李 鵬，張 強，夏海霞

(北京恩菲環(huán)保股份有限公司，北京 100038)

冬季污泥膨脹是采用活性污泥法的城市污水處理廠運行常見問題，而低溫是引起冬季污泥膨脹的主要外部誘因[1]。污泥膨脹通常分為絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹。絲狀菌膨脹是由于絲狀菌大量繁殖，活性污泥絮體結(jié)構(gòu)變得過度松散，污泥壓縮性能變差，沉降性也變差。非絲狀菌膨脹是由于菌膠團(tuán)微生物代謝異常，分泌大量具有高黏度的親水性多糖類物質(zhì)或者胞外聚合物，這些物質(zhì)聚集在活性污泥絮體表面，與水結(jié)合形成一種狀態(tài)穩(wěn)定的膠體，導(dǎo)致污泥結(jié)合水含量劇增，污泥密度、壓縮性及沉降性變差[1-4]。在低溫條件下，隨著反應(yīng)溫度的降低，活性污泥代謝能力變差，胞外聚合物積累，是導(dǎo)致活性污泥沉降性能變差的直接原因[5]。當(dāng)活性污泥發(fā)生膨脹時，污泥混合液在進(jìn)入二沉池后泥位持續(xù)升高，若不加控制會引起大量活性污泥流出出水堰，最終導(dǎo)致活性污泥流失和出水超標(biāo)。針對污泥膨脹問題，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量研究，控制方法可分為藥劑投加控制和工藝參數(shù)調(diào)整兩大類[4,11]。本文針對西北L市污水處理廠每年冬季發(fā)生污泥膨脹的因素進(jìn)行分析，介紹了采取結(jié)合中水系統(tǒng)進(jìn)行技改以期降低二沉池的表面負(fù)荷來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為類似污水處理廠運營技改提供參考。

1 污水處理廠基本情況

西北L市Y污水處理廠(以下簡稱Y廠)設(shè)計規(guī)模為26萬m3/d，工藝流程如圖1所示。一期工程(10萬m3/d)和二期工程(16萬m3/d)均采用AAO工藝，尾水排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠收集處理L市生活污水和少量工業(yè)廢水，設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示?，F(xiàn)有建構(gòu)筑物按照建設(shè)年代分為老系統(tǒng)和新系統(tǒng)。老系統(tǒng)二級處理部分主要有3格生物池和6座Φ30 m二沉池。新系統(tǒng)二級處理部分主要有2格生物池和4座Φ50 m二沉池。老系統(tǒng)二沉池處理規(guī)模為8萬m3/d，由6座Φ30 m直徑的中進(jìn)周出二沉池組成，二沉池池邊有效水深為3.6 m，峰時表面負(fù)荷為1.02 m3/(m2·h)，均時表面負(fù)荷0.79 m3/(m2·h)。新系統(tǒng)二沉池處理規(guī)模為18萬m3/d，由4座Φ50 m直徑的周進(jìn)周出二沉池組成，二沉池池邊有效水深為4.8 m，峰時表面負(fù)荷為1.24 m3/(m2·h)，均時表面負(fù)荷為0.96 m3/(m2·h)。

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Design Influent and Effluent Quality

2 污水處理廠冬季運行存在的問題

2.1 日進(jìn)水量波動大

Y廠2015年平均日進(jìn)水量為17萬～18萬m3/d，日進(jìn)水水量波動較大且規(guī)律性強，白天小時進(jìn)水水量為9 000～11 500 m3/h，夜間小時進(jìn)水水量為4 000～6 000 m3/h。Y廠2015年1月某典型日進(jìn)水水量變化情況如圖2所示。

圖2 某典型日進(jìn)水水量變化曲線Fig.2 Variation Curve of a Typical Day Inflow

由圖2可知，Y廠白天最大時進(jìn)水量為11 500 m3/h，夜間最低時進(jìn)水量為4 500 m3/h，平均時進(jìn)水量為8 000 m3/h。當(dāng)日時變化系數(shù)按照最大時進(jìn)水量/平均時進(jìn)水量核算值為1.44，已超過原設(shè)計總變化系數(shù)1.3，對二沉池的穩(wěn)定運行造成很大風(fēng)險。

2.2 冬季運行污泥膨脹情況頻發(fā)

自2011年運行以來，Y廠每年冬季污泥發(fā)生膨脹，污泥容積指數(shù)(SVI)不斷升高，在2月—3月達(dá)到頂峰，接近300 mL/g。Y廠歷年水溫變化趨勢基本相同，水溫自11月由18 ℃左右開始急劇下降，至第二年4月底恢復(fù)至18 ℃以上，1月底達(dá)到最低點，為12 ℃左右。根據(jù)Y廠實際運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計2014年11月—2015年4月新系統(tǒng)生物池活性SVI與水溫變化情況[7-8]。如圖3所示，可見水溫與活性SVI具有相關(guān)性。同時，對生物池活性污泥進(jìn)行鏡檢(圖4)，發(fā)現(xiàn)活性污泥絮體松散，無絲狀菌存在，因此，可以判斷Y廠屬于低溫非絲狀菌污泥膨脹[6]。

圖3 冬季生物池活性污泥SVI和水溫變化曲線Fig.3 SVI and Water Temperature Variation Curve of Activated Sludge in Biological Pond in Winter

圖4 活性污泥鏡檢圖 (160倍)Fig.4 Microscopic Examination of Activated Sludge (160 Times)

冬季居高不下的SVI在一定程度上影響了活性污泥在二沉池中的泥水分離效果，尤其在2015年初，老系統(tǒng)暫未啟用，新系統(tǒng)日均進(jìn)水水量達(dá)到17萬～18萬m3/d，接近滿負(fù)荷運行狀態(tài)，新系統(tǒng)SVI平均值為250 mL/g，最高達(dá)到300 mL/g，導(dǎo)致新系統(tǒng)清水層高度嚴(yán)重不足。2015年1月某典型日新系統(tǒng)1#～4#二沉池清水層變化情況如表2所示，當(dāng)日新系統(tǒng)處理水量為17萬m3/d，水溫為13.0 ℃，生物池污泥濃度為3.7 g/L，SVI為230 mL/g。在14∶00左右排水高峰時，清水層高度最低為0.2 m，嚴(yán)重影響二沉池穩(wěn)定運行。

表2 某典型日二沉池清水層高度Tab.2 Clear Water Layer Height of Secondary Sedimentation Tanks in a Typical Day

綜上，Y廠運行中存在上述兩方面問題，隨著進(jìn)水量逐年增加，廠內(nèi)二沉池穩(wěn)定運行將存在很大的風(fēng)險。

3 解決途徑

針對冬季污泥膨脹問題，Y廠首先采用增加活性污泥無機物比例來提高其沉降性的方法。Y廠進(jìn)水泥沙含量較大，因此，通過超越初沉池使原水直接進(jìn)入生化池的方法增加活性污泥中無機物質(zhì)成分比例，可以有效控制SVI在200 mL/g 以下的污泥膨脹[6]。污泥SVI達(dá)到300 mL/g左右時，在生物池內(nèi)投加硅藻土增加活性污泥的無機物質(zhì)成分，投加量為0.8～1.0 g/L，SVI可降至200～220 mL/g，取得了良好的控制效果。投加硅藻土的優(yōu)點是操作方便、成本較低；缺點是投加量大，需要連續(xù)4～6 d補充投加藥劑，投加過量會增加污泥脫水系統(tǒng)負(fù)荷，尤其在冬季污泥脫水系統(tǒng)運行效率較差的情況下，Y廠污泥系統(tǒng)運行壓力較大。隨著Y廠服務(wù)區(qū)域內(nèi)收集管網(wǎng)的不斷完善，2016年年初預(yù)測2017年底水量將增至23萬～24萬m3/d，若為控制污泥SVI升高投加藥劑，二沉池表面負(fù)荷和固體負(fù)荷將同步增加，污泥脫水系統(tǒng)壓力陡增，Y廠冬季穩(wěn)定運行存在著較大隱患。

3.1 利用中水工程的解決思路

2016年L市提出在Y廠內(nèi)建設(shè)中水工程為熱電廠供應(yīng)工業(yè)冷卻水，中水原水取自Y廠紫外消毒渠出水，處理后的水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。中水工程設(shè)計總規(guī)模為3萬m3/d，其中一期建設(shè)1.15萬m3/d，除外送水泵外，其余均按照遠(yuǎn)期規(guī)模進(jìn)行建設(shè)。通過對Y廠近3年出水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行概率分析，只有SS和TP指標(biāo)達(dá)不到一級A標(biāo)準(zhǔn)，中水處理工藝采用機械混凝+斜管沉淀池+精密過濾器工藝。斜管沉淀池通常應(yīng)用于凈水工藝或污水處理的深度處理工藝，在中小型工程中也可作為二沉池使用[9-10]，因此，在冬季應(yīng)急期間可利用中水系統(tǒng)的斜管沉淀池作為二沉池，以降低現(xiàn)有新系統(tǒng)的二沉池負(fù)荷。

3.1.1 中水工程主要構(gòu)筑物和設(shè)計參數(shù)

(1)提升泵房。半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，平面尺寸：L×B=6.5 m×5 m。進(jìn)水由Y廠內(nèi)紫外消毒渠出水引至提升泵房，泵房內(nèi)安裝軸流泵3臺，2用1備，單臺水泵參數(shù)：Q=625 m3/h，H=5 m，N=15 kW。

(2)混凝沉淀池。半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，平面尺寸：L×B=32 m×26.3 m。共分為2組，每組處理水量為1.5萬m3/d。設(shè)計參數(shù)：機械混合75 s，機械絮凝12.8 min(分為3級)，斜管沉淀區(qū)上升流速為2.1 m/h(0.58 mm/s)，排泥濃度為5 g/L(含水率為99.5%)，泥量為0.9 t/d(180 m3/d)，PAC投加量為80 mg/L(10% Al2O3)?；旌喜捎脙扇~片槳式快速攪拌器2臺。攪拌槳直徑為1.1 m，軸長為5.0 m，功率為5.5 kW。絮凝區(qū)采用慢速攪拌器6臺，攪拌槳直徑為1.7 m，軸長為5.0 m，單臺功率為3.0 kW。沉淀區(qū)有效沉淀面積為655 m2。斜管長為1.0 m，直徑為100 mm，安裝角度為60°。設(shè)行車式刮泥機2臺，功率為0.75 kW。

(3)儲泥池。半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，平面尺寸：L×B=7.0 m×5.3 m。設(shè)2臺排泥泵，1用1備，單臺水泵參數(shù)：Q=30 m3/h，H=15 m，N=2.2 kW。

(4)過濾間。半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，平面尺寸：L×B=9.9 m×6.9 m。選用回轉(zhuǎn)式精密過濾器2臺，單臺處理水量Q=20 000 m3/d。過濾器運行電機功率為18.8 kW，反沖洗水量為60 m3/d，沖洗水壓為0.6 MPa，反沖洗水泵功率為3.0 kW，水頭損失為0.55 m。

(5)清水池。半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，有效調(diào)節(jié)容積V=2 135 m3。

(6)提升泵房。半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，平面尺寸：L×B=11.7 m×6.5 m。泵房內(nèi)共5臺泵位，近期安裝離心泵3臺，2用1備，單臺水泵參數(shù)：Q=240 m3/h，H=150 m，N=185 kW。

3.1.2 中水工程改造主要內(nèi)容

針對中水系統(tǒng)的斜管沉淀池在冬季應(yīng)急期間改造為二沉池，且不能影響中水系統(tǒng)正常運行，改造內(nèi)容如下。

(1)增加生物池混合液提升泵組。將新系統(tǒng)生物池混合液提升至中水提升泵房出水渠。在生物池出水渠上架設(shè)4臺軸流泵，單臺水泵參數(shù)：Q=625 m3/h，H=3 m，N=15 kW。

(2)增加外回流泵組。設(shè)置于中水污泥儲池內(nèi)，污泥回流至新系統(tǒng)污泥回流泵房出水渠，按照100%回流量進(jìn)行設(shè)置，2用1備，單臺水泵參數(shù)：Q=625 m3/h，H=3 m，N=15 kW。

(3)更換斜管沉淀池刮泥機。為保證斜管沉淀池運行效果，設(shè)計階段將橋式刮泥機更換為三軸式非金屬鏈條式刮泥機，設(shè)置4臺，功率為0.75 kW，刮泥板的速度為0.61 m/min。

3.1.3 處理能力計算

根據(jù)Y廠冬季歷年運行經(jīng)驗，保證二沉池穩(wěn)定運行的峰時表面負(fù)荷需不大于1.00 m3/(m2·h)，均時表面負(fù)荷需不大于0.75 m3/(m2·h)。計算得出新系統(tǒng)冬季穩(wěn)定處理水量為14萬m3/d，老系統(tǒng)冬季穩(wěn)定處理水量為8萬m3/d，因此，Y廠冬季可穩(wěn)定處理水量為22萬m3/d。斜管沉淀池作為二沉池其表面負(fù)荷為普通沉淀池的2倍，但需要以固體負(fù)荷進(jìn)行核算[9]。斜管沉淀池面積為655 m2，固體負(fù)荷取150 kg/(m2·d)(污泥濃度按6.0 g/L計算)，則可處理的水量為1.6萬m3/d，此時斜管沉淀池均時表面負(fù)荷為1.05 m3/(m2·h)。若利用中水系統(tǒng)，則Y廠冬季穩(wěn)定處理水量為23.6萬m3/d，基本滿足預(yù)測要求。同步采取投加硅藻土藥劑的方案，可保證系統(tǒng)在冬季穩(wěn)定處理的水量達(dá)到23萬～24萬m3/d。

3.1.4 冬季應(yīng)急期間中水水質(zhì)保證措施

根據(jù)Y廠冬季歷年運行經(jīng)驗，二沉池因污泥膨脹導(dǎo)致泥位持續(xù)升高的時間為10～30 d，中水系統(tǒng)兼做二沉池的運行時間較短，但需要保證此時間段內(nèi)的出水水質(zhì)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，主要控制指標(biāo)為SS和TP。TP的去除主要依靠化學(xué)除磷，SS的去除依靠斜管沉淀池和精密過濾器，SS去除的同時TP也相應(yīng)去除。因此，在混合池增大PAC投加量，可以提高污泥的壓實性，提升斜管沉淀池泥水分離效果，再經(jīng)過精密過濾器后，SS和TP可以保證達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。由于在此種工況下精密過濾器進(jìn)水SS會增高，在運行過程中需要增加反沖洗時間防止其污堵。

3.2 運行效果分析

2018年1月底中水系統(tǒng)開始調(diào)試，2月1日起開始應(yīng)急使用，PAC投加量為100～150 mg/L(10% Al2O3)，其水質(zhì)指標(biāo)如表3所示。

表3 中水系統(tǒng)運行水質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Operation Water Quality Index of Reclaimed Water System

由表3可知，中水系統(tǒng)應(yīng)急期間作為二沉池后其出水水質(zhì)可以穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。運行期間生物池SVI均高于200 mL/g，但并未發(fā)生二沉池清水層不足的情況，安全度過了冬季。在斜管沉淀池運行過程中發(fā)現(xiàn)了以下問題。

(1)斜管內(nèi)壁極易黏附活性污泥絮體，并會逐漸加厚，長時間運行后污泥絮體漂浮于池面，嚴(yán)重時蜂窩形狀的污泥會沖出斜管，尤其是斜管沉淀池進(jìn)水端發(fā)生頻率較高。運行時需要人工進(jìn)行清理，防止污泥絮體飄出出水堰造成出水指標(biāo)升高。建議今后同類工程設(shè)計增加斜管自動沖洗系統(tǒng)。

(2)4格沉淀池排泥管道采用并聯(lián)同程方式接至儲泥池，實際運行受安裝誤差、排泥閥等阻力影響，造成4格沉淀池排泥不均勻，運行泥位不同，導(dǎo)致處理效果有差別，通過調(diào)節(jié)排泥閥開度也很難均衡。建議今后同類工程4格沉淀池的排泥管道單獨接至儲泥池，消除4格排泥管路的互相影響。

4 結(jié)論

利用中水系統(tǒng)在冬季應(yīng)急期間作為污水處理廠的二沉池，通過對中水系統(tǒng)增加混合液提升泵和污泥外回流泵，并合理選用斜管沉淀池的刮泥機減少對污泥的擾動等技改措施實現(xiàn)系統(tǒng)的運行。同時，通過提高PAC的加藥量和增加精密過濾器的反沖洗頻率，確保了中水系統(tǒng)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。運行實踐表明，在斜管沉淀池固體負(fù)荷小于150 kg/(m2·d)時，斜管沉淀可在應(yīng)急期間作為二沉池使用，對類似污水處理廠解決冬季二沉池穩(wěn)定運行提供一定參考。