城鎮污水處理廠全流程水質管理方法分析

洪 濤

(廣州市凈水有限公司，廣東 廣州 510655)

1 凈水廠概況

大沙地凈水廠隸屬廣州市凈水有限公司，服務面積約為107 km2，設計污水處理規模為45萬t/d，服務人口約80.6萬人，尾水排放至珠江前航道，最終匯入珠江。

大沙地凈水廠分兩期建設，一期項目污水處理主體構筑物為地上式布置，于2009年1月投入試運行，設計污水處理規模為20萬t/d，污水處理工藝采用改良A2/O工藝，提標改造工程采用生物濾池、砂濾池三級處理工藝；二期項目污水處理主體構筑物為地埋式布置，于2020年6月15日投入試運行，設計污水處理規模為25萬t/d，污水處理工藝采用MBR膜工藝。一、二期出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準和地表V類水標準的較嚴值。

2 低負荷運行帶來的工藝調控挑戰

2.1 2020—2022年提升量變化趨勢

根據2020—2022年大沙地進水總提升水量月度日均值的統計，從總體趨勢而言，有逐年遞增的現象。其中，2020年度總提升量月度日均值區間在19.22萬～29.07萬t/d，2021年度總提升量月度日均值區間在19.16萬～35.80萬t/d，2022年度總提升量月度日均值區間在25.11萬～45.17萬t/d(2022年度數據統計至6月)。

2.2 處理負荷分析

根據上面提到的總提升量日均值變化趨勢，大沙地廠自2020年6月二期廠區投入生產至今，在處理負荷率方面存在著部分生產線負荷率偏低的情況。

以2021年為例，提升量日均值全年最低的2月份，一期提升量日均值為12.19萬t/d，二期提升量日均值為6.98萬t/d，負荷率分別為60.95%和27.92%；提升量日均值全年最高的6月份，一期提升量日均值為17.76萬t/d，二期提升量日均值為18.04萬t/d，負荷率分別為88.80%和72.16%。由此可見，大沙地廠枯水期(每年的11月至次年3月)總提升量日均值為19萬～25萬t/d，總處理負荷率為42.6%～55.56%；而豐水期(每年的4—10月)，受南方較為規律的汛期影響，總提升量日均值能上升至28萬～45萬t/d，總處理負荷率則能達到62.22%～100%。

2.3 長期低負荷運行對污水生物除磷的影響

根據具有大沙地廠特性的處理負荷率，結合大沙地進水碳源濃度(下以BOD5濃度表征)和污泥負荷等數據，大沙地一期和二期廠區均存在污泥負荷未達到設計污泥負荷的情況，其中一期設計污泥負荷為0.11 kg BOD5/kg MLSS·d和二期設計污泥負荷為0.10 kg BOD5/kg MLSS·d，根據相關專家研究，當污水處理系統處在較常或者長期低負荷運行的情況底下，聚磷菌細胞內的PHB容易因低負荷運行條件下的曝氣情況不穩定導致被或多或少地消耗，誘發聚磷菌在厭氧環境下的釋磷不理想，直接引起聚磷菌在后續好氧段的吸磷量受限制，導致生化池出水總磷上升，需要投加更多的除磷劑進行化學除磷補強。

就大沙地現行的處理負荷率而言，在處理負荷率低下的情況時，進水水質濃度的變化對好氧段溶解氧濃度的影響較為明顯，較常出現溶解氧濃度急升或者急降的情況，導致厭氧段和缺氧段環境受影響，生化池生物除磷效果引起波動。因大沙地一期和二期曝氣系統現行均未能實現精確曝氣調節的功能，因此為好氧段曝氣穩定調控帶來了不小的壓力。

2.4 一期全流程分析優化

針對上述處理負荷情況，大沙地廠現行實施一、二期生產線按以下方式運行，盡可能做到低負荷時段保證過程參數穩定，確保出水水質達標。

2.4.1 低負荷時段

當處于進水低負荷時段(一、二期總進水量不大于10 000 m3/h)，進水水量減少，進水主要由一期廠區消化。此時段將進水的60%～70%(水量為7 000～8 000 m3/h)交由一期生產線處理，余下的水量(2 000～3 000 m3/h)則由二期廠區處理。二期在低進水量期間進行單線運行，另外一條生產線以少量進水甚至停進水的形式運行，保證有足夠時間的水力停留時間供生化反應，處理生產線內的各類指標，并且能夠相應降低投用設備的運行壓力，甚至減少鼓風機、回流泵等的投用臺數。

G市遏制腐敗增量效果并不理想，腐敗案件呈上升趨勢。據調研數據顯示，總體來看，2017年，全市共受理群眾舉報9147件，同比增加23.5%；處置問題線索4887件，同比增加18.4%。其中，初步核實線索4556件，同比增加25.8%，初核轉立案1690件，同比增加49.0%；立案1917件，涉及1924人，同比分別增加42.6%和43.2%；結案1861件，同比增加38.3%；處分1725人，同比增加39.2%；從基層視角看，2017年全市立案涉及鎮(街)、農村基層的案件855件，增加32.1%。其中，關于扶貧領域違紀違法問題線索61條，查結48件，立案審查25件。

2.4.2 正常負荷時段

當處于正常進水時段(一、二期總進水量10 000～12 600 m3/h)，一期仍處理大部分的進水。當一期處理水量達到8 333 m3/h后，提高二期單線運行進水量。

2.4.3 高負荷時段

當處于高進水負荷時段(一、二期總進水量不小于13 000 m3/h)，將進水水量調配至一期滿負荷，其余水量轉至二期廠區。此時段二期東、西線生產線實行單邊滿負荷入水，其余進水由另一條生產線消化(進水水量單線滿負荷約5 200 m3/h)。

3 加強全流程水質管理措施

根據大沙地廠自2020年1月—2022年5月的部分進水指標情況，進水總磷濃度超過設計值的情況出現較為頻繁。

以2021年為例，1—12月進水總磷濃度日均值在3.22～7.96 mg/L，其中只有6月的進水總磷濃度低于設計標準4 mg/L，其余月份均比進水設計標準高；2022年1—5月，其中只有5月的進水總磷濃度低于設計標準。

由于聚磷菌在厭氧釋磷的過程中需要消耗原水中的碳源，反硝化菌在生物脫氮的過程中也需要利用碳源進行反硝化反應。因此，當進水COD濃度下降且持續時間較長，尤其是C/P低于40或C/N低于5時，較易導致聚磷菌在后續好氧段的吸磷能力變差，超進水總磷設計處理標準這段水中濃度較高的磷元素則隨著生化池出水流至后續工藝段，最終導致出水總磷濃度升高。2021年度部分進水指標數據如圖1所示。

圖1 2021年度部分進水指標數據

3.1 應對措施

3.1.1 一期生化池工藝流程和控制點位分布

圖2 一期生化池全流程監測控制點位圖

3.1.2 二期生化池工藝流程和控制點位分布

根據二期工程MBR工藝生物脫氮除磷原理，以及一期前期全流程監測控制點位的探索，其全流程控制點分布如圖3所示，選取好氧3段末端(取樣點1)為氨氮和總氮控制點，缺氧二區中段(即后缺氧段，為可變段，取樣點2)為總磷控制點，缺氧一區4段(取樣點3)和生化池出水口(取樣點4)為硝酸鹽氮控制點，其中取樣點4為非日常水質控制點，暫定為通過快速測試取樣點上清液硝氮濃度，判斷是否需要投加碳源和投加碳源前后生物脫氮效果，進行相關水質指標過程檢測。

圖3 二期生化池工藝流程和控制點位分布

3.2 一期工藝沿程氮含量變化及異常情況應對方案

圖4是2021年6—7月凈水廠一期工藝沿程氮含量變化情況。由圖可以看出，進入生化池的氨氮經過好氧段硝化反應后基本轉化為硝酸鹽氮，好氧末端上清液氨氮濃度明顯下降，穩定控制在0.5 mg/L以下。好氧段硝酸鹽氮通過混合液內回流至缺氧段進行反硝化反應，其濃度得以減低。最終出水總氮濃度控制在7.67 mg/L，氨氮濃度控制在0.09 mg/L左右。通過對缺氧末段硝酸鹽氮及好氧中末段氨氮的監測，可以及時了解硝化和反硝化情況，從而進行工藝調控。

圖4 一期工藝沿程氮含量變化情況

日常針對缺氧末段和好氧末段監測值，當缺氧末段硝酸鹽氮濃度不小于4 mg/L或好氧末段硝酸鹽氮和氨氮之和不小于11 mg/L時將采取以下措施。

1)提高內回流比，控制好氧末段DO在0.5～2 mg/L，監控缺氧段溶解氧濃度，確保缺氧段DO濃度小于0.5 mg/L，避免過高溶解氧影響缺氧環境。

2)考慮調整進水閘門，增加缺氧段進碳源配比，當進水C/N小于5時，在缺氧段投加乙酸鈉，并在碳源投加后3 h在缺氧末段取樣點采上清液進行硝酸鹽氮快速測試。

3)適當提高外回流比，提高反應池污泥濃度，同時稀釋進入生化池的進水水質濃度。

3.3 一期工藝沿程總磷含量變化及異常情況應對方案

圖5是2021年6—7月凈水廠一期工藝沿程總磷含量變化情況。日常監測時，以保證穩定控制缺氧末段硝酸鹽氮濃度小于等于4 mg/L為優先，留意好氧中段和好氧末段總磷濃度變化趨勢，及時調整除磷劑投加量，保障出水總磷穩定達標。

圖5 一期工藝沿程總磷含量變化情況

針對好氧末段監測值，當總磷濃度大于等于0.20 mg/L時將采取以下措施。①調整內外回流比，延長厭氧段停留時間，控制厭氧段DO小于0.2 mg/L。②調整厭氧段進水閘門，增加厭氧段碳源配比。③適當加大排泥量，加大硫酸鋁投加量。

3.4 二期工藝沿程氮含量變化及異常情況應對方案

圖6是2021年6—7月凈水廠二期工藝沿程氮含量變化情況。針對好氧3段的監測值，當總氮濃度(或硝態氮和氨氮之和)不小于10 mg/L時將采取以下措施。①調整一、二級回流比，控制好氧3段DO在1～3 mg/L，監控缺氧二區溶解氧濃度，確保缺氧二區DO在0.5 mg/L左右，避免過高溶解氧影響缺氧環境。②調整進水1#～4#分閘門，增加缺氧一區進水碳源配比，當進水C/N小于5時，計算實時水力停留時間，在缺氧二區投放碳源。

圖6 二期沿程氮含量變化情況

3.5 二期工藝沿程總磷含量變換及異常情況應對方案

圖7是2021年6—7月凈水廠二期工藝沿程總磷含量變化情況。針對好氧3段和缺氧二區之間的總磷濃度變化，當好氧3段總磷濃度不小于0.30 mg/L或缺氧二區總磷濃度有明顯上升時，將采取以下措施。①調整一、二級回流比，延長厭氧段停留時間，控制厭氧段DO小于0.2 mg/L。②調整進水1#～4#分閘門，增加厭氧區碳源配比。③適當加大排泥量，加大硫酸鋁投加量。④缺氧二區作為可變區，當總磷濃度數值升高時，調整該區域的曝氣量，抑制其異常釋磷情況。

圖7 二期沿程總磷含量變化情況

4 結語

大沙地凈水廠針對現行存在的日常進水總磷濃度偏高等處理難點，通過加強全流程水質管理，進一步增強了對不同時間段、不同工藝段水質變化情況的監測和調控，取得了良好的效果，確保出水指標達標且優于設計標準。后續將繼續加強工藝改進優化，落實提質增效和節能減排工作。