污水廠污泥重金屬中毒或可如此應對

《活性污泥重金屬中毒的工藝調控方法與對策》發(fā)表于《凈水技術》2022年第1期，從一線運行角度出發(fā)，對污水處理廠某次活性污泥重金屬中毒導致運行異常的現(xiàn)象進行剖析，梳理出了五種較為常見的污泥中毒特征，對一線技術人員在日常運行種的診斷識別提供借鑒。同時，本文對污泥重金屬中毒可采取的方法措施進行了總結，提出了較為翔實且可操作的工作流程，為類似的污水處理廠運行管理提供了案例支持和方法指導，有一定指導意義。

項目背景和生產(chǎn)問題的發(fā)生

某污水處理廠處理規(guī)模為10萬噸/日，出水執(zhí)行《賈魯河流域水污染物排放標準》（DB908-2014）中鄭州市排放限值。該廠進水中工業(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系列，正常運行時污泥濃度維持在4500±500 mg/L，水力停留時間、污泥停留時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，來水主要為城鎮(zhèn)生活用水，實際運行平均進水化學需氧量為250±50mg/L，其五日生化需氧量為125±20 mg/L，可生化性良好，進水總磷為5±1.5mg/L，進水氨氮為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)進水異常事件，以2019年7月為例，異常當天運行人員發(fā)現(xiàn)生物池在精準曝氣運行模式下進行生物池DO急劇升高，現(xiàn)場生物池污泥沉降性變差，取樣做微生物鏡檢發(fā)現(xiàn)原生動物及后生動物活性較差，安排現(xiàn)場采樣測試分析，發(fā)現(xiàn)生物池出水氨氮濃度升高，經(jīng)驗表明污泥已中毒。

污泥中毒問題的分析與思考

作者結合經(jīng)驗，對污泥中毒現(xiàn)象的具體表征進行了分析和判斷。

1、溶解氧顯著升高

污水處理廠運轉過程中需向生物反應池內(nèi)曝氣，活性污泥利用曝氣提供的DO進行新陳代謝，實現(xiàn)氧化分解有機物、氧化氨氮等目的。根據(jù)脫氮除磷理論指導及實際運行監(jiān)測，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，其新陳代謝受到抑制甚至停滯，對反應池內(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警。

本項目污水處理廠采用精確曝氣系統(tǒng)控制DO，正常運行時各生物池出口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廢水沖擊前后的DO變化情況，受到重金屬廢水沖擊后，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DO僅為2.7 mg/L，這反映出發(fā)現(xiàn)異常時1、3系列微生物活性已經(jīng)被嚴重抑制，而2系列污泥中毒較輕，主要原因是生物池1、3系列進水量基本均等而2系列進水水量相對較低。

圖2及以上數(shù)據(jù)分析，可知污泥發(fā)生中毒時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應關系。該廠通過DO作為參考指標，其異常升高時進行污泥中毒與工藝異常的預警，且在實際運行中將自身廠內(nèi)實際水量分配情況、其他項目監(jiān)測指標、日常運行常規(guī)數(shù)據(jù)等結合，多向印證進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)存在大量的原生動物，它們與細菌相互依存，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。重金屬廢水沖擊后，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）。結果表明，重金屬廢水可對生物池內(nèi)的原生動物造成嚴重毒害作用，該現(xiàn)象可以作為快速鑒定污泥中毒事件的依據(jù)。

3、重金屬含量測定

在發(fā)生進水異常時，即時取異常進水進行重金屬含量檢測，測定重金屬含量情況見表1。由表1可知，污水處理廠正常進水各類重金屬含量均低于檢出限，可見異常水質進水總砷濃度為2.2～13.6 μg/L，進水總汞濃度為0.12～0.46 μg/L，均明顯高于水質正常時重金屬濃度，進水pH值及氯化物指標濃度與正常進水指標相比變化不大，可見，進水中砷、汞超標是造成活性污泥中毒、水廠運行異常的直接原因。

注：①正常進水為2019年連續(xù)六個月檢測數(shù)據(jù)均值。

②異常進水為2020年該廠發(fā)生污泥中毒現(xiàn)象時進水水樣的檢測結果，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，水樣均為瞬時樣。

③此次研究內(nèi)容結合2019年7月13日數(shù)據(jù)展開，此后該水廠進水異常均結合7月13日相關經(jīng)驗及結論展開，處理處置效果較好。

4、沉降性能下降

正常運行狀態(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)。重金屬廢水進入后，發(fā)現(xiàn)生物池內(nèi)菌膠團結構變得松散，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，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生物池系列出水氨氮和TP的變化情況，每2 h測試數(shù)據(jù)一次。由圖可知，在正常運行狀態(tài)下，三個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，完全滿足排放標準要求。在污泥中毒后，三個系列生物池出水氨氮最高濃度達到6.04 mg/L、1.62 mg/L和5.62 mg/L，出水TP最高濃度分別達到3.15 mg/L、2.38 mg/L和3.01 mg/L，均出現(xiàn)大幅升高。說明重金屬能夠顯著抑制硝化細菌和聚磷菌的活性，導致脫氮除磷性能下降。

污泥中毒后工藝控制策略

1、控制進水量

當發(fā)生污泥中毒事件后，應根據(jù)實際情況優(yōu)先恢復受影響較小的生物處理系列，在條件允許的情況下關閉或減小生物池進水量，以減小有毒廢水對活性污泥的毒害作用。在活性污泥中毒事件中，運行人員發(fā)現(xiàn)在精準曝氣運行模式下生物池DO急劇升高（圖2），立即安排采樣測試分析，發(fā)現(xiàn)生物池出水氨氮濃度升高，經(jīng)驗表明污泥已中毒。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系列生物池進水，并開展悶曝、補充碳源等綜合措施。在2系列生物池出水氨氮恢復正常水平時，重新進水，并開始對1系列生物池進行停水調控。1系列在悶曝7 h后生物池出水氨氮濃度恢復正常，3系列生物池開始停水悶曝。結果表明，停水悶曝在對恢復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，此時增加曝氣量可為微生物提供充足的DO，有助于快速恢復好氧微生物的活性。該廠發(fā)生污泥中毒后，運行人員接除精準曝氣自動控制，將鼓風機出口導葉調至100%。該水廠因鼓風機風量原因，不能同時滿足三個系列高溶氧需求，中毒后工藝調控過程中，根據(jù)中毒嚴重程度率先選擇對中毒情況最輕的2系列生物池進行停水悶曝，對中毒情況較輕的1系列生物池進行高溶氧曝氣激發(fā)活性，最后根據(jù)監(jiān)測數(shù)值對另外兩個系統(tǒng)進行進一步調整。

最終調整結果顯示：2系列生物池內(nèi)DO短時間內(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系列生物池曝氣調整為精準曝氣，2系列恢復正常。在該過程中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濃度在開始調控后5 h時開始逐漸下降，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，在調控12 h后恢復正常，由此可知增大曝氣量有助于提高微生物活性，恢復生物系統(tǒng)。

3、投加碳源

研究表明，投加碳源能夠有效加快恢復中毒污泥的活性，縮短恢復時間。發(fā)現(xiàn)污泥中毒后，在開展曝氣量調控的同時，該廠增大碳源投加量，在生物池投加乙酸鈉含量為20%，CODcr當量為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，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，二沉池中的活性污泥尚未受到毒害或中毒較輕，因此及時增大污泥回流量可以有效稀釋生物池內(nèi)重金屬的濃度，降低有毒廢水對活性污泥微生物的毒害，同時可以增加生物池內(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)模進入二沉池后，開始提高剩余污泥排放量，通過排泥的方式將有毒有害物質在最短的時間內(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，基本實現(xiàn)了正常出水。此外在系統(tǒng)中毒較為嚴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、加大水質監(jiān)測頻次

污水廠運行正常時，每天取混合樣一次進行水質分析化驗。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)完全恢復活性。重點分析氨氮、TP等水質指標，同時開展微生物鏡檢。通過增加水質監(jiān)測頻次，水廠管理人員可以及時了解生物池內(nèi)的活性污泥狀態(tài)，為及時改變調控策略提供依據(jù)。變化趨勢指導調控直至系統(tǒng)恢復。

6、設置污泥中毒預警系統(tǒng)

污泥中毒后，系統(tǒng)的氨氮、硝氮等水質指標會出現(xiàn)大幅波動，利用這些水質異常數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)進水異常的預警。在發(fā)生重金屬中毒事件后，水廠開始探索進水異常預警機制。經(jīng)多次試驗，最終選擇在生物池好氧區(qū)第一廊道設置自動采樣監(jiān)測預警裝置。該裝置主要由自動采樣系統(tǒng)和硝酸鹽氮在線監(jiān)測儀組成。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)場硝態(tài)氮出現(xiàn)異常降低后并達到預警值后，中控系統(tǒng)自動調大溶解氧、加大碳源投加量、降低進水量、增大外回流、增大剩余排放量，直至系統(tǒng)恢復正常。與生物池末端DO在線監(jiān)測裝置相比，該預警系統(tǒng)可以提前6 h感知生物池異常情況，工藝調控提前，可顯著降低有毒廢水對活性污泥的毒害作用，縮短污泥恢復時間。

通過對DO、碳源投加量、進水量、污泥回流比和剩余污泥排放量等參數(shù)的綜合調控，水廠生物池活性污泥可在24 h全部恢復活性，污泥沉降性能改善，二沉池出水SS減少，出水氨氮、TP、TN等指標降至排放標指以下，鏡檢發(fā)現(xiàn)鐘蟲、累枝蟲等固著類纖毛蟲增多，出水水質趨于良好。