淺析低溫城市污水處理廠設計運行的影響

淺析低溫城市污水處理廠設計運行的影響

1、低溫對污水處理工藝的影響

目前，國內外通用的污水處理技術主要是采用生物法，此方法具有處理徹底、有機物降解率高、二次污染小、能耗低和運行管理方便等優點。但也存在微生物對環境的適應有要求，特別是水溫受自然環境影響的問題較難解決。國內外大量的理論與試驗研究表明，正常水處理條件利用的是中溫菌，在15～35℃之間有較好的活性，當水溫低于8℃或高于35℃時，微生物反應的速度明顯降低。實際運行中，水溫高于35℃的情況較少，降低水溫也比較容易。當水溫低于8℃時，中溫菌活性降低或死亡，但在北方地區保持水溫不低于8℃則是很困難的事，耗能和保溫都存在問題。所以，如何保證北方地區污水處理廠冬季正常運行是一個急需解決的重要問題之一。

溫度是一個重要的生態因子，是影響微生物生長與存活的最重要因素之一，對生物個體的生長、繁殖、新陳代謝及生物種群分布和種群數量起著決定作用。此外，溫度對活性污泥的絮凝沉降性能、曝氣池充氧效率以及水的粘度都有較大影響。

由于低溫引起微生物生長緩慢和酶促反應速度下降，必將導致活性污泥活性降低，使得生物處理反應速率下降。

圖2 中溫性細菌生長速率和溫度關系

圖3 溫度對酶促反應速度的影響

根據生長溫度特性，微生物大致可分為3類：高溫菌、中溫菌和低溫菌。低溫菌通常又被細分為兩類：一類是必須生活在低溫條件下，其最高生長溫度不超過20℃，在0℃可生長繁殖的微生物稱為嗜冷菌；另一類是最高生長溫度高于20℃，在0~5℃可生長繁殖的微生物稱為耐冷菌。這兩類微生物的生態分布和低溫微生物學特征均存在差異，它們以獨特的生理功能適應環境．當環境溫度超過其最高生長溫度時，有些嗜冷菌細胞溶解且隨之死亡。而耐冷菌比嗜冷菌更能忍受溫度波動，其溫度適宜范圍也比較寬。因此，耐冷菌更適用于污水處理。

盡管已證明嗜冷性微生物在低溫下具有較高的污染物降解能力，并且已分離到幾種耐低溫酵母菌，但是由于嗜冷性微生物種類較少，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沒有很好的發揮出來。又由于污水處理中的微生物大多數是適溫微生物，適溫微生物的最低生長溫度為10℃，低于10℃時，起主要降解作用的中溫菌已經失去了降解有機物的能力，而冷適微生物由于世代時間較長，并且受自身生理特性和各種生態因子的抑制作用，在數量上不能達到一定的程度，在量與質上并未形成優勢群體，從而導致了生物處理效果的降低。因此，低溫條件下市政污水廠活性污泥中微生物種群數量少、活性低、分解有機物能力弱、處理效率低、出水水質差。

在北方寒冷地區，水溫降低或過低可能使得污水處理過程出現一系列困難或問題，包括物理與生物吸附能力下降，生物活性降低，沉淀不易，污泥膨脹等，導致污水處理量與出水水質很難保證與達標。

吸附作用

水溫在5℃以下時，溫度對活性污泥初期吸附作用影響較大，水溫愈低愈明顯。0℃時初期吸附作用不明顯，5℃的吸附曲線初期吸附作用較高，隨著溫度的升高，初期吸附效果變好。這是因為冷適微生物所分泌的細胞外聚合物變少以及酶催化作用的減少降低了生化反應速度，低溫時微生物本身代謝功能也逐漸減弱，吸附在活性污泥表面上的有機物，不能很快被降解，未降解的有機物在活性污泥吸附表面上有所積累，在一定程度上改變了被多糖類粘液層包覆的吸附表面的性質，污泥的表面活性恢復的較慢，從而降低了活性污泥的吸附作用。如果延長生物反應時間，溫度對于COD 去除率的影響將逐漸減少。這可以認為總吸附表面積不會因水溫降低而減少，這就保證了低溫吸附去除作用繼續存在。

污泥沉降

低溫條件下活性污泥的沉速較小，常溫條件下活性污泥的沉降性能明顯好于低溫條件下活性污泥的沉降性能。主要原因如下，常溫條件下的中溫菌分泌的胞外聚合物較多，使污泥的絮體結構密實、大小適中，容易形成大塊絮狀體沉淀下來，因此具有良好的沉降性能。而低溫條件下能夠代謝外源物質的中溫菌的數量少，活性低。冷適應微生物的數量雖然有所上升但和常溫條件下的中溫菌相比數量較少，活性也較低。所以低溫條件下微生物菌群的分泌能力低，胞外聚合物的數量大為減少，微生物間的相互作用變弱，從而導致活性污泥顆粒細碎，不易形成大顆粒絮狀體，常常是細小的泥粒等速共沉，沉速較小，溫度越低這種現象越明顯。從水質特點上分析，低溫環境下，水的粘滯性增高，固體顆粒沉降阻力增大，降低了泥水分離效果，沉淀后的上清液仍有細小的懸浮顆粒隨出水帶走。

污泥膨脹

有關研究表明在寒冷地區城市污水廠，除低氧、低負荷外，溫度也確是影響污泥膨脹的重要因素。專家通過對膨脹污泥的顯微觀察和生化分析認為微絲菌屬的小胸蟲在低溫條件下會引起污泥膨脹。此細菌適合的生長環境是低溫、低負荷，在這種環境下它的絲特別長，具有疏水性特點。低溫導致絲狀菌的過度生長是寒冷地區冬季和春季污泥膨脹的主要原因。

污泥脫水

對于低溫運行的活性污泥，顆粒密度是影響污泥比阻的主要因素，而對于常溫活性污泥，顆粒大小才是影響污泥比阻的主要因素。同時，低溫下絲狀菌的大量出現導致了污泥絮體疏松、密度減小，進一步導致污泥比阻和沉降指數增大。與常溫運行活性污泥相比，低溫運行活性污泥所攜帶的負電荷少而具有更高的親水性；低溫活性污泥的胞外分泌物中含有更多的粘性物質，使污泥的壓縮性降低而難于沉降。

2、寒冷地區水質水量特點

污水是以其物理、化學和生物的組分來表征的。污水處理廠設計的前提條件是必須正確掌握污水的水質，由于污水的組成成分極其復雜，難以用單一指標來表示其性質。因此，在眾多的水質指標中，按污水中雜質形態大小分為懸浮態物質和溶解態物質兩大類，每類按其化學性質又可分為有機性物質和無機性物質；按是否消耗水體中溶解氧，又可分為生物化學需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）等。在污水處理系統設計時，污水水質是確定處理設備能力和操作特性并確保達到處理目標的必要條件，也是污水處理廠規劃、設計和運行管理的重要基礎數據。城市污水中污染物的含量與用水量、排水系統、氣候以及生活習慣等相關，

北方地區冬季寒冷，污水溫度低，同時由于生活習慣的差異，城鎮污水具有以下特點。

(1) 水溫低。氣溫隨著季節呈周期變化，而水溫則隨氣溫變化，但其變幅相對較小，特別是污水管道中水溫變幅不大。北方低溫地區的市政污水溫度一般在8~15℃，少數在6~8℃。

(2) 水質較差。由于該類地區冬季蔬菜較貴，居民多以肉食為主，且地下水位較深，污水中滲入水少，居民用水量小，洗浴水少，故水質較差，含油多，污染物含量高。低溫下管道自分解能力弱，夜間水質較好，白天差，晝夜變化較大。

(3) 水量變化大。該類地區冬季晝短夜長，所以白天的污水排放較為集中，而夜間污水量較少，所以晝夜水量變化較大，易對污水廠形成水質水量沖擊。

由于其特殊的水質水量特點，在選擇城市污水處理工藝時，不僅要考慮水質水量波動對工藝的影響，更要考慮溫度變化對工藝的影響，并在設計時采取適當的技術措施，保證低溫條件下市政污水廠的正常運行。

×××市位于吉林省，屬于北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷漫長，春秋季較短。年均氣溫4.3℃，極端最低氣溫達到零下40℃，多年平均降雪約20mm，歷年最大積雪深度達到460mm左右，最大凍土深度約-1.90m。

×××污水處理廠北緯約44度，屬于我國北緯 35 度以北的地區，冬季寒冷，冰凍期長，降雪量大，晝短夜長，冬季進水溫度一般在6~10℃，水量、水質變化較大，易對污水處理廠形成水質、水量沖擊，使活性污泥中活性污泥微生物種群數量少、活性低、分解有機物能力弱，導致污水處理效率低，出水水質較差。

3、寒冷地區污水廠工藝設計

在寒冷地區建設污水處理廠時，除要充分考慮原水的水質狀況、水量變化、處理水的出路、占地面積、運行費用等因素外，還需考慮低溫對生物處理的影響。由于特殊的氣候條件，北方地區污水廠設計時必須慎選設計參數，注意構筑物及設備管閥的保溫。要采取適當的技術措施，保證在低溫季節也能正常運行。

(1) 設計參數的選擇適當降低污水處理構筑物的有機負荷和表面負荷設計參數。

(2) 池體設計除超高外，池體宜全部設于地下，從而滿足池體冬季保溫的需要。

(3) 鼓風機房設計應考慮提高風溫的加熱室設計，將冷空氣溫度加熱至8~12 ℃，以提高曝氣池水溫，這樣可使曝氣池水溫在最冷月份保持在8℃以上，并在選擇風機時適當放大設計參數。

(4) 池型設計適當減小池子的平面尺寸，加大池子豎向尺寸，減少平面散熱面積。

(5) 利用太陽能，采用采光保溫罩等加蓋措施，減少生物反應池內熱量散失，防止冬季降雪引起的反應池內污水降溫。

(6) 設備及管閥設計設備最好設于室內，否則應采取保溫措施。管、閥宜設于管廊內。

(7) 污泥系統設計有污泥回流時宜取回流比的上限，以維持生物池的高生物量。

(8) 污水處理各露天構筑物池壁采用發泡保溫板保溫，外砌磚圍護結構等進行保溫處理。

4、寒冷地區污水廠運行

不得不采取增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施，這些措施可能又進一步會降低污水水溫，尤其是污水停留時間的增長，會導致污水水溫隨時間線性下降。

通常可通過增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施讓耐低溫菌盡可能代謝污染物。

目前的工程中一般采用降低污泥負荷、增加污泥回流量、增長水力停留時間甚至對池體做升溫或保溫等措施，以保證污水廠在冬季時的正常運行，但這不僅會增加工程的投資和運行費用，還會帶來污泥膨脹等一系列問題。

現行的解決辦法非常有限，在我國部分北方城市常用的措施有：

(1) 曝氣池、二沉池等池壁采用發泡保溫板保溫，外砌磚圍護（爐渣、膨脹珍珠巖等填充）結構，池頂加蓋等保溫措施；

(2) 鼓風機一側設空氣預熱室，將冬季-25～-30℃的冷空氣預熱到5～8℃；空氣管道設置管廊，便于保溫處理等。

(3) 適當加熱污泥，包括回流污泥；

(4) 用熱蒸汽給進入曝氣池的污水加熱。

現行的這些辦法會增加污水處理的成本。

5、問題分析

5.1設計規模

×××污水處理廠設計規模2×104 m3/d，目前實際處理水量1.5×104~1.6×104 m3/d，實際規模與原設計略有出入，這是我國目前污水處理廠普遍存在的問題。設計規模偏大，導致設備與運行狀態不符，運行控制狀態調整困難，由此產生出水水質超標，同時造成水處理成本增加。

5.2污水水質

國家標準《室外排水設計規范》GBJ14－87（2005年版）中，建議對城市污水處理廠的設計水質需要進行調查，然后確定進水水質。然而，有關的調查方法，取得的數據處理等則未作規定。由于缺乏水質監測數據和有效的數據處理方法，目前己建成的部分城市污水處理廠實際進水水質與設計水質存在較大差異，嚴重影響了城市污水處理廠的運行。

×××污水處理廠設計水質偏高，目前實際進水水質約為設計水質的一半左右，原設計進水水質確定方法需要進一步探討，對當地城市污水水質狀況缺乏詳細調查，緊緊依靠吉林當地同類污水處理廠的設計水質來確定設計水質，由此造成設計偏差，從而導致污水處理廠建成后，進水負荷不足，造成一定的投資浪費，并造成實際運行的困難。

5.3 運行管理

由于原設計水量水質與實際狀態不一致，需要根據實際狀況調整運行策略，從而保證出水水質達標，避免造成運行成本過高。

CAST生物反應池是污水二級處理的核心，采用4系并聯運行，CAST工藝具有一定的靈活性，可以根據水質水量變化調整運行的個數以及各個反應時段的時間，從而達到最佳運行狀態。目前×××污水處理廠按照原設計控制方案運行，造成處理負荷過低，難以維持較高的活性污泥量，同時導致運行費用過高。

吉林地區冬季最冷月氣溫可降至-20~-30℃，在常溫條件下培養的污泥隨著水溫的降低，需要進行微生物的種屬篩選和淘汰，逐步適應了低溫的自然環境，建立了新的生物平衡關系。當溫度在10℃時，保持較穩定的低溫運轉，經過一段時間，污水溫度與微生物建立穩定的平衡關系后，處理效果可接近正常溫度的水平。

目前×××污水處理廠緊緊經過一個冬季的考驗，去年冬季開始調試，缺乏冬季運行的經驗。

6、技術調整方案

針對×××污水處理廠現狀，從輸水管網、進水水質、控制策略、冬季保溫等方面提出以下技術調整改造方案。

6.1污水收集

2010年×××市總人口67萬人，其中城鎮人口21萬人。由于當地經濟發展水平限制，污水管網雨污混接是突出的問題。雨污分流系統改造不到位，雨污混流、地下水滲入以及河水倒灌等問題導致污水處理廠進水污染物濃度降低。

應按照“廠網并舉、管網適度超前”的原則，采取一切必要措施，加快污水收集系統的建設進度，及時足量地將污染物收集到污水處理廠予以處理，充分發揮污水處理設施的污染物減排效益。

應加大對現有雨污合流系統的改造力度，盡量實現雨污分流，由于客觀困難無法實現分流的區域應加大截留倍數，盡量提高污染物收集率，減少直接向水體溢流。另外，應強化對管網的養護管理，及時進行大修維護，防止污水大量外滲或地下水大量滲入。應在污水管網的安全溢流口設置逆止裝置，防止河水大量倒灌進污水管網，降低污水處理效率。

6.2 低負荷運行策略

由于實際處理水量不足，約為設計的80%，進水COD約為設計的50%，目前污水處理廠運行負荷不足原設計的一半，導致現有污水處理廠運行出現一定問題。

CAST中污泥濃度偏低主要是由于進水負荷太低造成的，在進水負荷不足，采用原設計的4池運行方式和曝氣強度，必然導致活性污泥營養不足，產生自我消減，反硝化碳源不足，從而導致目前處理效果不加，特別是出水氨氮超標。同時浪費曝氣的電耗。

CAST工藝運行具有一定的靈活性，根據目前水量水質現狀，可以適當調整CAST工藝，采用2格或3格運行方式，達到微生物增殖的合適負荷，提高污泥濃度，并保證出水達標。

6.3 CAST運行周期

CAST運行一個周期包含進水、曝氣、沉淀和潷水 4 個階段，根據目前水量水質現狀，污泥濃度、污泥齡以及污泥回流比等控制參數，可以適當調整每個周期和其中任何一個階段時間，保證每個階段達到最佳效果。

6.4 運行參數控制

   冬季微生物的增殖緩慢，數量不高，消耗氧的數量少，冬季污水中原有少量熱量經鼓風曝氣會很快散發，使原本較低的進水溫度降得更低，因此通過控制曝氣量以減少曝氣過程中對水的熱量損失。另外可以提高污泥回流比，減少污泥排放，延長污泥齡，維持CAST中較高的污泥濃度。

6.5 耐冷菌馴化

×××地區進入秋季，氣溫就開始下降。在常溫條件下培養的污泥隨著水溫的降低，需要進行微生物的種屬篩選和淘汰，逐步適應了低溫的自然環境，建立了新的生物平衡關系，保證冬季污水處理廠基本處于正常運行狀態。

6.6 生物強化

生物強化處理工藝是指向生化處理系統中投加高效菌種或載體，以提高系統中的微生物活性或濃度、強化生化處理效果的一種有效手段。

冬季向系統投加在低溫條件下仍可有效降解污染物的耐冷菌、經固定化處理的耐冷菌、遺傳工程菌等，通過高效菌種的直接作用或共代謝作用實現對低溫污水的強化處理。

二是向活性污泥曝氣池中投加載體，以利于微生物附著生長并形成高效生物膜，利用懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜共同承擔去除低溫污水中污染物的任務，提高反應池中生物量，防止污泥膨脹，改善泥水分離效果。投加的載體可以選用聚氨酯泡沫、粉末活性炭、硅藻土以及鐵鹽等。

6.7 空氣加熱

冬季污水中原有少量熱量經鼓風曝氣會很快散發，使原本較低的進水溫度降得更低，要提高鼓風機進風溫度，該廠在風機一側設空氣預熱室，將冷空氣加熱至8~10℃左右，再經風機加壓升溫。空氣管道采用管廊形式，加蓋保溫處理，減少裸露空氣管道的沿程熱量損失。以提高曝氣池水溫，這樣可使曝氣池水溫在最冷月份保持在8℃以上。

6.8 保溫措施

北方污水處理廠通常需要采用池體半地下或全地下形式、池壁保溫、池頂加蓋等方式，保證污水冬季水溫達到生化處理的基本溫度要求。×××污水處理廠原設計在保溫方面不足，地上式的建筑結構不利于保溫，因此需要對整個污水處理廠露天構筑物進行保溫處理。防止冬季池面結冰、池中水溫過低，影響處理效果。

具體可采取如下措施：CAST池地面以上池壁保溫，采用池外壁圍厚10cm發泡保溫板，外砌磚作圍護結構。池面采用日光棚保溫結構，在冬季雨雪時候防止進入池內，防止熱量散失，冬季可以使池內溫度提高約1℃。細格柵間、旋流沉砂池在室內，要保證室內采暖正常，減少熱量散失。

7、結論

×××市污水處理廠為了實現全年穩定達標排放，需要完善設計中的不足，調整運行策略，進行必要的改造，提高管理水平等多方面綜合考慮，最終實現污水處理廠的優化運行，保證出水穩定達標，節省運行費用。