城鎮污水處理廠食微比調控污泥濃度的應用研究

金江華 ，卜翠娜 *，沈 旺 ，劉運東

(1. 天津濱海新區塘沽環科新河污水處理有限公司 天津300450；2. 中國葛洲壩集團水務運營有限公司 湖北武漢430000)

隨著我國經濟和社會快速的發展，水污染問題日益加劇，強化污水處理的精細化控制，提高排水水質成為當務之急。活性污泥法是污水生化處理中最常用的一種工藝方法[1]，該方法存在的一個最大弊端就是在污水處理過程中伴生微生物的繁殖，為維持處理系統的穩定運行，不斷增殖的微生物就只能以剩余污泥的形式排出系統[2]。因此在實際生產運行中，排泥量的控制是活性污泥法工藝控制中一項重要操作，通過排泥量控制處理系統中污泥濃度以保證處理系統的穩定性[3]。

污泥濃度(MLSS)是用來衡量污水生化處理系統中活性污泥總量的一個重要指標，控制合理的活性污泥濃度對提高有機污染物的去除率、提高系統的抗沖擊負荷能力、降低出水懸浮顆粒濃度以及節能降耗等都有顯著的影響。我國大部分污水處理廠均存在不同程度的污泥濃度控制不合理現象，污泥濃度偏高，有機物無法滿足微生物需求時，絮凝物質會被細菌蠶食，活性污泥絮體開始變得松散[4]，同時也會造成污水廠電耗藥耗增加，運行成本變大等問題；而如果污泥濃度偏低，進水污染物濃度高(微生物可食物多)時，易造成有機負荷過高，菌膠團內未降解有機物過多，引發污泥黏性膨脹，甚至系統出現崩潰的風險[5]。所以，找到一種合適的控制模式來實現污泥濃度的精細化調控，對污水處理廠確保出水穩定達標和節能降耗都具有重要的意義。為此天津市某污水處理廠在實際運營中進行了通過食微比控制生化系統污泥濃度的實驗研究，摸索出該廠最佳的食微比控制值，并通過實際運行檢驗，取得了比較理想的效果。本文即對該廠進行實驗的過程、結果進行描述、分析和總結，以期對城鎮污水處理廠運營中的精細化控制提供技術參考。

1 污水廠概況與實驗方法

1.1 污水廠概況

天津某污水處理廠(A廠)已建工程設計處理能力為 7.0萬 m3/d，采用“預處理+A/O 脫氮+混凝沉淀+過濾+紫外消毒”的二級生化處理工藝，其中生化段為“厭氧池+A/O 池+二沉池+穩定池”的百樂克工藝，各構筑物水池均平均分為兩個系列。A/O池總容積為 38500m3，系統外回流量為 100%。出水執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》[7]一級A標準。污水廠設計的進出水水質見表1。

表1 A廠設計進出水水質Tab.1 Designed influent and effluent quality of plant A

1.2 實驗研究方法

通常是通過控制生化池內的 MLSS指標控制排泥，用 MLSS指標法控制排泥量時一般會盡量連續排放或平均排放，因此該法僅適合進水水量和水質變化不大的情況。在進水量和水質不穩定、波動較大時，進水的 COD、N、P等污染物質負荷忽高忽低，對于同樣的活性污泥濃度，則會出現營養過剩或污泥饑餓的不利情況，影響活性污泥的活性，對出水水質造成不利影響[6]，而通過食微比(F/M)控制能夠有效地將活性污泥的數量與營養物質達到平衡狀態。F/M，又叫污泥負荷，F是進水中的有機污染物負荷，M 是曝氣池中的微生物量。F在進水量穩定時隨進水水質而波動，本次探索首先是通過實驗對比確定污水的最優食微比，然后通過調整排泥量使 F/M 控制在該最優值附近，從而實現污泥濃度的精細化調控，增強污泥活性。F/M計算公式如下：

F/M＝(Q*BOD5)/(MLSS×Va)

式中：F為有機物量，M 為微生物量；Q為進水量，m3/d；BOD5為進水 BOD5值，mg/L；Va為生化池的有效容積，m3；MLSS為曝氣池內活性污泥濃度，mg/L。

實驗分為兩個階段。第一階段通過對比污水廠在不同的食微比下的運行狀況，尋找出最優食微比。由于天津屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，四季分明，所以第一階段實驗的時間選取為2019年3～5月，按往年數據此階段的水質水量較穩定，適宜進行對比實驗。實驗中，將各月份食微比分別控制為高中低 3個值，探究不同食微比下出水水質水量及運行成本的變化，尋找出適合的最優食微比。在第二階段，以之前實驗確定的最優食微比來控制生化系統排泥量，精細化控制系統的污泥濃度，然后與污水廠去年同期對比水量、水質與能耗等運行數據，驗證通過最優食微比精確控制的效果。

2 結果與分析

2.1 實驗食微比范圍的選擇

微生物的生長條件需要合理的底物濃度、營養物質和供氧量。依據食微比調控污泥濃度可保證微生物的生長處于平衡狀態。由于污水廠的特點及工藝不同，最適宜的F/M值也不同。表2歸列了不同污水處理工藝適宜的食微比值。A廠為百樂克工藝，污泥回流量大，污泥濃度 MLSS較高，曝氣時間長，屬于延時曝氣法，是低負荷活性污泥工藝。一般來說，寒冷地區的百樂克工藝 A/O池的食微比為 0.02～0.1kgBOD5/(kgMLSS·d)。根據水廠及進水特點，食微比為0.06kgBOD5/(kgMLSS·d)左右時，需控制污泥濃度為 2500mg/L，此時污泥量將無法去除足夠污染物。所以本實驗選定 3～5月分別控制 F/M 值為0.03、0.04、0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)左右。

表2 食微比參考控制值[6]Tab.2 Reference control value of food-to-micro ratio[6]

2.2 最優食微比確定

冬季溫度低，硝化速率下降，曝氣池需要保持較高的污泥濃度。3月溫度逐漸升高，需要增大排泥量，將污泥濃度降低。利用這一時機，逐步加大排泥量，將 3、4、5月份 F/M 值分別控制為 0.03、0.04、0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)。實際運行每天 F/M 值如圖 1所示。實際控制過程中，由于排泥量不可能過大或過小，每日F/M值無法精確達到控制值，而是在其上下波動。其中，5月28日為不明原因的高濃度進水沖擊，有機物 BOD5含量高達 225mg/L，所以 F/M值達到0.08kgBOD5/(kgMLSS·d)。

圖1 A廠3～5月F/M控制值Fig.1 F/M control value of plant A from March to May

圖2為 3月水量穩定時期(日進水60000m3/d)的污泥濃度和進水 BOD5變化圖。當進水量穩定時，污泥濃度和進水有機物大致呈同升同降趨勢，隨著進水有機物的增加，需要減小排泥量，來達到有機物和污泥濃度的平衡。從運行數據來看，3月份污泥濃度在 3953～4990mg/L波動，平均值為 4425mg/L；4月份污泥濃度在3900～4887mg/L波動，平均值為4370mg/L；5月份污泥濃度在3603～4213mg/L波動，平均值為 3865mg/L。進水負荷較穩定時，隨控制食微比(F/M)增加，污泥濃度呈下降趨勢。

從運行效果來看(表 3)，3月控制食微比為0.03kgBOD5/(kgMLSS·d)，處理水量為164萬t，日均 52903t，消耗電量 470260kW·h，噸水電耗為0.29kW·h/m3。4月食微比為 0.04kg BOD5/(kgMLSS·d)，該月處理水量為171萬t，日均57000t，消耗電量 460920kW·h，噸水電耗為0.27kW·h/m3。5月控制食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，總處理水量為 182萬 t，日均58710t，消耗電量 468770kW·h，噸水電耗為0.26kW·h/m3。調整食微比后，處理水量增大，對應噸水電耗降低。食微比為 0.03kg BOD5/(kgMLSS·d)時，負荷過低，系統污泥濃度較高，進水有機物無法滿足微生物生長，導致污泥的活性變差，泥水分離效果變差，穩定池跑泥現象嚴重，影響到深度處理工藝段，從而使得處理效果及處理水量均降低，并且過高的污泥濃度所需曝氣量增大，穩定池排泥泵及脫水機房脫泥機的運行時間增長，導致整體電耗增加。適當增大食微比后，需氧量隨之減少[3]，所需風機轉速降低，功率下降，電費節省，并且不會再出現污泥饑餓狀態，污泥的活性較高，能夠吸取更多營養物質，污染物的去除率大幅提高，出水水質變好。圖 3對比了2019年3～5月與2018年同期穩定池出水總磷月平均值變化，結果表明低食微比 0.03kg BOD5/(kgMLSS·d)下，總磷(TP)比 2018年同期略高；當食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)時，TP從0.41mg/L降到0.31mg/L，效果明顯。綜合以上實驗結果和運行數據來看，最優食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)。

圖2 A廠3月水量穩定時期污泥濃度和進水BOD5變化圖Fig.2 Change trend graph of MLSS and influent BOD5 value of plant A during water stabilization period in March

表3 2019年3～5月運行效果比較Tab.3 Comparison of operating results from March to May in 2019

圖3 2018和2019年3～5月穩定池出水總磷對比圖Fig.3 Comparison of stable pool effluent total phosphorus value from March to May between 2018 and 2019

2.3 最優食微比運行效果

根據第一階段實驗運行結果，確定 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)為最優食微比。進入 6月，污水廠的水質波動較大，以此值控制排泥量，精細化控制污泥濃度。進水的 BOD5值在67.8～203mg/L波動，污泥濃度在 2823～3917mg/L調整。以最優食微比運行后，穩定池跑泥現象減少，出水 TP、SS均降低，6月份穩定池出水平均TP為0.43mg/L，低于去年同期的 0.48mg/L。穩定池出水 SS平均值為 12mg/L，接近于污水廠總出水SS。污水廠穩定池出水2019年上半年月平均出水 SS變化如圖 4所示，低食微比時，SS較2月未下降，以最優食微比運行時，SS下降明顯。

圖4 2019年1～6月穩定池出水SS變化圖Fig.4 Change chart of stable pool effluent SS value from January to June in 2019

在最優食微比控制過程中，水量及電耗運行效果如表 4所示，與 2018年相比，2019年總處理水量增加了 12萬 m3，噸水電耗由 0.28kW·h/m3降低到0.24kW·h/m3。以最優食微比運行后，污泥濃度下降至合理范圍，穩定池飄泥得到緩解，穩定池浮船刮泥機運行時間減少，絮凝劑投加量減少，濾池的運行壓力減小，處理水量大幅提升，6月運行負荷達到91%，同時降低了水廠的運行成本和運行風險。

表4 2019年6月與上年同期運行效果比較Tab.4 Comparison of operating results between June 2019 and same period last year

3 結 論

綜合天津某污水處理廠的工藝及進水特點，確定了實驗研究的食微比范圍為 0.03～0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，通過探究 3～5月范圍內不同食微比下出水水質、水量及運行成本的變化，尋找出最優食微比為 0.05kg BOD5/(kgMLSS·d)，該月處理水量最大，電耗降低到 0.26kW·h/m3。在該最優食微比下，能夠達到營養與污泥濃度的最佳匹配。接下來在水質波動較大的6月份，利用最優食微比精細化調控污泥濃度，與上年同期相比，在運行負荷增大、出水水質變好的同時，又實現了節能降耗。

本文找到了一種利用食微比來調控污泥濃度的方法，改變了目前水廠傳統的污泥濃度控制模式，通過工藝調控和優化，可以最優食微比控制污泥濃度，實現水廠的穩定運行及精細化管理，從而達到在達標排放的情況下同時節能降耗的目的。