实测：季节性气候对污水、污泥运行数据的影响

研究季节性气候变化条件下污水处理厂运行性能和活性污泥特性对科学、高效运行具有重要意义。以我国北方某城市污水处理厂改良AAO工艺系统为研究对象，基于2年完整的运行数据，分析了污染物去除量及污泥特性变化规律。结果表明，COD和TN去除量存在季节性周期变化趋势；MLVSS/MLSS值在水温15 ℃以下相对稳定，在15 ℃以上时，MLVSS/MLSS值随着水温升高而降低，主要受内源呼吸作用的影响。提出了季节性气候变化下确定污泥浓度的新方法，支撑大型污水处理厂运行管理的稳定性和可控性，为污水处理过程精确调控提供基础。

我国北方大多属于温带季风气候，四季分明，雨热同期，季节性温差较大。温度不仅影响微生物种群的代谢活动，而且还可以影响细菌群落的多样性。较高的温度能提高微生物活性，有助于提高污染物去除效率。而低温环境往往影响生物酶功能的发挥，进而影响出水水质。为了抵抗低温造成的不利影响，往往采取多种措施，如加大曝气量、增加污泥浓度、曝气方式、延长污泥龄、增加填料等措施，以提高城镇污水处理厂运行水平、改善水环境质量。尽管人们对污水处理过程的理解和认识有了很大的提高，然而进水水质波动、季节变化等多因素对污水处理厂性能的认识仍不够深入，对活性污泥特性认识值得进一步探讨。

本文以我国北方某市政污水处理厂为研究对象，探讨了季节性变化下污染物去除量变化及污泥特性，并给出运行调控建议，以期提高污水处理厂运行稳定性，同时也为实现污水处理厂科学运营起到支持作用。

1 材料与方法

1.1 污水处理厂简介

我国北方某市政污水处理厂（简称A厂），采用改良AAO工艺+膜超滤系统（见图1），设计规模为3万m³/d，进水主要为生活污水，出水达到北京市地方标准《水污染物综合排放标准》（DB 11/307-2013）B标准。

该厂生化池的选择区、厌氧区、缺氧区、好氧区的停留时间分别为0.5 h、1 h、5 h、9.6 h，生化池总有效容积为20 125 m³，内回流比300%，外回流比100%，混合液回流至缺氧池，外回流污泥回流至选择区。进水至选择区与缺氧区的分配比例大约10%和90%，进水TN浓度高时，投加25%浓度的乙酸钠溶液作为外碳源促进脱氮。污泥龄控制在15~25 d。

1.2 研究方法

1.2.1 数据收集

收集了2017年1月1日至2018年12月31日A厂运行数据，进水出水标准及进水水质情况，见表1。每年2月份水温最低，约10 ℃，然后水温逐渐上升，一直到8月份，最高约26 ℃，此后水温逐渐下降，直到下一个年度的2月份，之后水温持续升高，再周而复始变化。

1.2.2 计算方法

污染物去除量根据式（1）确定：

2 结果与讨论

2.1 污泥特性与水温变化

2017年1月1日至2月1日，水温先从14.1 ℃下降至最低值9.8 ℃，而后水温逐渐升高至15.0 ℃，MLVSS/MLSS值一直比较稳定，平均值为0.66。自2月1日至8月20日，水温逐渐升高至25.2 ℃，MLVSS/MLSS值逐渐减小，最低值在0.45左右。8月20日至12月31日 ，水温逐渐下降至12.8 ℃，特别是10月8日（水温20.1 ℃）以后，MLVSS/MLSS值逐渐增大。从2017年11月28日至2018年3月23日，水温从15.7 ℃下降再回升到15 ℃过程中，MLVSS/MLSS值同样一直比较稳定，平均值为0.62。同样地，在2018年3月23日以后，升温过程时的MLVSS/MLSS值均表现出与2017年相似的变化趋势。整体上看，在季节性水温变化过程中，15 ℃是一个关键节点，超过此温度，微生物活性显著提高，MLVSS/MLSS值随着水温升高而降低；低于此温度时，MLVSS/MLSS值处于相对稳定的状态，即使有5 ℃的温差，MLVSS/MLSS值依然波动较小，主要原因是污泥中耐冷菌在低温环境中有较高的活性，在一定程度上弥补了其他细菌活性的降低。在冬季低温时，正是MLVSS/MLSS值的相对稳定，为保障污水处理厂运行稳定起到关键作用。

由于生长或内源能量需要，所有微生物都会经历某种形式生物量的减少，这一过程发生在生物体完全利用外部基质后，其MLVSS降低并继续消耗氧气。活性污泥中的微生物新陈代谢功能与生物酶系统有很大关系。微生物体内合成、催化生物化学反应时，生物酶在传递电子、原子和化学基团的过程中发挥重要作用。生物酶催化各种生物化学反应，促进生物体新陈代谢。而生物酶对环境条件的变化比较敏感，温度的改变会使活性发生改变。温度低时，微生物的代谢活力相应减弱，生物酶的活性降低导致酶促反应变慢，微生物体内基质的氧化和微生物自身的氧化速率也会降低，表现为微生物的内源呼吸作用减弱。研究表明，单位质量的MLSS的内源呼吸速率（即比内源呼吸速率）与MLSS无关；而温度对比内源呼吸速率的影响十分显著，比内源呼吸速率随着温度的降低而降低。因此，在降温过程中，内源呼吸明显减弱，胞内物质的消耗速率显著降低，导致MLVSS/MLSS值升高。

2.2 污染物去除量变化

该厂配套管网比较完善，进水量相对稳定，水量变化系数为0.94~1.17。水量及水质波动属于季节性正常变化。2月COD去除量较低，为17万~20万kg/d，然后去除量逐渐上升，一直持续到5月、6月，COD去除量高达41万kg/d，约是2月去除量的2倍。7月开始，COD去除量逐渐下降，9月去除量与2月几乎相当。10月开始，COD去除量逐渐上升，持续到下一年度1月。TN去除量逐月变化趋势与COD相似。全年来看，COD及TN去除量出现先增加后降低再增加的变化，呈现出季节性周期变化趋势。春季气温上升，人们生产活动增加，排放到管网中的污染物浓度增加，夏季雨水以及洗浴水增多，污染物浓度有所下降，但是水量较大，污染物去除量增大，造成污染物去除量随着季节规律性变动。

2.3 污泥去除负荷变化情况

由图4可以看出，COD污泥去除负荷波动较小，全年在0.136 kg/(kgMLVSS·d)上下波动。TN污泥去除负荷变化趋势，可以分为两类，分别是3月至11月，平均值为0.015 kg/(kgMLVSS·d)，12月及下一年度1月、2月，TN污泥去除负荷平均值为0.012 kg/(kgMLVSS·d)，比其他月份降低15%~30%，平均值下降20%。

COD污泥去除负荷与TN污泥去除负荷在不同的季节中具有一定的可比较性，表明微生物种群可以适应温度逐渐变化的环境。这可能是部分微生物的功能冗余，不同群落的细菌能适应不同的生长环境，当环境条件变化时，一部分细菌的活性受到抑制，而另一部分细菌却能更好的繁殖，从而在一定程度上补偿温度变化带来的负面影响，保障污水处理厂运转的平稳。在一定程度上补偿温度变化带来的不利影响，从而为出水稳定达标提供保障。也有观点认为，活性污泥微生物群落随着季节性温度变化发生了演替，新的优势菌群的出现，从一定程度上弥补了活性污泥在低温条件下代谢能力的不足。

2.4 运行调控策略探讨

水温是影响微生物活性的重要因素之一。在低温时，氨氧化菌的活性很容易受到抑制，进而影响出水水质。在实际运行过程中，为了使出水达标需要采取措施，如增加污泥龄、提高生物池污泥浓度等，以减弱温度对污水处理厂性能的负面影响。Ju等研究发现，在一个采用活性污泥法的城市污水处理厂中，生物相互作用是决定细菌群落组成的主要因素，而环境条件(主要是污泥停留时间和无机氮)部分解释了微生物种类和数量变化，间接影响细菌群落组成。微生物的冗余功能可以在一定程度上补偿温度变化的不利影响。当前，污水处理厂主要任务已从去除COD转向营养物去除，特别是生物法TN的去除效率已成为污水处理厂运行优劣判断的重要指标。而氨氧化菌和反硝化菌易受温度的影响，恰当的MLVSS是出水达标的重要条件之一。TN污泥去除负荷可以作为确定MLVSS的重要依据。出水总氮值按排放标准限值的75%~80%考虑，根据进水水量、TN浓度、生化池容积以及TN污泥去除负荷目标值可计算出所需的MLVSS。为了更明确调控方法，特举一例阐述。具体调控步骤如下：

①计算当天TN污泥去除负荷：根据进水在线TN仪表获取TN值，出水总氮值按排放标准限值的80%考虑，计算出TN污泥去除负荷A0;

②基于移动平均值法确定TN污泥去除负荷目标值AT：计算出当天之前2周内TN污泥去除负荷平均值A1，以及同期TN污泥去除负荷平均值A2，A1与A2比较取较大值作为目标值AT；

③判断是否需要排泥：若A0>AT，表明污泥浓度偏低，有出水TN超标的风险；若A0≤AT，表明污泥浓度偏高，可适当排泥，直到A0与AT值接近；一般A0与AT值范围在±10%内均可；

④采用类似的方法用COD污泥去除负荷校核污泥浓度，确保MLVSS同时满足去除有机物及TN，从而为工艺精细化调控提供了基础。

随着污水处理厂市场化运营，运行成本也成为水务公司需要考虑的因素。出水达标的前提下，还需要进一步降低能耗。由图5可见，单位需氧量所需的电耗随着污泥浓度的增加而呈指数增长。在满足污泥去除负荷的前提下，污泥浓度低时，能够有效降低电耗。当污泥浓度高时，必须提高曝气强度才可起到较好的搅拌作用，泥水气三相混合，避免活性污泥沉降。污泥的浓度基本决定了污泥的粘度，污泥温度对粘度的影响相对较小。高污泥浓度使得污泥的粘度增加，从而增加了气体在污泥中上升的阻力，势必需要提高曝气量。在一定的污泥浓度下，必然存在一个最佳的曝气强度，既能够满足微生物生长的需求，又可节约曝气能耗。因此，控制合适的污泥浓度对降低能耗具有重要意义。

单位需氧量所需的电耗随季节的变化见图6。2017年夏季的EOD最低，为0.48 kW·h/kg需氧量，其他三个季节均在0.60 KW·h/kg需氧量左右，冬季稍高。2018年前三个季度EOD普遍高于同期数值，特别2018年秋季该厂的EOD比同期增加75%。由图4可以看出，2018年9月、10日，COD及TN的污泥去除负荷相比同期有所降低，表明该时期的污泥浓度明显较高，需要尽快降低生化池污泥浓度。按2017年秋季EOD平均值作为2018年秋季的EOD依据，计算得出2018年秋季MLVSS平均值为2 800 mg/L降至1 800 mg/L满足污泥去除负荷需求，在这个污泥浓度条件下的出水可以达到排放标准。当然，在实际运行过程中，生化池内污泥浓度控制还受到污泥出路的影响，当污泥出路受阻时，生化池内污泥浓度升高是短时间不得已的办法。从水务行业的角度，完善污泥处置路线是污水处理可持续发展的必然要求。

需要指出，影响生物脱氮的因素很多，包括进水水质、工艺类型、污泥龄、生化池溶解氧水平、外加药剂等，对一个具体的污水处理厂，认真分析污水处理效果，根据进水条件、所需的污泥去除负荷以及环境条件，确定合理的MLVSS值，从而保障足够的活性微生物的量，为污水处理厂的高效运行提供保障条件。只有经过长时间摸索，深入了解污水处理过程的变化规律，实行灵活而高效的管理，提高污水处理厂运行管理的稳定性和可控性，才能真正发挥出其经济效益、环境效益和社会效益。

3 结论

（1）对于进水量在设计规模上下浮动较小时，COD及TN去除量有明显的季节性周期变化规律，春季及秋季去除量较小。夏季及冬季去除量较大，随着月份循序变化。

（2）MLVSS/MLSS值在15 ℃以上时，MLVSS/MLSS值与水温存在显著反比关系。在水温15 ℃以下MLVSS/MLSS值相对稳定，在低温条件下一部分耐冷优势细菌能更好的繁殖，在一定程度上补偿温度变化带来的负面影响，为维持污水处理厂运行稳定起到关键作用。

（3）以TN污泥去除负荷可作为确定MLVSS的重要依据。根据进水TN等水质信息和排放标准限值，采用移动平均值法确定MLVSS值，并用COD污泥去除负荷校核，为实现出水水质达标前提下的精细化调控提供基础。

（4）本研究提出了季节性气候变化下确定污泥浓度的新方法，充分考虑进出水水质及环境条件变化对污泥浓度和能耗的影响，为污水处理厂高效运行管理提供技术支持和借鉴作用。