活性污泥重金屬中毒的工藝調(diào)控方法與對(duì)策

楚金喜，呂 丹,*，賈清龍，王保貴，許 穎

(1.中原環(huán)保股份有限公司，河南鄭州 450000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150000)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)度的不斷加快，國(guó)家各級(jí)政府及相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)了對(duì)城市污水處理的重視程度，加大了對(duì)污水治理的資金投入和力度，國(guó)內(nèi)各個(gè)城市對(duì)不同種類(lèi)污水的處理設(shè)施也逐漸完善，但由于城市舊城區(qū)的規(guī)劃、人為的部分排放等，工業(yè)廢水在一定程度上仍有混入城市生活污水處理系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，活性污泥法因其去除率高、處理成本較低，成為城市污水處理的最主要方法[1-2]。在活性污泥系統(tǒng)內(nèi)，微生物在新陳代謝過(guò)程中大量消耗污水中的可降解有機(jī)物、去除氮磷，實(shí)現(xiàn)污水凈化。但是活性污泥系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，易受到外界環(huán)境和進(jìn)水水質(zhì)的影響，如低溫、金屬離子和有毒工業(yè)廢水等[3-7]。其中，礦冶、化工、電子、儀表等工業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排出含重金屬的廢水，流入排水管網(wǎng)并最終進(jìn)入污水處理廠，會(huì)引起活性污泥中毒，從而顯著降低污染物去除效果[8-10]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此的研究主要集中在調(diào)查特定金屬離子對(duì)活性污泥系統(tǒng)的影響[11]，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出金屬離子的抑制濃度，以及對(duì)重金屬污泥中毒后的指標(biāo)測(cè)定等。但對(duì)重金屬中毒前期，根據(jù)工藝指標(biāo)形成預(yù)警機(jī)制以及中毒后工藝恢復(fù)綜合措施的研究仍舊較為薄弱。因此，降低重金屬?gòu)U水對(duì)活性污泥的影響、及時(shí)恢復(fù)污泥活性，成為污水處理廠的重要工作內(nèi)容。本文以河南某污水處理廠為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了活性污泥重金屬中毒事件中前期工藝指標(biāo)的波動(dòng)和水廠采取的綜合應(yīng)急措施，以及恢復(fù)后如何形成系統(tǒng)的預(yù)警機(jī)制及恢復(fù)的具體流程，可為污水處理廠運(yùn)行中處理同類(lèi)事件提供借鑒。

1 污水處理廠基本情況

1.1 污水處理廠基本信息

該污水處理廠位于河南省中部，處理規(guī)模為10萬(wàn)t/d，出水執(zhí)行《賈魯河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 908—2014)中的鄭州市排放限值。該廠進(jìn)水中工業(yè)廢水占比約為5%，采用改良氧化溝處理工藝，工藝流程如圖1所示。生物處理單元分為3個(gè)系列，正常運(yùn)行時(shí)污泥濃度維持在(4 500±500) mg/L，水力停留時(shí)間(hydraulic retention time，HRT)、污泥停留時(shí)間(sludge retention time，SRT)和污泥回流比分別為10 h、20 d和60%，污泥容積指數(shù)(sludge volume index，SVI)維持在(45±10) mL/g。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(chemical oxygen demand，CODCr)為(250±50) mg/L，其五日生化需氧量(biological oxygen demand，BOD5)為(125±20) mg/L，可生化性良好，進(jìn)水總磷(total phosphorus，TP)為(5±1.5) mg/L，進(jìn)水氨氮(ammonia nitrogen)為(45±10) mg/L。

圖1 污水處理工藝流程圖Fig.1 Schematic Diagram of WWTP

1.2 水質(zhì)分析方法

氨氮、TP、總氮(total nitrogen，TN)、懸浮物(suspended solids，SS)、CODCr均采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定，測(cè)定方法均為標(biāo)準(zhǔn)方法[12]。鉛、鉻、銅和鎘等金屬元素采用等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定(Thermo Fisher，ICAP7200，美國(guó))，砷和汞采用原子熒光光度計(jì)測(cè)定(普析PF32，北京)，溶解氧(dissolved oxygen，DO)采用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)定(HACH，DY3000，美國(guó))，顯微鏡觀察采用Olympus CX31顯微鏡(日本)。

2 污泥中毒判斷與現(xiàn)象表征

2019年6月—2020年3月，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)天在精準(zhǔn)曝氣運(yùn)行模式下，生物池DO急劇升高，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；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，后續(xù)依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相關(guān)工藝調(diào)控后恢復(fù)。本節(jié)主要介紹污泥中毒的判斷及具體中毒現(xiàn)象的表征。

2.1 DO顯著升高

城市污水處理廠運(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[13]。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)DO的利用效率下降，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，陳亞松等[14]以DO為指示參數(shù)，用于污泥中毒事件的預(yù)警。

本文涉及的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，由圖2可知，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)水水量基本均等，而2系列進(jìn)水水量相對(duì)較低。

圖2 重金屬?gòu)U水沖擊前后DO變化情況Fig.2 Dynamics of DO before and after the Impact of Heavy Metal Wastewater

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仍居高不下，主要呈現(xiàn)為較低氣水比下DO依舊異常升高，與研究者所闡述現(xiàn)象內(nèi)容基本印證，由此可得出二者有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該廠以DO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。

2.2 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[15]。其中，鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)等為最常見(jiàn)的原生動(dòng)物。圖3為活性污泥中毒前后的顯微鏡照片。由圖3可知：在污泥中毒前，系統(tǒng)內(nèi)鐘蟲(chóng)形態(tài)完好活性較強(qiáng)；重金屬?gòu)U水沖擊后，生物池內(nèi)鐘蟲(chóng)出現(xiàn)斷柄、縮口現(xiàn)象，輪蟲(chóng)也出現(xiàn)活性降低、數(shù)量減少等現(xiàn)象。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)。

圖3 原生動(dòng)物鐘蟲(chóng)在重金屬?gòu)U水沖擊后斷柄閉口現(xiàn)象Fig.3 Morphological Changes of Protozoa before and after the Impact of Heavy Metal Wastewater

2.3 重金屬含量測(cè)定

在發(fā)生進(jìn)水異常時(shí)，取異常進(jìn)水進(jìn)行重金屬含量檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。由表1可知：污水處理廠正常進(jìn)水各類(lèi)重金屬含量均低于檢出限，異常水質(zhì)進(jìn)水總砷質(zhì)量濃度為2.2～13.6 μg/L，進(jìn)水總汞質(zhì)量濃度為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及氯化物指標(biāo)濃度與正常進(jìn)水指標(biāo)相比變化不大，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。

表1 異常進(jìn)水和正常進(jìn)水中重金屬濃度對(duì)比Tab.1 Comparison of Heavy Metal Concentrations in Abnormal and Normal Influent Water

2.4 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維持在(45±10) mL/g。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，上清液呈棕黃色且有羽片狀絮體懸浮，各生物池內(nèi)SVI升高至(80±10) mL/g。與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)二沉池出水中含有大量懸浮物和污泥絮體，出水渾濁度升高(俗稱(chēng)“翻池”)。

2.5 污染物去除效率下降

圖4為污泥中毒前后3個(gè)生物池系列出水氨氮和TP的變化情況，每2 h測(cè)試1次數(shù)據(jù)。由圖4可知，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，3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，3個(gè)系列生物池出水氨氮最高濃度達(dá)到6.04、1.62 mg/L和5.62 mg/L，出水TP最高濃度分別達(dá)到3.15、2.38 mg/L和3.01 mg/L，均出現(xiàn)大幅升高。這說(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。

圖4 生物池出水中氨氮、TP濃度變化情況Fig.4 Dynamics of Ammonia Nitrogen and TP in Effluent of Biological Zone before and after Sludge Poisoning

3 污泥中毒后工藝控制策略

3.1 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，精準(zhǔn)曝氣運(yùn)行模式下，生物池DO急劇升高，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(kāi)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(kāi)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(kāi)始停水悶曝。結(jié)果表明，停水悶曝對(duì)恢復(fù)活性污泥的活性有著較為顯著的作用。

3.2 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)行人員解除精準(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，不能同時(shí)滿足3個(gè)系列高DO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DO曝氣激發(fā)活性，最后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)一步調(diào)整另外兩個(gè)系統(tǒng)。

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后出水氨氮濃度開(kāi)始低于1.0 mg/L；11 h后重新開(kāi)始進(jìn)水，出水氨氮穩(wěn)定在1.0 mg/L以下；17 h后將生物池曝氣調(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濃度在調(diào)控后5 h時(shí)開(kāi)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)。

3.3 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[16]。發(fā)現(xiàn)污泥中毒后，在開(kāi)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，投加量從30 mg/L增加至50～80 mg/L(約等于投加12.5～20 mg/L CODCr)。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。

3.4 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[16]。發(fā)現(xiàn)污泥中毒后，水廠將回流污泥量從3 000 m3/h提升至4 200 m3/h，污泥回流比從70%增加至近100%，生物池污泥濃度從4 500 mg/L逐步升高至5 600 mg/L。待生物池內(nèi)中毒污泥大規(guī)模進(jìn)入二沉池后，開(kāi)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。

3.5 加大水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次

污水廠運(yùn)行正常時(shí)，每天取一次混合樣進(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取一次生物池活性污泥樣品，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(kāi)展微生物鏡檢。通過(guò)增加水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次，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)。

3.6 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(kāi)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[17]。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取一次生物池活性污泥樣品，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)異常降低并達(dá)到預(yù)警值后，中控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)大DO、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(chóng)、累枝蟲(chóng)等固著類(lèi)纖毛蟲(chóng)增多，出水水質(zhì)趨于良好。

4 結(jié)論

綜上，在該廠遭遇污泥重金屬中毒及恢復(fù)過(guò)程工藝調(diào)控事件中，可總結(jié)出重金屬污泥中毒特征及相對(duì)應(yīng)工藝調(diào)控措施結(jié)論。

4.1 活性污泥中毒表征

(1)好氧池內(nèi)DO異常上漲，極低氣水比下DO依舊較高。

(2)鏡檢生物池微生物活性銳減甚至大量死亡。

(3)進(jìn)水取樣化驗(yàn)重金屬、氯離子或其他有毒有害物質(zhì)含量大幅上漲。

(4)生物池內(nèi)菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)凝聚性及沉降性下降，SVI升高。

(5)發(fā)生中毒系列出水氨氮、TP、TN指標(biāo)出現(xiàn)大幅升高，其中氨氮呈直線上升。

4.2 相應(yīng)工藝調(diào)控措施

(1)激發(fā)微生物活性：中毒系列通過(guò)停水或降水量悶曝快速提升DO至6 mg/L以上、增大碳源投加至50～80 mg/L等方式激發(fā)活性污泥中的微生物活性，緩解污泥重金屬中毒造成的影響。

(2)快速排出系統(tǒng)有害物質(zhì)：增大污泥回流比至100%補(bǔ)充生物池有效活性污泥，加大剩余污泥排放量，通過(guò)“大回流、大排泥”的方式達(dá)到快速排出有害物質(zhì)，恢復(fù)生物池工藝處理整體效果目的。

(3)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：日常運(yùn)行期間，定期進(jìn)行常規(guī)工藝指標(biāo)及中毒后指標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)定，確定生物系統(tǒng)敏感點(diǎn)及數(shù)據(jù)警戒點(diǎn)，做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作，降低污泥重金屬中毒風(fēng)險(xiǎn)及影響。

(4)形成完整響應(yīng)及恢復(fù)機(jī)制：事件初期根據(jù)污泥中毒特征判斷是否發(fā)生污泥中毒；事件中以工藝數(shù)據(jù)為參考及時(shí)調(diào)整恢復(fù)手段及運(yùn)行機(jī)制，跟蹤恢復(fù)數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)快速恢復(fù)；事件后結(jié)合恢復(fù)遇到問(wèn)題增加相關(guān)設(shè)備及中毒預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行事件總結(jié)并優(yōu)化響應(yīng)及恢復(fù)機(jī)制。