东北低温城市污水处理厂设计运行探讨.doc

东北低温城市污水处理厂设计运行探讨

东北低温城市污水处理厂设计运行探讨

1、低温对污水处理工艺的影响
目前，国内外通用的污水处理技术主要是采用生物法，此方法具有处理彻底、有机物降解率高、二次污染小、能耗低和运行管理方便等优点。但也存在微生物对环境的适应有要求，特别是水温受自然环境影响的问题较难解决。国内外大量的理论与试验研究表明，正常水处理条件利用的是中温菌，在15～35℃之间有较好的活性，当水温低于8℃或高于35℃时，微生物反应的速度明显降低。实际运行中，水温高于35℃的情况较少，降低水温也比较容易。当水温低于8℃时，中温菌活性降低或死亡，但在北方地区保持水温不低于8℃则是很困难的事，耗能和保温都存在问题。所以，如何保证北方地区污水处理厂冬季正常运行是一个急需解决的重要问题之一。
温度是一个重要的生态因子，是影响微生物生长与存活的最重要因素之一，对生物个体的生长、繁殖、新陈代谢及生物种群分布和种群数量起着决定作用。此外，温度对活性污泥的絮凝沉降性能、曝气池充氧效率以及水的粘度都有较大影响。
由于低温引起微生物生长缓慢和酶促反应速度下降，必将导致活性污泥活性降低，使得生物处理反应速率下降。

图2 中温性细菌生长速率和温度关系

图3 温度对酶促反应速度的影响
根据生长温度特性，微生物大致可分为3类：高温菌、中温菌和低温菌。低温菌通常又被细分为两类：一类是必须生活在低温条件下，其最高生长温度不超过20℃，在0℃可生长繁殖的微生物称为嗜冷菌；另一类是最高生长温度高于20℃，在0~5℃可生长繁殖的微生物称为耐冷菌。这两类微生物的生态分布和低温微生物学特征均存在差异，它们以独特的生理功能适应环境．当环境温度超过其最高生长温度时，有些嗜冷菌细胞溶解且随之死亡。而耐冷菌比嗜冷菌更能忍受温度波动，其温度适宜范围也比较宽。因此，耐冷菌更适用于污水处理。
尽管已证明嗜冷性微生物在低温下具有较高的污染物降解能力，并且已分离到几种耐低温酵母菌，但是由于嗜冷性微生物种类较少，且污水中的生物量也少，易在活性污泥中流失，所以其污染物去除能力没有很好的发挥出来。又由于污水处理中的微生物大多数是适温微生物，适温微生物的最低生长温度为10℃，低于10℃时，起主要降解作用的中温菌已经失去了降解有机物的能力，而冷适微生物由于世代时间较长，并且受自身生理特性和各种生态因子的抑制作用，在数量上不能达到一定的程度，在量与质上并未形成优势群体，从而导致了生物处理效果的降低。因此，低温条件下市政污水厂活性污泥中微生物种群数量少、活性低、分解有机物能力弱、处理效率低、出水水质差。
在北方寒冷地区，水温降低或过低可能使得污水处理过程出现一系列困难或问题，包括物理与生物吸附能力下降，生物活性降低，沉淀不易，污泥膨胀等，导致污水处理量与出水水质很难保证与达标。
吸附作用
水温在5℃以下时，温度对活性污泥初期吸附作用影响较大，水温愈低愈明显。0℃时初期吸附作用不明显，5℃的吸附曲线初期吸附作用较高，随着温度的升高，初期吸附效果变好。这是因为冷适微生物所分泌的细胞外聚合物变少以及酶催化作用的减少降低了生化反应速度，低温时微生物本身代谢功能也逐渐减弱，吸附在活性污泥表面上的有机物，不能很快被降解，未降解的有机物在活性污泥吸附表面上有所积累，在一定程度上改变了被多糖类粘液层包覆的吸附表面的性质，污泥的表面活性恢复的较慢，从而降低了活性污泥的吸附作用。如果延长生物反应时间，温度对于COD 去除率的影响将逐渐减少。这可以认为总吸附表面积不会因水温降低而减少，这就保证了低温吸附去除作用继续存在。
污泥沉降
低温条件下活性污泥的沉速较小，常温条件下活性污泥的沉降性能明显好于低温条件下活性污泥的沉降性能。主要原因如下，常温条件下的中温菌分泌的胞外聚合物较多，使污泥的絮体结构密实、大小适中，容易形成大块絮状体沉淀下来，因此具有良好的沉降性能。而低温条件下能够代谢外源物质的中温菌的数量少，活性低。冷适应微生物的数量虽然有所上升但和常温条件下的中温菌相比数量较少，活性也较低。所以低温条件下微生物菌群的分泌能力低，胞外聚合物的数量大为减少，微生物间的相互作用变弱，从而导致活性污泥颗粒细碎，不易形成大颗粒絮状体，常常是细小的泥粒等速共沉，沉速较小，温度越低这种现象越明显。从水质特点上分析，低温环境下，水的粘滞性增高，固体颗粒沉降阻力增大，降低了泥水分离效果，沉淀后的上清液仍有细小的悬浮颗粒随出水带走。
污泥膨胀
有关研究表明在寒冷地区城市污水厂，除低氧、低负荷外，温度也确是影响污泥膨胀的重要因素。专家通过对膨胀污泥的显微观察和生化分析认为微丝菌属的小胸虫在低温条件下会引起污泥膨胀。此细菌适合的生长环境是低温、低负荷，在这种环境下它的丝特别长，具有疏水性特点。低温导致丝状菌的过度生长是寒冷地区冬季和春季污泥膨胀的主要原因。
污泥脱水
对于低温运行的活性污泥，颗粒密度是影响污泥比阻的主要因素，而对于常温活性污泥，颗粒大小才是影响污泥比阻的主要因素。同时，低温下丝状菌的大量出现导致了污泥絮体疏松、密度减小，进一步导致污泥比阻和沉降指数增大。与常温运行活性污泥相比，低温运行活性污泥所携带的负电荷少而具有更高的亲水性；低温活性污泥的胞外分泌物中含有更多的粘性物质，使污泥的压缩性降低而难于沉降。
2、寒冷地区水质水量特点
污水是以其物理、化学和生物的组分来表征的。污水处理厂设计的前提条件是必须正确掌握污水的水质，由于污水的组成成分极其复杂，难以用单一指标来表示其性质。因此，在众多的水质指标中，按污水中杂质形态大小分为悬浮态物质和溶解态物质两大类，每类按其化学性质又可分为有机性物质和无机性物质；按是否消耗水体中溶解氧，又可分为生物化学需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）等。在污水处理系统设计时，污水水质是确定处理设备能力和操作特性并确保达到处理目标的必要条件，也是污水处理厂规划、设计和运行管理的重要基础数据。城市污水中污染物的含量与用水量、排水系统、气候以及生活习惯等相关，
北方地区冬季寒冷，污水温度低，同时由于生活习惯的差异，城镇污水具有以下特点。
(1) 水温低。气温随着季节呈周期变化，而水温则随气温变化，但其变幅相对较小，特别是污水管道中水温变幅不大。北方低温地区的市政污水温度一般在8~15℃，少数在6~8℃。
(2) 水质较差。由于该类地区冬季蔬菜较贵，居民多以肉食为主，且地下水位较深，污水中渗入水少，居民用水量小，洗浴水少，故水质较差，含油多，污染物含量高。低温下管道自分解能力弱，夜间水质较好，白天差，昼夜变化较大。
(3) 水量变化大。该类地区冬季昼短夜长，所以白天的污水排放较为集中，而夜间污水量较少，所以昼夜水量变化较大，易对污水厂形成水质水量冲击。
由于其特殊的水质水量特点，在选择城市污水处理工艺时，不仅要考虑水质水量波动对工艺的影响，更要考虑温度变化对工艺的影响，并在设计时采取适当的技术措施，保证低温条件下市政污水厂的正常运行。
×××市位于吉林省，属于北温带大陆性季风气候，四季分明，夏季温热多雨，冬季寒冷漫长，春秋季较短。年均气温4.3℃，极端最低气温达到零下40℃，多年平均降雪约20mm，历年最大积雪深度达到460mm左右，最大冻土深度约-1.90m。
×××污水处理厂北纬约44度，属于我国北纬 35 度以北的地区，冬季寒冷，冰冻期长，降雪量大，昼短夜长，冬季进水温度一般在6~10℃，水量、水质变化较大，易对污水处理厂形成水质、水量冲击，使活性污泥中活性污泥微生物种群数量少、活性低、分解有机物能力弱，导致污水处理效率低，出水水质较差。
3、寒冷地区污水厂工艺设计
在寒冷地区建设污水处理厂时，除要充分考虑原水的水质状况、水量变化、处理水的出路、占地面积、运行费用等因素外，还需考虑低温对生物处理的影响。由于特殊的气候条件，北方地区污水厂设计时必须慎选设计参数注意构筑物及设备管阀的保温。要采取适当的技术措施，保证在低温季节也能正常运行。
(1) 设计参数的选择适当降低污水处理构筑物的有机负荷和表面负荷设计参数。
(2) 池体设计除超高外，池体宜全部设于地下，从而满足池体冬季保温的需要。
(3) 鼓风机房设计应考虑提高风温的加热室设计，将冷空气温度加热至8~12 ℃，以提高曝气池水温，这样可使曝气池水温在最冷月份保持在8℃以上，并在选择风机时适当放大设计参数。
(4) 池型设计适当减小池子的平面尺寸，加大池子竖向尺寸，减少平面散热面积。
(5) 利用太阳能，采用采光保温罩等加盖措施，减少生物反应池内热量散失，防止冬季降雪引起的反应池内污水降温。
(6) 设备及管阀设计设备最好设于室内，否则应采取保温措施。管、阀宜设于管廊内。
(7) 污泥系统设计有污泥回流时宜取回流比的上限，以维持生物池的高生物量。
(8) 污水处理各露天构筑物池壁采用发泡保温板保温，外砌砖围护结构等进行保温处理。
4、寒冷地区污水厂运行
不得不采取增大污泥回流量、增长污水停留时间等措施，这些措施可能又进一步会降低污水水温，尤其是污水停留时间的增长，会导致污水水温随时间线性下降。
通常可通过增大污泥回流量、增长污水停留时间等措施让耐低温菌尽可能代谢污染物。
目前的工程中一般采用降低污泥负荷、增加污泥回流量、增长水力停留时间甚至对池体做升温或保温等措施，以保证污水厂在冬季时的正常运行，但这不仅会增加工程的投资和运行费用，还会带来污泥膨胀等一系列问题。
现行的解决办法非常有限，在我国部分北方城市常用的措施有：
(1) 曝气池、二沉池等池壁采用发泡保温板保温，外砌砖围护（炉渣、膨胀珍珠岩等填充）结构，池顶加盖等保温措施；
(2) 鼓风机一侧设空气预热室，将冬季-25～-30℃的冷空气预热到5～8℃；空气管道设置管廊，便于保温处理等。
(3) 适当加热污泥，包括回流污泥；
(4) 用热蒸汽给进入曝气池的污水加热。
现行的这些办法会增加污水处理的成本。
5、问题分析
5.1设计规模
×××污水处理厂设计规模2×104 m3/d目前实际处理水量1.5×104~1.6×104 m3/d，实际规模与原设计略有出入，这是我国目前污水处理厂普遍存在的问题。设计规模偏大，导致设备与运行状态不符，运行控制状态调整困难，由此产生出水水质超标，同时造成水处理成本增加。
5.2污水水质
国家标准《室外排水设计规范》GBJ14－87（2005年版）中，建议对城市污水处理厂的设计水质需要进行调查，然后确定进水水质。然而，有关的调查方法，取得的数据处理等则未作规定。由于缺乏水质监测数据和有效的数据处理方法，目前己建成的部分城市污水处理厂实际进水水质与设计水质存在较大差异，严重影响了城市污水处理厂的运行。
×××污水处理厂设计水质偏高目前实际进水水质约为设计水质的一半左右，原设计进水水质确定方法需要进一步探讨，对当地城市污水水质状况缺乏详细调查，紧紧依靠吉林当地同类污水处理厂的设计水质来确定设计水质，由此造成设计偏差，从而导致污水处理厂建成后，进水负荷不足，造成一定的投资浪费，并造成实际运行的困难。
5.3 运行管理
由于原设计水量水质与实际状态不一致，需要根据实际状况调整运行策略，从而保证出水水质达标，避免造成运行成本过高。
CAST生物反应池是污水二级处理的核心，采用4系并联运行，CAST工艺具有一定的灵活性，可以根据水质水量变化调整运行的个数以及各个反应时段的时间，从而达到最佳运行状态。目前×××污水处理厂按照原设计控制方案运行，造成处理负荷过低，难以维持较高的活性污泥量，同时导致运行费用过高。
吉林地区冬季最冷月气温可降至-20~-30℃，在常温条件下培养的污泥随着水温的降低，需要进行微生物的种属筛选和淘汰，逐步适应了低温的自然环境，建立了新的生物平衡关系。当温度在10℃时，保持较稳定的低温运转，经过一段时间，污水温度与微生物建立稳定的平衡关系后，处理效果可接近正常温度的水平。
目前×××污水处理厂紧紧经过一个冬季的考验，去年冬季开始调试，缺乏冬季运行的经验。
6、技术调整方案
针对×××污水处理厂现状，从输水管网、进水水质、控制策略、冬季保温等方面提出以下技术调整改造方案。
6.1污水收集
2010年×××市总人口67万人，其中城镇人口21万人。由于当地经济发展水平限制，污水管网雨污混接是突出的问题。雨污分流系统改造不到位，雨污混流、地下水渗入以及河水倒灌等问题导致污水处理厂进水污染物浓度降低。
应按照“厂网并举、管网适度超前”的原则，采取一切必要措施，加快污水收集系统的建设进度，及时足量地将污染物收集到污水处理厂予以处理，充分发挥污水处理设施的污染物减排效益。
应加大对现有雨污合流系统的改造力度，尽量实现雨污分流，由于客观困难无法实现分流的区域应加大截留倍数，尽量提高污染物收集率，减少直接向水体溢流。另外，应强化对管网的养护管理，及时进行大修维护，防止污水大量外渗或地下水大量渗入。应在污水管网的安全溢流口设置逆止装置，防止河水大量倒灌进污水管网，降低污水处理效率。
6.2 低负荷运行策略
由于实际处理水量不足，约为设计的80%，进水COD约为设计的50%，目前污水处理厂运行负荷不足原设计的一半，导致现有污水处理厂运行出现一定问题。
CAST中污泥浓度偏低主要是由于进水负荷太低造成的，在进水负荷不足，采用原设计的4池运行方式和曝气强度，必然导致活性污泥营养不足，产生自我消减，反硝化碳源不足，从而导致目前处理效果不加，特别是出水氨氮超标。同时浪费曝气的电耗。
CAST工艺运行具有一定的灵活性，根据目前水量水质现状，可以适当调整CAST工艺，采用2格或3格运行方式，达到微生物增殖的合适负荷，提高污泥浓度，并保证出水达标。
6.3 CAST运行周期
CAST运行一个周期包含进水、曝气、沉淀和滗水 4 个阶段，根据目前水量水质现状，污泥浓度、污泥龄以及污泥回流比等控制参数，可以适当调整每个周期和其中任何一个阶段时间，保证每个阶段达到最佳效果。
6.4 运行参数控制
冬季微生物的增殖缓慢，数量不高，消耗氧的数量少，冬季污水中原有少量热量经鼓风曝气会很快散发，使原本较低的进水温度降得更低，因此通过控制曝气量以减少曝气过程中对水的热量损失。另外可以提高污泥回流比，减少污泥排放，延长污泥龄，维持CAST中较高的污泥浓度。
6.5 耐冷菌驯化
×××地区进入秋季，气温就开始下降。在常温条件下培养的污泥随着水温的降低，需要进行微生物的种属筛选和淘汰，逐步适应了低温的自然环境，建立了新的生物平衡关系，保证冬季污水处理厂基本处于正常运行状态。
6.6 生物强化
生物强化处理工艺是指向生化处理系统中投加高效菌种或载体，以提高系统中的微生物活性或浓度、强化生化处理效果的一种有效手段。
冬季向系统投加在低温条件下仍可有效降解污染物的耐冷菌、经固定化处理的耐冷菌、遗传工程菌等，通过高效菌种的直接作用或共代谢作用实现对低温污水的强化处理。
二是向活性污泥曝气池中投加载体，以利于微生物附着生长并形成高效生物膜，利用悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜共同承担去除低温污水中污染物的任务，提高反应池中生物量，防止污泥膨胀，改善泥水分离效果。投加的载体可以选用聚氨酯泡沫、粉末活性炭、硅藻土以及铁盐等。
6.7 空气加热
冬季污水中原有少量热量经鼓风曝气会很快散发，使原本较低的进水温度降得更低，要提高鼓风机进风温度，该厂在风机一侧设空气预热室，将冷空气加热至8~10℃左右，再经风机加压升温。空气管道采用管廊形式，加盖保温处理，减少裸露空气管道的沿程热量损失。以提高曝气池水温，这样可使曝气池水温在最冷月份保持在8℃以上。
6.8 保温措施
北方污水处理厂通常需要采用池体半地下或全地下形式、池壁保温、池顶加盖等方式，保证污水冬季水温达到生化处理的基本温度要求。×××污水处理厂原设计在保温方面不足，地上式的建筑结构不利于保温，因此需要对整个污水处理厂露天构筑物进行保温处理。防止冬季池面结冰、池中水温过低，影响处理效果。
具体可采取如下措施：CAST池地面以上池壁保温，采用池外壁围厚10cm发泡保温板，外砌砖作围护结构。池面采用日光棚保温结构，在冬季雨雪时候防止进入池内，防止热量散失，冬季可以使池内温度提高约1℃。细格栅间、旋流沉砂池在室内，要保证室内采暖正常，减少热量散失。
7、结论
×××市污水处理厂为了实现全年稳定达标排放，需要完善设计中的不足，调整运行策略，进行必要的改造，提高管理水平等多方面综合考虑，最终实现污水处理厂的优化运行，保证出水稳定达标，节省运行费用。

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