利用中水系统解决二沉池冬季稳定运行的运营实践

李 鹏，张 强，夏海霞

(北京恩菲环保股份有限公司，北京 100038)

冬季污泥膨胀是采用活性污泥法的城市污水处理厂运行常见问题，而低温是引起冬季污泥膨胀的主要外部诱因[1]。污泥膨胀通常分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。丝状菌膨胀是由于丝状菌大量繁殖，活性污泥絮体结构变得过度松散，污泥压缩性能变差，沉降性也变差。非丝状菌膨胀是由于菌胶团微生物代谢异常，分泌大量具有高黏度的亲水性多糖类物质或者胞外聚合物，这些物质聚集在活性污泥絮体表面，与水结合形成一种状态稳定的胶体，导致污泥结合水含量剧增，污泥密度、压缩性及沉降性变差[1-4]。在低温条件下，随着反应温度的降低，活性污泥代谢能力变差，胞外聚合物积累，是导致活性污泥沉降性能变差的直接原因[5]。当活性污泥发生膨胀时，污泥混合液在进入二沉池后泥位持续升高，若不加控制会引起大量活性污泥流出出水堰，最终导致活性污泥流失和出水超标。针对污泥膨胀问题，国内外研究者进行了大量研究，控制方法可分为药剂投加控制和工艺参数调整两大类[4,11]。本文针对西北L市污水处理厂每年冬季发生污泥膨胀的因素进行分析，介绍了采取结合中水系统进行技改以期降低二沉池的表面负荷来保障系统的稳定运行，为类似污水处理厂运营技改提供参考。

1 污水处理厂基本情况

西北L市Y污水处理厂(以下简称Y厂)设计规模为26万m3/d，工艺流程如图1所示。一期工程(10万m3/d)和二期工程(16万m3/d)均采用AAO工艺，尾水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。该污水处理厂收集处理L市生活污水和少量工业废水，设计进出水水质指标如表1所示。现有建构筑物按照建设年代分为老系统和新系统。老系统二级处理部分主要有3格生物池和6座Φ30 m二沉池。新系统二级处理部分主要有2格生物池和4座Φ50 m二沉池。老系统二沉池处理规模为8万m3/d，由6座Φ30 m直径的中进周出二沉池组成，二沉池池边有效水深为3.6 m，峰时表面负荷为1.02 m3/(m2·h)，均时表面负荷0.79 m3/(m2·h)。新系统二沉池处理规模为18万m3/d，由4座Φ50 m直径的周进周出二沉池组成，二沉池池边有效水深为4.8 m，峰时表面负荷为1.24 m3/(m2·h)，均时表面负荷为0.96 m3/(m2·h)。

图1 污水处理厂工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

表1 设计进出水水质指标Tab.1 Design Influent and Effluent Quality

2 污水处理厂冬季运行存在的问题

2.1 日进水量波动大

Y厂2015年平均日进水量为17万～18万m3/d，日进水水量波动较大且规律性强，白天小时进水水量为9 000～11 500 m3/h，夜间小时进水水量为4 000～6 000 m3/h。Y厂2015年1月某典型日进水水量变化情况如图2所示。

图2 某典型日进水水量变化曲线Fig.2 Variation Curve of a Typical Day Inflow

由图2可知，Y厂白天最大时进水量为11 500 m3/h，夜间最低时进水量为4 500 m3/h，平均时进水量为8 000 m3/h。当日时变化系数按照最大时进水量/平均时进水量核算值为1.44，已超过原设计总变化系数1.3，对二沉池的稳定运行造成很大风险。

2.2 冬季运行污泥膨胀情况频发

自2011年运行以来，Y厂每年冬季污泥发生膨胀，污泥容积指数(SVI)不断升高，在2月—3月达到顶峰，接近300 mL/g。Y厂历年水温变化趋势基本相同，水温自11月由18 ℃左右开始急剧下降，至第二年4月底恢复至18 ℃以上，1月底达到最低点，为12 ℃左右。根据Y厂实际运行数据，统计2014年11月—2015年4月新系统生物池活性SVI与水温变化情况[7-8]。如图3所示，可见水温与活性SVI具有相关性。同时，对生物池活性污泥进行镜检(图4)，发现活性污泥絮体松散，无丝状菌存在，因此，可以判断Y厂属于低温非丝状菌污泥膨胀[6]。

图3 冬季生物池活性污泥SVI和水温变化曲线Fig.3 SVI and Water Temperature Variation Curve of Activated Sludge in Biological Pond in Winter

图4 活性污泥镜检图 (160倍)Fig.4 Microscopic Examination of Activated Sludge (160 Times)

冬季居高不下的SVI在一定程度上影响了活性污泥在二沉池中的泥水分离效果，尤其在2015年初，老系统暂未启用，新系统日均进水水量达到17万～18万m3/d，接近满负荷运行状态，新系统SVI平均值为250 mL/g，最高达到300 mL/g，导致新系统清水层高度严重不足。2015年1月某典型日新系统1#～4#二沉池清水层变化情况如表2所示，当日新系统处理水量为17万m3/d，水温为13.0 ℃，生物池污泥浓度为3.7 g/L，SVI为230 mL/g。在14∶00左右排水高峰时，清水层高度最低为0.2 m，严重影响二沉池稳定运行。

表2 某典型日二沉池清水层高度Tab.2 Clear Water Layer Height of Secondary Sedimentation Tanks in a Typical Day

综上，Y厂运行中存在上述两方面问题，随着进水量逐年增加，厂内二沉池稳定运行将存在很大的风险。

3 解决途径

针对冬季污泥膨胀问题，Y厂首先采用增加活性污泥无机物比例来提高其沉降性的方法。Y厂进水泥沙含量较大，因此，通过超越初沉池使原水直接进入生化池的方法增加活性污泥中无机物质成分比例，可以有效控制SVI在200 mL/g 以下的污泥膨胀[6]。污泥SVI达到300 mL/g左右时，在生物池内投加硅藻土增加活性污泥的无机物质成分，投加量为0.8～1.0 g/L，SVI可降至200～220 mL/g，取得了良好的控制效果。投加硅藻土的优点是操作方便、成本较低；缺点是投加量大，需要连续4～6 d补充投加药剂，投加过量会增加污泥脱水系统负荷，尤其在冬季污泥脱水系统运行效率较差的情况下，Y厂污泥系统运行压力较大。随着Y厂服务区域内收集管网的不断完善，2016年年初预测2017年底水量将增至23万～24万m3/d，若为控制污泥SVI升高投加药剂，二沉池表面负荷和固体负荷将同步增加，污泥脱水系统压力陡增，Y厂冬季稳定运行存在着较大隐患。

3.1 利用中水工程的解决思路

2016年L市提出在Y厂内建设中水工程为热电厂供应工业冷却水，中水原水取自Y厂紫外消毒渠出水，处理后的水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。中水工程设计总规模为3万m3/d，其中一期建设1.15万m3/d，除外送水泵外，其余均按照远期规模进行建设。通过对Y厂近3年出水数据进行概率分析，只有SS和TP指标达不到一级A标准，中水处理工艺采用机械混凝+斜管沉淀池+精密过滤器工艺。斜管沉淀池通常应用于净水工艺或污水处理的深度处理工艺，在中小型工程中也可作为二沉池使用[9-10]，因此，在冬季应急期间可利用中水系统的斜管沉淀池作为二沉池，以降低现有新系统的二沉池负荷。

3.1.1 中水工程主要构筑物和设计参数

(1)提升泵房。半地下式钢砼结构，平面尺寸：L×B=6.5 m×5 m。进水由Y厂内紫外消毒渠出水引至提升泵房，泵房内安装轴流泵3台，2用1备，单台水泵参数：Q=625 m3/h，H=5 m，N=15 kW。

(2)混凝沉淀池。半地下式钢砼结构，平面尺寸：L×B=32 m×26.3 m。共分为2组，每组处理水量为1.5万m3/d。设计参数：机械混合75 s，机械絮凝12.8 min(分为3级)，斜管沉淀区上升流速为2.1 m/h(0.58 mm/s)，排泥浓度为5 g/L(含水率为99.5%)，泥量为0.9 t/d(180 m3/d)，PAC投加量为80 mg/L(10% Al2O3)。混合采用两叶片桨式快速搅拌器2台。搅拌桨直径为1.1 m，轴长为5.0 m，功率为5.5 kW。絮凝区采用慢速搅拌器6台，搅拌桨直径为1.7 m，轴长为5.0 m，单台功率为3.0 kW。沉淀区有效沉淀面积为655 m2。斜管长为1.0 m，直径为100 mm，安装角度为60°。设行车式刮泥机2台，功率为0.75 kW。

(3)储泥池。半地下式钢砼结构，平面尺寸：L×B=7.0 m×5.3 m。设2台排泥泵，1用1备，单台水泵参数：Q=30 m3/h，H=15 m，N=2.2 kW。

(4)过滤间。半地下式钢砼结构，平面尺寸：L×B=9.9 m×6.9 m。选用回转式精密过滤器2台，单台处理水量Q=20 000 m3/d。过滤器运行电机功率为18.8 kW，反冲洗水量为60 m3/d，冲洗水压为0.6 MPa，反冲洗水泵功率为3.0 kW，水头损失为0.55 m。

(5)清水池。半地下式钢砼结构，有效调节容积V=2 135 m3。

(6)提升泵房。半地下式钢砼结构，平面尺寸：L×B=11.7 m×6.5 m。泵房内共5台泵位，近期安装离心泵3台，2用1备，单台水泵参数：Q=240 m3/h，H=150 m，N=185 kW。

3.1.2 中水工程改造主要内容

针对中水系统的斜管沉淀池在冬季应急期间改造为二沉池，且不能影响中水系统正常运行，改造内容如下。

(1)增加生物池混合液提升泵组。将新系统生物池混合液提升至中水提升泵房出水渠。在生物池出水渠上架设4台轴流泵，单台水泵参数：Q=625 m3/h，H=3 m，N=15 kW。

(2)增加外回流泵组。设置于中水污泥储池内，污泥回流至新系统污泥回流泵房出水渠，按照100%回流量进行设置，2用1备，单台水泵参数：Q=625 m3/h，H=3 m，N=15 kW。

(3)更换斜管沉淀池刮泥机。为保证斜管沉淀池运行效果，设计阶段将桥式刮泥机更换为三轴式非金属链条式刮泥机，设置4台，功率为0.75 kW，刮泥板的速度为0.61 m/min。

3.1.3 处理能力计算

根据Y厂冬季历年运行经验，保证二沉池稳定运行的峰时表面负荷需不大于1.00 m3/(m2·h)，均时表面负荷需不大于0.75 m3/(m2·h)。计算得出新系统冬季稳定处理水量为14万m3/d，老系统冬季稳定处理水量为8万m3/d，因此，Y厂冬季可稳定处理水量为22万m3/d。斜管沉淀池作为二沉池其表面负荷为普通沉淀池的2倍，但需要以固体负荷进行核算[9]。斜管沉淀池面积为655 m2，固体负荷取150 kg/(m2·d)(污泥浓度按6.0 g/L计算)，则可处理的水量为1.6万m3/d，此时斜管沉淀池均时表面负荷为1.05 m3/(m2·h)。若利用中水系统，则Y厂冬季稳定处理水量为23.6万m3/d，基本满足预测要求。同步采取投加硅藻土药剂的方案，可保证系统在冬季稳定处理的水量达到23万～24万m3/d。

3.1.4 冬季应急期间中水水质保证措施

根据Y厂冬季历年运行经验，二沉池因污泥膨胀导致泥位持续升高的时间为10～30 d，中水系统兼做二沉池的运行时间较短，但需要保证此时间段内的出水水质达到一级A标准，主要控制指标为SS和TP。TP的去除主要依靠化学除磷，SS的去除依靠斜管沉淀池和精密过滤器，SS去除的同时TP也相应去除。因此，在混合池增大PAC投加量，可以提高污泥的压实性，提升斜管沉淀池泥水分离效果，再经过精密过滤器后，SS和TP可以保证达到一级A标准。由于在此种工况下精密过滤器进水SS会增高，在运行过程中需要增加反冲洗时间防止其污堵。

3.2 运行效果分析

2018年1月底中水系统开始调试，2月1日起开始应急使用，PAC投加量为100～150 mg/L(10% Al2O3)，其水质指标如表3所示。

表3 中水系统运行水质指标Tab.3 Operation Water Quality Index of Reclaimed Water System

由表3可知，中水系统应急期间作为二沉池后其出水水质可以稳定达到一级A标准。运行期间生物池SVI均高于200 mL/g，但并未发生二沉池清水层不足的情况，安全度过了冬季。在斜管沉淀池运行过程中发现了以下问题。

(1)斜管内壁极易黏附活性污泥絮体，并会逐渐加厚，长时间运行后污泥絮体漂浮于池面，严重时蜂窝形状的污泥会冲出斜管，尤其是斜管沉淀池进水端发生频率较高。运行时需要人工进行清理，防止污泥絮体飘出出水堰造成出水指标升高。建议今后同类工程设计增加斜管自动冲洗系统。

(2)4格沉淀池排泥管道采用并联同程方式接至储泥池，实际运行受安装误差、排泥阀等阻力影响，造成4格沉淀池排泥不均匀，运行泥位不同，导致处理效果有差别，通过调节排泥阀开度也很难均衡。建议今后同类工程4格沉淀池的排泥管道单独接至储泥池，消除4格排泥管路的互相影响。

4 结论

利用中水系统在冬季应急期间作为污水处理厂的二沉池，通过对中水系统增加混合液提升泵和污泥外回流泵，并合理选用斜管沉淀池的刮泥机减少对污泥的扰动等技改措施实现系统的运行。同时，通过提高PAC的加药量和增加精密过滤器的反冲洗频率，确保了中水系统达到一级A标准。运行实践表明，在斜管沉淀池固体负荷小于150 kg/(m2·d)时，斜管沉淀可在应急期间作为二沉池使用，对类似污水处理厂解决冬季二沉池稳定运行提供一定参考。