污水廠污泥重金屬中毒或可如此應(yīng)對(duì)
《活性污泥重金屬中毒的工藝調(diào)控方法與對(duì)策》發(fā)表于《凈水技術(shù)》2022年第1期，從一線運(yùn)行角度出發(fā)，對(duì)污水處理廠某次活性污泥重金屬中毒導(dǎo)致運(yùn)行異常的現(xiàn)象進(jìn)行剖析，梳理出了五種較為常見的污泥中毒特征，對(duì)一線技術(shù)人員在日常運(yùn)行種的診斷識(shí)別提供借鑒。同時(shí)，本文對(duì)污泥重金屬中毒可采取的方法措施進(jìn)行了總結(jié)，提出了較為翔實(shí)且可操作的工作流程，為類似的污水處理廠運(yùn)行管理提供了案例支持和方法指導(dǎo)，有一定指導(dǎo)意義。
項(xiàng)目背景和生產(chǎn)問(wèn)題的發(fā)生
某污水處理廠處理規(guī)模為10萬(wàn)噸/日，出水執(zhí)行《賈魯河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB908-2014）中鄭州市排放限值。該廠進(jìn)水中工業(yè)廢水占比約為5%。該廠采用改良氧化溝處理工藝，工藝流程如圖1所示。生物處理單元分三個(gè)系列，正常運(yùn)行時(shí)污泥濃度維持在4500±500 mg/L，水力停留時(shí)間、污泥停留時(shí)間和污泥回流比分別為10 h、20 d和60%，污泥容積指數(shù)維持在45±10 mL/g MLSS。該污水廠為城鎮(zhèn)污水處理廠，來(lái)水主要為城鎮(zhèn)生活用水，實(shí)際運(yùn)行平均進(jìn)水化學(xué)需氧量為250±50mg/L，其五日生化需氧量為125±20 mg/L，可生化性良好，進(jìn)水總磷為5±1.5mg/L，進(jìn)水氨氮為45±10 mg/L。
2019年6月至2020年3月期間，該污水處理廠先后多次出現(xiàn)進(jìn)水異常事件，以2019年7月為例，異常當(dāng)天運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)生物池在精準(zhǔn)曝氣運(yùn)行模式下進(jìn)行生物池DO急劇升高，現(xiàn)場(chǎng)生物池污泥沉降性變差，取樣做微生物鏡檢發(fā)現(xiàn)原生動(dòng)物及后生動(dòng)物活性較差，安排現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)生物池出水氨氮濃度升高，經(jīng)驗(yàn)表明污泥已中毒。
污泥中毒問(wèn)題的分析與思考
作者結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，對(duì)污泥中毒現(xiàn)象的具體表征進(jìn)行了分析和判斷。
1、溶解氧顯著升高
污水處理廠運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需向生物反應(yīng)池內(nèi)曝氣，活性污泥利用曝氣提供的DO進(jìn)行新陳代謝，實(shí)現(xiàn)氧化分解有機(jī)物、氧化氨氮等目的。根據(jù)脫氮除磷理論指導(dǎo)及實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)，該廠通常將生物池好氧段DO控制在2 mg/L左右。活性污泥遇到有毒廢水沖擊時(shí)，其新陳代謝受到抑制甚至停滯，對(duì)反應(yīng)池內(nèi)的DO利用效率下降，在同等曝氣條件下，生物池內(nèi)的DO會(huì)快速升高，基于該現(xiàn)象，有研究者采用DO作為指示參數(shù)，用于污泥中毒事件的預(yù)警。
本項(xiàng)目污水處理廠采用精確曝氣系統(tǒng)控制DO，正常運(yùn)行時(shí)各生物池出口DO濃度均控制在0.5～3.0 mg/L。圖2為活性污泥受到重金屬?gòu)U水沖擊前后的DO變化情況，受到重金屬?gòu)U水沖擊后，在同樣的曝氣條件下，生物池DO迅速升高，1系列和3系列生物池內(nèi)的DO在約2 h內(nèi)分別達(dá)到5.4 mg/L和6.6 mg/L，2系列生物池DO上升較慢，在發(fā)現(xiàn)中毒時(shí)DO僅為2.7 mg/L，這反映出發(fā)現(xiàn)異常時(shí)1、3系列微生物活性已經(jīng)被嚴(yán)重抑制，而2系列污泥中毒較輕，主要原因是生物池1、3系列進(jìn)水量基本均等而2系列進(jìn)水水量相對(duì)較低。
圖2及以上數(shù)據(jù)分析，可知污泥發(fā)生中毒時(shí)即使生物池采用精確曝氣方式降低曝氣量，好氧池內(nèi)DO仍舊居高不下，主要呈現(xiàn)為較低氣水比下溶解氧依舊異常升高，與研究者所闡述現(xiàn)象內(nèi)容基本印證，由此我們可得出二者有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。該廠通過(guò)DO作為參考指標(biāo)，其異常升高時(shí)進(jìn)行污泥中毒與工藝異常的預(yù)警，且在實(shí)際運(yùn)行中將自身廠內(nèi)實(shí)際水量分配情況、其他項(xiàng)目監(jiān)測(cè)指標(biāo)、日常運(yùn)行常規(guī)數(shù)據(jù)等結(jié)合，多向印證進(jìn)行污泥中毒與否的判斷。
2、微生物鏡檢觀察
在成熟的活性污泥系統(tǒng)內(nèi)存在大量的原生動(dòng)物，它們與細(xì)菌相互依存，可為活性污泥性能和污水處理效果好壞提供指示作用。其中鐘蟲、輪蟲等為最常見的原生動(dòng)物。圖3給出了活性污泥中毒前后的顯微鏡照片。由圖3a可知，在污泥中毒前，系統(tǒng)內(nèi)鐘蟲形態(tài)完好活性較強(qiáng)。重金屬?gòu)U水沖擊后，發(fā)現(xiàn)生物池內(nèi)鐘蟲出現(xiàn)斷柄、縮口現(xiàn)象，輪蟲也出現(xiàn)活性降低、數(shù)量減少等現(xiàn)象（圖3b）。結(jié)果表明，重金屬?gòu)U水可對(duì)生物池內(nèi)的原生動(dòng)物造成嚴(yán)重毒害作用，該現(xiàn)象可以作為快速鑒定污泥中毒事件的依據(jù)。
3、重金屬含量測(cè)定
在發(fā)生進(jìn)水異常時(shí)，即時(shí)取異常進(jìn)水進(jìn)行重金屬含量檢測(cè)，測(cè)定重金屬含量情況見表1。由表1可知，污水處理廠正常進(jìn)水各類重金屬含量均低于檢出限，可見異常水質(zhì)進(jìn)水總砷濃度為2.2～13.6 μg/L，進(jìn)水總汞濃度為0.12～0.46 μg/L，均明顯高于水質(zhì)正常時(shí)重金屬濃度，進(jìn)水pH值及氯化物指標(biāo)濃度與正常進(jìn)水指標(biāo)相比變化不大，可見，進(jìn)水中砷、汞超標(biāo)是造成活性污泥中毒、水廠運(yùn)行異常的直接原因。
注：①正常進(jìn)水為2019年連續(xù)六個(gè)月檢測(cè)數(shù)據(jù)均值。
②異常進(jìn)水為2020年該廠發(fā)生污泥中毒現(xiàn)象時(shí)進(jìn)水水樣的檢測(cè)結(jié)果，日期分別為2019年6月20日、2019 年7月13日、2020年2月28日、2020年3月1日，水樣均為瞬時(shí)樣。
③此次研究?jī)?nèi)容結(jié)合2019年7月13日數(shù)據(jù)展開，此后該水廠進(jìn)水異常均結(jié)合7月13日相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及結(jié)論展開，處理處置效果較好。
4、沉降性能下降
正常運(yùn)行狀態(tài)下，活性污泥的沉降性能良好，各生物池內(nèi)SVI值維持在45±10 mL/g MLSS范圍內(nèi)。重金屬?gòu)U水進(jìn)入后，發(fā)現(xiàn)生物池內(nèi)菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)變得松散，絮體變小，呈灰白色，不易下沉，上清液呈棕黃色并有羽片狀絮體懸浮，各生物池內(nèi)SVI值升高至80±10mL/gMLSS。于此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)二沉池出水中含有大量懸浮物和污泥絮體，出水濁度升高(俗稱“翻池”）。
5、污染物去除效率下降
圖4為污泥中毒前后三個(gè)生物池系列出水氨氮和TP的變化情況，每2 h測(cè)試數(shù)據(jù)一次。由圖可知，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，三個(gè)系列的脫氮除磷性能良好，生物池出水氨氮均低于0.20 mg/L，生物池出水TP濃度均低于0.15 mg/L，完全滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。在污泥中毒后，三個(gè)系列生物池出水氨氮最高濃度達(dá)到6.04 mg/L、1.62 mg/L和5.62 mg/L，出水TP最高濃度分別達(dá)到3.15 mg/L、2.38 mg/L和3.01 mg/L，均出現(xiàn)大幅升高。說(shuō)明重金屬能夠顯著抑制硝化細(xì)菌和聚磷菌的活性，導(dǎo)致脫氮除磷性能下降。
污泥中毒后工藝控制策略
1、控制進(jìn)水量
當(dāng)發(fā)生污泥中毒事件后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)先恢復(fù)受影響較小的生物處理系列，在條件允許的情況下關(guān)閉或減小生物池進(jìn)水量，以減小有毒廢水對(duì)活性污泥的毒害作用。在活性污泥中毒事件中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)在精準(zhǔn)曝氣運(yùn)行模式下生物池DO急劇升高（圖2），立即安排采樣測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)生物池出水氨氮濃度升高，經(jīng)驗(yàn)表明污泥已中毒。根據(jù)DO變化情況，發(fā)現(xiàn)2系列生物池中毒現(xiàn)象較輕，因此首先停止向2系列生物池進(jìn)水，并開展悶曝、補(bǔ)充碳源等綜合措施。在2系列生物池出水氨氮恢復(fù)正常水平時(shí)，重新進(jìn)水，并開始對(duì)1系列生物池進(jìn)行停水調(diào)控。1系列在悶曝7 h后生物池出水氨氮濃度恢復(fù)正常，3系列生物池開始停水悶曝。結(jié)果表明，停水悶曝在對(duì)恢復(fù)活性污泥活性有著較為顯著的作用。
2、增加曝氣量
污泥中毒后，微生物活性降低，此時(shí)增加曝氣量可為微生物提供充足的DO，有助于快速恢復(fù)好氧微生物的活性。該廠發(fā)生污泥中毒后，運(yùn)行人員接除精準(zhǔn)曝氣自動(dòng)控制，將鼓風(fēng)機(jī)出口導(dǎo)葉調(diào)至100%。該水廠因鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量原因，不能同時(shí)滿足三個(gè)系列高溶氧需求，中毒后工藝調(diào)控過(guò)程中，根據(jù)中毒嚴(yán)重程度率先選擇對(duì)中毒情況最輕的2系列生物池進(jìn)行停水悶曝，對(duì)中毒情況較輕的1系列生物池進(jìn)行高溶氧曝氣激發(fā)活性，最后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)值對(duì)另外兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。
最終調(diào)整結(jié)果顯示：2系列生物池內(nèi)DO短時(shí)間內(nèi)從2.42 mg/L升至6.60 mg/L，6 h后2系列出水氨氮濃度開始低于1.0 mg/L，11 h后重新開始進(jìn)水，發(fā)現(xiàn)出水氨氮穩(wěn)定在1.0 mg/L以下，17 h后將2系列生物池曝氣調(diào)整為精準(zhǔn)曝氣，2系列恢復(fù)正常。在該過(guò)程中1系列生物池不停水曝氣出水平均DO濃度維持在6.60 mg/L，3系列的曝氣量較小，DO濃度在開始調(diào)控后5 h時(shí)開始逐漸下降，最終降至1.0 mg/L左右；1系列和2系列生物池基本恢復(fù)后，減少其曝氣量，增大3系列曝氣量，DO濃度升至7 mg/L以上，在調(diào)控12 h后恢復(fù)正常，由此可知增大曝氣量有助于提高微生物活性，恢復(fù)生物系統(tǒng)。
3、投加碳源
研究表明，投加碳源能夠有效加快恢復(fù)中毒污泥的活性，縮短恢復(fù)時(shí)間。發(fā)現(xiàn)污泥中毒后，在開展曝氣量調(diào)控的同時(shí)，該廠增大碳源投加量，在生物池投加乙酸鈉含量為20%，CODcr當(dāng)量為2.5×105mg/L的碳源，投加比例從30mg/L增加至50～80 mg/L（約等于投加CODCr12.5～20 mg/L）。增加碳源投加后，活性污泥中的微生物尤其是異養(yǎng)微生物的代謝活性增強(qiáng)，可以緩解污泥汞、砷中毒造成的影響。
4、增大有效活性污泥濃度
在發(fā)現(xiàn)污泥中毒時(shí)，二沉池中的活性污泥尚未受到毒害或中毒較輕，因此及時(shí)增大污泥回流量可以有效稀釋生物池內(nèi)重金屬的濃度，降低有毒廢水對(duì)活性污泥微生物的毒害，同時(shí)可以增加生物池內(nèi)微生物濃度，提高生物池系統(tǒng)的穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)污泥中毒后，水廠將回流污泥量從3000 m3/h提升至4200 m3/h，污泥回流比從70%增加至近100%，生物池污泥濃度從4500 mg/L逐步升高至5600 mg/L。待生物池內(nèi)中毒污泥大規(guī)模進(jìn)入二沉池后，開始提高剩余污泥排放量，通過(guò)排泥的方式將有毒有害物質(zhì)在最短的時(shí)間內(nèi)排出生物系統(tǒng)。氨氮出水值從最高的8.0 mg/L逐步降低至1.0 mg/L以下，基本實(shí)現(xiàn)了正常出水。此外在系統(tǒng)中毒較為嚴(yán)重氨氮值居高不下的情況下，也可采取向生物池投加硝化菌種、反硝化菌種、未中毒系列或單位的新鮮活性污泥等，迅速提高生物池內(nèi)有效活性污泥的濃度，保障正常出水。
5、加大水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次
污水廠運(yùn)行正常時(shí)，每天取混合樣一次進(jìn)行水質(zhì)分析化驗(yàn)。發(fā)生污泥中毒后，水廠增加取樣頻次，每2 h取生物池活性污泥樣品一次，直至生物池系統(tǒng)完全恢復(fù)活性。重點(diǎn)分析氨氮、TP等水質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)開展微生物鏡檢。通過(guò)增加水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次，水廠管理人員可以及時(shí)了解生物池內(nèi)的活性污泥狀態(tài)，為及時(shí)改變調(diào)控策略提供依據(jù)。變化趨勢(shì)指導(dǎo)調(diào)控直至系統(tǒng)恢復(fù)。
6、設(shè)置污泥中毒預(yù)警系統(tǒng)
污泥中毒后，系統(tǒng)的氨氮、硝氮等水質(zhì)指標(biāo)會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，利用這些水質(zhì)異常數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)水異常的預(yù)警。在發(fā)生重金屬中毒事件后，水廠開始探索進(jìn)水異常預(yù)警機(jī)制。經(jīng)多次試驗(yàn)，最終選擇在生物池好氧區(qū)第一廊道設(shè)置自動(dòng)采樣監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置。該裝置主要由自動(dòng)采樣系統(tǒng)和硝酸鹽氮在線監(jiān)測(cè)儀組成。該系統(tǒng)每1 h從生物池內(nèi)取活性污泥樣品一次，測(cè)定其硝態(tài)氮濃度，該數(shù)值直接反饋中控系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)硝態(tài)氮出現(xiàn)異常降低后并達(dá)到預(yù)警值后，中控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)大溶解氧、加大碳源投加量、降低進(jìn)水量、增大外回流、增大剩余排放量，直至系統(tǒng)恢復(fù)正常。與生物池末端DO在線監(jiān)測(cè)裝置相比，該預(yù)警系統(tǒng)可以提前6 h感知生物池異常情況，工藝調(diào)控提前，可顯著降低有毒廢水對(duì)活性污泥的毒害作用，縮短污泥恢復(fù)時(shí)間。
通過(guò)對(duì)DO、碳源投加量、進(jìn)水量、污泥回流比和剩余污泥排放量等參數(shù)的綜合調(diào)控，水廠生物池活性污泥可在24 h全部恢復(fù)活性，污泥沉降性能改善，二沉池出水SS減少，出水氨氮、TP、TN等指標(biāo)降至排放標(biāo)指以下，鏡檢發(fā)現(xiàn)鐘蟲、累枝蟲等固著類纖毛蟲增多，出水水質(zhì)趨于良好。
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