李培根，于永蓮，鄭小姣

（1.山東美琰環(huán)?？萍加邢薰?，山東 濟寧 272000；2.山東魯抗舍里樂藥業(yè)有限公司，山東 濟寧 272000）

隨著國家節(jié)能環(huán)保政策和地方美麗鄉(xiāng)村建設舉措的推進，農(nóng)村人口密集區(qū)域污水處理設施逐步完善，環(huán)境效益得以逐步提升，但是在東北地區(qū)的很多小城鎮(zhèn)污水處理廠的運行，仍然面臨冬季寒冷的氣候條件對污水中生物凈化產(chǎn)生不利影響的問題[1]，導致冬季運行出水效果不穩(wěn)定[2]。針對冬季社區(qū)生活污水生化系統(tǒng)運行都要求系統(tǒng)進水溫度控制在10 ℃以上[3]，但是針對進水溫度低于10℃的生化運行情況及控制要點鮮有報道。本研究結合東北地區(qū)某實際工程進水長期溫度保持在10℃以下的應用情況，進行系統(tǒng)優(yōu)化改造，改造后超低溫環(huán)境條件下出水指標保持長時間穩(wěn)定性，為其他類似工程項目設計、運行和改造提供參考。

1 材料與方法

1.1 原污水處理系統(tǒng)

社區(qū)生活污水經(jīng)過污水管網(wǎng)收集，經(jīng)過兩級格柵的過濾，實現(xiàn)污水中固體顆粒物的固液分離，從集水池利用提升泵提升進入調節(jié)池，在調節(jié)池內部完成水質、水量的調節(jié)，再次利用提升泵提升進入缺氧池（A池）和好氧池（O池）進行生化處理，經(jīng)過二沉池和三沉池的泥水分離，然后通過溢流進入中間水池，在中間水池通過水泵再次加壓經(jīng)過高效過濾器去除廢水中的顆粒物，最終從清水池通過溢流的方式外排出污水處理廠。

集水池的尺寸為5.0 m×6.0 m×6.8 m，調節(jié)池尺寸為13.0 m×9.0 m×5.8 m（水力停留時間HRT=24 h），缺氧池尺寸為6.0 m×7.3 m×5.8 m（硝化液回流比100%～120%，污泥回流比100%），好氧池尺寸為7.3 m×13.0 m×5.8 m，二沉池為6.0 m×6.5 m×5.8 m，三沉池尺寸為6.0 m×6.5 m×5.8m，中間水池尺寸為6.0 m×2.5 m×5.8 m，清水池尺寸為6.0 m×2.5 m×5.8 m，污泥池尺寸為6.0 m×3.0 m×5.8 m。集水池有效深度6.0 m，其他有效深度均為5.0 m。處理構筑物采用鋼筋混凝土結構，埋地深度5.5 m，頂部全部封閉，但設有1.5 m×1.5 m的檢修孔和2.0 m×2.0 m的觀察孔。處理構筑物外墻厚度為0.3 m，內墻厚度為0.25 m。由于水溫提升需要消耗大量的能源，從而造成污水處理成本的大幅攀升或者需要新增較大的一次性投資，因此基于現(xiàn)實情況，現(xiàn)場沒有任何調整系統(tǒng)進水溫度或保證系統(tǒng)運行溫度的其他措施。

1.2 處理污水水質與檢測方法

項目所處理污水為內蒙古自治區(qū)東北部某社區(qū)生活污水，進水COD為100～300 mg·L-1、NH4+-N為10～50 mg·L-1、TN為10～50 mg·L-1、TP為1～4 mg·L-1、pH為6.5～7.5。

水樣經(jīng)過濾紙過濾后，根據(jù)APHA標準方法測定COD、NH4+-N、TN、TP[4]，pH值采用實驗室雷磁PHS-3E型臺式酸度分析儀測定，DO采用現(xiàn)場安裝的哈希溶解氧儀測定，溫度采用電子數(shù)顯溫度計測定，MLSS采用重量法測定。

1.3 原污水處理系統(tǒng)運行情況

系統(tǒng)改造前運行情況以2021年2月份的運行情況為例，如圖1所示。A/O生化系統(tǒng)在外界環(huán)境溫度-10～-30℃、系統(tǒng)進水溫度4.5～7.5℃、好氧池DO 4～6 mg·L-1，硝化液回流比100%～120%、污泥回流比100%的條件下，出水COD穩(wěn)定在50 mg·L-1以下，出水NH4+-N穩(wěn)定在20～30 mg·L-1，出水TN基本穩(wěn)定在20～30 mg·L-1，出水TP質量濃度在0.5～1.0 mg·L-1之間。

圖1 系統(tǒng)改造前系統(tǒng)出水情況

圖1表明，低溫環(huán)境下傳統(tǒng)A/O生化系統(tǒng)對生活污水NH4+-N、TN和TP的去除難以持續(xù)穩(wěn)定達標[2]，對TN的去除效率受NH4+-N的去除效率限制[5]，因此TN的進一步去除需要首先強化生化系統(tǒng)硝化能力，提高NH4+-N的去除效率[6]。按照設計要求系統(tǒng)出水水質達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002），即COD≤50 mg·L-1、NH4+-N≤5 mg·L-1、TN≤15 mg·L-1、TP≤0.5 mg·L-1，改造前只有COD滿足設計標準，NH4+-N、TN、TP均不能持續(xù)穩(wěn)定達標。

1.4 運行過程中系統(tǒng)優(yōu)化改造內容

分析現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和基于現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)配置，在盡可能降低改造工作量的前提下，采取的改造措施包括：①將污泥回流點從缺氧池（A池）直接改到調節(jié)池，污泥回流比設定為100%（污水處理水量與污泥回流量比1∶1）；②將調節(jié)池作為預曝池使用，并且在調節(jié)池內投加有機碳源（采用碳源相當于800 g·L-1COD）；③在三沉池進水位置投加聚合氯化鋁作為除磷劑，增加空氣攪拌措施，并在三沉池的出水位置投加一定量的聚丙烯酰胺（PAM），強化除磷劑產(chǎn)生化學污泥的沉降效果。

2 結果與討論

2.1 改造對系統(tǒng)出水COD和NH4+-N的影響

2021年3月1日至2021年3月12日對該系統(tǒng)進行改造，進水量與改造前大體相同（2021年2月份平均處理水量為510 m3·d-1，2021年3月至4月平均水量為520 m3·d-1），外界環(huán)境溫度-30～-10℃，進水溫度4.5～7.5℃，從3月12日開始在預曝池（調節(jié)池）投加有機碳源（投加量基本控制在60 kg/600 m3進水），并保證高溶解氧4～6 mg·L-1運行。系統(tǒng)改造后出水情況如圖2所示。經(jīng)測定污泥濃度MLSS由原來的2 500 mg·L-1左右逐步升高至3 500 mg·L-1以上，在硝化液回流比為100%～120%、污泥回流比為100%的條件下，出水COD質量濃度仍然穩(wěn)定在50 mg·L-1以下，表明投加的碳源很容易被微生物分解代謝，通過同化作用使得系統(tǒng)內污泥質量濃度MLSS明顯提高[5]。

圖2 系統(tǒng)改造后系統(tǒng)出水情況

系統(tǒng)內的活性污泥經(jīng)過14天左右的增長，出水NH4+-N由原來的25 mg·L-1逐步下降至5 mg·L-1以下，表明在投加有機碳源和高溶解氧后可改善微生物之間的群落共生關系，使系統(tǒng)內硝化細菌數(shù)量隨系統(tǒng)內總污泥質量濃度的提高而逐漸增加[7]。

2.2 改造對系統(tǒng)出水TN的影響

由圖2可知，經(jīng)過30天左右的污泥增長，系統(tǒng)出水TN逐步下降至15 mg·L-1以下，表明在預曝池（原調節(jié)池）內投加有機碳源，可提升進水中的碳氮比[8]，為缺氧池（A池）內的反硝化細菌提供了更多的碳源和能量[9]，經(jīng)過較長時間的連續(xù)運行可完成反硝化菌的富集，從而明顯提高了TN去除效率。

2.3 改造對系統(tǒng)出水TP的影響

由圖2可知，在外界環(huán)境溫度-30～-10℃、進水溫度在4.5～7.5℃的條件下，通過上述改造措施，出水TP基本在0.5 mg·L-1左右波動，于4月10日在二沉池出水口增加末端化學除磷，出水TP很快降低并穩(wěn)定至0.5 mg·L-1以下，表明在超低溫環(huán)境下，為保證系統(tǒng)內的污泥質量濃度，系統(tǒng)經(jīng)常少排泥或不排泥，僅靠生物除磷作用是不能實現(xiàn)系統(tǒng)出水水質穩(wěn)定達標[10]，但是可以通過二沉池出水化學除磷[11]，來保證外排污水中TP的質量濃度穩(wěn)定控制在0.5 mg·L-1以下。

3 結論

1）對污水處理生化系統(tǒng)進行每600 m3污水投加60 kg碳源、好氧池溶解氧DO控制在4～6 mg·L-1的優(yōu)化改造后，可保證該生化系統(tǒng)在外界環(huán)境溫度為-10～-30℃、系統(tǒng)進水溫度為4.5～7.5℃的條件下活性污泥質量濃度持續(xù)增長。

2）優(yōu)化后的污水處理生化系統(tǒng)在低溫條件下經(jīng)過14天左右的連續(xù)運行，出水氨氮質量濃度逐漸降低至5 mg·L-1以下，氨氮去除效率從改造前的60%左右上升至95%以上；經(jīng)過30天左右的連續(xù)運行，出水TN質量濃度逐漸降低至15 mg·L-1以下，TN去除效率從改造前的40%左右上升至75%以上，極大地提高了氨氮和總氮的去除效率。

3）超低溫條件下，污泥增長速率緩慢，在不排泥或排泥量明顯減少的前提下，該污水處理生化系統(tǒng)可以通過二沉池出水化學除磷的手段，實現(xiàn)外排污水中TP質量濃度持續(xù)低于0.5 mg·L-1的要求。