郑州某大型污水处理厂运行经验及工艺调控分析

王荣红，范小龙，毛 迪，易海明，王 宁，马园园，张得位

（郑州市污水净化有限公司，河南郑州 450044）

水是人类赖以生存的重要资源，但随着经济发展和人民生活水平的不断提高，国内污水排放量逐年增加，尤其是城市生活污水氮磷超标排放，导致当地水环境恶化，因此氮磷控制排放就显得尤为重要〔1-3〕。为缓解水环境压力、降低污染物排放量、增强水体自净能力〔4〕，国务院指示要不断加大污水处理力度，为城市污水处理厂处理能力和出水水质提出更高要求。

郑州某污水处理厂采用的“多点进水前置预缺氧改良A2/O生物处理”工艺〔5-7〕，但在运行过程中一直存在超负荷运行，进水量是设计水量的1.2～1.8倍，高峰时远超设计规模，存在着总氮超标的风险，该污水处理厂利用多点进水解决了碳源分配问题，除此之外，对内回流进行一定的改进，以确保总氮的达标排放。出水水质稳定达标并优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。为此，分析研究郑州某污水处理厂超负荷运行的优势及工艺调控，挖掘同步脱氮除磷运行效果良好的关键因素，为后续应对突发情况，及时作出工艺调控提供理论依据，同时为其他采用相同工艺的污水厂提供工艺调控经验。

1 郑州某污水处理厂设计概况

1.1 设计概况

郑州某污水处理厂主要收集处理服务区的生活污水和雨水，服务面积为328 km2，规划总处理规模为100万m3/d，其中一期设计处理规模为65万m3/d，其设计进出水水质见表1。一期污水处理采用粗细格栅、曝气沉砂池、初沉池预处理和“多点进水前置预缺氧改良A2/O生物处理”工艺，深度处理采用高效沉淀池+V型过滤池+紫外消毒工艺，出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准〔8〕，部分指标达到《地表水质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准。郑州某污水处理厂工艺流程如图1所示。

图1 郑州某污水处理厂工艺流程Fig.1 Process flow diagram of a wastewater treatment plant in Zhengzhou

表1 进出水水质Table 1 Water quality of inlet and outlet

1.2 生物反应系统设计概况

郑州某污水处理厂出水优于一级A标准，主要因为良好的生物反应系统。生物反应系统采用多点进水前置预缺氧改良A2/O工艺，每座生物池由预缺氧池、厌氧池、缺氧池和好氧池组成，共有8个系列。单座生物池总停留时间21 h，前置预缺氧和厌氧区水力停留时间均为1.0 h，缺氧区为8.0 h，好氧区为11.0 h；外 回 流 比50%～100%（可 调）；内 回 流 比200%～300%（可调）；设计泥龄为18.4 d；MLSS为3 500 mg/L；污泥负荷为0.068 kg（/kg·d）；气水比为7.33∶1。

生物池池型如图2所示。

图2 生物池池型、取样点及多点进水分布Fig.2 Map of biopond types，sampling points and multi-point influent distribution

2 历史进水量负荷分析

目前郑州某污水处理厂为超负荷运行状态，整体运行稳定，2017年日均处理量为71.39万m3，处理量达设计值的110%，2018年日均处理量为82万m3，处理量达设计值的126%，2019年日均处理量达到88万m3，处理量达设计值的135%，2020年日处理量达到90.74万m3，处理量达设计值的140%，由此可看出2017年至2020年处理水量在逐渐增大，厂内处理负荷进一步增大。在如此大的水量冲击负荷下，仍可以达到出水水质稳定达标，其设计优势和日常工艺调控对其他污水处理厂的生产运营有一定的借鉴意义。截取2020年8月该污水处理厂的进水数据进行统计，分析掌握该污水处理厂超负荷运行状况。图3为该污水处理厂2020年8月处理水量趋势变化图。

图3 郑州某污水处理厂8月份处理水量趋势图Fig.3 Trend of water volume treated at a wastewater treatment plant in Zhengzhou in August

从图3可知，污水厂日处理水量波动比较大，8月5日最低为88.46万m3，19日最高为116.57万m3，月平均日处理水量为103.48万m3，超过设计处理能力159.2%。每年8月份为雨季，污水厂日处理水量增大，雨季过后日处理水量逐渐降低。持续水量波动，易造成进水负荷冲击，污水流速加快，生物处理停留时间变短，因此根据进水流量进行工艺调控，以保证出水达标排放。

3 历史进水水质变化特征分析

图4为郑州某污水处理厂2020年8月份进水污染物BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP的比例趋势变化图。

图4 郑州某污水处理厂8月份进水污染物比例趋势图Fig.4 Trends in the proportion of pollutants in the influent water of a wastewater treatment plant in Zhengzhou in August

从图4可以看出，进水BOD5/COD在0.19～0.88之间波动且均值约0.51，在实际运行中污水厂由于溶解氧与硝酸盐竞争电子供体，一般BOD5/COD为0.4～0.6时才能适用生物处理〔9〕，由此说明该厂污水可生化性较高；进水BOD5/TN在1.38～7.21之间，均值为3.10，理论上BOD5/TN＞2.86即满足脱氮要求，而郑州某污水处理厂BOD5/TN值大于理论值，此时碳源已不是限制生物脱氮的主要因素，内外回流比是影响脱氮的主要因素。在实际运行过程中，内回流设计值为300%，外回流一般控制在50%～60%，根据理论公式计算：总氮去除率（%）=（R+r）×100（/R+r+1）（R是外回流比，r是内回流比）〔10〕，得出脱氮效果与内回流和外回流有线性关系。实际运行中调节外回流比为50%～60%，内回流比为300%时，总氮去除率在78%左右，但该厂总氮平均去除率达到83%，还得益于超大的内回流比。该污水厂在设计的基础上，截掉了内回流穿墙泵的出水管，降低了内回流泵的扬程，增大了内回流泵的流量，让内回流比最大能达到400%，这也是总氮去除率提高的一个重要原因。进水BOD5/TP在13.12～89.17之间波动，均值为34.47。有资料表明，A2/O工艺中污水中可生物降解有机物的浓度对除磷影响较大〔11-12〕，当BOD5/TP＜15时，生物除磷系统难以达到排放标准，由图4可知该污水厂BOD5/TP比较好，利于生物系统除磷。其次生物系统采用多点进水的方式，合理分配预缺氧池、厌氧池和缺氧池碳源，为聚磷菌提供充足的碳源。

4 生物池沿程变化分析

郑州某污水处理厂生物池分为8个系列，每个系列日处理水量为10万m3。受厂内综合管网排水影响，1和2系列生物系统受厂内污泥处理回水影响水质数值偏高，7和8系列受厂内深度处理反冲洗水回水影响水质数值明显低于其他系列。本研究选取进水水质相对运行稳定的5系列作为典型代表分析脱氮除磷效果。在5系列生物池功能区布置15个取样点（如图2所示），根据实验数据（如表2）研究生物池沿程各指标的变化情况，设置的取样点是为了研究每个区域发挥生物作用的能力强弱，以此判定生物反应进程，避免出现功能浪费。具体取样点布置如下。

表2 5系列生物池采样点水质Table 2 Water quality of sampling point data for series 5 bioponds mg/L

4.1 沿程COD的变化

郑州某污水处理厂5系列生物池沿程COD指标波动如图5所示。

图5 5系列生物池沿程COD的变化情况Fig.5 Variation of COD along the course of the 5 series biotank

5系列生物池的进水COD为297 mg/L，出水为13 mg/L，经过生物池处理后污水中COD去除率为95.62%。图5表明，预缺氧池经内回流进水稀释和反硝化作用消耗有机物，COD去除率达90.24%。在缺氧池浓度升高，是因为多点进水携带的有机物。沿着污水处理流程，COD逐步降低，碳源利用率高，出水优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。该厂进水有机物浓度受季节性影响出现明显的波动，春季进水有机物较高，夏季反之。如图2 所示，该污水厂生物系统采用多点进水的方式，即预缺氧池、厌氧池、缺氧池同步均匀进水，根据进水情况调节进水比例合理分配碳源，优化各工艺段微生物种群，使原水中的碳源得以充分利用，提高碳源的利用率，也为好氧池提供相对较好的低碳环境。

4.2 沿程氮的变化

郑州某污水处理厂5系列生化池氮指标变化如图6所示。

图6 5系列生物池沿程氮的变化情况Fig.6 Changes in nitrogen along the course of the 5 series of bioponds

图6表明，5系列生物池进水总氮平均质量浓度为37.6 mg/L，氨氮为32.4 mg/L，硝态氮为0.95 mg/L，氨氮是进水中TN的86.17%〔13〕，全过程处理后，出水总氮平均质量浓度为8.14 mg/L，氨氮为0.263 mg/L，硝态氮为7.07 mg/L。

从图6还可以看出，全流程中，预缺氧前端进水与回流污泥混合后，受回流和生物系统底物浓度偏低而带来的稀释的影响，总氮和氨氮浓度明显降低，末端氨氮浓度回升，与微生物分解有机物和活性污泥水解有关〔14〕，总氮浓度降低，主要为硝态氮浓度降低，发生反硝化作用转化为氮气排放。总氮和氨氮浓度在厌氧池增大，是因为厌氧池进水点进水携带的总氮和氨氮。污水在缺氧段前端和从好氧段内回流来的混合液混合，反硝化菌利用有机物把从好氧段回流携带的硝态氮还原为氮气。在好氧段，硝化菌在低碳环境和曝气充氧条件下，把氨氮氧化成硝态氮和亚硝态氮以获得自身生长所需的能量，氨氮去除率为99.18%，说明氨氮在好氧段内基本被去除，氨氮完全转化为硝态氮和亚硝态氮，通过大比例内回流进入缺氧段进行反硝化，以此实现良性循环。

4.3 沿程总磷的变化

郑州某污水处理厂5系列生化池沿程总磷指标的波动情况如图7所示。

图7 5系列生化池沿程总磷的变化情况Fig.7 Variation in TP along the range of 5 series biochemical ponds

生化池进水总磷为3.45 mg/L。一般情况下，污水中不溶性总磷可在预处理单元拦截去除，剩下的可溶性总磷随着污水进入生物池，可溶性总磷成分中基本为PO43--P。预缺氧段进水总磷升高，出水为12.1 mg/L，厌氧段出水为20.6 mg/L，这说明预缺氧段硝酸氮已经被去除完全，并有充足的碳源为聚磷菌所利用，导致释磷环境提前形成，因此出现在缺氧段磷酸盐上升的情况。在厌氧段因为多点进水的影响，进一步提供聚磷菌可以利用的短链脂肪酸（SCFA），因此释磷继续进行，并达到峰值20.6 mg/L。而在好氧段影响出水磷酸盐的主要因素是污泥龄的控制和曝气量，一般夏季把污泥龄控制在10～12 d，冬季把污泥龄控制在14～16 d，可以保证生物池出水磷酸盐的稳定达标，另外曝气量也是影响磷酸盐出水的一个重要指标，郑州某污水厂采用精确曝气系统，将溶解氧（DO）控制在0.5 mg/L以下，从而保证总磷出水的稳定性。

5 结论

1）采用多点分配进水，提高内回流比，能使超负荷运行的郑州某污水处理厂（前置预缺氧A2/O工艺）稳定运行，出水氮磷浓度优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准，部分指标达到《地表水质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准。

2）进水均匀分配在预缺氧、厌氧、缺氧工段，内回流量为400%时，水中COD、TN、TP去除率达到了90.4%、83%。

3）好氧池DO精确控制在0.5 mg/L以下，夏季污泥龄10～12 d，冬季污泥龄14～16 d，水中TP去除率达到98.55%。