城鎮(zhèn)污水處理廠氮磷去除潛力評估

朱 鋮，程潔紅，趙際灃,顧 銘

(1.江蘇理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇常州 213001;2.河北省張家口環(huán)境監(jiān)測中心，河北張家口 075000)

2015年《水污染防治行動計(jì)劃》(水十條)對我國重點(diǎn)區(qū)域及重點(diǎn)流域的污水處理提出了更高要求，污水處理廠提標(biāo)增效成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。太湖流域是國家重點(diǎn)控制的污染區(qū)域，截止至2010年底，必須完成169家太湖流域的城鎮(zhèn)污水廠提標(biāo)改造[1]，目前大部分污水廠尾水排放已達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。但是，由2017年頒布的《江蘇省“十三五”太湖流域水環(huán)境綜合治理行動方案》可知，太湖流域水環(huán)境氮磷濃度控制仍有難度。城鎮(zhèn)污水處理廠氮的處理效率低于磷去除效率[2-3]。另一方面，“控磷”的壓力遠(yuǎn)高于“控氮”，“控磷”是控制太湖藍(lán)藻水華的主要措施[4]。為更好地保護(hù)水環(huán)境，未來城鎮(zhèn)污水廠有可能面臨要求出水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到地表水IV類水標(biāo)準(zhǔn)的局面，需要對現(xiàn)有的工藝和設(shè)備進(jìn)行升級改造。

為了滿足污水處理廠升級改造的技術(shù)需求，本課題根據(jù)江蘇省太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠情況，從中選取了具有代表性的、已達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水廠18家，覆蓋南京、常州、溧陽、宜興、無錫、蘇州等6個(gè)城市和地區(qū)，再從中篩選出12家具有代表性的污水廠作為分析對象。通過取樣測試及調(diào)研，統(tǒng)計(jì)污水廠全年進(jìn)水水質(zhì)、水量情況，評估出水氮磷達(dá)標(biāo)率、去除效果，探討進(jìn)出水水質(zhì)和運(yùn)行參數(shù)等對氮磷去除效果的影響，分析了氮磷去除效果和處理工程現(xiàn)狀。通過上述分析，評估氮磷限值降低的潛力，為進(jìn)一步降低氮磷排放限值可行性提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 選取典型城鎮(zhèn)污水處理廠

根據(jù)江蘇省情況，選取小、中、大型三類城鎮(zhèn)污水廠，涵蓋了有AAO、氧化溝、SBR等工藝，包括是否設(shè)有深度處理工藝，以及處理生活污水或含部分工業(yè)廢水的情況，確保調(diào)研污水的處理廠具有明顯的代表性和典型性。

以具有代表性污水廠作為分析對象，統(tǒng)計(jì)全年進(jìn)水水質(zhì)、水量情況，計(jì)算出水氮磷達(dá)標(biāo)率、去除效果，根據(jù)進(jìn)水BOD5∶TN或BOD5∶TP，以及碳源投加情況，分析氮磷去除效果和潛力。同時(shí)，從厭缺氧池的氧化還原電位(ORP)、好氧池溶解氧(DO)和回流比等方面，深入分析運(yùn)行參數(shù)對氮磷去除效果的影響，探尋各工段適宜的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到挖掘城鎮(zhèn)污水處理廠氮磷去除潛力的目的。

1.2 分析方法

在生物脫氮工藝中，由于反硝化過程的碳源需求，通常要求 BOD5∶TN>4∶1；在生物除磷工藝中，厭氧釋磷過程需要碳源合成聚羥基鏈烷酸酯，通常要求污水中的BOD5∶TP>17∶1。因此，可以依靠碳氮比和碳磷比分析污水處理廠的脫氮除磷潛力。

2 結(jié)果與討論

2.1 城鎮(zhèn)污水廠出水TP、NH3-N和TN的分析

2.1.1 污水廠TP去除潛力評估

將典型污水廠2016年12個(gè)月出水的TP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)頻率，如表1所示。

由表1可知，除一家污水廠外，其他家處理尾水均達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。且全年TP在0.3 mg/L以下的有6家，占比50%。TP去除效果最好的污水廠是LYEW廠，采用的是AAO工藝，由于進(jìn)水碳氮比高，僅生物除磷，但常年維持出水TP濃度小于0.10 mg/L，證明了除磷潛力。WJCQ廠采用氧化溝工藝，進(jìn)水碳源較充足，無深度處理工藝和化學(xué)除磷，但除磷效果好，出水TP濃度小于0.20 mg/L。

各廠的進(jìn)水BOD5/TP均大于17(通常是15～20)[6-7]，碳磷比充足，表明在碳源充足和合理的運(yùn)行，生物除磷可以達(dá)到0.3 mg/L。上述污水廠除一家外，出水TP濃度都能達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，表明了生物除磷的潛力較強(qiáng)。

2.1.2 污水廠NH3-N去除潛力評估

分析統(tǒng)計(jì)出水NH3-N≤1.00、1.00～5.00 mg/L以及>5.00 mg/L的出現(xiàn)頻率，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在良好的運(yùn)行管理下，通過生物脫氮工藝，出水NH3-N濃度可以進(jìn)一步低于一級A標(biāo)準(zhǔn)5.00 mg/L(水溫>12 ℃)。SS廠、JB廠和QT廠對NH3-N的去除效率最高，出水NH3-N可控制在1.00 mg/L以下，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)值的80%，這表明生物去除NH3-N潛力較高。上述3家污水廠采用的均是AAO工藝，表明AAO工藝對NH3-N去除具有運(yùn)行穩(wěn)定、去除效率高的優(yōu)勢，該技術(shù)在污水去除NH3-N方面也可推廣運(yùn)用。

此外，XS廠和QY廠有不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。XS廠的進(jìn)水中NH3-N濃度是調(diào)研的所有污水廠中變化幅度最大的一家，為17.91～61.87 mg/L，對生物處理系統(tǒng)沖擊很大，出水難以達(dá)標(biāo)。QY廠的進(jìn)水水質(zhì)比較常規(guī)，但處理效果仍然較差。

表1 出水TP濃度情況分析一覽表Tab.1 List of Effluent TP Concentration Analysis

注：*為污水廠名稱縮寫

表2 出水NH3-N濃度情況分析一覽表Tab.2 List of Effluent NH3-N Concentration Analysis

注：*為污水廠名稱縮寫

2.1.3 污水廠TN去除潛力評估

統(tǒng)計(jì)了上述污水廠尾水TN≤8.00、8.0～15.00 mg/L以及>15.00 mg/L的出現(xiàn)頻率，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，進(jìn)水碳源充足的情況下，依靠污水廠良好的運(yùn)行，ZH廠可以將TN濃度穩(wěn)定降低到8.00 mg/L，出現(xiàn)頻率為100%，低于一級A標(biāo)準(zhǔn)值15.0 mg/L的46.7%，表明了脫氮的潛力值。通常認(rèn)為BOD5/TN為4.20基本可以滿足反硝化要求[6,8]，ZH廠的進(jìn)水BOD5/TN值為4.20，碳源充足，其全年出水TN濃度小于8.00 mg/L。LJ廠、WJCQ廠、LC廠和LYEW廠的BOD5/TN值都接近于3.80及以上，出水TN≥8.00 mg/L，特別是LC廠，具有與ZH廠同樣的進(jìn)水BOD5/TN比值，但出水TN濃度卻沒有ZH廠理想，約10.1～13.9 mg/L，這表明污水廠優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、加強(qiáng)運(yùn)行管理是重要因素。同理，XS廠和QY廠運(yùn)行不穩(wěn)定，有出水TN不達(dá)標(biāo)的情況，表明了這兩個(gè)廠的運(yùn)行管理有待加強(qiáng)。相反，進(jìn)水碳氮比不足的污水廠如JB廠、SS廠，在沒有外加碳源的條件下，仍能將TN濃度降到低于15.0 mg/L，表明了生物脫氮潛力，并且良好的運(yùn)行管理有助于保證出水TN達(dá)標(biāo)。

表3 出水TN濃度情況分析一覽表Tab.3 List of Effluent TN Concentration Analysis

2.2 氮磷去除主要影響因素

2.2.1 進(jìn)水水質(zhì)影響

(1)碳磷比對除磷的影響

統(tǒng)計(jì)太湖流域12家污水處理廠2013年的進(jìn)水BOD5/TP年平均比值，如圖1所示，BOD5/TP一般不宜低于17[9]。由圖1可知，BOD5/TP為16.7～53.2，進(jìn)水B/P>17的比例為91.7%，表明生物除磷的碳源較為充足。

圖1 各污水廠進(jìn)水BOD5/TP年平均比值情況Fig.1 Annual Average Ratio of Influent BOD5/TP in Each Investigated WWTPs

進(jìn)水BOD5/TP高的污水廠(如LYEW廠和WJCQ廠)除磷效果好，生物除磷分別能使二級處理尾水TP濃度達(dá)到0.16 mg/L和0.10 mg/L，表明進(jìn)水碳源充足對除磷具有關(guān)鍵作用。分析進(jìn)水碳源充足的原因，與進(jìn)水中有部分可降解的工業(yè)廢水有關(guān)，WJCQ廠和LYEW廠進(jìn)水中均含有20%的工業(yè)廢水。而對于進(jìn)水全部為生活污水的污水廠，若出現(xiàn)雨水和地下水從管網(wǎng)滲入的情況，會導(dǎo)致進(jìn)水BOD5/TP比值減小，如QT廠和JB廠。

對污水廠進(jìn)水BOD5/TP逐月數(shù)據(jù)和進(jìn)水TP逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 各污水廠全年進(jìn)水BOD5/TP比值逐月變化情況Fig.2 Variation of Ratio of Influent BOD5/TP by Monthly in Each Investigated WWTPs

圖3 各污水廠全年進(jìn)水TP濃度逐月變化情況Fig.3 Variation of Ratio of Influent TP by Monthly in Each Investigated WWTPs

由圖2、圖3可知，大部分污水廠的BOD5/TP全年基本可達(dá)17以上，只有極少數(shù)污水廠在個(gè)別月份不能達(dá)到，如LC廠、XS廠，這表明個(gè)別月份會出現(xiàn)碳源不足的情況。分析其原因，XS廠主要是因?yàn)槌Ｄ甑拓?fù)荷運(yùn)行、進(jìn)水量低、個(gè)別月份TP濃度極高且進(jìn)水COD不高。LC廠進(jìn)水TP濃度高(TP平均值10.0 mg/L，高于其他所有污水廠)、變化幅度大。與平均值相比，TP濃度變化幅度為-39.93%～44.61%，盡管如此，LC廠的TP去除率仍較高，約97%。這是由于該廠除了生物除磷外，還采用了化學(xué)除磷，除磷藥劑投加量為61.9 g/m3。

綜上所述，進(jìn)水是影響除磷的關(guān)鍵因素之一，進(jìn)水BOD5/TP比值高，對保證高效率的除磷效果可提供保障。后續(xù)的化學(xué)除磷在進(jìn)水波動大、冬季低溫情況下也起到保障作用。

(2)碳氮比對除磷的影響

圖4 各污水廠進(jìn)水BOD5/TN年平均比值情況Fig.4 Variation of Annual Average Ratio of Influent BOD5/TN by Monthly in Each Investigated WWTPs

統(tǒng)計(jì)太湖流域12家污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN年平均值，如圖4所示。一般認(rèn)為，BOD5/TN大于4才能提供足夠的碳源供反硝化菌利用，無需外加碳源[10]。由圖4可知，BOD5/TN比值為1.75～4.78，進(jìn)水BOD5/TN低于4的比率為67.7%，表明太湖流域超過一半的污水處理廠BOD5/TN值較低，生物脫氮的碳源不足。

對污水廠進(jìn)水BOD5/TN逐月數(shù)據(jù)和進(jìn)水TN逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖5、圖6所示。

圖5 各污水廠全年進(jìn)水BOD5/TN比值逐月變化情況Fig.5 Variation of Ratio of Influent BOD5/TN by Monthly in Each Investigated WWTPs

圖6 各污水廠全年進(jìn)水TN濃度逐月變化情況Fig.6 Variation of Ratio of Influent TN by Monthly in Each Investigated WWTPs

由圖5可知，進(jìn)水BOD5/TN≥4的污水廠較少，僅包含有WJCQ廠、LC廠、SZXQ廠、LJ廠、ZH廠以及LYEW廠的部分時(shí)段。上述這些污水廠，進(jìn)水中混有少量可降解的工業(yè)廢水，提高了碳氮比，利于生物脫氮，其他各廠大部分時(shí)段BOD5/TN都小于4，不利于生物脫氮[11]。SS廠、JB廠和QT廠(均位于江蘇常州)的BOD5/TN普遍都小于4，表明該地區(qū)污水廠的進(jìn)水碳源普遍不足，這與管網(wǎng)中地下水滲入、雨水滲入、河流水倒灌等有關(guān)，可見管網(wǎng)設(shè)施的完善相當(dāng)重要[12-13]。

由圖6可知，普遍規(guī)律是冬季進(jìn)水TN濃度較高，由此可見季節(jié)變化對TN去除有影響。因此，應(yīng)盡量保證進(jìn)水碳氮比滿足生物脫氮要求，完善管網(wǎng)，對生物脫氮都起到促進(jìn)作用。州地區(qū)對部分地下管網(wǎng)管控后，有效抑制了河流水倒灌，增加了進(jìn)水碳氮比和碳磷比。如QT廠僅在冬季部分時(shí)段投加乙酸，其他時(shí)段已不外加碳源，節(jié)約了成本。

2.2.2 出水水質(zhì)的影響

對于生物除磷，出水會有少量懸浮物(SS)，這些SS主要是活性污泥細(xì)碎絮體，含磷量約3%。若生物除磷后僅沉淀、未過濾，則出水TP濃度約1.0 mg/L，因此各城鎮(zhèn)污水廠為達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，均在沉淀池后加濾池過濾。若按過濾后出水SS為5.0 mg/L計(jì)，SS中的TP為0.15 mg/L，可大幅降低因出水SS帶來的出水TP。

此外，不少污水廠采用化學(xué)除磷以保障出水達(dá)標(biāo)，但對于設(shè)置在城區(qū)的污水廠，由于廠區(qū)面積有限，難以增加混凝、沉淀等深度處理構(gòu)筑物，給污水廠的改造帶來困難。QT污水廠為解決這一難題，在好氧池出水至沉淀池之間，在管道投加混凝劑進(jìn)行化學(xué)除磷，二沉池即可沉淀活性污泥，節(jié)約了占地面積。QT廠僅在冬季部分時(shí)段進(jìn)行化學(xué)除磷，全年大部分時(shí)間不投加藥劑，這樣將沉淀池兩用，經(jīng)濟(jì)實(shí)效，為其他廠提供了學(xué)習(xí)參考。

2.2.3 運(yùn)行參數(shù)的影響

從上述調(diào)研的污水廠運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水水質(zhì)相差不大的前提下，同樣的工藝，有的污水廠氮磷去除效果好，有的只能維持出水達(dá)標(biāo)，而少數(shù)污水廠出水效果較差。氮磷去除效果差主要是運(yùn)行參數(shù)沒有優(yōu)化導(dǎo)致的。因此對起到較大影響的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

(1)缺氧、厭氧區(qū)的ORP

為保證生物除磷脫氮的效果，根據(jù)微生物的需求維持一定的ORP和DO很關(guān)鍵[14]。以對氮磷去除效果較好的QT廠為例，分析QT廠的ORP，結(jié)果如圖7所示。

圖7 QT廠全年預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池ORP值Fig.7 ORP of Pre-Anoxic Tank,Anaerobic Tank and Anoxic Pool in QT Plant

由圖7可知，QT廠缺氧池ORP比較平穩(wěn)，全年處于-100 mV左右。QT廠厭氧池的ORP在8月～12月為-500～-400 mV，狀態(tài)較穩(wěn)定；預(yù)缺氧池的ORP約-200 mV，小于缺氧池，但又大于厭氧池，較好地起到了預(yù)先將污泥中的ORP降低的作用，使污泥進(jìn)入?yún)捬醭睾螅ＷCORP處于較低值，可見QT廠的工藝參數(shù)控制得較好。而8月之前，預(yù)缺氧池的ORP與厭氧池接近，相當(dāng)于增加了一個(gè)厭氧生化反應(yīng)池。因此，缺氧池的ORP應(yīng)穩(wěn)定控制在-100 mV左右，厭氧池ORP應(yīng)維持在-200 mV以下并保持穩(wěn)定，對后續(xù)工藝的運(yùn)行，以及獲得高效的脫氮除磷效果起到關(guān)鍵作用。

在江蘇省太湖流域提標(biāo)改造時(shí)，QT廠將初沉池取消，改造為預(yù)缺氧池后，池中ORP維持在約-200 mV，不僅對厭氧池釋磷起到促進(jìn)作用，而且預(yù)缺氧池也發(fā)揮了反硝化脫氮作用[15]，表明ORP的調(diào)控對氮去除起到重要作用。

(2)溶解氧DO的影響

分析了JB廠、QT廠、LJ廠等三家污水廠的DO變化情況，如圖8～圖10所示。

圖8 QT廠全年好氧池DO值Fig.8 DO of Aerobic Tank in QT Plant

圖9 JB廠全年好氧池DO值Fig.9 DO of Aerobic Tank in JB Plant

圖10 LJ廠全年好氧池DO情況Fig.10 DO of Aerobic Tank in LJ Plant

由圖8～圖10可知，QT廠的DO值運(yùn)行平穩(wěn)，全年基本處于2.60 mg/L左右。而JB廠和LJ廠的DO值波動較大，尤其是LJ廠全年DO為1.01～7.48 mg/L；JB廠DO為1.64～4.37 mg/L。上述三家污水廠中，LJ廠運(yùn)行規(guī)模最大為9萬m3/d，JB廠是4.5萬m3/d，QT廠的運(yùn)行規(guī)模最小為1.5萬m3/d。盡管LJ廠的DO變化幅度較大，該廠氮磷去除效果仍然較好，出水氮磷達(dá)標(biāo)率為100%，濃度比QT廠略高。由此可見，適宜的DO濃度為2.00～3.00 mg/L，且處理規(guī)模越大，耐沖擊能力越強(qiáng)。DO有少量變化，不會影響整體處理效果。

以QT廠為例，在日常運(yùn)行時(shí)精細(xì)化管理，好氧池中DO始終維持在約2.60 mg/L，好氧池吸磷效率高，發(fā)揮了反硝化除磷作用，在沒有化學(xué)除磷的工藝時(shí)，僅生物除磷就可使出水TP常年低于0.1 mg/L，表明了DO參數(shù)調(diào)控的重要性。

(3)回流比

對于AAO工藝，內(nèi)回流是非常必要的一個(gè)環(huán)節(jié)[16]。對所調(diào)研部分污水廠的外回流比和內(nèi)回流比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示。QT廠的內(nèi)回流比全年數(shù)據(jù)如圖11所示。

由表4可知，處于同一地區(qū)的SS廠、QT廠和JB廠的內(nèi)回流比均大于100%，一般控制在100%～150%，最高的是SS廠，內(nèi)回流比最高達(dá)到300%，而外回流比可小于100%。SZXQ廠和WJCQ廠均采用的是氧化溝工藝，這兩家廠的內(nèi)回流比和外回流比差異很大。WJCQ廠的內(nèi)回流比只有80%～85%，仍能取得較好的氮磷去除效果，且電耗少、更節(jié)能，值得推廣。

表4 部分污水廠正常運(yùn)行內(nèi)回流比情況一覽表Tab.4 List of Internal Reflux Ratios during Normal Operation for Some WWTPs

圖11 QT廠全年內(nèi)回流比情況Fig.11 Internal Reflux Ratio of QT Plant in the Whole Year

由圖11可知，QT廠內(nèi)回流比年平均值為168%，為適應(yīng)進(jìn)水會有所波動。QT廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，內(nèi)回流是不可缺少的生物脫氮工藝中的關(guān)鍵運(yùn)行條件，一般內(nèi)回流比為100%～200%。國內(nèi)一些污水處理廠不重視內(nèi)回流，為節(jié)省運(yùn)行成本，工藝運(yùn)行中未設(shè)置內(nèi)回流，導(dǎo)致處理效果不理想。相反，QT廠非常重視內(nèi)回流，因此脫氮效率高，在碳氮比常年不足的情況下，全年大部分時(shí)間不投加碳源，排放尾水的總氮含量仍能維持在8.2～13.0 mg/L。

綜上所述，無論污水廠規(guī)模大小，采用AAO工藝的運(yùn)行參數(shù)值基本上維持在一定的范圍內(nèi)。ORP值在厭氧池一般低于-200 mV，在-400 mV左右；缺氧池一般在-100 mV左右。溶解氧維持在2～3 mg/L。內(nèi)回流比一般保持在100%～200%，能獲得高效節(jié)能的處理效果。

3 結(jié)論

(1)污水廠在氮磷去除方面的潛力值分別是：出水TP為0.30 mg/L及以下；NH3-N為1.00 mg/L；TN為8.00 mg/L及以下。潛力值表明氮磷去除方面的潛力。

(2)去除TN維持其出水濃度在8.00 mg/L及以下的潛力值難度偏大，尤其冬季。

(3)進(jìn)水對污水廠的運(yùn)行有一定影響，主要體現(xiàn)在超負(fù)荷運(yùn)行或低負(fù)荷運(yùn)行、水質(zhì)波動大、補(bǔ)充碳源提高運(yùn)行成本等方面。

(4)保證良好的運(yùn)行管理有助于保證出水達(dá)標(biāo)。若精細(xì)化管理到位，并發(fā)揮生物脫氮除磷的潛能，也能將出水穩(wěn)定在潛力值范圍內(nèi)，為污水廠達(dá)到類Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)提供保障。