金江華 ，卜翠娜 *，沈 旺 ，劉運(yùn)東

(1. 天津?yàn)I海新區(qū)塘沽環(huán)科新河污水處理有限公司 天津300450；2. 中國葛洲壩集團(tuán)水務(wù)運(yùn)營有限公司 湖北武漢430000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會快速的發(fā)展，水污染問題日益加劇，強(qiáng)化污水處理的精細(xì)化控制，提高排水水質(zhì)成為當(dāng)務(wù)之急?；钚晕勰喾ㄊ俏鬯幚碇凶畛Ｓ玫囊环N工藝方法[1]，該方法存在的一個最大弊端就是在污水處理過程中伴生微生物的繁殖，為維持處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，不斷增殖的微生物就只能以剩余污泥的形式排出系統(tǒng)[2]。因此在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，排泥量的控制是活性污泥法工藝控制中一項(xiàng)重要操作，通過排泥量控制處理系統(tǒng)中污泥濃度以保證處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

污泥濃度(MLSS)是用來衡量污水生化處理系統(tǒng)中活性污泥總量的一個重要指標(biāo)，控制合理的活性污泥濃度對提高有機(jī)污染物的去除率、提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力、降低出水懸浮顆粒濃度以及節(jié)能降耗等都有顯著的影響。我國大部分污水處理廠均存在不同程度的污泥濃度控制不合理現(xiàn)象，污泥濃度偏高，有機(jī)物無法滿足微生物需求時，絮凝物質(zhì)會被細(xì)菌蠶食，活性污泥絮體開始變得松散[4]，同時也會造成污水廠電耗藥耗增加，運(yùn)行成本變大等問題；而如果污泥濃度偏低，進(jìn)水污染物濃度高(微生物可食物多)時，易造成有機(jī)負(fù)荷過高，菌膠團(tuán)內(nèi)未降解有機(jī)物過多，引發(fā)污泥黏性膨脹，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰的風(fēng)險[5]。所以，找到一種合適的控制模式來實(shí)現(xiàn)污泥濃度的精細(xì)化調(diào)控，對污水處理廠確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗都具有重要的意義。為此天津市某污水處理廠在實(shí)際運(yùn)營中進(jìn)行了通過食微比控制生化系統(tǒng)污泥濃度的實(shí)驗(yàn)研究，摸索出該廠最佳的食微比控制值，并通過實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，取得了比較理想的效果。本文即對該廠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程、結(jié)果進(jìn)行描述、分析和總結(jié)，以期對城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)營中的精細(xì)化控制提供技術(shù)參考。

1 污水廠概況與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 污水廠概況

天津某污水處理廠(A廠)已建工程設(shè)計(jì)處理能力為 7.0萬 m3/d，采用“預(yù)處理+A/O 脫氮+混凝沉淀+過濾+紫外消毒”的二級生化處理工藝，其中生化段為“厭氧池+A/O 池+二沉池+穩(wěn)定池”的百樂克工藝，各構(gòu)筑物水池均平均分為兩個系列。A/O池總?cè)莘e為 38500m3，系統(tǒng)外回流量為 100%。出水執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[7]一級A標(biāo)準(zhǔn)。污水廠設(shè)計(jì)的進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 A廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed influent and effluent quality of plant A

1.2 實(shí)驗(yàn)研究方法

通常是通過控制生化池內(nèi)的 MLSS指標(biāo)控制排泥，用 MLSS指標(biāo)法控制排泥量時一般會盡量連續(xù)排放或平均排放，因此該法僅適合進(jìn)水水量和水質(zhì)變化不大的情況。在進(jìn)水量和水質(zhì)不穩(wěn)定、波動較大時，進(jìn)水的 COD、N、P等污染物質(zhì)負(fù)荷忽高忽低，對于同樣的活性污泥濃度，則會出現(xiàn)營養(yǎng)過剩或污泥饑餓的不利情況，影響活性污泥的活性，對出水水質(zhì)造成不利影響[6]，而通過食微比(F/M)控制能夠有效地將活性污泥的數(shù)量與營養(yǎng)物質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)。F/M，又叫污泥負(fù)荷，F(xiàn)是進(jìn)水中的有機(jī)污染物負(fù)荷，M 是曝氣池中的微生物量。F在進(jìn)水量穩(wěn)定時隨進(jìn)水水質(zhì)而波動，本次探索首先是通過實(shí)驗(yàn)對比確定污水的最優(yōu)食微比，然后通過調(diào)整排泥量使 F/M 控制在該最優(yōu)值附近，從而實(shí)現(xiàn)污泥濃度的精細(xì)化調(diào)控，增強(qiáng)污泥活性。F/M計(jì)算公式如下：

F/M＝(Q*BOD5)/(MLSS×Va)

式中：F為有機(jī)物量，M 為微生物量；Q為進(jìn)水量，m3/d；BOD5為進(jìn)水 BOD5值，mg/L；Va為生化池的有效容積，m3；MLSS為曝氣池內(nèi)活性污泥濃度，mg/L。

實(shí)驗(yàn)分為兩個階段。第一階段通過對比污水廠在不同的食微比下的運(yùn)行狀況，尋找出最優(yōu)食微比。由于天津?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)性氣候，四季分明，所以第一階段實(shí)驗(yàn)的時間選取為2019年3～5月，按往年數(shù)據(jù)此階段的水質(zhì)水量較穩(wěn)定，適宜進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，將各月份食微比分別控制為高中低 3個值，探究不同食微比下出水水質(zhì)水量及運(yùn)行成本的變化，尋找出適合的最優(yōu)食微比。在第二階段，以之前實(shí)驗(yàn)確定的最優(yōu)食微比來控制生化系統(tǒng)排泥量，精細(xì)化控制系統(tǒng)的污泥濃度，然后與污水廠去年同期對比水量、水質(zhì)與能耗等運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證通過最優(yōu)食微比精確控制的效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)食微比范圍的選擇

微生物的生長條件需要合理的底物濃度、營養(yǎng)物質(zhì)和供氧量。依據(jù)食微比調(diào)控污泥濃度可保證微生物的生長處于平衡狀態(tài)。由于污水廠的特點(diǎn)及工藝不同，最適宜的F/M值也不同。表2歸列了不同污水處理工藝適宜的食微比值。A廠為百樂克工藝，污泥回流量大，污泥濃度 MLSS較高，曝氣時間長，屬于延時曝氣法，是低負(fù)荷活性污泥工藝。一般來說，寒冷地區(qū)的百樂克工藝 A/O池的食微比為 0.02～0.1kgBOD5/(kgMLSS·d)。根據(jù)水廠及進(jìn)水特點(diǎn)，食微比為0.06kgBOD5/(kgMLSS·d)左右時，需控制污泥濃度為 2500mg/L，此時污泥量將無法去除足夠污染物。所以本實(shí)驗(yàn)選定 3～5月分別控制 F/M 值為0.03、0.04、0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)左右。

表2 食微比參考控制值[6]Tab.2 Reference control value of food-to-micro ratio[6]

2.2 最優(yōu)食微比確定

冬季溫度低，硝化速率下降，曝氣池需要保持較高的污泥濃度。3月溫度逐漸升高，需要增大排泥量，將污泥濃度降低。利用這一時機(jī)，逐步加大排泥量，將 3、4、5月份 F/M 值分別控制為 0.03、0.04、0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)。實(shí)際運(yùn)行每天 F/M 值如圖 1所示。實(shí)際控制過程中，由于排泥量不可能過大或過小，每日F/M值無法精確達(dá)到控制值，而是在其上下波動。其中，5月28日為不明原因的高濃度進(jìn)水沖擊，有機(jī)物 BOD5含量高達(dá) 225mg/L，所以 F/M值達(dá)到0.08kgBOD5/(kgMLSS·d)。

圖1 A廠3～5月F/M控制值Fig.1 F/M control value of plant A from March to May

圖2為 3月水量穩(wěn)定時期(日進(jìn)水60000m3/d)的污泥濃度和進(jìn)水 BOD5變化圖。當(dāng)進(jìn)水量穩(wěn)定時，污泥濃度和進(jìn)水有機(jī)物大致呈同升同降趨勢，隨著進(jìn)水有機(jī)物的增加，需要減小排泥量，來達(dá)到有機(jī)物和污泥濃度的平衡。從運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，3月份污泥濃度在 3953～4990mg/L波動，平均值為 4425mg/L；4月份污泥濃度在3900～4887mg/L波動，平均值為4370mg/L；5月份污泥濃度在3603～4213mg/L波動，平均值為 3865mg/L。進(jìn)水負(fù)荷較穩(wěn)定時，隨控制食微比(F/M)增加，污泥濃度呈下降趨勢。

從運(yùn)行效果來看(表 3)，3月控制食微比為0.03kgBOD5/(kgMLSS·d)，處理水量為164萬t，日均 52903t，消耗電量 470260kW·h，噸水電耗為0.29kW·h/m3。4月食微比為 0.04kg BOD5/(kgMLSS·d)，該月處理水量為171萬t，日均57000t，消耗電量 460920kW·h，噸水電耗為0.27kW·h/m3。5月控制食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，總處理水量為 182萬 t，日均58710t，消耗電量 468770kW·h，噸水電耗為0.26kW·h/m3。調(diào)整食微比后，處理水量增大，對應(yīng)噸水電耗降低。食微比為 0.03kg BOD5/(kgMLSS·d)時，負(fù)荷過低，系統(tǒng)污泥濃度較高，進(jìn)水有機(jī)物無法滿足微生物生長，導(dǎo)致污泥的活性變差，泥水分離效果變差，穩(wěn)定池跑泥現(xiàn)象嚴(yán)重，影響到深度處理工藝段，從而使得處理效果及處理水量均降低，并且過高的污泥濃度所需曝氣量增大，穩(wěn)定池排泥泵及脫水機(jī)房脫泥機(jī)的運(yùn)行時間增長，導(dǎo)致整體電耗增加。適當(dāng)增大食微比后，需氧量隨之減少[3]，所需風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，功率下降，電費(fèi)節(jié)省，并且不會再出現(xiàn)污泥饑餓狀態(tài)，污泥的活性較高，能夠吸取更多營養(yǎng)物質(zhì)，污染物的去除率大幅提高，出水水質(zhì)變好。圖 3對比了2019年3～5月與2018年同期穩(wěn)定池出水總磷月平均值變化，結(jié)果表明低食微比 0.03kg BOD5/(kgMLSS·d)下，總磷(TP)比 2018年同期略高；當(dāng)食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)時，TP從0.41mg/L降到0.31mg/L，效果明顯。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，最優(yōu)食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)。

圖2 A廠3月水量穩(wěn)定時期污泥濃度和進(jìn)水BOD5變化圖Fig.2 Change trend graph of MLSS and influent BOD5 value of plant A during water stabilization period in March

表3 2019年3～5月運(yùn)行效果比較Tab.3 Comparison of operating results from March to May in 2019

圖3 2018和2019年3～5月穩(wěn)定池出水總磷對比圖Fig.3 Comparison of stable pool effluent total phosphorus value from March to May between 2018 and 2019

2.3 最優(yōu)食微比運(yùn)行效果

根據(jù)第一階段實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果，確定 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)為最優(yōu)食微比。進(jìn)入 6月，污水廠的水質(zhì)波動較大，以此值控制排泥量，精細(xì)化控制污泥濃度。進(jìn)水的 BOD5值在67.8～203mg/L波動，污泥濃度在 2823～3917mg/L調(diào)整。以最優(yōu)食微比運(yùn)行后，穩(wěn)定池跑泥現(xiàn)象減少，出水 TP、SS均降低，6月份穩(wěn)定池出水平均TP為0.43mg/L，低于去年同期的 0.48mg/L。穩(wěn)定池出水 SS平均值為 12mg/L，接近于污水廠總出水SS。污水廠穩(wěn)定池出水2019年上半年月平均出水 SS變化如圖 4所示，低食微比時，SS較2月未下降，以最優(yōu)食微比運(yùn)行時，SS下降明顯。

圖4 2019年1～6月穩(wěn)定池出水SS變化圖Fig.4 Change chart of stable pool effluent SS value from January to June in 2019

在最優(yōu)食微比控制過程中，水量及電耗運(yùn)行效果如表 4所示，與 2018年相比，2019年總處理水量增加了 12萬 m3，噸水電耗由 0.28kW·h/m3降低到0.24kW·h/m3。以最優(yōu)食微比運(yùn)行后，污泥濃度下降至合理范圍，穩(wěn)定池飄泥得到緩解，穩(wěn)定池浮船刮泥機(jī)運(yùn)行時間減少，絮凝劑投加量減少，濾池的運(yùn)行壓力減小，處理水量大幅提升，6月運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到91%，同時降低了水廠的運(yùn)行成本和運(yùn)行風(fēng)險。

表4 2019年6月與上年同期運(yùn)行效果比較Tab.4 Comparison of operating results between June 2019 and same period last year

3 結(jié) 論

綜合天津某污水處理廠的工藝及進(jìn)水特點(diǎn)，確定了實(shí)驗(yàn)研究的食微比范圍為 0.03～0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，通過探究 3～5月范圍內(nèi)不同食微比下出水水質(zhì)、水量及運(yùn)行成本的變化，尋找出最優(yōu)食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，該月處理水量最大，電耗降低到 0.26kW·h/m3。在該最優(yōu)食微比下，能夠達(dá)到營養(yǎng)與污泥濃度的最佳匹配。接下來在水質(zhì)波動較大的6月份，利用最優(yōu)食微比精細(xì)化調(diào)控污泥濃度，與上年同期相比，在運(yùn)行負(fù)荷增大、出水水質(zhì)變好的同時，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

本文找到了一種利用食微比來調(diào)控污泥濃度的方法，改變了目前水廠傳統(tǒng)的污泥濃度控制模式，通過工藝調(diào)控和優(yōu)化，可以最優(yōu)食微比控制污泥濃度，實(shí)現(xiàn)水廠的穩(wěn)定運(yùn)行及精細(xì)化管理，從而達(dá)到在達(dá)標(biāo)排放的情況下同時節(jié)能降耗的目的。