王榮紅，范小龍，毛 迪，易海明，王 寧，馬園園，張得位

（鄭州市污水凈化有限公司，河南鄭州 450044）

水是人類賴以生存的重要資源，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，國內(nèi)污水排放量逐年增加，尤其是城市生活污水氮磷超標(biāo)排放，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮h(huán)境惡化，因此氮磷控制排放就顯得尤為重要〔1-3〕。為緩解水環(huán)境壓力、降低污染物排放量、增強(qiáng)水體自凈能力〔4〕，國務(wù)院指示要不斷加大污水處理力度，為城市污水處理廠處理能力和出水水質(zhì)提出更高要求。

鄭州某污水處理廠采用的“多點(diǎn)進(jìn)水前置預(yù)缺氧改良A2/O生物處理”工藝〔5-7〕，但在運(yùn)行過程中一直存在超負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)水量是設(shè)計水量的1.2～1.8倍，高峰時遠(yuǎn)超設(shè)計規(guī)模，存在著總氮超標(biāo)的風(fēng)險，該污水處理廠利用多點(diǎn)進(jìn)水解決了碳源分配問題，除此之外，對內(nèi)回流進(jìn)行一定的改進(jìn)，以確?？偟倪_(dá)標(biāo)排放。出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。為此，分析研究鄭州某污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行的優(yōu)勢及工藝調(diào)控，挖掘同步脫氮除磷運(yùn)行效果良好的關(guān)鍵因素，為后續(xù)應(yīng)對突發(fā)情況，及時作出工藝調(diào)控提供理論依據(jù)，同時為其他采用相同工藝的污水廠提供工藝調(diào)控經(jīng)驗。

1 鄭州某污水處理廠設(shè)計概況

1.1 設(shè)計概況

鄭州某污水處理廠主要收集處理服務(wù)區(qū)的生活污水和雨水，服務(wù)面積為328 km2，規(guī)劃總處理規(guī)模為100萬m3/d，其中一期設(shè)計處理規(guī)模為65萬m3/d，其設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。一期污水處理采用粗細(xì)格柵、曝氣沉砂池、初沉池預(yù)處理和“多點(diǎn)進(jìn)水前置預(yù)缺氧改良A2/O生物處理”工藝，深度處理采用高效沉淀池+V型過濾池+紫外消毒工藝，出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)〔8〕，部分指標(biāo)達(dá)到《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。鄭州某污水處理廠工藝流程如圖1所示。

圖1 鄭州某污水處理廠工藝流程Fig.1 Process flow diagram of a wastewater treatment plant in Zhengzhou

表1 進(jìn)出水水質(zhì)Table 1 Water quality of inlet and outlet

1.2 生物反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計概況

鄭州某污水處理廠出水優(yōu)于一級A標(biāo)準(zhǔn)，主要因為良好的生物反應(yīng)系統(tǒng)。生物反應(yīng)系統(tǒng)采用多點(diǎn)進(jìn)水前置預(yù)缺氧改良A2/O工藝，每座生物池由預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池和好氧池組成，共有8個系列。單座生物池總停留時間21 h，前置預(yù)缺氧和厭氧區(qū)水力停留時間均為1.0 h，缺氧區(qū)為8.0 h，好氧區(qū)為11.0 h；外 回 流 比50%～100%（可 調(diào)）；內(nèi) 回 流 比200%～300%（可調(diào)）；設(shè)計泥齡為18.4 d；MLSS為3 500 mg/L；污泥負(fù)荷為0.068 kg（/kg·d）；氣水比為7.33∶1。

生物池池型如圖2所示。

圖2 生物池池型、取樣點(diǎn)及多點(diǎn)進(jìn)水分布Fig.2 Map of biopond types，sampling points and multi-point influent distribution

2 歷史進(jìn)水量負(fù)荷分析

目前鄭州某污水處理廠為超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，整體運(yùn)行穩(wěn)定，2017年日均處理量為71.39萬m3，處理量達(dá)設(shè)計值的110%，2018年日均處理量為82萬m3，處理量達(dá)設(shè)計值的126%，2019年日均處理量達(dá)到88萬m3，處理量達(dá)設(shè)計值的135%，2020年日處理量達(dá)到90.74萬m3，處理量達(dá)設(shè)計值的140%，由此可看出2017年至2020年處理水量在逐漸增大，廠內(nèi)處理負(fù)荷進(jìn)一步增大。在如此大的水量沖擊負(fù)荷下，仍可以達(dá)到出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，其設(shè)計優(yōu)勢和日常工藝調(diào)控對其他污水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)營有一定的借鑒意義。截取2020年8月該污水處理廠的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，分析掌握該污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行狀況。圖3為該污水處理廠2020年8月處理水量趨勢變化圖。

圖3 鄭州某污水處理廠8月份處理水量趨勢圖Fig.3 Trend of water volume treated at a wastewater treatment plant in Zhengzhou in August

從圖3可知，污水廠日處理水量波動比較大，8月5日最低為88.46萬m3，19日最高為116.57萬m3，月平均日處理水量為103.48萬m3，超過設(shè)計處理能力159.2%。每年8月份為雨季，污水廠日處理水量增大，雨季過后日處理水量逐漸降低。持續(xù)水量波動，易造成進(jìn)水負(fù)荷沖擊，污水流速加快，生物處理停留時間變短，因此根據(jù)進(jìn)水流量進(jìn)行工藝調(diào)控，以保證出水達(dá)標(biāo)排放。

3 歷史進(jìn)水水質(zhì)變化特征分析

圖4為鄭州某污水處理廠2020年8月份進(jìn)水污染物BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP的比例趨勢變化圖。

圖4 鄭州某污水處理廠8月份進(jìn)水污染物比例趨勢圖Fig.4 Trends in the proportion of pollutants in the influent water of a wastewater treatment plant in Zhengzhou in August

從圖4可以看出，進(jìn)水BOD5/COD在0.19～0.88之間波動且均值約0.51，在實際運(yùn)行中污水廠由于溶解氧與硝酸鹽競爭電子供體，一般BOD5/COD為0.4～0.6時才能適用生物處理〔9〕，由此說明該廠污水可生化性較高；進(jìn)水BOD5/TN在1.38～7.21之間，均值為3.10，理論上BOD5/TN＞2.86即滿足脫氮要求，而鄭州某污水處理廠BOD5/TN值大于理論值，此時碳源已不是限制生物脫氮的主要因素，內(nèi)外回流比是影響脫氮的主要因素。在實際運(yùn)行過程中，內(nèi)回流設(shè)計值為300%，外回流一般控制在50%～60%，根據(jù)理論公式計算：總氮去除率（%）=（R+r）×100（/R+r+1）（R是外回流比，r是內(nèi)回流比）〔10〕，得出脫氮效果與內(nèi)回流和外回流有線性關(guān)系。實際運(yùn)行中調(diào)節(jié)外回流比為50%～60%，內(nèi)回流比為300%時，總氮去除率在78%左右，但該廠總氮平均去除率達(dá)到83%，還得益于超大的內(nèi)回流比。該污水廠在設(shè)計的基礎(chǔ)上，截掉了內(nèi)回流穿墻泵的出水管，降低了內(nèi)回流泵的揚(yáng)程，增大了內(nèi)回流泵的流量，讓內(nèi)回流比最大能達(dá)到400%，這也是總氮去除率提高的一個重要原因。進(jìn)水BOD5/TP在13.12～89.17之間波動，均值為34.47。有資料表明，A2/O工藝中污水中可生物降解有機(jī)物的濃度對除磷影響較大〔11-12〕，當(dāng)BOD5/TP＜15時，生物除磷系統(tǒng)難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，由圖4可知該污水廠BOD5/TP比較好，利于生物系統(tǒng)除磷。其次生物系統(tǒng)采用多點(diǎn)進(jìn)水的方式，合理分配預(yù)缺氧池、厭氧池和缺氧池碳源，為聚磷菌提供充足的碳源。

4 生物池沿程變化分析

鄭州某污水處理廠生物池分為8個系列，每個系列日處理水量為10萬m3。受廠內(nèi)綜合管網(wǎng)排水影響，1和2系列生物系統(tǒng)受廠內(nèi)污泥處理回水影響水質(zhì)數(shù)值偏高，7和8系列受廠內(nèi)深度處理反沖洗水回水影響水質(zhì)數(shù)值明顯低于其他系列。本研究選取進(jìn)水水質(zhì)相對運(yùn)行穩(wěn)定的5系列作為典型代表分析脫氮除磷效果。在5系列生物池功能區(qū)布置15個取樣點(diǎn)（如圖2所示），根據(jù)實驗數(shù)據(jù)（如表2）研究生物池沿程各指標(biāo)的變化情況，設(shè)置的取樣點(diǎn)是為了研究每個區(qū)域發(fā)揮生物作用的能力強(qiáng)弱，以此判定生物反應(yīng)進(jìn)程，避免出現(xiàn)功能浪費(fèi)。具體取樣點(diǎn)布置如下。

表2 5系列生物池采樣點(diǎn)水質(zhì)Table 2 Water quality of sampling point data for series 5 bioponds mg/L

4.1 沿程COD的變化

鄭州某污水處理廠5系列生物池沿程COD指標(biāo)波動如圖5所示。

圖5 5系列生物池沿程COD的變化情況Fig.5 Variation of COD along the course of the 5 series biotank

5系列生物池的進(jìn)水COD為297 mg/L，出水為13 mg/L，經(jīng)過生物池處理后污水中COD去除率為95.62%。圖5表明，預(yù)缺氧池經(jīng)內(nèi)回流進(jìn)水稀釋和反硝化作用消耗有機(jī)物，COD去除率達(dá)90.24%。在缺氧池濃度升高，是因為多點(diǎn)進(jìn)水?dāng)y帶的有機(jī)物。沿著污水處理流程，COD逐步降低，碳源利用率高，出水優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。該廠進(jìn)水有機(jī)物濃度受季節(jié)性影響出現(xiàn)明顯的波動，春季進(jìn)水有機(jī)物較高，夏季反之。如圖2 所示，該污水廠生物系統(tǒng)采用多點(diǎn)進(jìn)水的方式，即預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池同步均勻進(jìn)水，根據(jù)進(jìn)水情況調(diào)節(jié)進(jìn)水比例合理分配碳源，優(yōu)化各工藝段微生物種群，使原水中的碳源得以充分利用，提高碳源的利用率，也為好氧池提供相對較好的低碳環(huán)境。

4.2 沿程氮的變化

鄭州某污水處理廠5系列生化池氮指標(biāo)變化如圖6所示。

圖6 5系列生物池沿程氮的變化情況Fig.6 Changes in nitrogen along the course of the 5 series of bioponds

圖6表明，5系列生物池進(jìn)水總氮平均質(zhì)量濃度為37.6 mg/L，氨氮為32.4 mg/L，硝態(tài)氮為0.95 mg/L，氨氮是進(jìn)水中TN的86.17%〔13〕，全過程處理后，出水總氮平均質(zhì)量濃度為8.14 mg/L，氨氮為0.263 mg/L，硝態(tài)氮為7.07 mg/L。

從圖6還可以看出，全流程中，預(yù)缺氧前端進(jìn)水與回流污泥混合后，受回流和生物系統(tǒng)底物濃度偏低而帶來的稀釋的影響，總氮和氨氮濃度明顯降低，末端氨氮濃度回升，與微生物分解有機(jī)物和活性污泥水解有關(guān)〔14〕，總氮濃度降低，主要為硝態(tài)氮濃度降低，發(fā)生反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀欧?。總氮和氨氮濃度在厭氧池增大，是因為厭氧池進(jìn)水點(diǎn)進(jìn)水?dāng)y帶的總氮和氨氮。污水在缺氧段前端和從好氧段內(nèi)回流來的混合液混合，反硝化菌利用有機(jī)物把從好氧段回流攜帶的硝態(tài)氮還原為氮?dú)?。在好氧段，硝化菌在低碳環(huán)境和曝氣充氧條件下，把氨氮氧化成硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮以獲得自身生長所需的能量，氨氮去除率為99.18%，說明氨氮在好氧段內(nèi)基本被去除，氨氮完全轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，通過大比例內(nèi)回流進(jìn)入缺氧段進(jìn)行反硝化，以此實現(xiàn)良性循環(huán)。

4.3 沿程總磷的變化

鄭州某污水處理廠5系列生化池沿程總磷指標(biāo)的波動情況如圖7所示。

圖7 5系列生化池沿程總磷的變化情況Fig.7 Variation in TP along the range of 5 series biochemical ponds

生化池進(jìn)水總磷為3.45 mg/L。一般情況下，污水中不溶性總磷可在預(yù)處理單元攔截去除，剩下的可溶性總磷隨著污水進(jìn)入生物池，可溶性總磷成分中基本為PO43--P。預(yù)缺氧段進(jìn)水總磷升高，出水為12.1 mg/L，厭氧段出水為20.6 mg/L，這說明預(yù)缺氧段硝酸氮已經(jīng)被去除完全，并有充足的碳源為聚磷菌所利用，導(dǎo)致釋磷環(huán)境提前形成，因此出現(xiàn)在缺氧段磷酸鹽上升的情況。在厭氧段因為多點(diǎn)進(jìn)水的影響，進(jìn)一步提供聚磷菌可以利用的短鏈脂肪酸（SCFA），因此釋磷繼續(xù)進(jìn)行，并達(dá)到峰值20.6 mg/L。而在好氧段影響出水磷酸鹽的主要因素是污泥齡的控制和曝氣量，一般夏季把污泥齡控制在10～12 d，冬季把污泥齡控制在14～16 d，可以保證生物池出水磷酸鹽的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，另外曝氣量也是影響磷酸鹽出水的一個重要指標(biāo)，鄭州某污水廠采用精確曝氣系統(tǒng)，將溶解氧（DO）控制在0.5 mg/L以下，從而保證總磷出水的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1）采用多點(diǎn)分配進(jìn)水，提高內(nèi)回流比，能使超負(fù)荷運(yùn)行的鄭州某污水處理廠（前置預(yù)缺氧A2/O工藝）穩(wěn)定運(yùn)行，出水氮磷濃度優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)達(dá)到《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2）進(jìn)水均勻分配在預(yù)缺氧、厭氧、缺氧工段，內(nèi)回流量為400%時，水中COD、TN、TP去除率達(dá)到了90.4%、83%。

3）好氧池DO精確控制在0.5 mg/L以下，夏季污泥齡10～12 d，冬季污泥齡14～16 d，水中TP去除率達(dá)到98.55%。