實測：季節性氣候對污水、污泥運行數據的影響 以我國北方某城市污水處理廠改良AAO工藝系統為研究對象，基于2年完整的運行數據，分析了污染物去除量及污泥特性變化規律。結果表明，COD和TN去除量存在季節

研究季節性氣候變化條件下污水處理廠運行性能和活性污泥特性對科學、高效運行具有重要意義。以我國北方某城市污水處理廠改良AAO工藝系統為研究對象，基于2年完整的運行數據，分析了污染物去除量及污泥特性變化規律。結果表明，COD和TN去除量存在季節性周期變化趨勢；MLVSS/MLSS值在水溫15 ℃以下相對穩定，在15 ℃以上時，MLVSS/MLSS值隨著水溫升高而降低，主要受內源呼吸作用的影響。提出了季節性氣候變化下確定污泥濃度的新方法，支撐大型污水處理廠運行管理的穩定性和可控性，為污水處理過程精確調控提供基礎。

我國北方大多屬于溫帶季風氣候，四季分明，雨熱同期，季節性溫差較大。溫度不僅影響微生物種群的代謝活動，而且還可以影響細菌群落的多樣性。較高的溫度能提高微生物活性，有助于提高污染物去除效率。而低溫環境往往影響生物酶功能的發揮，進而影響出水水質。為了抵抗低溫造成的不利影響，往往采取多種措施，如加大曝氣量、增加污泥濃度、曝氣方式、延長污泥齡、增加填料等措施，以提高城鎮污水處理廠運行水平、改善水環境質量。盡管人們對污水處理過程的理解和認識有了很大的提高，然而進水水質波動、季節變化等多因素對污水處理廠性能的認識仍不夠深入，對活性污泥特性認識值得進一步探討。

本文以我國北方某市政污水處理廠為研究對象，探討了季節性變化下污染物去除量變化及污泥特性，并給出運行調控建議，以期提高污水處理廠運行穩定性，同時也為實現污水處理廠科學運營起到支持作用。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠簡介

我國北方某市政污水處理廠（簡稱A廠），采用改良AAO工藝+膜超濾系統（見圖1），設計規模為3萬m/d，進水主要為生活污水，出水達到北京市地方標準《水污染物綜合排放標準》（DB 11/307-2013）B標準。

該廠生化池的選擇區、厭氧區、缺氧區、好氧區的停留時間分別為0.5 h、1 h、5 h、9.6 h，生化池總有效容積為20 125 m，內回流比300%，外回流比100%，混合液回流至缺氧池，外回流污泥回流至選擇區。進水至選擇區與缺氧區的分配比例大約10%和90%，進水TN濃度高時，投加25%濃度的乙酸鈉溶液作為外碳源促進脫氮。污泥齡控制在15~25 d。

1.2 研究方法

1.2.1 數據收集

收集了2017年1月1日至2018年12月31日A廠運行數據，進水出水標準及進水水質情況，見表1。每年2月份水溫最低，約10 ℃，然后水溫逐漸上升，一直到8月份，最高約26 ℃，此后水溫逐漸下降，直到下一個年度的2月份，之后水溫持續升高，再周而復始變化。

1.2.2 計算方法

污染物去除量根據式（1）確定：

2 結果與討論

2.1 污泥特性與水溫變化

2017年1月1日至2月1日，水溫先從14.1 ℃下降至最低值9.8 ℃，而后水溫逐漸升高至15.0 ℃，MLVSS/MLSS值一直比較穩定，平均值為0.66。自2月1日至8月20日，水溫逐漸升高至25.2 ℃，MLVSS/MLSS值逐漸減小，最低值在0.45左右。8月20日至12月31日 ，水溫逐漸下降至12.8 ℃，特別是10月8日（水溫20.1 ℃）以后，MLVSS/MLSS值逐漸增大。從2017年11月28日至2018年3月23日，水溫從15.7 ℃下降再回升到15 ℃過程中，MLVSS/MLSS值同樣一直比較穩定，平均值為0.62。同樣地，在2018年3月23日以后，升溫過程時的MLVSS/MLSS值均表現出與2017年相似的變化趨勢。整體上看，在季節性水溫變化過程中，15 ℃是一個關鍵節點，超過此溫度，微生物活性顯著提高，MLVSS/MLSS值隨著水溫升高而降低；低于此溫度時，MLVSS/MLSS值處于相對穩定的狀態，即使有5 ℃的溫差，MLVSS/MLSS值依然波動較小，主要原因是污泥中耐冷菌在低溫環境中有較高的活性，在一定程度上彌補了其他細菌活性的降低。在冬季低溫時，正是MLVSS/MLSS值的相對穩定，為保障污水處理廠運行穩定起到關鍵作用。

由于生長或內源能量需要，所有微生物都會經歷某種形式生物量的減少，這一過程發生在生物體完全利用外部基質后，其MLVSS降低并繼續消耗氧氣。活性污泥中的微生物新陳代謝功能與生物酶系統有很大關系。微生物體內合成、催化生物化學反應時，生物酶在傳遞電子、原子和化學基團的過程中發揮重要作用。生物酶催化各種生物化學反應，促進生物體新陳代謝。而生物酶對環境條件的變化比較敏感，溫度的改變會使活性發生改變。溫度低時，微生物的代謝活力相應減弱，生物酶的活性降低導致酶促反應變慢，微生物體內基質的氧化和微生物自身的氧化速率也會降低，表現為微生物的內源呼吸作用減弱。研究表明，單位質量的MLSS的內源呼吸速率（即比內源呼吸速率）與MLSS無關；而溫度對比內源呼吸速率的影響十分顯著，比內源呼吸速率隨著溫度的降低而降低。因此，在降溫過程中，內源呼吸明顯減弱，胞內物質的消耗速率顯著降低，導致MLVSS/MLSS值升高。

2.2 污染物去除量變化

該廠配套管網比較完善，進水量相對穩定，水量變化系數為0.94~1.17。水量及水質波動屬于季節性正常變化。2月COD去除量較低，為17萬~20萬kg/d，然后去除量逐漸上升，一直持續到5月、6月，COD去除量高達41萬kg/d，約是2月去除量的2倍。7月開始，COD去除量逐漸下降，9月去除量與2月幾乎相當。10月開始，COD去除量逐漸上升，持續到下一年度1月。TN去除量逐月變化趨勢與COD相似。全年來看，COD及TN去除量出現先增加后降低再增加的變化，呈現出季節性周期變化趨勢。春季氣溫上升，人們生產活動增加，排放到管網中的污染物濃度增加，夏季雨水以及洗浴水增多，污染物濃度有所下降，但是水量較大，污染物去除量增大，造成污染物去除量隨著季節規律性變動。

2.3 污泥去除負荷變化情況

由圖4可以看出，COD污泥去除負荷波動較小，全年在0.136 kg/(kgMLVSS·d)上下波動。TN污泥去除負荷變化趨勢，可以分為兩類，分別是3月至11月，平均值為0.015 kg/(kgMLVSS·d)，12月及下一年度1月、2月，TN污泥去除負荷平均值為0.012 kg/(kgMLVSS·d)，比其他月份降低15%~30%，平均值下降20%。

COD污泥去除負荷與TN污泥去除負荷在不同的季節中具有一定的可比較性，表明微生物種群可以適應溫度逐漸變化的環境。這可能是部分微生物的功能冗余，不同群落的細菌能適應不同的生長環境，當環境條件變化時，一部分細菌的活性受到抑制，而另一部分細菌卻能更好的繁殖，從而在一定程度上補償溫度變化帶來的負面影響，保障污水處理廠運轉的平穩。在一定程度上補償溫度變化帶來的不利影響，從而為出水穩定達標提供保障。也有觀點認為，活性污泥微生物群落隨著季節性溫度變化發生了演替，新的優勢菌群的出現，從一定程度上彌補了活性污泥在低溫條件下代謝能力的不足。

2.4 運行調控策略探討

水溫是影響微生物活性的重要因素之一。在低溫時，氨氧化菌的活性很容易受到抑制，進而影響出水水質。在實際運行過程中，為了使出水達標需要采取措施，如增加污泥齡、提高生物池污泥濃度等，以減弱溫度對污水處理廠性能的負面影響。Ju等研究發現，在一個采用活性污泥法的城市污水處理廠中，生物相互作用是決定細菌群落組成的主要因素，而環境條件(主要是污泥停留時間和無機氮)部分解釋了微生物種類和數量變化，間接影響細菌群落組成。微生物的冗余功能可以在一定程度上補償溫度變化的不利影響。當前，污水處理廠主要任務已從去除COD轉向營養物去除，特別是生物法TN的去除效率已成為污水處理廠運行優劣判斷的重要指標。而氨氧化菌和反硝化菌易受溫度的影響，恰當的MLVSS是出水達標的重要條件之一。TN污泥去除負荷可以作為確定MLVSS的重要依據。出水總氮值按排放標準限值的75%~80%考慮，根據進水水量、TN濃度、生化池容積以及TN污泥去除負荷目標值可計算出所需的MLVSS。為了更明確調控方法，特舉一例闡述。具體調控步驟如下：

①計算當天TN污泥去除負荷：根據進水在線TN儀表獲取TN值，出水總氮值按排放標準限值的80%考慮，計算出TN污泥去除負荷A0;

②基于移動平均值法確定TN污泥去除負荷目標值AT：計算出當天之前2周內TN污泥去除負荷平均值A1，以及同期TN污泥去除負荷平均值A2，A1與A2比較取較大值作為目標值AT；

③判斷是否需要排泥：若A0>AT，表明污泥濃度偏低，有出水TN超標的風險；若A0≤AT，表明污泥濃度偏高，可適當排泥，直到A0與AT值接近；一般A0與AT值范圍在±10%內均可；

④采用類似的方法用COD污泥去除負荷校核污泥濃度，確保MLVSS同時滿足去除有機物及TN，從而為工藝精細化調控提供了基礎。

隨著污水處理廠市場化運營，運行成本也成為水務公司需要考慮的因素。出水達標的前提下，還需要進一步降低能耗。由圖5可見，單位需氧量所需的電耗隨著污泥濃度的增加而呈指數增長。在滿足污泥去除負荷的前提下，污泥濃度低時，能夠有效降低電耗。當污泥濃度高時，必須提高曝氣強度才可起到較好的攪拌作用，泥水氣三相混合，避免活性污泥沉降。污泥的濃度基本決定了污泥的粘度，污泥溫度對粘度的影響相對較小。高污泥濃度使得污泥的粘度增加，從而增加了氣體在污泥中上升的阻力，勢必需要提高曝氣量。在一定的污泥濃度下，必然存在一個最佳的曝氣強度，既能夠滿足微生物生長的需求，又可節約曝氣能耗。因此，控制合適的污泥濃度對降低能耗具有重要意義。

單位需氧量所需的電耗隨季節的變化見圖6。2017年夏季的EOD最低，為0.48 kW·h/kg需氧量，其他三個季節均在0.60 KW·h/kg需氧量左右，冬季稍高。2018年前三個季度EOD普遍高于同期數值，特別2018年秋季該廠的EOD比同期增加75%。由圖4可以看出，2018年9月、10日，COD及TN的污泥去除負荷相比同期有所降低，表明該時期的污泥濃度明顯較高，需要盡快降低生化池污泥濃度。按2017年秋季EOD平均值作為2018年秋季的EOD依據，計算得出2018年秋季MLVSS平均值為2 800 mg/L降至1 800 mg/L滿足污泥去除負荷需求，在這個污泥濃度條件下的出水可以達到排放標準。當然，在實際運行過程中，生化池內污泥濃度控制還受到污泥出路的影響，當污泥出路受阻時，生化池內污泥濃度升高是短時間不得已的辦法。從水務行業的角度，完善污泥處置路線是污水處理可持續發展的必然要求。

需要指出，影響生物脫氮的因素很多，包括進水水質、工藝類型、污泥齡、生化池溶解氧水平、外加藥劑等，對一個具體的污水處理廠，認真分析污水處理效果，根據進水條件、所需的污泥去除負荷以及環境條件，確定合理的MLVSS值，從而保障足夠的活性微生物的量，為污水處理廠的高效運行提供保障條件。只有經過長時間摸索，深入了解污水處理過程的變化規律，實行靈活而高效的管理，提高污水處理廠運行管理的穩定性和可控性，才能真正發揮出其經濟效益、環境效益和社會效益。

3 結論

（1）對于進水量在設計規模上下浮動較小時，COD及TN去除量有明顯的季節性周期變化規律，春季及秋季去除量較小。夏季及冬季去除量較大，隨著月份循序變化。

（2）MLVSS/MLSS值在15 ℃以上時，MLVSS/MLSS值與水溫存在顯著反比關系。在水溫15 ℃以下MLVSS/MLSS值相對穩定，在低溫條件下一部分耐冷優勢細菌能更好的繁殖，在一定程度上補償溫度變化帶來的負面影響，為維持污水處理廠運行穩定起到關鍵作用。

（3）以TN污泥去除負荷可作為確定MLVSS的重要依據。根據進水TN等水質信息和排放標準限值，采用移動平均值法確定MLVSS值，并用COD污泥去除負荷校核，為實現出水水質達標前提下的精細化調控提供基礎。

（4）本研究提出了季節性氣候變化下確定污泥濃度的新方法，充分考慮進出水水質及環境條件變化對污泥濃度和能耗的影響，為污水處理廠高效運行管理提供技術支持和借鑒作用。

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