我国北方大多属于温带季风气候，四季分明，雨热同期，季节性温差较大。温度不仅影响微生物种群的代谢活动，而且还可以影响细菌群落的多样性。较高的温度能提高微生物活性，有助于提高污染物去除效率。而低温环境往往影响生物酶功能的发挥，进而影响出水水质。为了抵抗低温造成的不利影响，往往采取多种措施，如加大曝气量、增加污泥浓度、曝气方式、延长污泥龄、增加填料等措施，以提高城镇污水处理厂运行水平、改善水环境质量。尽管人们对污水处理过程的理解和认识有了很大的提高，然而进水水质波动、季节变化等多因素对污水处理厂性能的认识仍不够深入，对活性污泥特性认识值得进一步探讨。

本文以我国北方某市政污水处理厂为研究对象，探讨了季节性变化下污染物去除量变化及污泥特性，并给出运行调控建议，以期提高污水处理厂运行稳定性，同时也为实现污水处理厂科学运营起到支持作用。

1.1 污水处理厂简介

我国北方某市政污水处理厂（简称A厂），采用改良AAO工艺+膜超滤系统（见图1），设计规模为3万m?/d，进水主要为生活污水，出水达到北京市地方标准《水污染物综合排放标准》（DB 11/307-2013）B标准。

图1 某市政污水处理厂工艺流程

该厂生化池的选择区、厌氧区、缺氧区、好氧区的停留时间分别为0.5 h、1 h、5 h、9.6 h，生化池总有效容积为20 125 m?，内回流比300%，外回流比100%，混合液回流至缺氧池，外回流污泥回流至选择区。进水至选择区与缺氧区的分配比例大约10%和90%，进水TN浓度高时，投加25%浓度的乙酸钠溶液作为外碳源促进脱氮。污泥龄控制在15~25 d。

1.2 研究方法

1.2.1 数据收集

收集了2017年1月1日至2018年12月31日A厂运行数据，进水出水标准及进水水质情况，见表1。每年2月份水温最低，约10 ℃，然后水温逐渐上升，一直到8月份，最高约26 ℃，此后水温逐渐下降，直到下一个年度的2月份，之后水温持续升高，再周而复始变化。

表1 进水及出水的设计标准及实际进水水质情况

注：12月1日至3月31日执行括号内排放限值。

1.2.2 计算方法

污染物去除量根据式（1）确定：

式中 D——污染物去除量，kg/d；

Q——流量，m?/d；

M进水——进水污染物浓度，mg/L；

M出水——出水污染物浓度，mg/L；

M外加——外加药品（如外加碳源、尿素等）的浓度，mg/L。

在活性污泥法中，污泥去除负荷按式（2）确定：

式中 L——每天每kg混合挥发性悬浮固体去除的污染物重量［kg/(kgMLVSS·d)］，一般以COD、TN指标进行计算；

MLVSS——生化池内混合液挥发性悬物，g/L；

V——生化池有效容积，m?。

需氧量按式（3）确定：

式中 FOD——污水处理厂总需氧量，kg/d；

DCOD——COD去除量，kg/d，包括外加碳源的量；

DNH3-N——NH3-N去除量，kg/d，4.57为单位NH3-N转化成硝态氮的需氧量系数；

DTN——TN去除量，kg/d，2.86为单位硝态氮转化成气态氮回收的氧气量系数。

本部分未考虑污泥内源呼吸量、污泥生长量等因素对需氧量的影响。

单位需氧量所需的电耗按式（4）确定:

式中EOD——单位需氧量所需的电耗，kW·h/kg；

N——耗电量，kW·h/d。

1.2.3 分析测试方法

COD、BOD5、NH3-N、TN、MLSS、MLVSS等指标均按《水和废水检测分析方法》（第4版）标准方法测定。

2.1 污泥特性与水温变化

2017年1月1日至2月1日，水温先从14.1 ℃下降至最低值9.8 ℃，而后水温逐渐升高至15.0 ℃，MLVSS/MLSS值一直比较稳定，平均值为0.66。自2月1日至8月20日，水温逐渐升高至25.2 ℃，MLVSS/MLSS值逐渐减小，最低值在0.45左右。8月20日至12月31日 ，水温逐渐下降至12.8 ℃，特别是10月8日（水温20.1 ℃）以后，MLVSS/MLSS值逐渐增大。从2017年11月28日至2018年3月23日，水温从15.7 ℃下降再回升到15 ℃过程中，MLVSS/MLSS值同样一直比较稳定，平均值为0.62。同样地，在2018年3月23日以后，升温过程时的MLVSS/MLSS值均表现出与2017年相似的变化趋势。整体上看，在季节性水温变化过程中，15 ℃是一个关键节点，超过此温度，微生物活性显著提高，MLVSS/MLSS值随着水温升高而降低；低于此温度时，MLVSS/MLSS值处于相对稳定的状态，即使有5 ℃的温差，MLVSS/MLSS值依然波动较小，主要原因是污泥中耐冷菌在低温环境中有较高的活性，在一定程度上弥补了其他细菌活性的降低。在冬季低温时，正是MLVSS/MLSS值的相对稳定，为保障污水处理厂运行稳定起到关键作用。

由于生长或内源能量需要，所有微生物都会经历某种形式生物量的减少，这一过程发生在生物体完全利用外部基质后，其MLVSS降低并继续消耗氧气。活性污泥中的微生物新陈代谢功能与生物酶系统有很大关系。微生物体内合成、催化生物化学反应时，生物酶在传递电子、原子和化学基团的过程中发挥重要作用。生物酶催化各种生物化学反应，促进生物体新陈代谢。而生物酶对环境条件的变化比较敏感，温度的改变会使活性发生改变。温度低时，微生物的代谢活力相应减弱，生物酶的活性降低导致酶促反应变慢，微生物体内基质的氧化和微生物自身的氧化速率也会降低，表现为微生物的内源呼吸作用减弱。研究表明，单位质量的MLSS的内源呼吸速率（即比内源呼吸速率）与MLSS无关；而温度对比内源呼吸速率的影响十分显著，比内源呼吸速率随着温度的降低而降低。因此，在降温过程中，内源呼吸明显减弱，胞内物质的消耗速率显著降低，导致MLVSS/MLSS值升高。

图2 水温及MLVSS/MLSS值日变化

2.2 污染物去除量变化

该厂配套管网比较完善，进水量相对稳定，水量变化系数为0.94~1.17。水量及水质波动属于季节性正常变化。2月COD去除量较低，为17万~20万kg/d，然后去除量逐渐上升，一直持续到5月、6月，COD去除量高达41万kg/d，约是2月去除量的2倍。7月开始，COD去除量逐渐下降，9月去除量与2月几乎相当。10月开始，COD去除量逐渐上升，持续到下一年度1月。TN去除量逐月变化趋势与COD相似。全年来看，COD及TN去除量出现先增加后降低再增加的变化，呈现出季节性周期变化趋势。春季气温上升，人们生产活动增加，排放到管网中的污染物浓度增加，夏季雨水以及洗浴水增多，污染物浓度有所下降，但是水量较大，污染物去除量增大，造成污染物去除量随着季节规律性变动。

图3 污染物去除量逐月变化

2.3 污泥去除负荷变化情况

由图4可以看出，COD污泥去除负荷波动较小，全年在0.136 kg/(kgMLVSS·d)上下波动。TN污泥去除负荷变化趋势，可以分为两类，分别是3月至11月，平均值为0.015 kg/(kgMLVSS·d)，12月及下一年度1月、2月，TN污泥去除负荷平均值为0.012 kg/(kgMLVSS·d)，比其他月份降低15%~30%，平均值下降20%。

 图4 污泥去除负荷逐月变化

COD污泥去除负荷与TN污泥去除负荷在不同的季节中具有一定的可比较性，表明微生物种群可以适应温度逐渐变化的环境。这可能是部分微生物的功能冗余，不同群落的细菌能适应不同的生长环境，当环境条件变化时，一部分细菌的活性受到抑制，而另一部分细菌却能更好的繁殖，从而在一定程度上补偿温度变化带来的负面影响，保障污水处理厂运转的平稳。在一定程度上补偿温度变化带来的不利影响，从而为出水稳定达标提供保障。也有观点认为，活性污泥微生物群落随着季节性温度变化发生了演替，新的优势菌群的出现，从一定程度上弥补了活性污泥在低温条件下代谢能力的不足。

2.4 运行调控策略探讨

水温是影响微生物活性的重要因素之一。在低温时，氨氧化菌的活性很容易受到抑制，进而影响出水水质。在实际运行过程中，为了使出水达标需要采取措施，如增加污泥龄、提高生物池污泥浓度等，以减弱温度对污水处理厂性能的负面影响。Ju等研究发现，在一个采用活性污泥法的城市污水处理厂中，生物相互作用是决定细菌群落组成的主要因素，而环境条件(主要是污泥停留时间和无机氮)部分解释了微生物种类和数量变化，间接影响细菌群落组成。微生物的冗余功能可以在一定程度上补偿温度变化的不利影响。当前，污水处理厂主要任务已从去除COD转向营养物去除，特别是生物法TN的去除效率已成为污水处理厂运行优劣判断的重要指标。而氨氧化菌和反硝化菌易受温度的影响，恰当的MLVSS是出水达标的重要条件之一。TN污泥去除负荷可以作为确定MLVSS的重要依据。出水总氮值按排放标准限值的75%~80%考虑，根据进水水量、TN浓度、生化池容积以及TN污泥去除负荷目标值可计算出所需的MLVSS。为了更明确调控方法，特举一例阐述。具体调控步骤如下：

①计算当天TN污泥去除负荷：根据进水在线TN仪表获取TN值，出水总氮值按排放标准限值的80%考虑，计算出TN污泥去除负荷A0;

②基于移动平均值法确定TN污泥去除负荷目标值AT：计算出当天之前2周内TN污泥去除负荷平均值A1，以及同期TN污泥去除负荷平均值A2，A1与A2比较取较大值作为目标值AT；

③判断是否需要排泥：若A0>AT，表明污泥浓度偏低，有出水TN超标的风险；若A0≤AT，表明污泥浓度偏高，可适当排泥，直到A0与AT值接近；一般A0与AT值范围在±10%内均可；

④采用类似的方法用COD污泥去除负荷校核污泥浓度，确保MLVSS同时满足去除有机物及TN，从而为工艺精细化调控提供了基础。

随着污水处理厂市场化运营，运行成本也成为水务公司需要考虑的因素。出水达标的前提下，还需要进一步降低能耗。由图5可见，单位需氧量所需的电耗随着污泥浓度的增加而呈指数增长。在满足污泥去除负荷的前提下，污泥浓度低时，能够有效降低电耗。当污泥浓度高时，必须提高曝气强度才可起到较好的搅拌作用，泥水气三相混合，避免活性污泥沉降。污泥的浓度基本决定了污泥的粘度，污泥温度对粘度的影响相对较小。高污泥浓度使得污泥的粘度增加，从而增加了气体在污泥中上升的阻力，势必需要提高曝气量。在一定的污泥浓度下，必然存在一个最佳的曝气强度，既能够满足微生物生长的需求，又可节约曝气能耗。因此，控制合适的污泥浓度对降低能耗具有重要意义。

图5 单位需氧量所需的电耗随着MLVSS的变化

单位需氧量所需的电耗随季节的变化见图6。2017年夏季的EOD最低，为0.48 kW·h/kg需氧量，其他三个季节均在0.60 KW·h/kg需氧量左右，冬季稍高。2018年前三个季度EOD普遍高于同期数值，特别2018年秋季该厂的EOD比同期增加75%。由图4可以看出，2018年9月、10日，COD及TN的污泥去除负荷相比同期有所降低，表明该时期的污泥浓度明显较高，需要尽快降低生化池污泥浓度。按2017年秋季EOD平均值作为2018年秋季的EOD依据，计算得出2018年秋季MLVSS平均值为2 800 mg/L降至1 800 mg/L满足污泥去除负荷需求，在这个污泥浓度条件下的出水可以达到排放标准。当然，在实际运行过程中，生化池内污泥浓度控制还受到污泥出路的影响，当污泥出路受阻时，生化池内污泥浓度升高是短时间不得已的办法。从水务行业的角度，完善污泥处置路线是污水处理可持续发展的必然要求。

图6 单位需氧量所需的电耗随着季节的变化（2017-2018年）

需要指出，影响生物脱氮的因素很多，包括进水水质、工艺类型、污泥龄、生化池溶解氧水平、外加药剂等，对一个具体的污水处理厂，认真分析污水处理效果，根据进水条件、所需的污泥去除负荷以及环境条件，确定合理的MLVSS值，从而保障足够的活性微生物的量，为污水处理厂的高效运行提供保障条件。只有经过长时间摸索，深入了解污水处理过程的变化规律，实行灵活而高效的管理，提高污水处理厂运行管理的稳定性和可控性，才能真正发挥出其经济效益、环境效益和社会效益。

（1）对于进水量在设计规模上下浮动较小时，COD及TN去除量有明显的季节性周期变化规律，春季及秋季去除量较小。夏季及冬季去除量较大，随着月份循序变化。

（2）MLVSS/MLSS值在15 ℃以上时，MLVSS/MLSS值与水温存在显著反比关系。在水温15 ℃以下MLVSS/MLSS值相对稳定，在低温条件下一部分耐冷优势细菌能更好的繁殖，在一定程度上补偿温度变化带来的负面影响，为维持污水处理厂运行稳定起到关键作用。

（3）以TN污泥去除负荷可作为确定MLVSS的重要依据。根据进水TN等水质信息和排放标准限值，采用移动平均值法确定MLVSS值，并用COD污泥去除负荷校核，为实现出水水质达标前提下的精细化调控提供基础。

（4）本研究提出了季节性气候变化下确定污泥浓度的新方法，充分考虑进出水水质及环境条件变化对污泥浓度和能耗的影响，为污水处理厂高效运行管理提供技术支持和借鉴作用。