鄭州某大型污水處理廠運行經驗及工藝調控分析

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，但隨著經濟發展和人民生活水平的不斷提高，國內污水排放量逐年增加，尤其是城市生活污水氮磷超標排放，導致當地水環境惡化，因此氮磷控制排放就顯得尤為重要〔1-3〕。為緩解水環境壓力、降低污染物排放量、增強水體自凈能力〔4〕，國務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提出更高要求。

鄭州某污水處理廠采用的“多點進水前置預缺氧改良A2/O生物處理”工藝〔5-7〕，但在運行過程中一直存在超負荷運行，進水量是設計水量的1.2～1.8倍，高峰時遠超設計規模，存在著總氮超標的風險，該污水處理廠利用多點進水解決了碳源分配問題，除此之外，對內回流進行一定的改進，以確?？偟倪_標排放。出水水質穩定達標并優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。為此，分析研究鄭州某污水處理廠超負荷運行的優勢及工藝調控，挖掘同步脫氮除磷運行效果良好的關鍵因素，為后續應對突發情況，及時作出工藝調控提供理論依據，同時為其他采用相同工藝的污水廠提供工藝調控經驗。

1 鄭州某污水處理廠設計概況

1.1 設計概況

鄭州某污水處理廠主要收集處理服務區的生活污水和雨水，服務面積為328 km2，規劃總處理規模為100萬m3/d，其中一期設計處理規模為65萬m3/d，其設計進出水水質見表1。一期污水處理采用粗細格柵、曝氣沉砂池、初沉池預處理和“多點進水前置預缺氧改良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，出水水質優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準〔8〕，部分指標達到《地表水質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準。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 進出水水質Table 1 Water quality of inlet and outlet

1.2 生物反應系統設計概況

鄭州某污水處理廠出水優于一級A標準，主要因為良好的生物反應系統。生物反應系統采用多點進水前置預缺氧改良A2/O工藝，每座生物池由預缺氧池、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，前置預缺氧和厭氧區水力停留時間均為1.0 h，缺氧區為8.0 h，好氧區為11.0 h；外 回 流 比50%～100%（可 調）；內 回 流 比200%～300%（可調）；設計泥齡為18.4 d；MLSS為3 500 mg/L；污泥負荷為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、取樣點及多點進水分布Fig.2 Map of biopond types，sampling points and multi-point influent distribution

2 歷史進水量負荷分析

目前鄭州某污水處理廠為超負荷運行狀態，整體運行穩定，2017年日均處理量為71.39萬m3，處理量達設計值的110%，2018年日均處理量為82萬m3，處理量達設計值的126%，2019年日均處理量達到88萬m3，處理量達設計值的135%，2020年日處理量達到90.74萬m3，處理量達設計值的140%，由此可看出2017年至2020年處理水量在逐漸增大，廠內處理負荷進一步增大。在如此大的水量沖擊負荷下，仍可以達到出水水質穩定達標，其設計優勢和日常工藝調控對其他污水處理廠的生產運營有一定的借鑒意義。截取2020年8月該污水處理廠的進水數據進行統計，分析掌握該污水處理廠超負荷運行狀況。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。持續水量波動，易造成進水負荷沖擊，污水流速加快，生物處理停留時間變短，因此根據進水流量進行工藝調控，以保證出水達標排放。

3 歷史進水水質變化特征分析

圖4為鄭州某污水處理廠2020年8月份進水污染物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，進水BOD5/COD在0.19～0.88之間波動且均值約0.51，在實際運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，內外回流比是影響脫氮的主要因素。在實際運行過程中，內回流設計值為300%，外回流一般控制在50%～60%，根據理論公式計算：總氮去除率（%）=（R+r）×100（/R+r+1）（R是外回流比，r是內回流比）〔10〕，得出脫氮效果與內回流和外回流有線性關系。實際運行中調節外回流比為50%～60%，內回流比為300%時，總氮去除率在78%左右，但該廠總氮平均去除率達到83%，還得益于超大的內回流比。該污水廠在設計的基礎上，截掉了內回流穿墻泵的出水管，降低了內回流泵的揚程，增大了內回流泵的流量，讓內回流比最大能達到400%，這也是總氮去除率提高的一個重要原因。進水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物的濃度對除磷影響較大〔11-12〕，當BOD5/TP＜15時，生物除磷系統難以達到排放標準，由圖4可知該污水廠BOD5/TP比較好，利于生物系統除磷。其次生物系統采用多點進水的方式，合理分配預缺氧池、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。受廠內綜合管網排水影響，1和2系列生物系統受廠內污泥處理回水影響水質數值偏高，7和8系列受廠內深度處理反沖洗水回水影響水質數值明顯低于其他系列。本研究選取進水水質相對運行穩定的5系列作為典型代表分析脫氮除磷效果。在5系列生物池功能區布置15個取樣點（如圖2所示），根據實驗數據（如表2）研究生物池沿程各指標的變化情況，設置的取樣點是為了研究每個區域發揮生物作用的能力強弱，以此判定生物反應進程，避免出現功能浪費。具體取樣點布置如下。

表2 5系列生物池采樣點水質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系列生物池的進水COD為297 mg/L，出水為13 mg/L，經過生物池處理后污水中COD去除率為95.62%。圖5表明，預缺氧池經內回流進水稀釋和反硝化作用消耗有機物，COD去除率達90.24%。在缺氧池濃度升高，是因為多點進水攜帶的有機物。沿著污水處理流程，COD逐步降低，碳源利用率高，出水優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。該廠進水有機物濃度受季節性影響出現明顯的波動，春季進水有機物較高，夏季反之。如圖2 所示，該污水廠生物系統采用多點進水的方式，即預缺氧池、厭氧池、缺氧池同步均勻進水，根據進水情況調節進水比例合理分配碳源，優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系列生物池進水總氮平均質量濃度為37.6 mg/L，氨氮為32.4 mg/L，硝態氮為0.95 mg/L，氨氮是進水中TN的86.17%〔13〕，全過程處理后，出水總氮平均質量濃度為8.14 mg/L，氨氮為0.263 mg/L，硝態氮為7.07 mg/L。

從圖6還可以看出，全流程中，預缺氧前端進水與回流污泥混合后，受回流和生物系統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，與微生物分解有機物和活性污泥水解有關〔14〕，總氮濃度降低，主要為硝態氮濃度降低，發生反硝化作用轉化為氮氣排放?？偟桶钡獫舛仍趨捬醭卦龃?，是因為厭氧池進水點進水攜帶的總氮和氨氮。污水在缺氧段前端和從好氧段內回流來的混合液混合，反硝化菌利用有機物把從好氧段回流攜帶的硝態氮還原為氮氣。在好氧段，硝化菌在低碳環境和曝氣充氧條件下，把氨氮氧化成硝態氮和亞硝態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基本被去除，氨氮完全轉化為硝態氮和亞硝態氮，通過大比例內回流進入缺氧段進行反硝化，以此實現良性循環。

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

生化池進水總磷為3.45 mg/L。一般情況下，污水中不溶性總磷可在預處理單元攔截去除，剩下的可溶性總磷隨著污水進入生物池，可溶性總磷成分中基本為PO43--P。預缺氧段進水總磷升高，出水為12.1 mg/L，厭氧段出水為20.6 mg/L，這說明預缺氧段硝酸氮已經被去除完全，并有充足的碳源為聚磷菌所利用，導致釋磷環境提前形成，因此出現在缺氧段磷酸鹽上升的情況。在厭氧段因為多點進水的影響，進一步提供聚磷菌可以利用的短鏈脂肪酸（SCFA），因此釋磷繼續進行，并達到峰值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定達標，另外曝氣量也是影響磷酸鹽出水的一個重要指標，鄭州某污水廠采用精確曝氣系統，將溶解氧（DO）控制在0.5 mg/L以下，從而保證總磷出水的穩定性。

5 結論

1）采用多點分配進水，提高內回流比，能使超負荷運行的鄭州某污水處理廠（前置預缺氧A2/O工藝）穩定運行，出水氮磷濃度優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準，部分指標達到《地表水質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準。

2）進水均勻分配在預缺氧、厭氧、缺氧工段，內回流量為400%時，水中COD、TN、TP去除率達到了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去除率達到98.55%。