某污水處理廠水質(zhì)難穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問(wèn)題研究

唐晶，林常源，龐維海，黃婧，解昊，廖勇

(1.江蘇中車環(huán)保設(shè)備有限公司，江蘇 常熟 215500；2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

南方某城市一工業(yè)園區(qū)污水處理廠的處理規(guī)模為10 000 m3/d，進(jìn)水以生活污水為主，電鍍、印染及乳膠等企業(yè)排放廢水大約占30%，采用“預(yù)處理+改良型SBR池+活性砂濾池+紫外線消毒”工藝，污泥采用帶式污泥濃縮脫水一體機(jī)脫水后外運(yùn)處置[1]。自調(diào)試運(yùn)行以來(lái)，出水水質(zhì)無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)——《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。本研究對(duì)此開展了污水系統(tǒng)全流程調(diào)研和檢測(cè)分析，結(jié)合水質(zhì)分析結(jié)果和污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況，探索導(dǎo)致工藝運(yùn)行狀態(tài)欠佳的關(guān)鍵原因，并提出整改建議。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

濃硝酸、雙氧水均為分析純；污水，水質(zhì)分析見(jiàn)表1。

TOC-VCPN TOC分析儀；ICS-5000離子色譜儀；AISE sc氨氮分析儀；TLC-20AD凝膠過(guò)濾色譜儀；Agilent 720ES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

表1 進(jìn)水水質(zhì)表Table 1 Influent water quality table (mg/L)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本研究對(duì)污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)管網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)以及污水處理流程的主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取樣分析，取樣點(diǎn)主要分布在廠外污水管網(wǎng)關(guān)鍵污水井、改良型SBR池主曝氣區(qū)以及出水排放口等。水樣經(jīng)過(guò)0.22 μm濾膜過(guò)濾預(yù)處理后上機(jī)檢測(cè)。根據(jù)測(cè)定結(jié)果合理稀釋水樣，并重新測(cè)定。

分析的主要指標(biāo)包括TOC、氮元素、分子量、pH及TDS、重金屬元素等。

2 結(jié)果與討論

2.1 TOC

水樣經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后，用TOC分析儀測(cè)定進(jìn)出水的TOC，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 污水處理廠進(jìn)水及出水TOC值Fig.1 TOC value of influent and effluent from sewage treatment plant

由圖1可知，水體中有機(jī)物(TOC)總體上含量較低，均值為22.51 mg/L，且變化較為平穩(wěn)，進(jìn)出水TOC基本無(wú)明顯變化。

水樣三維熒光光譜分析結(jié)果見(jiàn)圖2(b～e)，水樣依次取自污水處理廠出水口、污水處理廠好氧池、污水處理廠進(jìn)水口、鄰近乳膠廠出水口。

與圖2a水體中常見(jiàn)有機(jī)物的熒光識(shí)別位置進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熒光信號(hào)弱的水樣中，類腐殖酸、類富里酸及類蛋白等常見(jiàn)有機(jī)物含量較低，其中的有機(jī)物主要來(lái)自于合成化學(xué)品，而不是水體中常見(jiàn)的類腐殖酸類、類蛋白等天然有機(jī)物；而熒光信號(hào)較強(qiáng)的水樣中，主要是類蛋白等有機(jī)物，推斷其可能主要來(lái)自于生化處理過(guò)程中的微生物分泌物[2-4]。

圖2 水體中常見(jiàn)有機(jī)物的熒光識(shí)別位置(a)和三維熒光光譜分析圖(b～e)Fig.2 Fluorescence recognition location of common organic matter in water(a) and three-dimensional fluorescence spectrum analysis(b～e)b.污水處理廠出水水樣；c.污水處理廠好氧池水樣；d.污水處理廠進(jìn)水水樣；e.鄰近乳膠廠出水水樣

2.2 氮元素分析

水樣經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后，用氨氮分析儀測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 污水處理廠進(jìn)水氮構(gòu)成對(duì)比Fig.3 Comparison of influent nitrogen in sewage treatment plant

進(jìn)一步采樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鄰近乳膠廠出水、鄰近工業(yè)區(qū)集水井氨氮的含量較高，尤其是鄰近乳膠廠出水，氨氮含量高達(dá)110 mg/L。

2.3 分子量分析

水樣經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后，用凝膠過(guò)濾色譜儀測(cè)定分子量，有機(jī)物平均分子量的整體分布見(jiàn)圖4。

由圖4可知，不同采樣點(diǎn)的水溶性高分子分子量分布具有較為顯著的差異，這說(shuō)明市政污水與工業(yè)廢水性質(zhì)明顯不同。對(duì)于工業(yè)廢水而言，不同采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)的水溶性高分子的平均分子量波動(dòng)性很大，這是因?yàn)閭€(gè)別工廠生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢水水質(zhì)不穩(wěn)定。此外，在各工業(yè)廢水采樣點(diǎn)，相同采樣點(diǎn)在不同采樣時(shí)間，水溶性高分子分子量分布范圍也不一樣，可能源于個(gè)別工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的工藝調(diào)整或自身的生產(chǎn)特點(diǎn)，導(dǎo)致其排放廢水水質(zhì)不穩(wěn)定。

圖4 各采樣點(diǎn)分子量分布Fig.4 Molecular weight distribution of each sampling point

個(gè)別水樣(乳膠廢水廠出口)中含有大量的高分子有機(jī)物，結(jié)合其氮元素分析結(jié)果，可以判斷在納管前乳膠廢水處理的停留時(shí)間普遍偏短，原水的有機(jī)氮被轉(zhuǎn)化成氨氮后立即排放，尚未進(jìn)入硝化階段，而高分子有機(jī)物在污水處理廠廠內(nèi)得以部分分解及去除。

2.4 pH及TDS分析

污水廠進(jìn)水pH見(jiàn)圖5。

圖5 各采樣點(diǎn)pH對(duì)比Fig.5 pH comparison of each sampling point

由圖5可知，污水廠進(jìn)水pH分布在6.2～7.31之間，在pH值<7.0時(shí)硝化速度減慢，從而影響代謝過(guò)程中酶的活性，降低硝化反應(yīng)速率。尤其在pH值<6.5時(shí)，硝化速度將顯著減慢。對(duì)于本污水處理廠，在硝化過(guò)程中，需要在原水中補(bǔ)充堿度。

污水處理廠進(jìn)水中含有電鍍廢水，且隨著電鍍行業(yè)的不斷發(fā)展，電鍍產(chǎn)品更加趨于多樣化，與此同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢水成分變得更加復(fù)雜，出水 COD 很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)波動(dòng)成為出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的制約性因素。由圖6可知，進(jìn)水溶解性總固體(TDS)呈波動(dòng)狀態(tài)，這對(duì)污水處理廠的生化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響。

圖6 各采樣點(diǎn)TDS對(duì)比Fig.6 TDS comparison of each sampling point

2.5 重金屬元素分析

該污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)有電鍍企業(yè)，為檢測(cè)其排放污水中的重金屬離子是否對(duì)污水處理廠生化系統(tǒng)造成沖擊，對(duì)污水處理廠的重金屬元素含量進(jìn)行了分析。水樣經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后，取25 mL水樣于消解容器中，加入10 mL濃硝酸及5 mL雙氧水，在電熱板上消解，溫度控制在200 ℃。消解完畢，定容至25 mL，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定重金屬元素含量，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 污水廠進(jìn)水重金屬含量分布Fig.7 Distribution of heavy metal content in the influent of wastewater treatment plant

由圖7可知，污水廠進(jìn)水中Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb及Zn等典型重金屬含量波動(dòng)性不顯著，除Fe元素外，其他重金屬元素的含量均<2.0 mg/L，F(xiàn)e元素的最高含量也未超過(guò)7.0 mg/L；K元素含量分布在50～100 mg/L；Mg元素的含量分布在16.0 mg/L以下；而其他元素如As、Ba、Be、Bi、Li、Se、Sr及V等，在所有樣品的含量較低，均在1.0 mg/L 以下。

污水廠進(jìn)水中重金屬離子濃度較低，因此對(duì)整個(gè)污水處理工藝過(guò)程形成沖擊的可能性較小。綜合分析，盡管某些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程在處理廢水時(shí)采用了堿性氫氧化物沉淀法處理含金屬離子污水，但不足以使廢水的堿度達(dá)到理想的水平。

2.6 水質(zhì)不達(dá)標(biāo)原因分析

2.6.1 進(jìn)水方面 在對(duì)污水處理廠進(jìn)行水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)污水處理廠進(jìn)水與最初的設(shè)計(jì)值差別很大，個(gè)別企業(yè)沒(méi)有采用必要的預(yù)處理技術(shù)使工業(yè)廢水達(dá)到納管標(biāo)準(zhǔn)就排放到污水處理廠，污水處理廠沒(méi)有針對(duì)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試與改進(jìn)工藝，這是導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的關(guān)鍵原因。

2.6.2 硝化性能方面 某些工業(yè)生產(chǎn)廢水的有機(jī)物不易被生物降解，堿度不夠，pH偏低，是導(dǎo)致系統(tǒng)硝化效果較差的重要原因之一。堿度不夠影響了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和代謝，也影響了硝化基質(zhì)和產(chǎn)物的有效性和毒性，從而制約生物硝化反應(yīng)器的效能。當(dāng)廢水本身所含堿度不能滿足硝化要求時(shí)，pH值也會(huì)下降，尤其在堿度下降到50 mg/L(以CaCO3計(jì))以下時(shí)，將導(dǎo)致硝化菌的活動(dòng)受到抑制，硝化反應(yīng)甚至停止。

2.6.3 反硝化性能方面 生化過(guò)程的優(yōu)質(zhì)碳源相對(duì)不足，反硝化過(guò)程缺少電子供體，是導(dǎo)致出水總氮長(zhǎng)期超標(biāo)、系統(tǒng)脫氮效率較低的根本原因。

2.6.4 系統(tǒng)調(diào)試方面 在污水調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中，需要綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。污水廠在調(diào)試期間，雖然采取了加強(qiáng)水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)、投加活性污泥、工藝調(diào)優(yōu)、碳源投加、補(bǔ)充堿度等多項(xiàng)措施，但由于每次采用的手段相對(duì)單一，無(wú)論是投加強(qiáng)度還是持續(xù)時(shí)間都不夠充分，導(dǎo)致活性污泥系統(tǒng)難以穩(wěn)定有效運(yùn)行。

2.7 運(yùn)行管理與改造建議

2.7.1 強(qiáng)化源頭調(diào)控 嚴(yán)格控制污水廠附近工業(yè)區(qū)及各污水排放單位的污染物排放，從源頭治理，確保COD、總氮及氨氮達(dá)到納管標(biāo)準(zhǔn)，才能為末端達(dá)標(biāo)排放創(chuàng)造條件。重點(diǎn)監(jiān)控毒性大、濃度高、含鹽量高的排污口，在企業(yè)排污口設(shè)置水質(zhì)水量計(jì)量裝置，從整體上降低工業(yè)園區(qū)水污染治理難度和成本。

2.7.2 制定系統(tǒng)運(yùn)行方案 鑒于系統(tǒng)堿度不夠，優(yōu)質(zhì)碳源不足，污水處理廠需要制定系統(tǒng)的運(yùn)行方案，同時(shí)運(yùn)用污泥更換、碳源投加、碳酸鹽或碳酸氫鹽堿度補(bǔ)充等多項(xiàng)措施，以保證投加強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間足夠充分，使得活性污泥系統(tǒng)穩(wěn)定有效運(yùn)行，提升硝化和反硝化過(guò)程的效率。

2.7.3 工程改造建議 加設(shè)生化預(yù)處理構(gòu)筑物，并對(duì)現(xiàn)有生化池進(jìn)行改造，如改變格柵精密度，根據(jù)進(jìn)水pH變化情況和后續(xù)生物脫氮要求，設(shè)置pH和堿度調(diào)節(jié)設(shè)施，增設(shè)碳源分點(diǎn)投加系統(tǒng)，在工藝前端設(shè)置調(diào)節(jié)池、初沉池以及水解酸化池。

3 結(jié)論

(1)該污水處理廠長(zhǎng)期以來(lái)出水水質(zhì)難以穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，主要因?yàn)樵畬?shí)際進(jìn)水水質(zhì)已偏離最初設(shè)計(jì)值，并且進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)性大，碳源嚴(yán)重不足，進(jìn)水堿度偏低。

(2)最終建議強(qiáng)化源頭調(diào)控，制定系統(tǒng)的運(yùn)行方案，以提升堿度，并補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)碳源，保證系統(tǒng)的硝化和反硝化進(jìn)程，在生化處理構(gòu)筑物前增加預(yù)處理設(shè)施。