污水厂污泥重金属中毒或可如此应对
《活性污泥重金属中毒的工艺调控方法与对策》发表于《净水技术》2022年第1期，从一线运行角度出发，对污水处理厂某次活性污泥重金属中毒导致运行异常的现象进行剖析，梳理出了五种较为常见的污泥中毒特征，对一线技术人员在日常运行种的诊断识别提供借鉴。同时，本文对污泥重金属中毒可采取的方法措施进行了总结，提出了较为翔实且可操作的工作流程，为类似的污水处理厂运行管理提供了案例支持和方法指导，有一定指导意义。
项目背景和生产问题的发生
某污水处理厂处理规模为10万吨/日，出水执行《贾鲁河流域水污染物排放标准》（DB908-2014）中郑州市排放限值。该厂进水中工业废水占比约为5%。该厂采用改良氧化沟处理工艺，工艺流程如图1所示。生物处理单元分三个系列，正常运行时污泥浓度维持在4500±500 mg/L，水力停留时间、污泥停留时间和污泥回流比分别为10 h、20 d和60%，污泥容积指数维持在45±10 mL/g MLSS。该污水厂为城镇污水处理厂，来水主要为城镇生活用水，实际运行平均进水化学需氧量为250±50mg/L，其五日生化需氧量为125±20 mg/L，可生化性良好，进水总磷为5±1.5mg/L，进水氨氮为45±10 mg/L。
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。
