利用中水系統解決二沉池冬季穩定運行的運營實踐

李 鵬，張 強，夏海霞

(北京恩菲環保股份有限公司，北京 100038)

冬季污泥膨脹是采用活性污泥法的城市污水處理廠運行常見問題，而低溫是引起冬季污泥膨脹的主要外部誘因[1]。污泥膨脹通常分為絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹。絲狀菌膨脹是由于絲狀菌大量繁殖，活性污泥絮體結構變得過度松散，污泥壓縮性能變差，沉降性也變差。非絲狀菌膨脹是由于菌膠團微生物代謝異常，分泌大量具有高黏度的親水性多糖類物質或者胞外聚合物，這些物質聚集在活性污泥絮體表面，與水結合形成一種狀態穩定的膠體，導致污泥結合水含量劇增，污泥密度、壓縮性及沉降性變差[1-4]。在低溫條件下，隨著反應溫度的降低，活性污泥代謝能力變差，胞外聚合物積累，是導致活性污泥沉降性能變差的直接原因[5]。當活性污泥發生膨脹時，污泥混合液在進入二沉池后泥位持續升高，若不加控制會引起大量活性污泥流出出水堰，最終導致活性污泥流失和出水超標。針對污泥膨脹問題，國內外研究者進行了大量研究，控制方法可分為藥劑投加控制和工藝參數調整兩大類[4,11]。本文針對西北L市污水處理廠每年冬季發生污泥膨脹的因素進行分析，介紹了采取結合中水系統進行技改以期降低二沉池的表面負荷來保障系統的穩定運行，為類似污水處理廠運營技改提供參考。

1 污水處理廠基本情況

西北L市Y污水處理廠(以下簡稱Y廠)設計規模為26萬m3/d，工藝流程如圖1所示。一期工程(10萬m3/d)和二期工程(16萬m3/d)均采用AAO工藝，尾水排放執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準。該污水處理廠收集處理L市生活污水和少量工業廢水，設計進出水水質指標如表1所示。現有建構筑物按照建設年代分為老系統和新系統。老系統二級處理部分主要有3格生物池和6座Φ30 m二沉池。新系統二級處理部分主要有2格生物池和4座Φ50 m二沉池。老系統二沉池處理規模為8萬m3/d，由6座Φ30 m直徑的中進周出二沉池組成，二沉池池邊有效水深為3.6 m，峰時表面負荷為1.02 m3/(m2·h)，均時表面負荷0.79 m3/(m2·h)。新系統二沉池處理規模為18萬m3/d，由4座Φ50 m直徑的周進周出二沉池組成，二沉池池邊有效水深為4.8 m，峰時表面負荷為1.24 m3/(m2·h)，均時表面負荷為0.96 m3/(m2·h)。

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

表1 設計進出水水質指標Tab.1 Design Influent and Effluent Quality

2 污水處理廠冬季運行存在的問題

2.1 日進水量波動大

Y廠2015年平均日進水量為17萬～18萬m3/d，日進水水量波動較大且規律性強，白天小時進水水量為9 000～11 500 m3/h，夜間小時進水水量為4 000～6 000 m3/h。Y廠2015年1月某典型日進水水量變化情況如圖2所示。

圖2 某典型日進水水量變化曲線Fig.2 Variation Curve of a Typical Day Inflow

由圖2可知，Y廠白天最大時進水量為11 500 m3/h，夜間最低時進水量為4 500 m3/h，平均時進水量為8 000 m3/h。當日時變化系數按照最大時進水量/平均時進水量核算值為1.44，已超過原設計總變化系數1.3，對二沉池的穩定運行造成很大風險。

2.2 冬季運行污泥膨脹情況頻發

自2011年運行以來，Y廠每年冬季污泥發生膨脹，污泥容積指數(SVI)不斷升高，在2月—3月達到頂峰，接近300 mL/g。Y廠歷年水溫變化趨勢基本相同，水溫自11月由18 ℃左右開始急劇下降，至第二年4月底恢復至18 ℃以上，1月底達到最低點，為12 ℃左右。根據Y廠實際運行數據，統計2014年11月—2015年4月新系統生物池活性SVI與水溫變化情況[7-8]。如圖3所示，可見水溫與活性SVI具有相關性。同時，對生物池活性污泥進行鏡檢(圖4)，發現活性污泥絮體松散，無絲狀菌存在，因此，可以判斷Y廠屬于低溫非絲狀菌污泥膨脹[6]。

圖3 冬季生物池活性污泥SVI和水溫變化曲線Fig.3 SVI and Water Temperature Variation Curve of Activated Sludge in Biological Pond in Winter

圖4 活性污泥鏡檢圖 (160倍)Fig.4 Microscopic Examination of Activated Sludge (160 Times)

冬季居高不下的SVI在一定程度上影響了活性污泥在二沉池中的泥水分離效果，尤其在2015年初，老系統暫未啟用，新系統日均進水水量達到17萬～18萬m3/d，接近滿負荷運行狀態，新系統SVI平均值為250 mL/g，最高達到300 mL/g，導致新系統清水層高度嚴重不足。2015年1月某典型日新系統1#～4#二沉池清水層變化情況如表2所示，當日新系統處理水量為17萬m3/d，水溫為13.0 ℃，生物池污泥濃度為3.7 g/L，SVI為230 mL/g。在14∶00左右排水高峰時，清水層高度最低為0.2 m，嚴重影響二沉池穩定運行。

表2 某典型日二沉池清水層高度Tab.2 Clear Water Layer Height of Secondary Sedimentation Tanks in a Typical Day

綜上，Y廠運行中存在上述兩方面問題，隨著進水量逐年增加，廠內二沉池穩定運行將存在很大的風險。

3 解決途徑

針對冬季污泥膨脹問題，Y廠首先采用增加活性污泥無機物比例來提高其沉降性的方法。Y廠進水泥沙含量較大，因此，通過超越初沉池使原水直接進入生化池的方法增加活性污泥中無機物質成分比例，可以有效控制SVI在200 mL/g 以下的污泥膨脹[6]。污泥SVI達到300 mL/g左右時，在生物池內投加硅藻土增加活性污泥的無機物質成分，投加量為0.8～1.0 g/L，SVI可降至200～220 mL/g，取得了良好的控制效果。投加硅藻土的優點是操作方便、成本較低；缺點是投加量大，需要連續4～6 d補充投加藥劑，投加過量會增加污泥脫水系統負荷，尤其在冬季污泥脫水系統運行效率較差的情況下，Y廠污泥系統運行壓力較大。隨著Y廠服務區域內收集管網的不斷完善，2016年年初預測2017年底水量將增至23萬～24萬m3/d，若為控制污泥SVI升高投加藥劑，二沉池表面負荷和固體負荷將同步增加，污泥脫水系統壓力陡增，Y廠冬季穩定運行存在著較大隱患。

3.1 利用中水工程的解決思路

2016年L市提出在Y廠內建設中水工程為熱電廠供應工業冷卻水，中水原水取自Y廠紫外消毒渠出水，處理后的水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。中水工程設計總規模為3萬m3/d，其中一期建設1.15萬m3/d，除外送水泵外，其余均按照遠期規模進行建設。通過對Y廠近3年出水數據進行概率分析，只有SS和TP指標達不到一級A標準，中水處理工藝采用機械混凝+斜管沉淀池+精密過濾器工藝。斜管沉淀池通常應用于凈水工藝或污水處理的深度處理工藝，在中小型工程中也可作為二沉池使用[9-10]，因此，在冬季應急期間可利用中水系統的斜管沉淀池作為二沉池，以降低現有新系統的二沉池負荷。

3.1.1 中水工程主要構筑物和設計參數

(1)提升泵房。半地下式鋼砼結構，平面尺寸：L×B=6.5 m×5 m。進水由Y廠內紫外消毒渠出水引至提升泵房，泵房內安裝軸流泵3臺，2用1備，單臺水泵參數：Q=625 m3/h，H=5 m，N=15 kW。

(2)混凝沉淀池。半地下式鋼砼結構，平面尺寸：L×B=32 m×26.3 m。共分為2組，每組處理水量為1.5萬m3/d。設計參數：機械混合75 s，機械絮凝12.8 min(分為3級)，斜管沉淀區上升流速為2.1 m/h(0.58 mm/s)，排泥濃度為5 g/L(含水率為99.5%)，泥量為0.9 t/d(180 m3/d)，PAC投加量為80 mg/L(10% Al2O3)。混合采用兩葉片槳式快速攪拌器2臺。攪拌槳直徑為1.1 m，軸長為5.0 m，功率為5.5 kW。絮凝區采用慢速攪拌器6臺，攪拌槳直徑為1.7 m，軸長為5.0 m，單臺功率為3.0 kW。沉淀區有效沉淀面積為655 m2。斜管長為1.0 m，直徑為100 mm，安裝角度為60°。設行車式刮泥機2臺，功率為0.75 kW。

(3)儲泥池。半地下式鋼砼結構，平面尺寸：L×B=7.0 m×5.3 m。設2臺排泥泵，1用1備，單臺水泵參數：Q=30 m3/h，H=15 m，N=2.2 kW。

(4)過濾間。半地下式鋼砼結構，平面尺寸：L×B=9.9 m×6.9 m。選用回轉式精密過濾器2臺，單臺處理水量Q=20 000 m3/d。過濾器運行電機功率為18.8 kW，反沖洗水量為60 m3/d，沖洗水壓為0.6 MPa，反沖洗水泵功率為3.0 kW，水頭損失為0.55 m。

(5)清水池。半地下式鋼砼結構，有效調節容積V=2 135 m3。

(6)提升泵房。半地下式鋼砼結構，平面尺寸：L×B=11.7 m×6.5 m。泵房內共5臺泵位，近期安裝離心泵3臺，2用1備，單臺水泵參數：Q=240 m3/h，H=150 m，N=185 kW。

3.1.2 中水工程改造主要內容

針對中水系統的斜管沉淀池在冬季應急期間改造為二沉池，且不能影響中水系統正常運行，改造內容如下。

(1)增加生物池混合液提升泵組。將新系統生物池混合液提升至中水提升泵房出水渠。在生物池出水渠上架設4臺軸流泵，單臺水泵參數：Q=625 m3/h，H=3 m，N=15 kW。

(2)增加外回流泵組。設置于中水污泥儲池內，污泥回流至新系統污泥回流泵房出水渠，按照100%回流量進行設置，2用1備，單臺水泵參數：Q=625 m3/h，H=3 m，N=15 kW。

(3)更換斜管沉淀池刮泥機。為保證斜管沉淀池運行效果，設計階段將橋式刮泥機更換為三軸式非金屬鏈條式刮泥機，設置4臺，功率為0.75 kW，刮泥板的速度為0.61 m/min。

3.1.3 處理能力計算

根據Y廠冬季歷年運行經驗，保證二沉池穩定運行的峰時表面負荷需不大于1.00 m3/(m2·h)，均時表面負荷需不大于0.75 m3/(m2·h)。計算得出新系統冬季穩定處理水量為14萬m3/d，老系統冬季穩定處理水量為8萬m3/d，因此，Y廠冬季可穩定處理水量為22萬m3/d。斜管沉淀池作為二沉池其表面負荷為普通沉淀池的2倍，但需要以固體負荷進行核算[9]。斜管沉淀池面積為655 m2，固體負荷取150 kg/(m2·d)(污泥濃度按6.0 g/L計算)，則可處理的水量為1.6萬m3/d，此時斜管沉淀池均時表面負荷為1.05 m3/(m2·h)。若利用中水系統，則Y廠冬季穩定處理水量為23.6萬m3/d，基本滿足預測要求。同步采取投加硅藻土藥劑的方案，可保證系統在冬季穩定處理的水量達到23萬～24萬m3/d。

3.1.4 冬季應急期間中水水質保證措施

根據Y廠冬季歷年運行經驗，二沉池因污泥膨脹導致泥位持續升高的時間為10～30 d，中水系統兼做二沉池的運行時間較短，但需要保證此時間段內的出水水質達到一級A標準，主要控制指標為SS和TP。TP的去除主要依靠化學除磷，SS的去除依靠斜管沉淀池和精密過濾器，SS去除的同時TP也相應去除。因此，在混合池增大PAC投加量，可以提高污泥的壓實性，提升斜管沉淀池泥水分離效果，再經過精密過濾器后，SS和TP可以保證達到一級A標準。由于在此種工況下精密過濾器進水SS會增高，在運行過程中需要增加反沖洗時間防止其污堵。

3.2 運行效果分析

2018年1月底中水系統開始調試，2月1日起開始應急使用，PAC投加量為100～150 mg/L(10% Al2O3)，其水質指標如表3所示。

表3 中水系統運行水質指標Tab.3 Operation Water Quality Index of Reclaimed Water System

由表3可知，中水系統應急期間作為二沉池后其出水水質可以穩定達到一級A標準。運行期間生物池SVI均高于200 mL/g，但并未發生二沉池清水層不足的情況，安全度過了冬季。在斜管沉淀池運行過程中發現了以下問題。

(1)斜管內壁極易黏附活性污泥絮體，并會逐漸加厚，長時間運行后污泥絮體漂浮于池面，嚴重時蜂窩形狀的污泥會沖出斜管，尤其是斜管沉淀池進水端發生頻率較高。運行時需要人工進行清理，防止污泥絮體飄出出水堰造成出水指標升高。建議今后同類工程設計增加斜管自動沖洗系統。

(2)4格沉淀池排泥管道采用并聯同程方式接至儲泥池，實際運行受安裝誤差、排泥閥等阻力影響，造成4格沉淀池排泥不均勻，運行泥位不同，導致處理效果有差別，通過調節排泥閥開度也很難均衡。建議今后同類工程4格沉淀池的排泥管道單獨接至儲泥池，消除4格排泥管路的互相影響。

4 結論

利用中水系統在冬季應急期間作為污水處理廠的二沉池，通過對中水系統增加混合液提升泵和污泥外回流泵，并合理選用斜管沉淀池的刮泥機減少對污泥的擾動等技改措施實現系統的運行。同時，通過提高PAC的加藥量和增加精密過濾器的反沖洗頻率，確保了中水系統達到一級A標準。運行實踐表明，在斜管沉淀池固體負荷小于150 kg/(m2·d)時，斜管沉淀可在應急期間作為二沉池使用，對類似污水處理廠解決冬季二沉池穩定運行提供一定參考。