案例：提质增效对污水处理厂的影响分析
近年来，全国各地开始推进污水提质增效工作，随着截污管网不断完善和污水提质增效的落实，污水处理厂进水浓度发生了较大变化，或许会对原工艺造成一定的冲击。以东莞某5万 m³/d的污水处理厂为例，对提质增效后多点进水多段AAO-高效沉淀池-滤布滤池工艺对进水浓度提高的耐冲击能力进行分析，以期提出提质增效后污水处理厂较合理的应对策略。
01 项目概况
东莞市F污水处理厂设计规模5万m³/d，总变化系数1.38，采用多点进水多段AAO-高效沉淀池-滤布滤池-紫外消毒工艺，二期出水标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准及广东省地方标准《水污染物排放限值》（DB 44/26-2001）中第二时段一级标准两者中较严值。F污水处理厂所在地区已基本完成了截污管网及错混接建设工作，本次研究的核心任务是分析提质增效后进水浓度的提高对污水处理厂一级处理、生物池、深度处理单元和污泥脱水系统的影响。
02 提质增效对污水处理厂各处理单元的影响
2.1 对一级处理单元的影响
粗格栅及进水泵房主要去除大的漂浮物及悬浮物，保护提升泵运行不受影响，同时完成能量提升。细格栅及旋流沉砂池主要去除更为细小悬浮物、除砂等作用，为污水进入生物池作预处理。因提质增效后进水量、水中漂浮物、悬浮物和砂粒等均未发生明显变化，故提质增效对一级处理单元影响较小。
2.2 对生物池的影响
2.2.1 对 COD和BOD5去除效果分析
F污水处理厂生物池为多点进水多段AAO工艺，进水分成三部分，第一部分进入预缺氧区，第二部分进入第一缺氧区、第三部分进入第二缺氧区。水流依次经过预缺氧区、厌氧区、第一缺氧区、第一好氧区、脱气区、第二缺氧区、第二好氧区，设计进、出水浓度如表1所示。设计生物池总停留时间12.48 h，其中预缺氧区、厌氧区、第一缺氧区、第一好氧区、脱气区、第二缺氧区、第二好氧区停留时间分别为0.4 h、1.37 h、2.89 h、5.75 h、0.3 h、0.97 h、 0.8 h，污泥回流比为33%~100%，混合液回流比为100%~300%。
如表1所示，提质增效后90%涵盖率进水COD浓度为378 mg/L，超过设计值51.2%，超过提质增效前进水浓度46.51%，进水BOD5浓度为185 mg/L，超过设计值54.17%，超过提质增效前浓度77.88%，在以上进水浓度大幅增加的前提下，污水处理厂出水BOD5和COD均能维持在10 mg/L和40 mg/L以内，其平均值分别为1.1 mg/L和20 mg/L，去除率平均值分别为93.2%和99.0%，这说明生物池内异养菌活性较强，对于进水COD和BOD5负荷增加有较强适应能力（见图1和图2）。
分析以上现象主要原因是：多段AAO工艺采用厌氧/缺氧/好氧交替运行的模式，活性污泥中各目标菌种均处于一个“舒适”“恶劣”交替的环境中，这种“饱食饥饿”模式有利于驯化出更高效的目标菌种，更高效的活性污泥。
2.2.2 对脱氮的影响
（1）氨氮氧化。一般认为氨氮氧化发生在好氧池内，提质增效后进水BOD5浓度大幅增加，势必导致异养菌大量繁殖，从而导致硝化细菌（氨氧化菌AOB和亚硝酸盐氧化菌NOB）同其竞争DO过程中处于不利地位，如图3所示。当进水氨氮浓度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L时，好氧池DO在0.3~1.5 mg/L，该值小于设计值2 mg/L。
有研究表明，异养菌生长速率大约是自养菌的10倍，DO的不足加之异养好氧菌的大量繁殖，很可能导致出水氨氮不达标。然而，实际出水氨氮较低，氨氮去除率平均值为98.1%。分析主要有以下两方面原因：一方面提质增效后进水氨氮浓度虽大幅提高，但仍在设计范围内；另一方面AOB和NOB最适宜的DO分别为0.2~0.4 mg/L和1.2~1.5 mg/L，好氧池内DO虽较低，但能满足AOB和NOB的需求，反而低DO的环境恰好成为其同异养好氧菌竞争的有利条件，因此出水氨氮值均小于1 mg/L，平均值为0.53 mg/L。
（2）TN去除。TN的去除一般认为在缺氧池内由反硝化细菌完成，本工程采用多点进水多段AAO的工艺，如图4所示，提质增效后进水TN浓度从30 mg/L提高到39.9 mg/L，在未投加碳源的情况下，依然能保证出水TN在10 mg/L以内，平均值为7.99 mg/L，去除率在76.6%左右。分析主要原因是多段AAO工艺多点进水的方式保证了反硝化阶段有充足的碳源，同时本工程提质增效后进水水质COD/ρ(TN)=9.45，BOD5/ρ(TN)=4.63，基本上能满足脱氮所需，同时好氧池内DO较低，有低于0.5 mg/L情况，推测可能出现了短程硝化-反硝化的脱氮途径，该途径也可解决缺氧池碳源不足的问题，对于该现象有待进一步研究。
综上所述，多点进水、多段AAO工艺对提质增效后进水氨氮和TN浓度的增加，仍有较好脱氮效果，出水TN和氨氮的平均值分别为7.99 mg/L和0.53 mg/L。
（3）活性污泥性能分析。因进水BOD5增加，导致生物池内污泥浓度增加，生物池污泥浓度设计值为3 500~4 000 mg/L，BOD5污泥负荷为0.10 kgBOD5/（kgSS·d），提质增效后经测定生物池内MLSS平均值为4 300 mg/L，BOD5污泥负荷为0.127 kgBOD5/(kgSS·d)。郝二成等指出低DO、低污泥负荷容易容易引起污泥膨胀，万玉山等对苏南某镇 1.5万m³/d污水处理厂进行研究，当生物池污泥负荷为 0.5 kgCOD/(kgMLSS·d)，DO为1.5 mg/L时，SVI 值接近300 mL/g，发生了污泥膨胀。而F污水处理厂生物池采用0.26 kgCOD/(kgMLSS·d)更低的污泥负荷，好氧池DO更低，约为0.3~1.5 mg/L却未发生污泥膨胀，SVI如图5所示平均值为100.5 mL/g，分析主要是多段AAO工艺厌氧/缺氧/好氧交替运行的环境，有助于对丝状菌抑制，能在较低DO、较低污泥负荷下不引起污泥膨胀。
（4）提质增效对曝气系统的影响。污水处理厂曝气能耗占整个厂区能耗的比例很大，沈晓铃等对2.5万m³/d无锡市惠山污水处理厂三期工程进行分析，结果表明鼓风机耗电量占全厂电耗的43.39%。对F污水处理厂而言，若保证2 mg/L 好氧池DO浓度，则提质增效前生物池理论需氧量为12 547 kgO2//d，提质增效后理论需氧量约为17 441 kgO2//d，原设计风机供氧不足，如图6所示。
然而，在曝气系统设计能力不足的情况下，出水BOD5、COD和氨氮等均稳定达标，在该情况下每年可节省电能约62.1万kW·h，为污水处理厂节能降耗提供思路。同时，随着对短程硝化研究的不断深入，研究者们开始对低DO环境下的脱氮机理进行逐步探索，而对真正落地运行的低氨氮市政污水处理厂，是否存在一个DO理论极值，使此时氨氮、BOD5、COD等既有较好处理效果，又不会引起污泥膨胀等现象，有待进一步研究。
2.3 提质增效对深度处理单元的影响
F污水处理厂深度处理采用高效沉淀池+滤布滤池工艺，高效沉淀池设计PAC和PAM投加浓度分别为40 mg/L和1 mg/L，滤布滤池设计过滤精度为10 μm，平均滤速为9.1 m³/(h·m²)。如图7、图8所示，提质增效后进水TP浓度从4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，因生物除磷和化学除磷双重作用，出水TP浓度均低于0.3 mg/L，平均值为0.17 mg/L。提质增效后进水SS浓度从192 mg/L增加到205 mg/L，同样有高效沉淀池和滤布滤池的双重保障作用，出水SS均小于10 mg/L，平均值为4 mg/L。可见，对进水SS和TP浓度的小幅增加，高效沉淀池+滤布滤池均能维持稳定去除效果。
2.4 提质增效对污泥脱水系统的影响
因进水BOD5的增加，导致剩余污泥量增加，提质增效前设计干泥量为7.82 t/d，采用2台板框脱水机处理。经计算，提质增效后干泥量约为10.1 t/d左右，原脱水机不能满足需求，应对污泥脱水系统进行升级改造。
03 小结
提质增效后进水浓度变化对一级处理单元影响较小。
提质增效后进水氨氮浓度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L，TN浓度由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，多点进水多段AAO工艺仍能保证氨氮、TN、COD、BOD5等均有较好的处理效果。
好氧池低DO条件下，多点进水多段AAO仍能保证出水氨氮和BOD5浓度较低且稳定，为污水处理厂节能降耗提供思路。
提质增效后进水SS从192 mg/L提高到205 mg/L，TP从4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，高效沉淀池+滤布滤池工艺能保证出水TP和SS在 0.17 mg/L和4.0 mg/L左右，有较好的处理效果。
提质增效后污泥脱水系统产能相对不足，需升级改造。
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