活性污泥(activesludge)是微生物群体及其所依附的有机物质和无机物质的总称，活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥，活性污泥主要用于处理废水。A/O生化处理工艺(简称A/O工艺)是由厌氧和好氧两部分反应组成的污水生物处理系统，污水进入厌氧池后，依次经历厌氧反硝化、好氧去有机物和硝化的阶段，其流程特点是前置反硝化，硝化后部分出水回流入反硝化池，以提供硝酸盐;A/O工艺特别适合煤气化、有机化工等废水的处理。
1、鲁南化工污水处理系统及污泥系统简况
1.1 污水处理系统工艺流程
兖矿鲁南化工有限公司(简称鲁南化工)是兖矿集团旗下一家高科技煤化工企业，企业以煤为原料，通过水煤浆加压气化工艺产出合成气，进而生产甲醇、醋酸、醋酸乙酯、丁醇、聚甲醛等有机化工产品。
鲁南化工现有污水与回用水处理系统建于2006年9月，2007年4月调试运行；项目总投资11700万元，设计污水处理能力为26000m3/d，采用A/O工艺和双膜法废水处理工艺，其工艺流程见图1。
污水处理系统主要对企业排放的生产、生活污水进行集中处理，生产废水主要包括煤气化废水、有机化工废水(包括甲醇、醋酸、丁醇、聚甲醛、醋酐、醋酸乙酯等装置产生的生产废水、冲洗水)，设计出水水质达《污水综合排放标准》(GB8978—1996)一级标准。
1.2 污水处理系统设计进出水水量及水质(表1)
1.3 污泥处理系统的设计
污水处理系统设计正常进水悬浮物(SS)含量为35～60mg/L；其中，对造气装置、气化装置废水悬浮物含量的要求为50～100mg/L。污泥处理系统有关设计参数见表2。
污泥处理系统主要设备：污泥浓缩机2台，规格：8.0m×5.0m，功率2×1.5kW；厢式压滤机2台，规格为Xm300/1500mm，处理能力5t/箱，功率2×4.0kW；气动隔膜泵2台，型号ARO666320-EEB-C(英格索兰)。
2、污水处理系统污泥增加原因及危害
2.1 污泥增加问题的出现
2007年A/O系统投运以来，有机污染物负荷率一直保持在60%～80%，系统运行稳定，出水水质满足并优于《污水综合排放标准》(GB8978—1996)，污泥性状良好，生化系统污泥浓度维持在6000mg/L左右。2017年以后，随着鲁南化工多个新项目投运，有机污染物负荷显著增加(达80%～110%)，加之其他诸多因素的影响，2017年以后A/O生化系统污泥浓度高达11000～13000mg/L，且通过显微镜检验(简称“镜检”)发现无机污泥占比较高，污泥活性明显降低，污泥脱水系统2台厢式压滤机连续运行，单台每次出泥4～5t、每天出泥15～20t仍无法满足污水系统排泥所需，污水处理系统运行风险较大。
2.2 污泥增加的原因分析
对于污泥增加的原因，经认真排查与分析，鲁南化工排查梳理出以下方面的原因。
(1)污水处理系统水力负荷、有机污染负荷增加。2017年以来，醋酸、醋酐装置提产，聚甲醛装置达产，多套装置负荷的提升使得废水量增加，COD、NH3-N等有机污染负荷增加，污泥负荷增高，污泥增殖迅速，泥量增加。
(2)煤气化废水悬浮物含量高。设计气化废水(进水)悬浮物含量≤100mg/L，实际悬浮物含量平均在150mg/L，最高达500mg/L，主要原因是新建复合肥装置占地而停用原厂内预处理澄清池，气化废水输送流程改为直接送污水处理厂，废水中的煤灰未得到有效沉降，导致污水处理系统污泥中无机组分含量增高。
(3)废水排放标准提升。《关于批准发布<山东省南水北调沿线水污染物综合排放标准>等4项标准修改单的通知》(鲁质监标发[2011]35号)中，排水悬浮物指标由70mg/L降至30mg/L，循环水排污原作为清净下水直接排放，因排放标准提升而不能直排，2016—2017年对全厂循环水排污水进行治理，将循环水排污至净化水厂三级沉淀池吸附沉淀后排放，此部分水量增加约400t/h，相应增加絮凝剂投加5.6t/d，致三沉池负荷增加，污泥量增加约5t/d。
2.3 污泥增加的危害
由于上述原因，污泥脱水系统不能满足系统污泥处理所需，生化池污泥浓度最高增至13000mg/L且无机污泥占比大，每天有大量污泥不能从系统中脱出，长此以往对生化处理系统危害极大。具体危害如下。
(1)生化污泥老化，对COD、NH3-N去除能力下降，影响出水水质，出水COD、NH3-N升高。经与山东省环科院专家交流得知，当生化池污泥浓度超过15000mg/L时，污泥将不再生长而是出现死亡，该值为污泥浓度峰值，当前生化池污泥浓度已经接近临界值，如控制不好任由污泥浓度继续增高，将会出现污泥死亡、上浮等恶性事件。
(2)生化污泥SV30在90%以上，悬浮颗粒多，不易沉降，沉降性能差，影响出水SS，存在排放超标风险。
(3)污泥增加会占用生化处理系统有效容积，制约进水量和对污染物的处理能力。
(4)污泥泥龄增长，耐冲击性差，一旦受负荷冲击，短期内不易恢复活性。综上，污水处理系统负荷增加，污泥不能及时排出，生化污泥浓度过高，泥龄老化，会对污水处理系统的处理能力和出水水质造成较大影响，存在较大的环保风险。
3、应对措施
针对污水处理系统暴露出的污泥量增加问题，鲁南化工从控制污水处理系统进水水质、优化设施运行、改善污泥性状、增设叠螺式污泥脱水机(增加排泥能力)等方面着手优化与改进，于2019年1—6月提出并落实如下应对措施。
3.1 控制气化废水进水
SS浓度煤气化废水中的煤灰等悬浮物是造成污水处理系统进水悬浮物含量高、生化污泥中无机组分高的重要原因。为此，采取了如下措施：
①气化车间从源头加强管理，开好气化压滤设施，在界区内充分脱除煤灰等悬浮物;
②利用原造气装置(由于高耗能等原因，于2010年停用并拆除，在原址建设了复合肥装置)的平流沉淀池，将气化废水改道平流沉淀池充分沉淀后再由泵打入污水处理系统调节池，平流沉淀池沉淀下来的煤灰通过抓斗吊定期清理，随气化灰渣作为一般固废进行处置。本项改造措施充分利旧，仅新增2台污水泵，投资20万元。
3.2 改善污泥性状，投加营养液
生化污泥所需的主要营养物质有碳源(BOD/COD)、氮源、磷源和无机盐等。碳是构成细菌体的重要元素，细菌体中的各有机物均含有碳，污水中含碳的有机物即为细菌所能利用的碳源。氮也是构成生物体的重要元素，在细菌的蛋白质、核酸等分子中均含有氮元素。鲁南化工污水中NH3-N充足，无需补充氮源;细菌对无机盐的要求并不高，污水中的无机盐含量一般能满足其生长所需;但细菌对磷的需求较多，一般工业污水中若磷不足，需投入一定的磷酸盐作为磷源。鲁南化工污水处理系统污泥存在氮源过量而碳源、磷源不足的问题，为改善污泥性状，提高污泥活性，决定投加甲醇废水和磷营养液(NaH2PO4)以弥补碳源、磷源不足，O池按照C(BOD5)∶N∶P=100∶5∶1(其中，N以NH3-N计，P以PO4-P计)的比例调节。
3.3 增设叠螺式污泥脱水机以加大排泥量
经计算，当前污水处理厂污泥产生量(折85%含水率)为25246kg/d，而污水处理厂2台厢式压滤机的污泥处理量(85%含水率干泥饼)为20t/d，污水处理厂污泥增殖量(折85%含水率)为5246kg/d，故需增设污泥脱水设备。
结合污水处理厂实际场地情况，研究厢式压滤机的排泥效果，参考其他企业的污泥处置方法，对常用的污泥脱水机进行比较，最终决定增设叠螺式污泥脱水机(简称叠螺机)。叠螺机设备布局紧凑，可显著减少基建投资，具有安装调试简单、占地面积小、整机全密封操作、可连续进出料、工人劳动强度低(1人可同时操作多台叠螺机)、故障率低等优点，运行前设置好污泥的浓度、污泥量、加药量等指标即可自动连续地处理污泥。新增2台污泥叠螺机及配套设施投资119万元。
4、投资情况及效果评价
4.1 投资情况及运行费用
2台叠螺机及配套设施投资119万元，2台污水提升泵投资18万元，土建费用5万元，平流沉淀池利旧改造费用8万元，优化改造合计投入150万元。
污水处理系统优化改造后，增加的运行费用主要为营养液投加，每天投加500kg，日增加药剂费用约800元，折合吨废水运行成本增加0.3元，但投加营养液为临时性改善污泥性状的措施，不会长期投加。
4.2 整体效果评价
(1)叠螺机投运后，运行稳定可靠，大幅提升了系统的污泥处理能力，日产出含水率75%的污泥7.2～14.4t，完全满足目前系统污泥增殖量处理需求，确保了三沉池和清污分流系统出水悬浮物含量达标且稳定;与此同时，生产中加大了对初沉池的排泥，以便及时将污泥中的无机成分脱除，有效降低污泥的无机组分含量，提高活性污泥的含量，从而提高了活性污泥的处理能力，保障了系统的长周期、安全、环保、稳定运行。
(2)通过源头增设气化废水预处理程序，降低了污水处理厂进水悬浮物(煤灰)浓度，调节池进水发黑问题明显改善，经过3个月的运行，生化污泥组分得到改善，镜检发现污泥中无机组分明显减少、有机组分增加，生化池污泥浓度大幅降低，污泥活性增强，出水水质明显改善。
4.3 进出水指标对比
改造前后污水处理系统进出水指标对比见表3。可以得出结论：
①改造前后进出水水量及进水COD和NH3-N指标基本无变化；
②通过源头治理，进水悬浮物含量由150mg/L以上降至50mg/L以下；
③系统出水COD、NH3-N、悬浮物含量在原出水达标的基础上进一步得到优化，水质满足2019年山东省新颁布的《流域水污染物综合排放标准第1部分：南四湖东平湖流域》(DB37/3416.1—2018)要求；
④生化系统污泥浓度从11000～13000mg/L降至5000～7000mg/L，大幅降低，污泥中无机组分明显减少，有机组分增加。
5、结语
(1)2017年以后，随着鲁南化工多个新项目的投运，污水处理系统负荷增加，污泥不能及时、有效排出，生化污泥浓度过高，泥龄老化，对系统处理能力和出水水质造成较大影响，存在较大的环保风险。后经一系列优化改进，保证了污水处理系统的良好运行。
(2)生化污泥是整个生化处理系统的核心关注对象，应通过定期分析污泥浓度、SV30等指标，并结合镜检判断生化污泥的活性状况，这对指导污水处理设施的安全、稳定运行具有重要的意义。
(3)叠螺式污泥脱水机设备布局紧凑，投资低，具有安装调试简单、占地面积小、故障率低、操作简便等优点，且其运行稳定可靠，值得在水处理领域中推广应用。（来源：兖矿鲁南化工有限公司）
