含余氯工業廢水對不同活性污泥處理工藝的沖擊影響

俞 勇，方 建，李珊珊

(浙江富春紫光環保股份有限公司，浙江杭州 310012)

我國工業化和城鎮化快速發展以來，由于城鎮排水系統的建設、管理存在不平衡，許多地區的城鎮生活污水和工業廢水采用合流制排水[1]，混合后輸送到城鎮污水處理廠進行處理。工業廢水成分復雜，含有較多的化學物質，其中不乏有毒有害污染物[2]。因此，在實際運行過程中，時常有城鎮污水處理廠活性污泥系統被有毒有害污染物沖擊[3-4]，造成污水處理效果下降的情況發生，沖擊嚴重時甚至會造成活性污泥中毒或者崩潰，危害城鎮污水處理廠的穩定運行。

工業廢水中有毒有害污染物對活性污泥的沖擊問題已經引起國內諸多學者的關注，并開展了大量關于沖擊機理和影響程度的研究[5-8]，但是有關不同的活性污泥工藝對有毒有害污染物抗沖擊能力比較的報道較少。本文以浙江某城鎮污水處理廠為例，在受到余氯工業廢水沖擊期間，對廠內兩種不同的活性污泥法的抗沖擊情況進行了研究。通過比較兩種不同工藝對有毒有害污染物的抗沖擊性和恢復能力，以期為評價有毒有害污染物對不同活性污泥工藝的沖擊影響提供基礎數據，為城鎮污水處理廠應對有毒有害污染物的沖擊提供參考。

1 研究對象

1.1 污水處理廠概況

浙江某城鎮污水處理廠污水收集范圍主要包括城區的生活污水和周邊工業園區的廢水，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準[CODCr質量濃度≤50 mg/L，氨氮質量濃度≤5(8) mg/L，其中括號內數值為水溫≤12 ℃時的控制指標]。廠內處理工程分為兩期，一期工程設計規模為0.5×104m3/d，主體處理工藝采用AAO工藝，厭氧、缺氧、好氧的停留時間分別為1.5、4.0、7.2 h，污泥回流比為50%～100%，硝化液回流比為100%～200%。二期設計規模為1.5×104m3/d，主體處理工藝采用改良式SBR工藝，共4組，SBR池池容為4 000 m3，選擇池和反應池的池容比為1∶4，設計充水比為30%，運行周期為6 h。一期工程和二期工程除主體處理工藝外，其他配套的預處理工藝和深度處理工藝均相同，城鎮污水處理廠的整體工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程

1.2 沖擊廢水水質

城鎮污水處理廠周邊化工園區的排水企業主要以化工、造紙和醫藥中間體企業為主，園區排水總量約占污水處理廠總進水量的30%。根據受到沖擊的原因排查，沖擊廢水為園區內某化工企業的排水，該企業排放廢水量為2 500～3 000 m3/d，在生產作業過程中，因發生次氯酸鈉泄漏，造成大量高余氯的工業廢水直接排入污水收集管網，從而進入城鎮污水處理廠。發現沖擊后，對事故企業排水、工業園區排水、污水處理廠進水水質分別進行監測，廢水水質如表1所示。

表1 沖擊廢水進水水質

1.3 活性污泥沖擊和恢復過程

城鎮污水處理廠受到沖擊和恢復的過程分成以下階段：(1)第1 d，AAO和SBR受到沖擊，污泥出現解絮，處理效果下降，排查和切斷上游事故污水源，對進水水量進行控制和向生化池投加應急藥劑；(2)第2 d，AAO和SBR的出水水質持續惡化，AAO先出現超標現象，加大應急藥劑投加量，對管網中的廢水采取除氯措施；(3)第5 d，AAO和SBR的出水水質得到控制，指標逐漸穩定，向生化池投加和置換活性污泥，逐步恢復水量；(4)第7 d，SBR的出水水質恢復，SBR向AAO回流部分剩余污泥，加速AAO的恢復；(5)第11 d，AAO的出水水質恢復，事故處置結束。

2 研究內容

2.1 研究對象

在受到沖擊和恢復階段，對AAO和SBR的進出水水質、污泥濃度、沉降性能、DO等參數進行監測和分析。AAO和SBR存在工藝差異，且城鎮污水處理廠的運行管理是動態管理，工藝參數隨著運行情況和出水數據實時調整，因此，為了準確地比較AAO和SBR抗沖擊和恢復程度，采用可以離線測定的污泥指數(SVI)、比耗氧速率(SOUR)等指標進行對比。

2.2 采樣頻率和地點

對一期AAO和二期1號SBR池進行指標對比，由于SBR的運行周期為6 h，取樣頻率確定為12 h或24 h一次。AAO和SBR的出水分別取自二沉池和1號SBR池末端(潷水時)，污泥混合液分別取自AAO好氧池末端和1號SBR池末端(曝氣即將結束時)。

2.3 檢測方法

CODCr和氨氮的檢測采用國標法(重鉻酸鹽法和納氏試劑分光光度法)；SVI通過測定SV30和污泥濃度計算得出；耗氧速率(OUR)測試方法為取定量曝氣池混合液置于測試瓶中，加入適量NaHSO3除去余氯，曝氣至DO濃度達到飽和，加入適量葡萄糖和NH4Cl，用安裝DO電極的橡皮塞密封，在恒溫下進行攪拌，測定DO濃度隨時間變化的斜率，計算OUR。由于活性污泥分別來自AAO和SBR，為提高準確性，SOUR以可揮發性懸浮固體(MLVSS)計算。

3 結果和討論

3.1 AAO和SBR在不同階段的出水水質變化

污水處理廠受到沖擊前，AAO和SBR出水的CODCr平均質量濃度為28.6 mg/L和26.9 mg/L，氨氮平均質量濃度為0.61 mg/L和0.75 mg/L。在受到余氯廢水沖擊時，次氯酸等含氯化合物會對微生物的細胞壁以及細胞內的蛋白質酶造成氧化和破壞，對活性污泥中的微生物產生抑制和致毒作用[9]，導致微生物死亡。同時，余氯會與活性污泥的胞外聚合物(EPS)中的蛋白質、多糖和核酸反應，減少微生物分泌的EPS[10]，導致活性污泥解絮、處理性能下降。由圖2和圖3可知，當城鎮污水處理廠發現余氯廢水沖擊時，活性污泥已經受到一定程度的影響，硝化功能首先受到抑制，對氨氮進行應急監測，AAO出水氨氮質量濃度達到3.25 mg/L，SBR出水氨氮質量濃度達到1.24 mg/L，均已高于正常值。隨著時間的增加，AAO和SBR的出水CODCr也逐步出現惡化。到第12 h，AAO的出水氨氮和CODCr含量先后上升，最后超標，SBR的出水氨氮和CODCr也逐步上升到臨界值。污水處理廠根據沖擊原因采取了對管網廢水進行除氯、控制進水流量和投加硫酸亞鐵、粉末活性炭等應急措施后，到第24 h，SBR的出水水質指標含量上升速率得到控制，趨勢有所放緩。但AAO的出水氨氮含量仍在繼續上升，說明在受到余氯廢水的沖擊階段，AAO的活性污泥受到的沖擊更大，對水質影響更嚴重。AAO的出水CODCr含量在24～72 h出現先下降后上升的現象，主要原因是城鎮污水處理廠投加了粉末活性炭，對CODCr有吸附效果，后又因存量不足停止了投加。為保障出水達標，污水處理廠從鄰近污水處理廠緊急調運活性污泥和應急物資，對AAO和SBR加大投加力度。第96 h時，AAO出水的氨氮和CODCr質量濃度達到峰值(11.40 mg/L和71.4 mg/L)，SBR出水質量濃度分別達到6.12 mg/L和51.6 mg/L，隨后水質逐漸趨于穩定。第108 h和144 h，SBR出水的CODCr和氨氮質量濃度分別降到50.0 mg/L和5.00 mg/L以下，恢復達標。第180 h，SBR出水的CODCr和氨氮質量濃度分別為25.4 mg/L和2.20 mg/L，處理性能基本恢復正常。此時AAO的出水指標仍未恢復，CODCr和氨氮質量濃度分別為49.8 mg/L和8.10 mg/L，高于SBR出水。為加快AAO的恢復，將SBR的部分活性污泥通過回流系統投加到AAO中，到第276 h，AAO出水的氨氮質量濃度也下降到5.00 mg/L以下，系統恢復正常。

圖2 沖擊進水期間AAO和SBR出水CODCr變化

圖3 沖擊期間AAO和SBR出水氨氮變化

3.2 SV30和SVI的變化

SV30和SVI是衡量活性污泥沉降性能的重要指標，反映了活性污泥的凝聚和松散程度。SV30和SVI過高，除了可能引起出水SS升高，還會造成活性污泥微生物流失，影響其他指標的處理效果。在受沖擊之前，污水處理廠AAO活性污泥的SV30和SVI平均值分別為26%和76 g/mL，SBR活性污泥分別為24%和72 g/mL。對沖擊和恢復階段的活性污泥進行了監測，SV30和SVI結果如圖4和圖5所示。隨著余氯廢水的沖擊，AAO和SBR中的活性污泥出現絮體解絮，沉降性出現下降，AAO的表現尤為明顯，活性污泥的SV30最高達到95%，SVI最高超過300 g/mL，現場二沉池的澄清液非常渾濁，出現嚴重的漂泥現象。城鎮污水處理廠采取控制處理水量、投加硫酸亞鐵和粉末活性炭等藥劑后，仍未能控制SV30和SVI的上升，直到城鎮污水處理廠投加從臨近污水處理廠調集的活性污泥后，AAO的SVI才逐步回落到200 g/mL以內。對沖擊后的AAO活性污泥進行鏡檢，發現活性污泥中僅剩下以絲狀菌為主體的骨架，骨架上附著的菌膠團基本解絮，原、后生動物完全消失，活性污泥的性狀明顯下降。SBR在受到沖擊后，SV30和SVI也出現上升，但上升幅度明顯小于AAO，SBR的SVI峰值出現在第48 h，達到173 g/mL，在投加活性污泥后，SVI回落到150 g/mL左右，后期始終保持在100 g/mL左右。SBR的SV30峰值可達到65%，潷水器潷水時，除在潷水末期有短暫性跑泥外，其他時間出水SS沒有明顯升高，在鏡檢時活性污泥中仍能發現少量活動的原、后生動物，說明余氯廢水對SBR活性污泥的總體影響程度低于AAO。

圖4 沖擊期間AAO和SBR的SV30變化

圖5 沖擊進水期間AAO和SBR的SVI變化

3.3 活性污泥SOUR的變化

活性污泥SOUR是指單位質量活性污泥在單位時間所利用DO的量，可以間接表征活性污泥的活性[11]和進水的毒性特征。根據文獻報道，活性污泥的SOUR值通常為8.00～20.00 mg O2/(g MLSS·h)[12]，若實際SOUR值過低，可能原因是活性污泥負荷低下或者進水中含有有毒物質，抑制了微生物的活性。為研究余氯廢水對AAO和SBR的沖擊程度，對沖擊期間AAO和SBR的活性污泥SOUR進行了監測。考慮到AAO和SBR污泥濃度中的MLVSS/MLSS不同，為有效進行對比，污泥濃度按照MLVSS計算。根據監測，污水處理廠AAO和1號SBR池的MLVSS/MLSS平均值為0.42和0.49。由圖6可知，AAO和SBR的SOUR變化曲線呈現為先降后升，谷值分別出現在第48 h和第96 h，說明余氯廢水對活性污泥的沖擊在第48 h前已經完成。在污水處理廠采取了對管網廢水進行除氯、控制進水流量、投加硫酸亞鐵和粉末活性炭等應急措施后，余氯廢水沖擊的來源基本消除。AAO和SBR的出水水質繼續惡化主要是活性污泥的處理效果降低，反應池中的污染物總量增加造成。隨著時間的推移，AAO和SBR活性污泥的SOUR值逐漸恢復，但是上升幅度較慢。到288 h，AAO和SBR池活性污泥的SOUR值分別為3.50 mg O2/(g MLSS·h)和6.28 mg O2/(g MLSS·h)，低于8.00 mg O2/(g MLSS·h)，推測主要原因可能與當時水溫較低(10.5 ℃左右)、微生物的增殖速率較低有關。此時，AAO和SBR出水指標得到控制，主要原因是進水污染物濃度不高，且通過投加活性污泥和減少排泥增加了污泥濃度，降低了污泥負荷。從AAO和SBR的對比情況看，不管是受沖擊還是恢復階段，SBR活性污泥的SOUR值明顯高于AAO，第288 h時，SBR活性污泥的SOUR值比AAO高出79%，說明SBR的活性污泥受沖擊影響較小。

圖6 沖擊進水期間AAO和SBR的SOUR變化

3.4 沖擊對活性污泥微生物的影響

為研究活性污泥受到余氯廢水沖擊后的恢復情況，對AAO和SBR的活性污泥做高通量測序。發現兩種活性污泥門水平上的主要細菌種類為12種，其中Proteobacteria(變形菌門)相對豐度比例最高，分別為33.35%和30.61%，其他相對豐度比例高于10%的還有Actinobacteria(放線菌門)、Chioroflexi(綠彎菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)，其中AAO活性污泥中放線菌門和綠彎菌門相對豐度比例與SBR差異較大，AAO中分別為16.98%和12.04%，SBR中分別為11.91%和20.79%。對門、綱及以下的相對豐度較高的細菌進行統計，微生物的相對豐度分布如圖7所示。AAO和SBR的活性污泥中，豐度較高的微生物群為絲狀菌和反硝化菌為主，其中絲狀菌占比最高，主要的絲狀菌包括Microthrix(微絲菌)、Trichococcus(明串珠菌屬)和Tetrasphaera，反硝化菌占比其次，菌種以Anaerolineae(厭氧繩菌綱)和Flavobacterium(黃桿菌屬)為主，起硝化作用的Nitrosomonas(亞硝化單胞菌屬)和Nitrospira(硝化螺旋菌門)豐度較低。說明AAO和SBR池的活性污泥受到余氯廢水沖擊后，絲狀菌的影響程度較小，因此，活性污泥中相對豐度最高，推測主要原因是作為骨架的絲狀菌被包裹在活性污泥絮團內部，接觸余氯濃度較小所致。活性污泥受到沖擊時硝化功能影響最嚴重，從圖中也可以看出，硝化菌豐度明顯低于反硝化菌等其他菌群，說明硝化菌受到的沖擊最為嚴重，恢復速度也最慢，主要是硝化菌較為脆弱、世代周期長和當時水溫較低所造成。AAO與SBR相比，活性污泥中絲狀菌的豐度高于SBR，但硝化菌和Myxococcales(黏球菌目)等CODCr降解菌群的豐度均少于SBR，與出水氨氮、CODCr數據能夠相對應，也說明SBR的活性污泥在耐沖擊和恢復方面要優于AAO工藝。

圖7 AAO和SBR活性污泥主要微生物相對豐度分布

4 結論

(1)通過浙江某城鎮污水處理廠的沖擊影響和應急處置研究發現，余氯廢水會對AAO和SBR的活性污泥造成不同程度的沖擊，對出水水質造成影響。通過對管網廢水除氯、進水流量控制和投加藥劑等應急措施，可以消除余氯廢水的沖擊。但是對于已經被沖擊的活性污泥，處理功能恢復需要較長的時間，投加活性污泥可以加快恢復速度。

(2)AAO和SBR的活性污泥受到余氯廢水沖擊時，出水指標中氨氮比CODCr受到的影響最大。活性污泥的SV30和SVI均會出現不同程度的上升，污泥沉降性變差，活性污泥的SOUR降低，活性污泥中的絲狀菌成為優勢菌群，硝化菌豐度減小。在相同的沖擊和應急措施條件下，SBR工藝在抗沖擊性和恢復方面表現均要強于AAO工藝。說明SBR作為典型的完全混合處理工藝，對有毒有害污染物有較強的緩沖、稀釋作用[13]，抗沖擊能力優于推流式工藝。對易受有毒有害污染物沖擊的污水處理廠，SBR工藝的運行穩定性要高于AAO工藝，活性污泥抗沖擊能力更強。

(3)隨著國家對城鎮污水處理要求的提高，在城鎮污水處理廠新一輪的提標改造過程中，為加強脫氮除磷，一部分SBR工藝被改造成AAO等連續流工藝，在處理效果上得到了提高，但在活性污泥抗沖擊性上卻可能出現下降。因此，對于易受有毒有害污染物沖擊的SBR工藝污水處理廠，改造時需結合實際慎重考慮。