太湖流域污水處理廠氮磷去除現(xiàn)狀及效能的研究

高洋　程潔紅

摘要：調(diào)研了沿江蘇省太湖流域周邊的具備脫氮除磷工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠，選取其中具有代表性的12家污水處理廠，對其進(jìn)水水質(zhì)特性、氮磷的去除效果、提標(biāo)改造的措施及處理成本進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)污水廠進(jìn)水B/N值范圍為1.75～4.78，B/N值在4以下的概率為67.7%，表明太湖流域超過半數(shù)污水處理廠B/N比較低，脫氮碳源不足。出水達(dá)標(biāo)的污水處理廠出水TP、NH₃-N和TN濃度分別控制在0.31 mg/L、3.84 mg/L和13.1 mg/L以下，表明大部分污水廠脫氮除磷完全能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918-2002）》一級A標(biāo)準(zhǔn)。各廠全年平均出水TP、NH₃-N和TN濃度分別能低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的38%、23.2%和12.7%，TP、NH₃-N和TN去除效果最佳時分別能低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的88%、94%和63.3%，表明在工藝穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，通過提標(biāo)改造，污水廠具有生物脫氮除磷的潛力。污水廠保證滿負(fù)荷運(yùn)行能降低污水處理成本；良好的運(yùn)行管理也能降低成本。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)污水處理廠；進(jìn)水水質(zhì)；氮磷去除；太湖流域

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）02-0055-06

2007年太湖藍(lán)藻事件后，要求江蘇省太湖流域污水廠排放必須達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918-2002）》一級A標(biāo)準(zhǔn)。至2010年底，太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造工程已全面完成，大部分污水廠基本能達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。但是，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人們對流域環(huán)境要求不斷提高，太湖流域環(huán)境治理要求也愈發(fā)嚴(yán)格。2013年江蘇省出臺了《江蘇省“十二五”城鎮(zhèn)污水處理建設(shè)規(guī)劃》，確定了江蘇全省城市（縣城）污水處理率要達(dá)90%以上，其中集中處理率達(dá)75%以上的目標(biāo)。同時在加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)方面，規(guī)劃明確：充分發(fā)揮現(xiàn)有處理設(shè)備、工藝和運(yùn)行管理潛力，進(jìn)一步提高處理效率。為盡早達(dá)到太湖水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，再提高污水處理廠尾水排放標(biāo)準(zhǔn)是未來趨勢。而多數(shù)污水廠在征地面積難以擴(kuò)大、新建處理工藝可能性極小的情況下，提高現(xiàn)有處理設(shè)備、工藝和運(yùn)行管理潛力尤為必要。在此前提下，調(diào)研了太湖流域的城鎮(zhèn)污水廠進(jìn)行分析、總結(jié)。

本文從調(diào)研的太湖流域城鎮(zhèn)污水廠中選取了不同工藝、不同處理規(guī)模的、具有代表性的12家城鎮(zhèn)污水處理廠，分布于常州、無錫、蘇州等地區(qū)，這些污水廠的出水是排入太湖的上游地區(qū)。對這些污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)特性、氮磷的去除效果、提標(biāo)改造的措施及處理成本進(jìn)行了分析，分析其脫氮除磷的潛力，為進(jìn)一步提高城鎮(zhèn)污水處理廠的生物脫氮除磷效能和運(yùn)行管理提供工程應(yīng)用數(shù)據(jù)。

1 污水廠進(jìn)水水質(zhì)特性

1.1 碳氮比

太湖流域12家污水處理廠2013年進(jìn)水B/N年平均值如圖1所示。一般認(rèn)為，BODJTN值（簡稱B/N值）>4即可認(rèn)為污水中有足夠的碳源供反硝化菌利用，無需外加碳源。由圖可知B/N值為1.75～4.78，進(jìn)水B/N值在4以下的的概率為67.7%，表明太湖流域超過半數(shù)污水處理廠B/N值較低，生物脫氮的碳源不足。

1.2 碳磷比

太湖流域12家污水處理廠2013年進(jìn)水B/P年平均值如圖2所示。生物除磷主要取決于污水中的易降解COD含量，BOD₅/TP值（簡稱B/P值）可用于判斷是否適宜采用生物除磷，一般最低不宜低于20。由圖可知B/P值為16.7～53.2，進(jìn)水B/P值達(dá)20以上的概率為83.3%。表明太湖流域污水處理廠普遍B/P值較高，生物除磷的碳源較為充足。

1.3 B/C比

太湖流域12家污水處理廠進(jìn)水BOD₅/COD_Cr年平均值（簡稱B/C值）為0.18～0.56，進(jìn)水B/C值達(dá)0.3以上的概率為83.3%。根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果，B/C值在0.3～0.45時可生化性較好，表明太湖流域污水處理廠普遍可生化性較好，使用生物處理的方法能達(dá)到較好的污染物去除效果，尤其是高B/C值利于生物除磷。

2 污水廠氮磷的去除效果

2.1 磷的去除效果

太湖流域12家污水處理廠2013年二沉池出水TP濃度、總出水TP濃度、月出水TP濃度范圍及出水TP濃度的月最優(yōu)值（污染物去除最低值）如表1所示。

由表可知，太湖流域12家污水處理廠大部分生物除磷效能較好，二沉池出水TP濃度控制在1.00 mg/L以下的污水廠占75%，其中WJCQ和LYEW兩廠二沉池出水TP濃度甚至能達(dá)到0.16mg/L以下。而WJCQ廠沒有深度處理工藝和化學(xué)除磷，LYEW廠雖然有深度處理工藝，但沒有化學(xué)除磷，因此，上述兩家污水廠在未經(jīng)深度處理或投加輔助藥劑的情況下便已經(jīng)遠(yuǎn)低于一級A標(biāo)準(zhǔn)中的濃度限值（0.5 mg/L）。磷達(dá)標(biāo)排放的污水處理廠出水TP濃度均控制在0.31 mg/L以下，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)0.5 mg/L的38%；除磷效果最好的污水廠是LYEW廠，出水TP濃度更是能降低至0.08mg/L，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的88%。由此可見，經(jīng)過提標(biāo)改造后，大部分污水廠能夠控制磷的達(dá)標(biāo)排放，并且在成熟的工藝技術(shù)和較好的運(yùn)行管理?xiàng)l件下，污水廠具有進(jìn)一步降低TP濃度的潛力。

1.2 氮的去除效果

太湖流域12家污水處理廠2013年總出水NH₃-N濃度、總出水TN濃度、月出水NH₃-N濃度范圍、月出水TN濃度范圍、NH₃-N濃度的月最優(yōu)值及TN濃度的月最優(yōu)值如表2所示。

由表2可知，太湖流域12家污水廠出水NH₃-N和TN濃度除QY廠以外，出水NH₃-N和TN濃度均能達(dá)標(biāo)排放。氮達(dá)標(biāo)排放的污水廠全年總出水NH₃-N濃度均能控制在3.84mg/L以下，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)5mg/L（夏季標(biāo)準(zhǔn)）的23.2%；氨氮去除效果最好的污水廠是LJ廠，出水NH₃-N濃度更是能降低至0.30mg/L，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的94%。氮達(dá)標(biāo)排放的污水廠全年總出水TN濃度均能控制在13.1mg/L以下，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)15mg/L的12.7%；TN去除效果最好的污水廠是ZH廠，出水TN濃度更是能降低至5.50 mg/L，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的63.3%。相較于NH₃-N的去除而言，TN的去除效果只是基本保證達(dá)標(biāo)，表明TN的去除是污水廠普遍面臨的難點(diǎn)。由此可見，提標(biāo)改造后大部分污水廠不僅能夠控制氮的達(dá)標(biāo)排放，而且在成熟的工藝技術(shù)和較好的運(yùn)行管理?xiàng)l件下，能夠遠(yuǎn)低于一級A標(biāo)準(zhǔn)，表明污水廠具有進(jìn)一步達(dá)到更嚴(yán)格的NH₃-N和TN濃度限制值的潛力。

3 污水廠的提標(biāo)改造措施

3.1 對磷進(jìn)一步去除的措施

太湖流域12家污水廠普遍采用生物除磷和化學(xué)除磷的方式，這是由于生物除磷在冬季水溫低很難保證達(dá)標(biāo)排放，因此需要化學(xué)除磷進(jìn)行補(bǔ)充。而二沉池出水中的SS一般波動較大，會導(dǎo)致TP去除率不穩(wěn)定。深度處理工藝的新建主要是為了去除二級處理中難以去除的sS和投加混凝劑進(jìn)一步去除TP。太湖流域12家污水廠大部分均已完成提標(biāo)改造，增設(shè)的深度處理單元如表3所示。

由表3可知，大部分污水處理廠的深度處理工藝是通過投加混凝劑進(jìn)行混凝，進(jìn)一步化學(xué)除磷，產(chǎn)生的懸浮物再進(jìn)行沉淀、過濾去除。污水廠投加的化學(xué)除磷藥劑主要有聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵和聚合硫酸鋁鐵三類，過濾懸浮物主要依靠濾布濾池、D型濾池或V型濾池。其中，JB和LYEW廠沒有投加藥劑進(jìn)行化學(xué)除磷，是由于上文中已提到這兩所污水廠的生物除磷效果較好，已經(jīng)能穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，不需要化學(xué)除磷。另外，WJCO廠未進(jìn)行提標(biāo)改造，無深度處理單元，但除磷效果仍然好，主要是由于其進(jìn)水碳源充足、ss濃度低，并且該廠在氧化溝主體工藝前設(shè)置有前置缺氧區(qū)，不僅反硝化除磷效果明顯，而且前置缺氧反硝化可降低硝態(tài)氮濃度，有利于厭氧區(qū)對低DO的要求。

3.2 對氮進(jìn)一步去除的措施

上述太湖流域12家污水廠對氮的去除通常采用A²/O工藝和氧化溝工藝，但這些工藝運(yùn)行后存在冬季脫氮效果差、反硝化效果差等問題，加上進(jìn)水碳源不足，造成氮去除率低。針對上述問題，污水廠進(jìn)行強(qiáng)化生物脫氮，主要是通過生反池的改建和工藝參數(shù)的調(diào)整達(dá)到提高脫氮的效率。太湖流域12家污水處理廠強(qiáng)化生物脫氮的措施如表4所示。

由表4可知，污水處理廠進(jìn)一步去除氮的措施多種多樣，主要是取消初沉池、設(shè)置預(yù)缺氧池、分段多點(diǎn)進(jìn)水、多點(diǎn)回流、延長泥齡等措施提高脫氮效率。太湖流域12家污水處理廠大部分脫氮碳源不足，很難實(shí)現(xiàn)較好的生物脫氮效能，采取取消初沉池，增加分段多點(diǎn)進(jìn)水的措施，達(dá)到充分利用內(nèi)碳源、提高碳源利用率的目的。污水廠提標(biāo)改造中，增加缺氧區(qū)和好氧區(qū)容積，使得停留時間延長，能強(qiáng)化硝化和反硝化反應(yīng)。生反池中的厭氧段和缺氧段通常分為幾個區(qū)間，將厭氧段其中一個區(qū)間改造為厭氧/缺氧過渡區(qū)，即通過設(shè)置多點(diǎn)回流，在生物除磷效果較好的情況下使混合液通過內(nèi)回流同時進(jìn)入缺氧段和厭氧段的一個區(qū)間，強(qiáng)化缺氧區(qū)反硝化脫氮的效果。同理，上述也有污水廠如QT廠，設(shè)置了缺氧/好氧過渡區(qū)，可合理調(diào)整運(yùn)行工藝以適應(yīng)不同季節(jié)的運(yùn)行要求。將A²/O生反池設(shè)計(jì)成氧化溝池型，可使生反池具備混合循環(huán)、耐沖擊負(fù)荷等特點(diǎn)。在A²/O或氧化溝工藝生反池之前增設(shè)預(yù)缺氧池，即回流污泥在進(jìn)入?yún)捬醵沃跋冗M(jìn)人預(yù)缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，一方面能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的脫氮，另一方面能降低進(jìn)入?yún)捬醵蔚南跛猁}濃度。同時，設(shè)置較長的預(yù)缺氧時間可降低其對碳源的需求量。XS廠采用倒置A²/O工藝，將傳統(tǒng)A²/O工藝中的缺氧區(qū)調(diào)整到厭氧區(qū)之前，能改變碳源的分配方式，保證反硝化優(yōu)先利用碳源進(jìn)行生物脫氮。上述污水廠多數(shù)不能擴(kuò)大用地面積，因此提標(biāo)改造只能在原有的工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行。為了增加污泥濃度，LC廠采用投加填料的措施，通過投加填料，可使好氧池中填料表面附著生長生物膜，在生物池內(nèi)形成活性污泥與生物膜的復(fù)合生物系。

4 處理成本分析

太湖流域12家城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷、外加碳源或化學(xué)除磷藥劑、處理費(fèi)用及電耗情況如表5所示。

污水處理廠未能達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行時，會造成污水處理設(shè)備的閑置與浪費(fèi)，過多消耗污水處理資金。由表5可知，XS和JB兩廠運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)規(guī)模，電耗明顯增加，高于其他污水廠；電耗控制在最低的為SS，這是由于其運(yùn)行負(fù)荷非常接近設(shè)計(jì)規(guī)模，能正?？刂圃O(shè)備運(yùn)行、減少設(shè)備電耗的浪費(fèi)。此外SS沒有投加碳源、生物除磷效能良好，僅需少量投加化學(xué)除磷藥劑，故其噸水處理成本控制最低。

將不投加碳源、不投加化學(xué)除磷的幾所污水廠進(jìn)行比較，如JB、WJCQ、LYEW三所污水廠，發(fā)現(xiàn)WJCQ噸水處理成本最低，原因是JB運(yùn)行負(fù)荷不足、電耗較高導(dǎo)致成本增加。上述污水廠的噸水費(fèi)用沒有包括污泥處理費(fèi)，只有LYEW包括了其污泥處理的成本，因此噸水費(fèi)用高于其他廠，表明污水廠運(yùn)行中污泥處理成本也很高。

將投加外加碳源的幾所污水廠進(jìn)行比較，如QT、QY、Xs和FX四所污水廠，發(fā)現(xiàn)除XS由于運(yùn)行負(fù)荷嚴(yán)重不足導(dǎo)致電耗較高以外，其他三所污水廠電耗相近，同時三所污水廠均有輔助化學(xué)除磷，但噸水處理成本差異較大。這是由于QY廠超負(fù)荷運(yùn)行，且氮磷濃度均未能達(dá)標(biāo)排放，資金投入較低；而QT廠嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)模滿負(fù)荷運(yùn)行，生物除磷效能遠(yuǎn)高于FX，化學(xué)除磷藥劑成本上低于FX，故QT噸水處理成本低于FX。

將投加外加碳源的污水廠與不投加外碳源的污水廠進(jìn)行比較，如FX（有外加碳源）和LC、LJ、SZXQ（三所不投加碳源），發(fā)現(xiàn)四所污水廠電耗相近、均有化學(xué)除磷，生物除磷脫氮效果相當(dāng)，而FX噸水處理成本明顯高于其他三廠，說明FX由于外加碳源而大大增加了污水處理的成本。但三所不投加外碳源的污水廠與QT（投加外碳源）相比較時，發(fā)現(xiàn)四所污水廠電耗相當(dāng)，而噸水處理成本最低的卻是QT。究其原因，不僅歸功于QT的滿負(fù)荷運(yùn)行和良好的生物除磷效能，也歸功于QT廠的運(yùn)行管理到位，如該廠該廠對水質(zhì)的監(jiān)控較完善，能對工藝參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整，并非全年都投加碳源，而是根據(jù)運(yùn)行情況適時、適量投加。

綜上所述，污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷對電耗的影響較大，保證滿負(fù)荷運(yùn)行時能大大減少電耗。投加外碳源若能保證良好的生物除磷效能，便可節(jié)約化學(xué)除磷藥劑的成本投入。污水廠的運(yùn)行管理是否到位對處理成本的影響較大。另外，上述污水處理廠中SS噸水處理成本最低可達(dá)0.300元/t，同時能滿足達(dá)標(biāo)排放，說明其他污水廠仍具有較大的節(jié)約成本潛力。

5 結(jié)語

（1）太湖流域污水處理廠進(jìn)水B/N值范圍為1.75～4.78，B/N值在4以下的的概率為67.7%，超過半數(shù)污水處理廠B/N值較低，脫氮碳源不足；相比之下，進(jìn)水B/P值較高，除磷碳源較充足，這是由于進(jìn)水可生化性較好。

（2）上述大部分污水廠生物除磷效能較好，磷出水達(dá)標(biāo)的污水處理廠全年總出水TP濃度均能控制在0.31 mg/L以下，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的38%；TP去除效果最佳能低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的88%。大部分污水廠NH₃-N去除效果較好，而TN的去除是污水廠普遍面臨的難點(diǎn)。氮出水達(dá)標(biāo)的污水處理廠全年總出水NH₃-N和TN濃度分別能控制在3.84mg/L和13.1mg/L以下，分別低于一級A標(biāo)準(zhǔn)23.2%和12.7%；NH₃-N和TN去除效果最佳能低于一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的94%和63.3%。說明在工藝穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，通過提標(biāo)改造，污水廠具有生物脫氮除磷的潛力。

（3）對于除磷，生物除磷結(jié)合化學(xué)除磷是一種較好的除磷工藝。對于脫氮，為保證較好的脫氮效果，可增加預(yù)缺氧區(qū)（前置預(yù)缺氧區(qū)/池），外回流混合液進(jìn)入前置預(yù)缺氧區(qū)能進(jìn)一步反硝化脫氮，此舉同時可降低外回流混合液中的硝態(tài)氮對厭氧區(qū)的影響。

（4）污水廠保證滿負(fù)荷運(yùn)行能降低成本；良好的運(yùn)行管理也降低成本。投加外碳源若能保證良好的生物除磷效能，便可節(jié)約化學(xué)除磷藥劑的成本投入。上述污水處理廠中處理成本最低可達(dá)0.30元，t，同時能滿足達(dá)標(biāo)排放，污水廠仍具有較大的節(jié)約成本潛力。

責(zé)任編輯 祁秀春