研究季節(jié)性氣候變化條件下污水處理廠運(yùn)行性能和活性污泥特性對科學(xué)、高效運(yùn)行具有重要意義。以我國北方某城市污水處理廠改良AAO工藝系統(tǒng)為研究對象，基于2年完整的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了污染物去除量及污泥特性變化規(guī)律。結(jié)果表明，COD和TN去除量存在季節(jié)性周期變化趨勢；MLVSS/MLSS值在水溫15 ℃以下相對穩(wěn)定，在15 ℃以上時，MLVSS/MLSS值隨著水溫升高而降低，主要受內(nèi)源呼吸作用的影響。提出了季節(jié)性氣候變化下確定污泥濃度的新方法，支撐大型污水處理廠運(yùn)行管理的穩(wěn)定性和可控性，為污水處理過程精確調(diào)控提供基礎(chǔ)。

我國北方大多屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，季節(jié)性溫差較大。溫度不僅影響微生物種群的代謝活動，而且還可以影響細(xì)菌群落的多樣性。較高的溫度能提高微生物活性，有助于提高污染物去除效率。而低溫環(huán)境往往影響生物酶功能的發(fā)揮，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。為了抵抗低溫造成的不利影響，往往采取多種措施，如加大曝氣量、增加污泥濃度、曝氣方式、延長污泥齡、增加填料等措施，以提高城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行水平、改善水環(huán)境質(zhì)量。盡管人們對污水處理過程的理解和認(rèn)識有了很大的提高，然而進(jìn)水水質(zhì)波動、季節(jié)變化等多因素對污水處理廠性能的認(rèn)識仍不夠深入，對活性污泥特性認(rèn)識值得進(jìn)一步探討。

本文以我國北方某市政污水處理廠為研究對象，探討了季節(jié)性變化下污染物去除量變化及污泥特性，并給出運(yùn)行調(diào)控建議，以期提高污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定性，同時也為實(shí)現(xiàn)污水處理廠科學(xué)運(yùn)營起到支持作用。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠簡介

我國北方某市政污水處理廠（簡稱A廠），采用改良AAO工藝+膜超濾系統(tǒng)（見圖1），設(shè)計規(guī)模為3萬m/d，進(jìn)水主要為生活污水，出水達(dá)到北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/307-2013）B標(biāo)準(zhǔn)。

該廠生化池的選擇區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)的停留時間分別為0.5 h、1 h、5 h、9.6 h，生化池總有效容積為20 125 m，內(nèi)回流比300%，外回流比100%，混合液回流至缺氧池，外回流污泥回流至選擇區(qū)。進(jìn)水至選擇區(qū)與缺氧區(qū)的分配比例大約10%和90%，進(jìn)水TN濃度高時，投加25%濃度的乙酸鈉溶液作為外碳源促進(jìn)脫氮。污泥齡控制在15~25 d。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集

收集了2017年1月1日至2018年12月31日A廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)水出水標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)水水質(zhì)情況，見表1。每年2月份水溫最低，約10 ℃，然后水溫逐漸上升，一直到8月份，最高約26 ℃，此后水溫逐漸下降，直到下一個年度的2月份，之后水溫持續(xù)升高，再周而復(fù)始變化。

1.2.2 計算方法

污染物去除量根據(jù)式（1）確定：

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥特性與水溫變化

2017年1月1日至2月1日，水溫先從14.1 ℃下降至最低值9.8 ℃，而后水溫逐漸升高至15.0 ℃，MLVSS/MLSS值一直比較穩(wěn)定，平均值為0.66。自2月1日至8月20日，水溫逐漸升高至25.2 ℃，MLVSS/MLSS值逐漸減小，最低值在0.45左右。8月20日至12月31日 ，水溫逐漸下降至12.8 ℃，特別是10月8日（水溫20.1 ℃）以后，MLVSS/MLSS值逐漸增大。從2017年11月28日至2018年3月23日，水溫從15.7 ℃下降再回升到15 ℃過程中，MLVSS/MLSS值同樣一直比較穩(wěn)定，平均值為0.62。同樣地，在2018年3月23日以后，升溫過程時的MLVSS/MLSS值均表現(xiàn)出與2017年相似的變化趨勢。整體上看，在季節(jié)性水溫變化過程中，15 ℃是一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，超過此溫度，微生物活性顯著提高，MLVSS/MLSS值隨著水溫升高而降低；低于此溫度時，MLVSS/MLSS值處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即使有5 ℃的溫差，MLVSS/MLSS值依然波動較小，主要原因是污泥中耐冷菌在低溫環(huán)境中有較高的活性，在一定程度上彌補(bǔ)了其他細(xì)菌活性的降低。在冬季低溫時，正是MLVSS/MLSS值的相對穩(wěn)定，為保障污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。

由于生長或內(nèi)源能量需要，所有微生物都會經(jīng)歷某種形式生物量的減少，這一過程發(fā)生在生物體完全利用外部基質(zhì)后，其MLVSS降低并繼續(xù)消耗氧氣�；钚晕勰嘀械奈⑸�物新陳代謝功能與生物酶系統(tǒng)有很大關(guān)系。微生物體內(nèi)合成、催化生物化學(xué)反應(yīng)時，生物酶在傳遞電子、原子和化學(xué)基團(tuán)的過程中發(fā)揮重要作用。生物酶催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)生物體新陳代謝。而生物酶對環(huán)境條件的變化比較敏感，溫度的改變會使活性發(fā)生改變。溫度低時，微生物的代謝活力相應(yīng)減弱，生物酶的活性降低導(dǎo)致酶促反應(yīng)變慢，微生物體內(nèi)基質(zhì)的氧化和微生物自身的氧化速率也會降低，表現(xiàn)為微生物的內(nèi)源呼吸作用減弱。研究表明，單位質(zhì)量的MLSS的內(nèi)源呼吸速率（即比內(nèi)源呼吸速率）與MLSS無關(guān)；而溫度對比內(nèi)源呼吸速率的影響十分顯著，比內(nèi)源呼吸速率隨著溫度的降低而降低。因此，在降溫過程中，內(nèi)源呼吸明顯減弱，胞內(nèi)物質(zhì)的消耗速率顯著降低，導(dǎo)致MLVSS/MLSS值升高。

2.2 污染物去除量變化

該廠配套管網(wǎng)比較完善，進(jìn)水量相對穩(wěn)定，水量變化系數(shù)為0.94~1.17。水量及水質(zhì)波動屬于季節(jié)性正常變化。2月COD去除量較低，為17萬~20萬kg/d，然后去除量逐漸上升，一直持續(xù)到5月、6月，COD去除量高達(dá)41萬kg/d，約是2月去除量的2倍。7月開始，COD去除量逐漸下降，9月去除量與2月幾乎相當(dāng)。10月開始，COD去除量逐漸上升，持續(xù)到下一年度1月。TN去除量逐月變化趨勢與COD相似。全年來看，COD及TN去除量出現(xiàn)先增加后降低再增加的變化，呈現(xiàn)出季節(jié)性周期變化趨勢。春季氣溫上升，人們生產(chǎn)活動增加，排放到管網(wǎng)中的污染物濃度增加，夏季雨水以及洗浴水增多，污染物濃度有所下降，但是水量較大，污染物去除量增大，造成污染物去除量隨著季節(jié)規(guī)律性變動。

2.3 污泥去除負(fù)荷變化情況

由圖4可以看出，COD污泥去除負(fù)荷波動較小，全年在0.136 kg/(kgMLVSS·d)上下波動。TN污泥去除負(fù)荷變化趨勢，可以分為兩類，分別是3月至11月，平均值為0.015 kg/(kgMLVSS·d)，12月及下一年度1月、2月，TN污泥去除負(fù)荷平均值為0.012 kg/(kgMLVSS·d)，比其他月份降低15%~30%，平均值下降20%。

COD污泥去除負(fù)荷與TN污泥去除負(fù)荷在不同的季節(jié)中具有一定的可比較性，表明微生物種群可以適應(yīng)溫度逐漸變化的環(huán)境。這可能是部分微生物的功能冗余，不同群落的細(xì)菌能適應(yīng)不同的生長環(huán)境，當(dāng)環(huán)境條件變化時，一部分細(xì)菌的活性受到抑制，而另一部分細(xì)菌卻能更好的繁殖，從而在一定程度上補(bǔ)償溫度變化帶來的負(fù)面影響，保障污水處理廠運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)。在一定程度上補(bǔ)償溫度變化帶來的不利影響，從而為出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供保障。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，活性污泥微生物群落隨著季節(jié)性溫度變化發(fā)生了演替，新的優(yōu)勢菌群的出現(xiàn)，從一定程度上彌補(bǔ)了活性污泥在低溫條件下代謝能力的不足。

2.4 運(yùn)行調(diào)控策略探討

水溫是影響微生物活性的重要因素之一。在低溫時，氨氧化菌的活性很容易受到抑制，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，為了使出水達(dá)標(biāo)需要采取措施，如增加污泥齡、提高生物池污泥濃度等，以減弱溫度對污水處理廠性能的負(fù)面影響。Ju等研究發(fā)現(xiàn)，在一個采用活性污泥法的城市污水處理廠中，生物相互作用是決定細(xì)菌群落組成的主要因素，而環(huán)境條件(主要是污泥停留時間和無機(jī)氮)部分解釋了微生物種類和數(shù)量變化，間接影響細(xì)菌群落組成。微生物的冗余功能可以在一定程度上補(bǔ)償溫度變化的不利影響。當(dāng)前，污水處理廠主要任務(wù)已從去除COD轉(zhuǎn)向營養(yǎng)物去除，特別是生物法TN的去除效率已成為污水處理廠運(yùn)行優(yōu)劣判斷的重要指標(biāo)。而氨氧化菌和反硝化菌易受溫度的影響，恰當(dāng)?shù)腗LVSS是出水達(dá)標(biāo)的重要條件之一。TN污泥去除負(fù)荷可以作為確定MLVSS的重要依據(jù)。出水總氮值按排放標(biāo)準(zhǔn)限值的75%~80%考慮，根據(jù)進(jìn)水水量、TN濃度、生化池容積以及TN污泥去除負(fù)荷目標(biāo)值可計算出所需的MLVSS。為了更明確調(diào)控方法，特舉一例闡述。具體調(diào)控步驟如下：

①計算當(dāng)天TN污泥去除負(fù)荷：根據(jù)進(jìn)水在線TN儀表獲取TN值，出水總氮值按排放標(biāo)準(zhǔn)限值的80%考慮，計算出TN污泥去除負(fù)荷A0;

②基于移動平均值法確定TN污泥去除負(fù)荷目標(biāo)值A(chǔ)T：計算出當(dāng)天之前2周內(nèi)TN污泥去除負(fù)荷平均值A(chǔ)1，以及同期TN污泥去除負(fù)荷平均值A(chǔ)2，A1與A2比較取較大值作為目標(biāo)值A(chǔ)T；

③判斷是否需要排泥：若A0>AT，表明污泥濃度偏低，有出水TN超標(biāo)的風(fēng)險；若A0≤AT，表明污泥濃度偏高，可適當(dāng)排泥，直到A0與AT值接近；一般A0與AT值范圍在±10%內(nèi)均可；

④采用類似的方法用COD污泥去除負(fù)荷校核污泥濃度，確保MLVSS同時滿足去除有機(jī)物及TN，從而為工藝精細(xì)化調(diào)控提供了基礎(chǔ)。

隨著污水處理廠市場化運(yùn)營，運(yùn)行成本也成為水務(wù)公司需要考慮的因素。出水達(dá)標(biāo)的前提下，還需要進(jìn)一步降低能耗。由圖5可見，單位需氧量所需的電耗隨著污泥濃度的增加而呈指數(shù)增長。在滿足污泥去除負(fù)荷的前提下，污泥濃度低時，能夠有效降低電耗。當(dāng)污泥濃度高時，必須提高曝氣強(qiáng)度才可起到較好的攪拌作用，泥水氣三相混合，避免活性污泥沉降。污泥的濃度基本決定了污泥的粘度，污泥溫度對粘度的影響相對較小。高污泥濃度使得污泥的粘度增加，從而增加了氣體在污泥中上升的阻力，勢必需要提高曝氣量。在一定的污泥濃度下，必然存在一個最佳的曝氣強(qiáng)度，既能夠滿足微生物生長的需求，又可節(jié)約曝氣能耗。因此，控制合適的污泥濃度對降低能耗具有重要意義。

單位需氧量所需的電耗隨季節(jié)的變化見圖6。2017年夏季的EOD最低，為0.48 kW·h/kg需氧量，其他三個季節(jié)均在0.60 KW·h/kg需氧量左右，冬季稍高。2018年前三個季度EOD普遍高于同期數(shù)值，特別2018年秋季該廠的EOD比同期增加75%。由圖4可以看出，2018年9月、10日，COD及TN的污泥去除負(fù)荷相比同期有所降低，表明該時期的污泥濃度明顯較高，需要盡快降低生化池污泥濃度。按2017年秋季EOD平均值作為2018年秋季的EOD依據(jù)，計算得出2018年秋季MLVSS平均值為2 800 mg/L降至1 800 mg/L滿足污泥去除負(fù)荷需求，在這個污泥濃度條件下的出水可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)行過程中，生化池內(nèi)污泥濃度控制還受到污泥出路的影響，當(dāng)污泥出路受阻時，生化池內(nèi)污泥濃度升高是短時間不得已的辦法。從水務(wù)行業(yè)的角度，完善污泥處置路線是污水處理可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

需要指出，影響生物脫氮的因素很多，包括進(jìn)水水質(zhì)、工藝類型、污泥齡、生化池溶解氧水平、外加藥劑等，對一個具體的污水處理廠，認(rèn)真分析污水處理效果，根據(jù)進(jìn)水條件、所需的污泥去除負(fù)荷以及環(huán)境條件，確定合理的MLVSS值，從而保障足夠的活性微生物的量，為污水處理廠的高效運(yùn)行提供保障條件。只有經(jīng)過長時間摸索，深入了解污水處理過程的變化規(guī)律，實(shí)行靈活而高效的管理，提高污水處理廠運(yùn)行管理的穩(wěn)定性和可控性，才能真正發(fā)揮出其經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

3 結(jié)論

（1）對于進(jìn)水量在設(shè)計規(guī)模上下浮動較小時，COD及TN去除量有明顯的季節(jié)性周期變化規(guī)律，春季及秋季去除量較小。夏季及冬季去除量較大，隨著月份循序變化。

（2）MLVSS/MLSS值在15 ℃以上時，MLVSS/MLSS值與水溫存在顯著反比關(guān)系。在水溫15 ℃以下MLVSS/MLSS值相對穩(wěn)定，在低溫條件下一部分耐冷優(yōu)勢細(xì)菌能更好的繁殖，在一定程度上補(bǔ)償溫度變化帶來的負(fù)面影響，為維持污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。

（3）以TN污泥去除負(fù)荷可作為確定MLVSS的重要依據(jù)。根據(jù)進(jìn)水TN等水質(zhì)信息和排放標(biāo)準(zhǔn)限值，采用移動平均值法確定MLVSS值，并用COD污泥去除負(fù)荷校核，為實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)前提下的精細(xì)化調(diào)控提供基礎(chǔ)。

（4）本研究提出了季節(jié)性氣候變化下確定污泥濃度的新方法，充分考慮進(jìn)出水水質(zhì)及環(huán)境條件變化對污泥濃度和能耗的影響，為污水處理廠高效運(yùn)行管理提供技術(shù)支持和借鑒作用。

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