厭氧/缺氧/好氧交替運行的模式，活性污泥中各目標菌種均處于一個“舒適”“惡劣”交替的環境中，這種“飽食饑餓”模式有利于馴化出更高效的目標菌種，更高效的活性污泥。


    2.2.2 對脫氮的影響


    （1）氨氮氧化。一般認為氨氮氧化發生在好氧池內，提質增效后進水BOD5濃度大幅增加，勢必導致異養菌大量繁殖，從而導致硝化細菌（氨氧化菌AOB和亞硝酸鹽氧化菌NOB）同其競爭DO過程中處于不利地位，如圖3所示。當進水氨氮濃度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L時，好氧池DO在0.3~1.5 mg/L，該值小于設計值2 mg/L。



    有研究表明，異養菌生長速率大約是自養菌的10倍，DO的不足加之異養好氧菌的大量繁殖，很可能導致出水氨氮不達標。然而，實際出水氨氮較低，氨氮去除率平均值為98.1%。分析主要有以下兩方面原因：一方面提質增效后進水氨氮濃度雖大幅提高，但仍在設計范圍內；另一方面AOB和NOB最適宜的DO分別為0.2~0.4 mg/L和1.2~1.5 mg/L，好氧池內DO雖較低，但能滿足AOB和NOB的需求，反而低DO的環境恰好成為其同異養好氧菌競爭的有利條件，因此出水氨氮值均小于1 mg/L，平均值為0.53 mg/L。


    （2）TN去除。TN的去除一般認為在缺氧池內由反硝化細菌完成，本工程采用多點進水多段AAO的工藝，如圖4所示，提質增效后進水TN濃度從30 mg/L提高到39.9 mg/L，在未投加碳源的情況下，依然能保證出水TN在10 mg/L以內，平均值為7.99 mg/L，去除率在76.6%左右。分析主要原因是多段AAO工藝多點進水的方式保證了反硝化階段有充足的碳源，同時本工程提質增效后進水水質COD/ρ(TN)=9.45，BOD5/ρ(TN)=4.63，基本上能滿足脫氮所需，同時好氧池內DO較低，有低于0.5 mg/L情況，推測可能出現了短程硝化-反硝化的脫氮途徑，該途徑也可解決缺氧池碳源不足的問題，對于該現象有待進一步研究。




    綜上所述，多點進水、多段AAO工藝對提質增效后進水氨氮和TN濃度的增加，仍有較好脫氮效果，出水TN和氨氮的平均值分別為7.99 mg/L和0.53 mg/L。


    （3）活性污泥性能分析。因進水BOD5增加，導致生物池內污泥濃度增加，生物池污泥濃度設計值為3 500~4 000 mg/L，BOD5污泥負荷為0.10 kgBOD5/（kgSS·d），提質增效后經測定生物池內MLSS平均值為4 300 mg/L，BOD5污泥負荷為0.127 kgBOD5/(kgSS·d)。郝二成等指出低DO、低污泥負荷容易容易引起污泥膨脹，萬玉山等對蘇南某鎮 1.5萬m3/d污水處理廠進行研究，當生物池污泥負荷為 0.5 kgCOD/(kgMLSS·d)，DO為1.5 mg/L時，SVI 值接近300 mL/g，發生了污泥膨脹。而F污水處理廠生物池采用0.26 kgCOD/(kgMLSS·d)更低的污泥負荷，好氧池DO更低，約為0.3~1.5 mg/L卻未發生污泥膨脹，SVI如圖5所示平均值為100.5 mL/g，分析主要是多段AAO工藝厭氧/缺氧/好氧交替運行的環境，有助于對絲狀菌抑制，能在較低DO、較低污泥負荷下不引起污泥膨脹。




    （4）提質增效對曝氣系統的影響。污水處理廠曝氣能耗占整個廠區能耗的比例很大，沈曉鈴等對2.5萬m3/d無錫市惠山污水處理廠三期工程進行分析，結果表明鼓風機耗電量占全廠電耗的43.39%。對F污水處理廠而言，若保證2 mg/L 好氧池DO濃度，則提質增效前生物池理論需氧量為12 547 kgO2//d，提質增效后理論需氧量約為17 441 kgO2//d，原設計風機供氧不足，如圖6所示。




    然而，在曝氣系統設計能力不足的情況下，出水BOD5、COD和氨氮等均穩定達標，在該情況下每年可節省電能約62.1萬kW·h，為污水處理廠節能降耗提供思路。同時，隨著對短程硝化研究的不斷深入，研究者們開始對低DO環境下的脫氮機理進行逐步探索，而對真正落地運行的低氨氮市政污水處理廠，是否存在一個DO理論極值，使此時氨氮、BOD5、COD等既有較好處理效果，又不會引起污泥膨脹等現象，有待進一步研究。


    2.3 提質增效對深度處理單元的影響


    F污水處理廠深度處理采用高效沉淀池+濾布濾池工藝，高效沉淀池設計PAC和PAM投加濃度分別為40 mg/L和1 mg/L，濾布濾池設計過濾精度為10 μm，平均濾速為9.1 m3/(h·m2)。如圖7、圖8所示，提質增效后進水TP濃度從4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，因生物除磷和化學除磷雙重作用，出水TP濃度均低于0.3 mg/L，平均值為0.17 mg/L。提質增效后進水SS濃度從192 mg/L增加到205 mg/L，同樣有高效沉淀池和濾布濾池的雙重保障作用，出水SS均小于10 mg/L，平均值為4 mg/L。可見，對進水SS和TP濃度的小幅增加，高效沉淀池+濾布濾池均能維持穩定去除效果。

    2.4 提質增效對污泥脫水系統的影響


    因進水BOD5的增加，導致剩余污泥量增加，提質增效前設計干泥量為7.82 t/d，采用2臺板框脫水機處理。經計算，提質增效后干泥量約為10.1 t/d左右，原脫水機不能滿足需求，應對污泥脫水系統進行升級改造。


    03 小結


    提質增效后進水濃度變化對一級處理單元影響較小。


    提質增效后進水氨氮濃度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L，TN濃度由30 mg/L提高到39.9 mg/L，COD由258 mg/L提高到378 mg/L，BOD5由104 mg/L提高到185 mg/L，多點進水多段AAO工藝仍能保證氨氮、TN、COD、BOD5等均有較好的處理效果。


    好氧池低DO條件下，多點進水多段AAO仍能保證出水氨氮和BOD5濃度較低且穩定，為污水處理廠節能降耗提供思路。


    提質增效后進水SS從192 mg/L提高到205 mg/L，TP從4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，高效沉淀池+濾布濾池工藝能保證出水TP和SS在 0.17 mg/L和4.0 mg/L左右，有較好的處理效果。


    提質增效后污泥脫水系統產能相對不足，需升級改造。