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2019年6月至2020年3月期间,该污水处理厂先后多次出现进水异常事件,以2019年7月为例,异常当天运行人员发现生物池在精准曝气运行模式下进行生物池DO急剧升高,现场生物池污泥沉降性变差,取样做微生物镜检发现原生动物及后生动物活性较差,安排现场采样测试分析,发现生物池出水氨氮浓度升高,经验表明污泥已中毒。
污泥中毒问题的分析与思考
作者结合经验,对污泥中毒现象的具体表征进行了分析和判断。
1、溶解氧显著升高
污水处理厂运转过程中需向生物反应池内曝气,活性污泥利用曝气提供的DO进行新陈代谢,实现氧化分解有机物、氧化氨氮等目的。根据脱氮除磷理论指导及实际运行监测,该厂通常将生物池好氧段DO控制在2 mg/L左右。活性污泥遇到有毒废水冲击时,其新陈代谢受到抑制甚至停滞,对反应池内的DO利用效率下降,在同等曝气条件下,生物池内的DO会快速升高,基于该现象,有研究者采用DO作为指示参数,用于污泥中毒事件的预警。
本项目污水处理厂采用精确曝气系统控制DO,正常运行时各生物池出口DO浓度均控制在0.5~3.0 mg/L。图2为活性污泥受到重金属废水冲击前后的DO变化情况,受到重金属废水冲击后,在同样的曝气条件下,生物池DO迅速升高,1系列和3系列生物池内的DO在约2 h内分别达到5.4 mg/L和6.6 mg/L,2系列生物池DO上升较慢,在发现中毒时DO仅为2.7 mg/L,这反映出发现异常时1、3系列微生物活性已经被严重抑制,而2系列污泥中毒较轻,主要原因是生物池1、3系列进水量基本均等而2系列进水水量相对较低。
图2及以上数据分析,可知污泥发生中毒时即使生物池采用精确曝气方式降低曝气量,好氧池内DO仍旧居高不下,主要呈现为较低气水比下溶解氧依旧异常升高,与研究者所阐述现象内容基本印证,由此我们可得出二者有一定对应关系。该厂通过DO作为参考指标,其异常升高时进行污泥中毒与工艺异常的预警,且在实际运行中将自身厂内实际水量分配情况、其他项目监测指标、日常运行常规数据等结合,多向印证进行污泥中毒与否的判断。
2、微生物镜检观察
在成熟的活性污泥系统内存在大量的原生动物,它们与细菌相互依存,可为活性污泥性能和污水处理效果好坏提供指示作用。其中钟虫、轮虫等为最常见的原生动物。图3给出了活性污泥中毒前后的显微镜照片。由图3a可知,在污泥中毒前,系统内钟虫形态完好活性较强。重金属废水冲击后,发现生物池内钟虫出现断柄、缩口现象,轮虫也出现活性降低、数量减少等现象(图3b)。结果表明,重金属废水可对生物池内的原生动物造成严重毒害作用,该现象可以作为快速鉴定污泥中毒事件的依据。
3、重金属含量测定
在发生进水异常时,即时取异常进水进行重金属含量检测,测定重金属含量情况见表1。由表1可知,污水处理厂正常进水各类重金属含量均低于检出限,可见异常水质进水总砷浓度为2.2~13.6 μg/L,进水总汞浓度为0.12~0.46 μg/L,均明显高于水质正常时重金属浓度,进水pH值及氯化物指标浓度与正常进水指标相比变化不大,可见,进水中砷、汞超标是造成活性污泥中毒、水厂运行异常的直接原因。
注:①正常进水为2019年连续六个月检测数据均值。
②异常进水为2020年该厂发生污泥中毒现象时进水水样的检测结果,日期分别为2019年6月20日、2019 年7月13日、2020年2月28日、2020年3月1日,水样均为瞬时样。
③此次研究内容结合2019年7月13日数据展开,此后该水厂进水异常均结合7月13日相关经验及结论展开,处理处置效果较好。
4、沉降性能下降
正常运行状态下,活性污泥的沉降性能良好,各生物池内SVI值维持在45±10 mL/g MLSS范围内。重金属废水进入后,发现生物池内菌胶团结构变得松散,絮体变小,呈灰白色,不易下沉,上清液呈棕黄色并有羽片状絮体悬浮,各生物池内SVI值升高至80±10mL/gMLSS。于此同时,发现二沉池出水中含有大量悬浮物和污泥絮体,出水浊度升高(俗称“翻池”)。
5、污染物去除效率下降
图4为污泥中毒前后三个生物池系列出水氨氮和TP的变化情况,每2 h测试数据一次。由图可知,在正常运行状态下,三个系列的脱氮除磷性能良好,生物池出水氨氮均低于0.20 mg/L,生物池出水TP浓度均低于0.15 mg/L,完全满足排放标准要求。在污泥中毒后,三个系列生物池出水氨氮最高浓度达到6.04 mg/L、1.62 mg/L和5.62 mg/L,出水TP最高浓度分别达到3.15 mg/L、2.38 mg/L和3.01 mg/L,均出现大幅升高。说明重金属能够显著抑制硝化细菌和聚磷菌的活性,导致脱氮除磷性能下降。
污泥中毒后工艺控制策略
1、控制进水量
当发生污泥中毒事件后,应根据实际情况优先恢复受影响较小的生物处理系列,在条件允许的情况下关闭或减小生物池进水量,以减小有毒废水对活性污泥的毒害作用。在活性污泥中毒事件中,运行人员发现在精准曝气运行模式下生物池DO急剧升高(图2),立即安排采样测试分析,发现生物池出水氨氮浓度升高,经验表明污泥已中毒。根据DO变化情况,发现2系列生物池中毒现象较轻,因此首先停止向2系列生物池进水,并开展闷曝、补充碳源等综合措施。在2系列生物池出水氨氮恢复正常水平时,重新进水,并开始对1系列生物池进行停水调控。1系列在闷曝7 h后生物池出水氨氮浓度恢复正常,3系列生物池开始停水闷曝。结果表明,停水闷曝在对恢复活性污泥活性有着较为显著的作用。
2、增加曝气量
污泥中毒后,微生物活性降低,此时增加曝气量可为微生物提供充足的DO,有助于快速恢复好氧微生物的活性。该厂发生污泥中毒后,运行人员接除精准曝气自动控制,将鼓风机出口导叶调至100%。该水厂因鼓风机风量原因,不能同时满足三个系列高溶氧需求,中毒后工艺调控过程中,根据中毒严重程度率先选择对中毒情况最轻的2系列生物池进行停水闷曝,对中毒情况较轻的1系列生物池进行高溶氧曝气激发活性,最后根据监测数值对另外两个系统进行进一步调整。
最终调整结果显示:2系列生物池内DO短时间内从2.42 mg/L升至6.60 mg/L,6 h后2系列出水氨氮浓度开始低于1.0 mg/L,11 h后重新开始进水,发现出水氨氮稳定在1.0 mg/L以下,17 h后将2系列生物池曝气调整为精准曝气,2系列恢复正常。在该过程中1系列生物池不停水曝气出水平均DO浓度维持在6.60 mg/L,3系列的曝气量较小,DO浓度在开始调控后5 h时开始逐渐下降,最终降至1.0 mg/L左右;1系列和2系列生物池基本恢复后,减少其曝气量,增大3系列曝气量,DO浓度升至7 mg/L以上,在调控12 h后恢复正常,由此可知增大曝气量有助于提高微生物活性,恢复生物系统。
3、投加碳源
研究表明,投加碳源能够有效加快恢复中毒污泥的活性,缩短恢复时间。发现污泥中毒后,在开展曝气量调控的同时,该厂增大碳源投加量,在生物池投加乙酸钠含量为20%,CODcr当量为2.5×105mg/L的碳源,投加比例从30mg/L增加至50~80 mg/L(约等于投加CODCr12.5~20 mg/L)。增加碳源投加后,活性污泥中的微生物尤其是异养微生物的代谢活性增强,可以缓解污泥汞、砷中毒造成的影响。
4、增大有效活性污泥浓度
在发现污泥中毒时,二沉池中的活性污泥尚未受到毒害或中毒较轻,因此及时增大污泥回流量可以有效稀释生物池内重金属的浓度,降低有毒废水对活性污泥微生物的毒害,同时可以增加生物池内微生物浓度,提高生物池系统的稳定性。发现污泥中毒后,水厂将回流污泥量从3000 m³/h提升至4200 m³/h,污泥回流比从70%增加至近100%,生物池污泥浓度从4500 mg/L逐步升高至5600 mg/L。待生物池内中毒污泥大规模进入二沉池后,开始提高剩余污泥排放量,通过排泥的方式将有毒有害物质在最短的时间内排出生物系统。氨氮出水值从最高的8.0 mg/L逐步降低至1.0 mg/L以下,基本实现了正常出水。此外在系统中毒较为严重氨氮值居高不下的情况下,也可采取向生物池投加硝化菌种、反硝化菌种、未中毒系列或单位的新鲜活性污泥等,迅速提高生物池内有效活性污泥的浓度,保障正常出水。
5、加大水质监测频次
污水厂运行正常时,每天取混合样一次进行水质分析化验。发生污泥中毒后,水厂增加取样频次,每2 h取生物池活性污泥样品一次,直至生物池系统完全恢复活性。重点分析氨氮、TP等水质指标,同时开展微生物镜检。通过增加水质监测频次,水厂管理人员可以及时了解生物池内的活性污泥状态,为及时改变调控策略提供依据。变化趋势指导调控直至系统恢复。
6、设置污泥中毒预警系统
污泥中毒后,系统的氨氮、硝氮等水质指标会出现大幅波动,利用这些水质异常数据,可以实现进水异常的预警。在发生重金属中毒事件后,水厂开始探索进水异常预警机制。经多次试验,最终选择在生物池好氧区第一廊道设置自动采样监测预警装置。该装置主要由自动采样系统和硝酸盐氮在线监测仪组成。该系统每1 h从生物池内取活性污泥样品一次,测定其硝态氮浓度,该数值直接反馈中控系统,在现场硝态氮出现异常降低后并达到预警值后,中控系统自动调大溶解氧、加大碳源投加量、降低进水量、增大外回流、增大剩余排放量,直至系统恢复正常。与生物池末端DO在线监测装置相比,该预警系统可以提前6 h感知生物池异常情况,工艺调控提前,可显著降低有毒废水对活性污泥的毒害作用,缩短污泥恢复时间。
通过对DO、碳源投加量、进水量、污泥回流比和剩余污泥排放量等参数的综合调控,水厂生物池活性污泥可在24 h全部恢复活性,污泥沉降性能改善,二沉池出水SS减少,出水氨氮、TP、TN等指标降至排放标指以下,镜检发现钟虫、累枝虫等固着类纤毛虫增多,出水水质趋于良好。
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