含余氯工业废水对不同活性污泥处理工艺的冲击影响

俞 勇，方 建，李珊珊

(浙江富春紫光环保股份有限公司，浙江杭州 310012)

我国工业化和城镇化快速发展以来，由于城镇排水系统的建设、管理存在不平衡，许多地区的城镇生活污水和工业废水采用合流制排水[1]，混合后输送到城镇污水处理厂进行处理。工业废水成分复杂，含有较多的化学物质，其中不乏有毒有害污染物[2]。因此，在实际运行过程中，时常有城镇污水处理厂活性污泥系统被有毒有害污染物冲击[3-4]，造成污水处理效果下降的情况发生，冲击严重时甚至会造成活性污泥中毒或者崩溃，危害城镇污水处理厂的稳定运行。

工业废水中有毒有害污染物对活性污泥的冲击问题已经引起国内诸多学者的关注，并开展了大量关于冲击机理和影响程度的研究[5-8]，但是有关不同的活性污泥工艺对有毒有害污染物抗冲击能力比较的报道较少。本文以浙江某城镇污水处理厂为例，在受到余氯工业废水冲击期间，对厂内两种不同的活性污泥法的抗冲击情况进行了研究。通过比较两种不同工艺对有毒有害污染物的抗冲击性和恢复能力，以期为评价有毒有害污染物对不同活性污泥工艺的冲击影响提供基础数据，为城镇污水处理厂应对有毒有害污染物的冲击提供参考。

1 研究对象

1.1 污水处理厂概况

浙江某城镇污水处理厂污水收集范围主要包括城区的生活污水和周边工业园区的废水，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准[CODCr质量浓度≤50 mg/L，氨氮质量浓度≤5(8) mg/L，其中括号内数值为水温≤12 ℃时的控制指标]。厂内处理工程分为两期，一期工程设计规模为0.5×104m3/d，主体处理工艺采用AAO工艺，厌氧、缺氧、好氧的停留时间分别为1.5、4.0、7.2 h，污泥回流比为50%～100%，硝化液回流比为100%～200%。二期设计规模为1.5×104m3/d，主体处理工艺采用改良式SBR工艺，共4组，SBR池池容为4 000 m3，选择池和反应池的池容比为1∶4，设计充水比为30%，运行周期为6 h。一期工程和二期工程除主体处理工艺外，其他配套的预处理工艺和深度处理工艺均相同，城镇污水处理厂的整体工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程

1.2 冲击废水水质

城镇污水处理厂周边化工园区的排水企业主要以化工、造纸和医药中间体企业为主，园区排水总量约占污水处理厂总进水量的30%。根据受到冲击的原因排查，冲击废水为园区内某化工企业的排水，该企业排放废水量为2 500～3 000 m3/d，在生产作业过程中，因发生次氯酸钠泄漏，造成大量高余氯的工业废水直接排入污水收集管网，从而进入城镇污水处理厂。发现冲击后，对事故企业排水、工业园区排水、污水处理厂进水水质分别进行监测，废水水质如表1所示。

表1 冲击废水进水水质

1.3 活性污泥冲击和恢复过程

城镇污水处理厂受到冲击和恢复的过程分成以下阶段：(1)第1 d，AAO和SBR受到冲击，污泥出现解絮，处理效果下降，排查和切断上游事故污水源，对进水水量进行控制和向生化池投加应急药剂；(2)第2 d，AAO和SBR的出水水质持续恶化，AAO先出现超标现象，加大应急药剂投加量，对管网中的废水采取除氯措施；(3)第5 d，AAO和SBR的出水水质得到控制，指标逐渐稳定，向生化池投加和置换活性污泥，逐步恢复水量；(4)第7 d，SBR的出水水质恢复，SBR向AAO回流部分剩余污泥，加速AAO的恢复；(5)第11 d，AAO的出水水质恢复，事故处置结束。

2 研究内容

2.1 研究对象

在受到冲击和恢复阶段，对AAO和SBR的进出水水质、污泥浓度、沉降性能、DO等参数进行监测和分析。AAO和SBR存在工艺差异，且城镇污水处理厂的运行管理是动态管理，工艺参数随着运行情况和出水数据实时调整，因此，为了准确地比较AAO和SBR抗冲击和恢复程度，采用可以离线测定的污泥指数(SVI)、比耗氧速率(SOUR)等指标进行对比。

2.2 采样频率和地点

对一期AAO和二期1号SBR池进行指标对比，由于SBR的运行周期为6 h，取样频率确定为12 h或24 h一次。AAO和SBR的出水分别取自二沉池和1号SBR池末端(滗水时)，污泥混合液分别取自AAO好氧池末端和1号SBR池末端(曝气即将结束时)。

2.3 检测方法

CODCr和氨氮的检测采用国标法(重铬酸盐法和纳氏试剂分光光度法)；SVI通过测定SV30和污泥浓度计算得出；耗氧速率(OUR)测试方法为取定量曝气池混合液置于测试瓶中，加入适量NaHSO3除去余氯，曝气至DO浓度达到饱和，加入适量葡萄糖和NH4Cl，用安装DO电极的橡皮塞密封，在恒温下进行搅拌，测定DO浓度随时间变化的斜率，计算OUR。由于活性污泥分别来自AAO和SBR，为提高准确性，SOUR以可挥发性悬浮固体(MLVSS)计算。

3 结果和讨论

3.1 AAO和SBR在不同阶段的出水水质变化

污水处理厂受到冲击前，AAO和SBR出水的CODCr平均质量浓度为28.6 mg/L和26.9 mg/L，氨氮平均质量浓度为0.61 mg/L和0.75 mg/L。在受到余氯废水冲击时，次氯酸等含氯化合物会对微生物的细胞壁以及细胞内的蛋白质酶造成氧化和破坏，对活性污泥中的微生物产生抑制和致毒作用[9]，导致微生物死亡。同时，余氯会与活性污泥的胞外聚合物(EPS)中的蛋白质、多糖和核酸反应，减少微生物分泌的EPS[10]，导致活性污泥解絮、处理性能下降。由图2和图3可知，当城镇污水处理厂发现余氯废水冲击时，活性污泥已经受到一定程度的影响，硝化功能首先受到抑制，对氨氮进行应急监测，AAO出水氨氮质量浓度达到3.25 mg/L，SBR出水氨氮质量浓度达到1.24 mg/L，均已高于正常值。随着时间的增加，AAO和SBR的出水CODCr也逐步出现恶化。到第12 h，AAO的出水氨氮和CODCr含量先后上升，最后超标，SBR的出水氨氮和CODCr也逐步上升到临界值。污水处理厂根据冲击原因采取了对管网废水进行除氯、控制进水流量和投加硫酸亚铁、粉末活性炭等应急措施后，到第24 h，SBR的出水水质指标含量上升速率得到控制，趋势有所放缓。但AAO的出水氨氮含量仍在继续上升，说明在受到余氯废水的冲击阶段，AAO的活性污泥受到的冲击更大，对水质影响更严重。AAO的出水CODCr含量在24～72 h出现先下降后上升的现象，主要原因是城镇污水处理厂投加了粉末活性炭，对CODCr有吸附效果，后又因存量不足停止了投加。为保障出水达标，污水处理厂从邻近污水处理厂紧急调运活性污泥和应急物资，对AAO和SBR加大投加力度。第96 h时，AAO出水的氨氮和CODCr质量浓度达到峰值(11.40 mg/L和71.4 mg/L)，SBR出水质量浓度分别达到6.12 mg/L和51.6 mg/L，随后水质逐渐趋于稳定。第108 h和144 h，SBR出水的CODCr和氨氮质量浓度分别降到50.0 mg/L和5.00 mg/L以下，恢复达标。第180 h，SBR出水的CODCr和氨氮质量浓度分别为25.4 mg/L和2.20 mg/L，处理性能基本恢复正常。此时AAO的出水指标仍未恢复，CODCr和氨氮质量浓度分别为49.8 mg/L和8.10 mg/L，高于SBR出水。为加快AAO的恢复，将SBR的部分活性污泥通过回流系统投加到AAO中，到第276 h，AAO出水的氨氮质量浓度也下降到5.00 mg/L以下，系统恢复正常。

图2 冲击进水期间AAO和SBR出水CODCr变化

图3 冲击期间AAO和SBR出水氨氮变化

3.2 SV30和SVI的变化

SV30和SVI是衡量活性污泥沉降性能的重要指标，反映了活性污泥的凝聚和松散程度。SV30和SVI过高，除了可能引起出水SS升高，还会造成活性污泥微生物流失，影响其他指标的处理效果。在受冲击之前，污水处理厂AAO活性污泥的SV30和SVI平均值分别为26%和76 g/mL，SBR活性污泥分别为24%和72 g/mL。对冲击和恢复阶段的活性污泥进行了监测，SV30和SVI结果如图4和图5所示。随着余氯废水的冲击，AAO和SBR中的活性污泥出现絮体解絮，沉降性出现下降，AAO的表现尤为明显，活性污泥的SV30最高达到95%，SVI最高超过300 g/mL，现场二沉池的澄清液非常浑浊，出现严重的漂泥现象。城镇污水处理厂采取控制处理水量、投加硫酸亚铁和粉末活性炭等药剂后，仍未能控制SV30和SVI的上升，直到城镇污水处理厂投加从临近污水处理厂调集的活性污泥后，AAO的SVI才逐步回落到200 g/mL以内。对冲击后的AAO活性污泥进行镜检，发现活性污泥中仅剩下以丝状菌为主体的骨架，骨架上附着的菌胶团基本解絮，原、后生动物完全消失，活性污泥的性状明显下降。SBR在受到冲击后，SV30和SVI也出现上升，但上升幅度明显小于AAO，SBR的SVI峰值出现在第48 h，达到173 g/mL，在投加活性污泥后，SVI回落到150 g/mL左右，后期始终保持在100 g/mL左右。SBR的SV30峰值可达到65%，滗水器滗水时，除在滗水末期有短暂性跑泥外，其他时间出水SS没有明显升高，在镜检时活性污泥中仍能发现少量活动的原、后生动物，说明余氯废水对SBR活性污泥的总体影响程度低于AAO。

图4 冲击期间AAO和SBR的SV30变化

图5 冲击进水期间AAO和SBR的SVI变化

3.3 活性污泥SOUR的变化

活性污泥SOUR是指单位质量活性污泥在单位时间所利用DO的量，可以间接表征活性污泥的活性[11]和进水的毒性特征。根据文献报道，活性污泥的SOUR值通常为8.00～20.00 mg O2/(g MLSS·h)[12]，若实际SOUR值过低，可能原因是活性污泥负荷低下或者进水中含有有毒物质，抑制了微生物的活性。为研究余氯废水对AAO和SBR的冲击程度，对冲击期间AAO和SBR的活性污泥SOUR进行了监测。考虑到AAO和SBR污泥浓度中的MLVSS/MLSS不同，为有效进行对比，污泥浓度按照MLVSS计算。根据监测，污水处理厂AAO和1号SBR池的MLVSS/MLSS平均值为0.42和0.49。由图6可知，AAO和SBR的SOUR变化曲线呈现为先降后升，谷值分别出现在第48 h和第96 h，说明余氯废水对活性污泥的冲击在第48 h前已经完成。在污水处理厂采取了对管网废水进行除氯、控制进水流量、投加硫酸亚铁和粉末活性炭等应急措施后，余氯废水冲击的来源基本消除。AAO和SBR的出水水质继续恶化主要是活性污泥的处理效果降低，反应池中的污染物总量增加造成。随着时间的推移，AAO和SBR活性污泥的SOUR值逐渐恢复，但是上升幅度较慢。到288 h，AAO和SBR池活性污泥的SOUR值分别为3.50 mg O2/(g MLSS·h)和6.28 mg O2/(g MLSS·h)，低于8.00 mg O2/(g MLSS·h)，推测主要原因可能与当时水温较低(10.5 ℃左右)、微生物的增殖速率较低有关。此时，AAO和SBR出水指标得到控制，主要原因是进水污染物浓度不高，且通过投加活性污泥和减少排泥增加了污泥浓度，降低了污泥负荷。从AAO和SBR的对比情况看，不管是受冲击还是恢复阶段，SBR活性污泥的SOUR值明显高于AAO，第288 h时，SBR活性污泥的SOUR值比AAO高出79%，说明SBR的活性污泥受冲击影响较小。

图6 冲击进水期间AAO和SBR的SOUR变化

3.4 冲击对活性污泥微生物的影响

为研究活性污泥受到余氯废水冲击后的恢复情况，对AAO和SBR的活性污泥做高通量测序。发现两种活性污泥门水平上的主要细菌种类为12种，其中Proteobacteria(变形菌门)相对丰度比例最高，分别为33.35%和30.61%，其他相对丰度比例高于10%的还有Actinobacteria(放线菌门)、Chioroflexi(绿弯菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)，其中AAO活性污泥中放线菌门和绿弯菌门相对丰度比例与SBR差异较大，AAO中分别为16.98%和12.04%，SBR中分别为11.91%和20.79%。对门、纲及以下的相对丰度较高的细菌进行统计，微生物的相对丰度分布如图7所示。AAO和SBR的活性污泥中，丰度较高的微生物群为丝状菌和反硝化菌为主，其中丝状菌占比最高，主要的丝状菌包括Microthrix(微丝菌)、Trichococcus(明串珠菌属)和Tetrasphaera，反硝化菌占比其次，菌种以Anaerolineae(厌氧绳菌纲)和Flavobacterium(黄杆菌属)为主，起硝化作用的Nitrosomonas(亚硝化单胞菌属)和Nitrospira(硝化螺旋菌门)丰度较低。说明AAO和SBR池的活性污泥受到余氯废水冲击后，丝状菌的影响程度较小，因此，活性污泥中相对丰度最高，推测主要原因是作为骨架的丝状菌被包裹在活性污泥絮团内部，接触余氯浓度较小所致。活性污泥受到冲击时硝化功能影响最严重，从图中也可以看出，硝化菌丰度明显低于反硝化菌等其他菌群，说明硝化菌受到的冲击最为严重，恢复速度也最慢，主要是硝化菌较为脆弱、世代周期长和当时水温较低所造成。AAO与SBR相比，活性污泥中丝状菌的丰度高于SBR，但硝化菌和Myxococcales(黏球菌目)等CODCr降解菌群的丰度均少于SBR，与出水氨氮、CODCr数据能够相对应，也说明SBR的活性污泥在耐冲击和恢复方面要优于AAO工艺。

图7 AAO和SBR活性污泥主要微生物相对丰度分布

4 结论

(1)通过浙江某城镇污水处理厂的冲击影响和应急处置研究发现，余氯废水会对AAO和SBR的活性污泥造成不同程度的冲击，对出水水质造成影响。通过对管网废水除氯、进水流量控制和投加药剂等应急措施，可以消除余氯废水的冲击。但是对于已经被冲击的活性污泥，处理功能恢复需要较长的时间，投加活性污泥可以加快恢复速度。

(2)AAO和SBR的活性污泥受到余氯废水冲击时，出水指标中氨氮比CODCr受到的影响最大。活性污泥的SV30和SVI均会出现不同程度的上升，污泥沉降性变差，活性污泥的SOUR降低，活性污泥中的丝状菌成为优势菌群，硝化菌丰度减小。在相同的冲击和应急措施条件下，SBR工艺在抗冲击性和恢复方面表现均要强于AAO工艺。说明SBR作为典型的完全混合处理工艺，对有毒有害污染物有较强的缓冲、稀释作用[13]，抗冲击能力优于推流式工艺。对易受有毒有害污染物冲击的污水处理厂，SBR工艺的运行稳定性要高于AAO工艺，活性污泥抗冲击能力更强。

(3)随着国家对城镇污水处理要求的提高，在城镇污水处理厂新一轮的提标改造过程中，为加强脱氮除磷，一部分SBR工艺被改造成AAO等连续流工艺，在处理效果上得到了提高，但在活性污泥抗冲击性上却可能出现下降。因此，对于易受有毒有害污染物冲击的SBR工艺污水处理厂，改造时需结合实际慎重考虑。