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》發表于《凈水技術》2022年第1期，從一線運行角度出發，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。 科曼環保www.futabashoukai.com
項目背景和生產問題的發生 空氣凈化www.futabashoukai.com
某污水處理廠處理規模為10萬噸/日，出水執行《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%，污泥容積指數維持在45±10 mL/g MLSS。該污水廠為城鎮污水處理廠，來水主要為城鎮生活用水，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。
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2019年6月至2020年3月期間，該污水處理廠先后多次出現進水異常事件，以2019年7月為例，異常當天運行人員發現生物池在精準曝氣運行模式下進行生物池DO急劇升高，現場生物池污泥沉降性變差，取樣做微生物鏡檢發現原生動物及后生動物活性較差，安排現場采樣測試分析，發現生物池出水氨氮濃度升高，經驗表明污泥已中毒。
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污泥中毒問題的分析與思考
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作者結合經驗，對污泥中毒現象的具體表征進行了分析和判斷。 空氣凈化www.futabashoukai.com
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曝氣，活性污泥利用曝氣提供的DO進行新陳代謝，實現氧化分解有機物、氧化氨氮等目的。根據脫氮除磷理論指導及實際運行監測，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，對反應池內的DO利用效率下降，在同等曝氣條件下，生物池內的DO會快速升高，基于該現象，有研究者采用DO作為指示參數，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系列生物池內的DO在約2 h內分別達到5.4 mg/L和6.6 mg/L，2系列生物池DO上升較慢，在發現中毒時DO僅為2.7 mg/L，這反映出發現異常時1、3系列微生物活性已經被嚴重抑制，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及以上數據分析，可知污泥發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DO仍舊居高不下，主要呈現為較低氣水比下溶解氧依舊異常升高，與研究者所闡述現象內容基本印證，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實際水量分配情況、其他項目監測指標、日常運行常規數據等結合，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內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，系統內鐘蟲形態完好活性較強。重金屬廢水沖擊后，發現生物池內鐘蟲出現斷柄、縮口現象，輪蟲也出現活性降低、數量減少等現象（圖3b）。結果表明，重金屬廢水可對生物池內的原生動物造成嚴重毒害作用，該現象可以作為快速鑒定污泥中毒事件的依據。
3、重金屬含量測定
在發生進水異常時，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年連續六個月檢測數據均值。
②異常進水為2020年該廠發生污泥中毒現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此次研究內容結合2019年7月13日數據展開，此后該水廠進水異常均結合7月13日相關經驗及結論展開，處理處置效果較好。
4、沉降性能下降
正常運行狀態下，活性污泥的沉降性能良好，各生物池內SVI值維持在45±10 mL/g MLSS范圍內。重金屬廢水進入后，發現生物池內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SVI值升高至80±10mL/gMLSS。于此同時，發現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測試數據一次。由圖可知，在正常運行狀態下，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
當發生污泥中毒事件后，應根據實際情況優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，運行人員發現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，發現生物池出水氨氮濃度升高，經驗表明污泥已中毒。根據DO變化情況，發現2系列生物池中毒現象較輕，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活性，最后根據監測數值對另外兩個系統進行進一步調整。
最終調整結果顯示：2系列生物池內DO短時間內從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，發現出水氨氮穩定在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。
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。發現污泥中毒后，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
在發現污泥中毒時，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微生物濃度，提高生物池系統的穩定性。發現污泥中毒后，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。待生物池內中毒污泥大規模進入二沉池后，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排出生物系統。氨氮出水值從最高的8.0 mg/L逐步降低至1.0 mg/L以下，基本實現了正常出水。此外在系統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，迅速提高生物池內有效活性污泥的濃度，保障正常出水。
5、加大水質監測頻次
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。通過增加水質監測頻次，水廠管理人員可以及時了解生物池內的活性污泥狀態，為及時改變調控策略提供依據。變化趨勢指導調控直至系統恢復。
6、設置污泥中毒預警系統
污泥中毒后，系統的氨氮、硝氮等水質指標會出現大幅波動，利用這些水質異常數據，可以實現進水異常的預警。在發生重金屬中毒事件后，水廠開始探索進水異常預警機制。經多次試驗，最終選擇在生物池好氧區第一廊道設置自動采樣監測預警裝置。該裝置主要由自動采樣系統和硝酸鹽氮在線監測儀組成。該系統每1 h從生物池內取活性污泥樣品一次，測定其硝態氮濃度，該數值直接反饋中控系統，在現場硝態氮出現異常降低后并達到預警值后，中控系統自動調大溶解氧、加大碳源投加量、降低進水量、增大外回流、增大剩余排放量，直至系統恢復正常。與生物池末端DO在線監測裝置相比，該預警系統可以提前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，鏡檢發現鐘蟲、累枝蟲等固著類纖毛蟲增多，出水水質趨于良好。
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