活性污泥重金屬中毒的工藝調控方法與對策

楚金喜，呂 丹,*，賈清龍，王保貴，許 穎

(1.中原環保股份有限公司，河南鄭州 450000；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱 150000)

隨著我國城鎮化建設進度的不斷加快，國家各級政府及相關部門加強了對城市污水處理的重視程度，加大了對污水治理的資金投入和力度，國內各個城市對不同種類污水的處理設施也逐漸完善，但由于城市舊城區的規劃、人為的部分排放等，工業廢水在一定程度上仍有混入城市生活污水處理系統的風險。近年來，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]。在活性污泥系統內，微生物在新陳代謝過程中大量消耗污水中的可降解有機物、去除氮磷，實現污水凈化。但是活性污泥系統在運行過程中，易受到外界環境和進水水質的影響，如低溫、金屬離子和有毒工業廢水等[3-7]。其中，礦冶、化工、電子、儀表等工業在生產過程中會排出含重金屬的廢水，流入排水管網并最終進入污水處理廠，會引起活性污泥中毒，從而顯著降低污染物去除效果[8-10]。目前，國內外對此的研究主要集中在調查特定金屬離子對活性污泥系統的影響[11]，并根據試驗結果得出金屬離子的抑制濃度，以及對重金屬污泥中毒后的指標測定等。但對重金屬中毒前期，根據工藝指標形成預警機制以及中毒后工藝恢復綜合措施的研究仍舊較為薄弱。因此，降低重金屬廢水對活性污泥的影響、及時恢復污泥活性，成為污水處理廠的重要工作內容。本文以河南某污水處理廠為研究對象，重點介紹了活性污泥重金屬中毒事件中前期工藝指標的波動和水廠采取的綜合應急措施，以及恢復后如何形成系統的預警機制及恢復的具體流程，可為污水處理廠運行中處理同類事件提供借鑒。

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，處理規模為10萬t/d，出水執行《賈魯河流域水污染物排放標準》(DB 908—2014)中的鄭州市排放限值。該廠進水中工業廢水占比約為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個系列，正常運行時污泥濃度維持在(4 500±500) mg/L，水力停留時間(hydraulic retention time，HRT)、污泥停留時間(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(sludge volume index，SVI)維持在(45±10) mL/g。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(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，進水總磷(total phosphorus，TP)為(5±1.5) mg/L，進水氨氮(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均采用在線監測系統測定，測定方法均為標準方法[12]。鉛、鉻、銅和鎘等金屬元素采用等離子發射光譜儀測定(Thermo Fisher，ICAP7200，美國)，砷和汞采用原子熒光光度計測定(普析PF32，北京)，溶解氧(dissolved oxygen，DO)采用在線監測設備測定(HACH，DY3000，美國)，顯微鏡觀察采用Olympus CX31顯微鏡(日本)。

2 污泥中毒判斷與現象表征

2019年6月—2020年3月，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，異常當天在精準曝氣運行模式下，生物池DO急劇升高，污泥沉降性變差。取樣做微生物鏡檢，發現原生動物及后生動物活性較差；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，后續依據實際情況進行相關工藝調控后恢復。本節主要介紹污泥中毒的判斷及具體中毒現象的表征。

2.1 DO顯著升高

城市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[13]。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DO的利用效率下降，在同等曝氣條件下，生物池內的DO會快速升高，基于該現象，陳亞松等[14]以DO為指示參數，用于污泥中毒事件的預警。

本文涉及的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，由圖2可知，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系列進水水量基本均等，而2系列進水水量相對較低。

圖2 重金屬廢水沖擊前后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仍居高不下，主要呈現為較低氣水比下DO依舊異常升高，與研究者所闡述現象內容基本印證，由此可得出二者有一定的對應關系。該廠以DO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。

2.2 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[15]。其中，鐘蟲、輪蟲等為最常見的原生動物。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，系統內鐘蟲形態完好活性較強；重金屬廢水沖擊后，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。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。

圖3 原生動物鐘蟲在重金屬廢水沖擊后斷柄閉口現象Fig.3 Morphological Changes of Protozoa before and after the Impact of Heavy Metal Wastewater

2.3 重金屬含量測定

在發生進水異常時，取異常進水進行重金屬含量檢測，結果如表1所示。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，異常水質進水總砷質量濃度為2.2～13.6 μg/L，進水總汞質量濃度為0.12～0.46 μg/L，均明顯高于水質正常時重金屬濃度；進水pH及氯化物指標濃度與正常進水指標相比變化不大，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。

表1 異常進水和正常進水中重金屬濃度對比Tab.1 Comparison of Heavy Metal Concentrations in Abnormal and Normal Influent Water

2.4 沉降性能下降

正常運行狀態下，活性污泥的沉降性能良好，各生物池內SVI維持在(45±10) mL/g。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，上清液呈棕黃色且有羽片狀絮體懸浮，各生物池內SVI升高至(80±10) mL/g。與此同時，發現二沉池出水中含有大量懸浮物和污泥絮體，出水渾濁度升高(俗稱“翻池”)。

2.5 污染物去除效率下降

圖4為污泥中毒前后3個生物池系列出水氨氮和TP的變化情況，每2 h測試1次數據。由圖4可知，在正常運行狀態下，3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，3個系列生物池出水氨氮最高濃度達到6.04、1.62 mg/L和5.62 mg/L，出水TP最高濃度分別達到3.15、2.38 mg/L和3.01 mg/L，均出現大幅升高。這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。

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，精準曝氣運行模式下，生物池DO急劇升高，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，停水悶曝對恢復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，運行人員解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，不能同時滿足3個系列高DO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DO曝氣激發活性，最后根據監測數值進一步調整另外兩個系統。

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后出水氨氮濃度開始低于1.0 mg/L；11 h后重新開始進水，出水氨氮穩定在1.0 mg/L以下；17 h后將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。

3.3 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[16]。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。

3.4 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[16]。發現污泥中毒后，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，迅速提高生物池內有效活性污泥的濃度，保障正常出水。

3.5 加大水質監測頻次

污水廠運行正常時，每天取一次混合樣進行水質分析化驗。發生污泥中毒后，水廠增加取樣頻次，每2 h取一次生物池活性污泥樣品，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，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。

3.6 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[17]。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取一次生物池活性污泥樣品，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并達到預警值后，中控系統自動調大DO、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。

4 結論

綜上，在該廠遭遇污泥重金屬中毒及恢復過程工藝調控事件中，可總結出重金屬污泥中毒特征及相對應工藝調控措施結論。

4.1 活性污泥中毒表征

(1)好氧池內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)進水取樣化驗重金屬、氯離子或其他有毒有害物質含量大幅上漲。

(4)生物池內菌膠團結構凝聚性及沉降性下降，SVI升高。

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

4.2 相應工藝調控措施

(1)激發微生物活性：中毒系列通過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)快速排出系統有害物質：增大污泥回流比至100%補充生物池有效活性污泥，加大剩余污泥排放量，通過“大回流、大排泥”的方式達到快速排出有害物質，恢復生物池工藝處理整體效果目的。

(3)風險預防及數據監測：日常運行期間，定期進行常規工藝指標及中毒后指標數據測定，確定生物系統敏感點及數據警戒點，做好風險預防及數據監測工作，降低污泥重金屬中毒風險及影響。

(4)形成完整響應及恢復機制：事件初期根據污泥中毒特征判斷是否發生污泥中毒；事件中以工藝數據為參考及時調整恢復手段及運行機制，跟蹤恢復數據，保證系統快速恢復；事件后結合恢復遇到問題增加相關設備及中毒預警系統，進行事件總結并優化響應及恢復機制。