污水廠污泥重金屬中毒或可如此應(yīng)對
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】《活性污泥重金屬中毒的工藝調(diào)控方法與對策》發(fā)表于《凈水技術(shù)》2022年第1期,從一線運行角度出發(fā),對污水處理廠某次活性污泥重金屬中毒導致運行異常的現(xiàn)象進行剖析,梳理出了五種較為常見的污泥中毒特征,對一線技術(shù)人員在日常運行種的診斷識別提供借鑒。同時,本文對污泥重金屬中毒可采取的方法措施進行了總結(jié),提出了較為翔實且可操作的工作流程,為類似的污水處理廠運行管理提供了案例支持和方法指導,有一定指導意義。
項目背景和生產(chǎn)問題的發(fā)生
某污水處理廠處理規(guī)模為10萬噸/日,出水執(zhí)行《賈魯河流域水污染物排放標準》(DB908-2014)中鄭州市排放限值。該廠進水中工業(yè)廢水占比約為5%。該廠采用改良氧化溝處理工藝,工藝流程如圖1所示。生物處理單元分三個系列,正常運行時污泥濃度維持在4500±500mg/L,水力停留時間、污泥停留時間和污泥回流比分別為10h、20d和60%,污泥容積指數(shù)維持在45±10mL/gMLSS。該污水廠為城鎮(zhèn)污水處理廠,來水主要為城鎮(zhèn)生活用水,實際運行平均進水化學需氧量為250±50mg/L,其五日生化需氧量為125±20mg/L,可生化性良好,進水總磷為5±1.5mg/L,進水氨氮為45±10mg/L。
2019年6月至2020年3月期間,該污水處理廠先后多次出現(xiàn)進水異常事件,以2019年7月為例,異常當天運行人員發(fā)現(xiàn)生物池在精準曝氣運行模式下進行生物池DO急劇升高,現(xiàn)場生物池污泥沉降性變差,取樣做微生物鏡檢發(fā)現(xiàn)原生動物及后生動物活性較差,安排現(xiàn)場采樣測試分析,發(fā)現(xiàn)生物池出水氨氮濃度升高,經(jīng)驗表明污泥已中毒。
污泥中毒問題的分析與思考
作者結(jié)合經(jīng)驗,對污泥中毒現(xiàn)象的具體表征進行了分析和判斷。
1、溶解氧顯著升高
污水處理廠運轉(zhuǎn)過程中需向生物反應(yīng)池內(nèi)曝氣,活性污泥利用曝氣提供的DO進行新陳代謝,實現(xiàn)氧化分解有機物、氧化氨氮等目的。根據(jù)脫氮除磷理論指導及實際運行監(jiān)測,該廠通常將生物池好氧段DO控制在2mg/L左右?;钚晕勰嘤龅接卸緩U水沖擊時,其新陳代謝受到抑制甚至停滯,對反應(yīng)池內(nèi)的DO利用效率下降,在同等曝氣條件下,生物池內(nèi)的DO會快速升高,基于該現(xiàn)象,有研究者采用DO作為指示參數(shù),用于污泥中毒事件的預(yù)警。
本項目污水處理廠采用精確曝氣系統(tǒng)控制DO,正常運行時各生物池出口DO濃度均控制在0.5~3.0mg/L。圖2為活性污泥受到重金屬廢水沖擊前后的DO變化情況,受到重金屬廢水沖擊后,在同樣的曝氣條件下,生物池DO迅速升高,1系列和3系列生物池內(nèi)的DO在約2h內(nèi)分別達到5.4mg/L和6.6mg/L,2系列生物池DO上升較慢,在發(fā)現(xiàn)中毒時DO僅為2.7mg/L,這反映出發(fā)現(xiàn)異常時1、3系列微生物活性已經(jīng)被嚴重抑制,而2系列污泥中毒較輕,主要原因是生物池1、3系列進水量基本均等而2系列進水水量相對較低。
圖2及以上數(shù)據(jù)分析,可知污泥發(fā)生中毒時即使生物池采用精確曝氣方式降低曝氣量,好氧池內(nèi)DO仍舊居高不下,主要呈現(xiàn)為較低氣水比下溶解氧依舊異常升高,與研究者所闡述現(xiàn)象內(nèi)容基本印證,由此我們可得出二者有一定對應(yīng)關(guān)系。該廠通過DO作為參考指標,其異常升高時進行污泥中毒與工藝異常的預(yù)警,且在實際運行中將自身廠內(nèi)實際水量分配情況、其他項目監(jiān)測指標、日常運行常規(guī)數(shù)據(jù)等結(jié)合,多向印證進行污泥中毒與否的判斷。
2、微生物鏡檢觀察
在成熟的活性污泥系統(tǒng)內(nèi)存在大量的原生動物,它們與細菌相互依存,可為活性污泥性能和污水處理效果好壞提供指示作用。其中鐘蟲、輪蟲等為最常見的原生動物。圖3給出了活性污泥中毒前后的顯微鏡照片。由圖3a可知,在污泥中毒前,系統(tǒng)內(nèi)鐘蟲形態(tài)完好活性較強。重金屬廢水沖擊后,發(fā)現(xiàn)生物池內(nèi)鐘蟲出現(xiàn)斷柄、縮口現(xiàn)象,輪蟲也出現(xiàn)活性降低、數(shù)量減少等現(xiàn)象(圖3b)。結(jié)果表明,重金屬廢水可對生物池內(nèi)的原生動物造成嚴重毒害作用,該現(xiàn)象可以作為快速鑒定污泥中毒事件的依據(jù)。
3、重金屬含量測定
在發(fā)生進水異常時,即時取異常進水進行重金屬含量檢測,測定重金屬含量情況見表1。由表1可知,污水處理廠正常進水各類重金屬含量均低于檢出限,可見異常水質(zhì)進水總砷濃度為2.2~13.6μg/L,進水總汞濃度為0.12~0.46μg/L,均明顯高于水質(zhì)正常時重金屬濃度,進水pH值及氯化物指標濃度與正常進水指標相比變化不大,可見,進水中砷、汞超標是造成活性污泥中毒、水廠運行異常的直接原因。
注:①正常進水為2019年連續(xù)六個月檢測數(shù)據(jù)均值。
②異常進水為2020年該廠發(fā)生污泥中毒現(xiàn)象時進水水樣的檢測結(jié)果,日期分別為2019年6月20日、2019年7月13日、2020年2月28日、2020年3月1日,水樣均為瞬時樣。
③此次研究內(nèi)容結(jié)合2019年7月13日數(shù)據(jù)展開,此后該水廠進水異常均結(jié)合7月13日相關(guān)經(jīng)驗及結(jié)論展開,處理處置效果較好。
4、沉降性能下降
正常運行狀態(tài)下,活性污泥的沉降性能良好,各生物池內(nèi)SVI值維持在45±10mL/gMLSS范圍內(nèi)。重金屬廢水進入后,發(fā)現(xiàn)生物池內(nèi)菌膠團結(jié)構(gòu)變得松散,絮體變小,呈灰白色,不易下沉,上清液呈棕黃色并有羽片狀絮體懸浮,各生物池內(nèi)SVI值升高至80±10mL/gMLSS。于此同時,發(fā)現(xiàn)二沉池出水中含有大量懸浮物和污泥絮體,出水濁度升高(俗稱“翻池”)。
5、污染物去除效率下降
圖4為污泥中毒前后三個生物池系列出水氨氮和TP的變化情況,每2h測試數(shù)據(jù)一次。由圖可知,在正常運行狀態(tài)下,三個系列的脫氮除磷性能良好,生物池出水氨氮均低于0.20mg/L,生物池出水TP濃度均低于0.15mg/L,完全滿足排放標準要求。在污泥中毒后,三個系列生物池出水氨氮最高濃度達到6.04mg/L、1.62mg/L和5.62mg/L,出水TP最高濃度分別達到3.15mg/L、2.38mg/L和3.01mg/L,均出現(xiàn)大幅升高。說明重金屬能夠顯著抑制硝化細菌和聚磷菌的活性,導致脫氮除磷性能下降。
污泥中毒后工藝控制策略
1、控制進水量
當發(fā)生污泥中毒事件后,應(yīng)根據(jù)實際情況優(yōu)先恢復受影響較小的生物處理系列,在條件允許的情況下關(guān)閉或減小生物池進水量,以減小有毒廢水對活性污泥的毒害作用。在活性污泥中毒事件中,運行人員發(fā)現(xiàn)在精準曝氣運行模式下生物池DO急劇升高(圖2),立即安排采樣測試分析,發(fā)現(xiàn)生物池出水氨氮濃度升高,經(jīng)驗表明污泥已中毒。根據(jù)DO變化情況,發(fā)現(xiàn)2系列生物池中毒現(xiàn)象較輕,因此首先停止向2系列生物池進水,并開展悶曝、補充碳源等綜合措施。在2系列生物池出水氨氮恢復正常水平時,重新進水,并開始對1系列生物池進行停水調(diào)控。1系列在悶曝7h后生物池出水氨氮濃度恢復正常,3系列生物池開始停水悶曝。結(jié)果表明,停水悶曝在對恢復活性污泥活性有著較為顯著的作用。
2、增加曝氣量
污泥中毒后,微生物活性降低,此時增加曝氣量可為微生物提供充足的DO,有助于快速恢復好氧微生物的活性。該廠發(fā)生污泥中毒后,運行人員接除精準曝氣自動控制,將鼓風機出口導葉調(diào)至100%。該水廠因鼓風機風量原因,不能同時滿足三個系列高溶氧需求,中毒后工藝調(diào)控過程中,根據(jù)中毒嚴重程度率先選擇對中毒情況最輕的2系列生物池進行停水悶曝,對中毒情況較輕的1系列生物池進行高溶氧曝氣激發(fā)活性,最后根據(jù)監(jiān)測數(shù)值對另外兩個系統(tǒng)進行進一步調(diào)整。
最終調(diào)整結(jié)果顯示:2系列生物池內(nèi)DO短時間內(nèi)從2.42mg/L升至6.60mg/L,6h后2系列出水氨氮濃度開始低于1.0mg/L,11h后重新開始進水,發(fā)現(xiàn)出水氨氮穩(wěn)定在1.0mg/L以下,17h后將2系列生物池曝氣調(diào)整為精準曝氣,2系列恢復正常。在該過程中1系列生物池不停水曝氣出水平均DO濃度維持在6.60mg/L,3系列的曝氣量較小,DO濃度在開始調(diào)控后5h時開始逐漸下降,最終降至1.0mg/L左右;1系列和2系列生物池基本恢復后,減少其曝氣量,增大3系列曝氣量,DO濃度升至7mg/L以上,在調(diào)控12h后恢復正常,由此可知增大曝氣量有助于提高微生物活性,恢復生物系統(tǒng)。
3、投加碳源
研究表明,投加碳源能夠有效加快恢復中毒污泥的活性,縮短恢復時間。發(fā)現(xiàn)污泥中毒后,在開展曝氣量調(diào)控的同時,該廠增大碳源投加量,在生物池投加乙酸鈉含量為20%,CODcr當量為2.5×105mg/L的碳源,投加比例從30mg/L增加至50~80mg/L(約等于投加CODCr12.5~20mg/L)。增加碳源投加后,活性污泥中的微生物尤其是異養(yǎng)微生物的代謝活性增強,可以緩解污泥汞、砷中毒造成的影響。
4、增大有效活性污泥濃度
在發(fā)現(xiàn)污泥中毒時,二沉池中的活性污泥尚未受到毒害或中毒較輕,因此及時增大污泥回流量可以有效稀釋生物池內(nèi)重金屬的濃度,降低有毒廢水對活性污泥微生物的毒害,同時可以增加生物池內(nèi)微生物濃度,提高生物池系統(tǒng)的穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)污泥中毒后,水廠將回流污泥量從3000m³/h提升至4200m³/h,污泥回流比從70%增加至近100%,生物池污泥濃度從4500mg/L逐步升高至5600mg/L。待生物池內(nèi)中毒污泥大規(guī)模進入二沉池后,開始提高剩余污泥排放量,通過排泥的方式將有毒有害物質(zhì)在最短的時間內(nèi)排出生物系統(tǒng)。氨氮出水值從最高的8.0mg/L逐步降低至1.0mg/L以下,基本實現(xiàn)了正常出水。此外在系統(tǒng)中毒較為嚴重氨氮值居高不下的情況下,也可采取向生物池投加硝化菌種、反硝化菌種、未中毒系列或單位的新鮮活性污泥等,迅速提高生物池內(nèi)有效活性污泥的濃度,保障正常出水。
5、加大水質(zhì)監(jiān)測頻次
污水廠運行正常時,每天取混合樣一次進行水質(zhì)分析化驗。發(fā)生污泥中毒后,水廠增加取樣頻次,每2h取生物池活性污泥樣品一次,直至生物池系統(tǒng)完全恢復活性。重點分析氨氮、TP等水質(zhì)指標,同時開展微生物鏡檢。通過增加水質(zhì)監(jiān)測頻次,水廠管理人員可以及時了解生物池內(nèi)的活性污泥狀態(tài),為及時改變調(diào)控策略提供依據(jù)。變化趨勢指導調(diào)控直至系統(tǒng)恢復。
6、設(shè)置污泥中毒預(yù)警系統(tǒng)
污泥中毒后,系統(tǒng)的氨氮、硝氮等水質(zhì)指標會出現(xiàn)大幅波動,利用這些水質(zhì)異常數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)進水異常的預(yù)警。在發(fā)生重金屬中毒事件后,水廠開始探索進水異常預(yù)警機制。經(jīng)多次試驗,最終選擇在生物池好氧區(qū)第一廊道設(shè)置自動采樣監(jiān)測預(yù)警裝置。該裝置主要由自動采樣系統(tǒng)和硝酸鹽氮在線監(jiān)測儀組成。該系統(tǒng)每1h從生物池內(nèi)取活性污泥樣品一次,測定其硝態(tài)氮濃度,該數(shù)值直接反饋中控系統(tǒng),在現(xiàn)場硝態(tài)氮出現(xiàn)異常降低后并達到預(yù)警值后,中控系統(tǒng)自動調(diào)大溶解氧、加大碳源投加量、降低進水量、增大外回流、增大剩余排放量,直至系統(tǒng)恢復正常。與生物池末端DO在線監(jiān)測裝置相比,該預(yù)警系統(tǒng)可以提前6h感知生物池異常情況,工藝調(diào)控提前,可顯著降低有毒廢水對活性污泥的毒害作用,縮短污泥恢復時間。
通過對DO、碳源投加量、進水量、污泥回流比和剩余污泥排放量等參數(shù)的綜合調(diào)控,水廠生物池活性污泥可在24h全部恢復活性,污泥沉降性能改善,二沉池出水SS減少,出水氨氮、TP、TN等指標降至排放標指以下,鏡檢發(fā)現(xiàn)鐘蟲、累枝蟲等固著類纖毛蟲增多,出水水質(zhì)趨于良好。
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