蘇州某污水處理廠去除特性分析

杜 娜， 顧曉丹， 王學(xué)華

（1.江蘇中升太環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215011； 2.蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

隨著大量污水處理廠的建成投運(yùn)，我國污水處理事業(yè)的重心必然會從以建設(shè)為主轉(zhuǎn)向建設(shè)與運(yùn)行并重，運(yùn)行管理將發(fā)揮越來越重要的作用[1]。 污水廠運(yùn)行管理中存在的問題將直接或間接影響污水處理廠的出水和能耗。 因此，針對我國已建污水處理廠普遍存在的運(yùn)行管理水平低、穩(wěn)定性差、能源消耗量大等現(xiàn)狀，根據(jù)污水廠運(yùn)行狀況，診斷污水廠存在的問題，從而實(shí)現(xiàn)污水廠滿負(fù)荷、低耗能、高效地運(yùn)行。

本文對蘇州某污水處理廠二期工程的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析、診斷、評價，并針對存在的問題提出相應(yīng)的對策。

1 污水廠概況

1.1 污水處理廠介紹及工藝流程

蘇州某污水處理廠二期工程 （擴(kuò)建改造）于2005年11月投產(chǎn)運(yùn)行，處理能力1.2 萬t/d，主要接納居民生活污水，采用了前置厭氧池的Carrousel 氧化溝工藝， 二沉池出水經(jīng)紫外消毒后直接排入京杭大運(yùn)河。 污水廠二期工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程

1.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)

污水處理廠二沉池設(shè)計(jì)出水執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B 標(biāo)準(zhǔn)。 進(jìn)、出水水質(zhì)設(shè)計(jì)值見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)mg·L-1

1.3 主要構(gòu)筑物及工藝參數(shù)

1.3.1 沉砂池

沉砂池采用平流沉砂池，設(shè)2 座，單座沉砂池長5.1 m，寬1.5 m，有效水深1.1 m，并排布置。 最大水力表面負(fù)荷81 m3/(m2·h)，水力停留時間49 s，水平流速0.11 m/s。

1.3.2 厭氧池

設(shè)一座厭氧池，長19.3 m，寬8.5 m，有效水深4.6 m， 水力停留時間1.5 h。 厭氧池池底裝有2 臺QD2500-5.5 液下推進(jìn)器，推進(jìn)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使污泥處于懸浮狀態(tài)。

1.3.3 Carrousel 氧化溝

采用一組Carrousel 氧化溝， 氧化溝分4 個廊道，每個廊道長53.2 m，寬4.5 m，有效水深4.5 m。第一個廊道為缺氧段， 其余3 個廊道在7 臺曝氣轉(zhuǎn)碟全部開啟的情況下為好氧段。其中，每臺曝氣轉(zhuǎn)碟的充氧效率為3.35 kg/(kW·h)，功率為22 kW。 氧化溝缺氧段的水力停留時間1.9 h， 好氧段為5.8 h。缺氧段水下攪拌器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使污泥處于懸浮狀。好氧區(qū)溶解氧通過轉(zhuǎn)碟開啟臺數(shù)、 轉(zhuǎn)盤安裝片數(shù)來調(diào)節(jié)。日常運(yùn)行控制過程中，夏季，氧化溝污泥質(zhì)量濃度控制在2 600 ～2 800 mg/L；冬季控制在3 500～4 000 mg/L。

1.3.4 二沉池

采用一座平流式二沉池，長55.55 m，寬14.8m，有效水深4.1 m，最大表面負(fù)荷0.90 m3/(m2·h)，最大堰負(fù)荷1.5 L/(m·s)，設(shè)計(jì)污泥回流比67%。二沉池采用桁架式吸泥機(jī)，運(yùn)行控制過程中，吸泥機(jī)、沉淀池與氧化溝協(xié)調(diào)連續(xù)運(yùn)行，排泥與污泥泵房協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 運(yùn)行狀況分析

2.1 污水水質(zhì)去除效果

（1）COD 的去除效果

2019年污水廠進(jìn)、 出水COD 濃度及去除率見圖2。由圖2 可知，全年進(jìn)水COD 質(zhì)量濃度在260 ～483 mg/L。 進(jìn)水COD 濃度最高值出現(xiàn)在5月、6月，平均質(zhì)量濃度達(dá)460 mg/L，且在該階段內(nèi)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的波動幅度較大，標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)160 mg/L；其余時間段進(jìn)水COD 濃度較為平穩(wěn)。 全年出水COD質(zhì)量濃度穩(wěn)定，維持在31 ～45 mg/L，能夠滿足一級A 的出水標(biāo)準(zhǔn)。 COD年平均去除率達(dá)到88%。

圖2 污水廠進(jìn)、出水COD 濃度及去除率

（2）BOD5的去除效果

2019年污水廠進(jìn)、 出水BOD5濃度及去除率見圖3。 由圖3 可知，進(jìn)水BOD5濃度具有明顯的四季變化規(guī)律，冬季進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度普遍較高，最高達(dá)162 mg/L，夏季較低，最低質(zhì)量濃度達(dá)96 mg/L。出水BOD5較為穩(wěn)定， 維持在3.7 ～6.9 mg/L。 BOD5去除率達(dá)95%以上。

圖3 污水廠進(jìn)、出水BOD5 濃度及去除率

（3）氨氮的去除效果

2019 污水廠進(jìn)、出水氨氮濃度及去除率見圖4。由圖4 可知，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度相對較穩(wěn)定，在21 ～34 mg/L 之間， 且四季變化明顯， 冬季氨氮濃度較高， 夏季氨氮濃度較低。 出水氨氮質(zhì)量濃度為2.9 ～5.3 mg/L。 氨氮的平均去除率為82%。

圖4 污水廠進(jìn)、出水氨氮濃度及去除率

（4）TN 的去除效果

2019年污水廠進(jìn)、 出水TN 濃度及去除率見圖5。 由圖5 可知，進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度較為平穩(wěn)，維持在28 ～43 mg/L 之間，冬季濃度相對較高，夏季濃度相對較低。 出水TN 質(zhì)量濃度在8.0 ～12.4 mg/L 之間，TN 的去除率相對較低，平均去除率僅為70%。 4月～6月，在進(jìn)水TN 濃度相對較低情況下，TN 去除率僅維持在65%～70%之間。

圖5 污水廠進(jìn)、出水TN 濃度及去除率

（5）TP 的去除效果

2019年污水廠進(jìn)、 出水TP 濃度及去除率見圖6。 由圖6 可知，全年進(jìn)水TP 質(zhì)量濃度維持在2.8 ～6.9 mg/L 之間；出水TP 穩(wěn)定，質(zhì)量濃度維持在0.2 ～0.44 mg/L；TP 去除率較高，平均達(dá)94%。

圖6 污水廠進(jìn)、出水TP 濃度及去除率

（6）SS 的去除效果

2019年污水廠進(jìn)、 出水SS 濃度及去除率見圖7。 由圖7 可知， 全年進(jìn)水SS 質(zhì)量濃度在86 ～273 mg/L 之間，波動較大。 冬季進(jìn)水SS 濃度較低，且較為穩(wěn)定，其余季節(jié)進(jìn)水SS 濃度波動較大。出水SS 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在6.2 ～9.6 mg/L 之間，SS 的去除率普遍在92%以上。

圖7 污水廠進(jìn)、出水SS 濃度及去除率

2.2 物料平衡及流向

碳、氮、磷的物料平衡分析是評價污水處理廠運(yùn)行狀況的有效方法[2]，物料流向能反映整個污水處理廠的運(yùn)行效率、處理效率[3]。

（1）碳的物料平衡及流向

在穩(wěn)態(tài)條件下，進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)的COD 主要由以下3 種形式離開系統(tǒng)[4－5]：①出水；②以剩余污泥排放；③被氧化。

其中，出水COD 的質(zhì)量根據(jù)出水濃度和流量計(jì)算；剩余污泥COD 排放量根據(jù)污泥揮發(fā)性懸浮固體Xv 和污泥排放量Qw，乘以單位污泥的COD 氧當(dāng)量fcv計(jì)算得出，從理論上來說，不同的生物處理系統(tǒng)，fcv會有差異， 但大量研究表明：fcv=1.48 mg/mg 時，能較好地代表系統(tǒng)中的微生物特性[6]； 被氧化的COD 過程較為復(fù)雜，該氧化溝工藝的運(yùn)行模式相當(dāng)于A2/O 工藝，分別計(jì)算出厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)所消耗的COD 量后即可計(jì)算出被氧化的COD 量，污水處理廠的碳排放主要是由好氧細(xì)菌的降解活動造成的[7]。 參照顧曉丹[8]的研究，出水COD 排放量為381.6 kg/d， 剩余污泥COD 排放量為2 007 kg/d，被氧化的COD 量為745.5 kg/d。

進(jìn)水COD 質(zhì)量根據(jù)進(jìn)水濃度和流量計(jì)算，根據(jù)2019年污水廠數(shù)據(jù)的平均值，進(jìn)水COD 量為3 209 kg/d。 因此，COD 的物料平衡百分比為97%。

碳的流向分配見圖9。 由圖9 可知，63%的碳被微生物利用，最終以剩余污泥形式離開系統(tǒng)；23%的碳被氧化成CO2；12%的碳隨出水離開系統(tǒng)；COD 的損失量很小，僅占2%。

圖8 碳的流向分配

（2）氮的物料平衡及流向

進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)的各形態(tài)氮主要由以下3 種形式離開系統(tǒng)[4-5]：①出水TN；②以剩余污泥排放；③通過反硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。

出水TN 的質(zhì)量根據(jù)出水濃度和流量計(jì)算；剩余污泥排放的TN 根據(jù)污泥揮發(fā)性懸浮固體Xv 和污泥排放量Qw， 乘以污泥中含氮的比例fN計(jì)算得出，根據(jù)南非水研究協(xié)會（WRC）的建議[9]，在一定的污泥齡范圍內(nèi)fN取0.10 mg/mg 是較合理的；反硝化作用主要發(fā)生在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)，參照顧曉丹[8]的研究，出水TN 排放量為69.28 kg/d，剩余污泥TN 排放量為135.6 kg/d，通過反硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的氮量為42.6 kg/d。

進(jìn)水TN 質(zhì)量根據(jù)進(jìn)水濃度和流量計(jì)算， 根據(jù)2019年污水廠數(shù)據(jù)的平均值， 進(jìn)水TN 的量為346.15 kg/d。 因此，氮的物料平衡百分比為72%。

氮的流向分配圖見圖9。 由圖9 可知，39%的氮被微生物利用，進(jìn)入剩余污泥；20%的氮隨出水離開系統(tǒng)；僅12%的氮通過反硝化作用以氣體（N2）形式離開系統(tǒng)，氮在系統(tǒng)中的損失量高達(dá)29%。

圖9 氮的流向分配

（3）磷的物料平衡及流向

磷僅通過剩余污泥和出水從系統(tǒng)中去除[4-5]。

出水TP 的質(zhì)量根據(jù)出水濃度和流量計(jì)算；剩余污泥排放的TP 根據(jù)剩余污泥濃度和污泥排放量Qw，乘以污泥中含磷的比例fp計(jì)算得出，在城市污水生物除磷系統(tǒng)中， 剩余污泥中TP 含量fp 約占污泥總重的3%[9]。 參照顧曉丹[8]的研究，出水TP 排放量為3.7 kg/d，以剩余污泥TP 排放量為54.3 kg/d。進(jìn)水TP 根據(jù)進(jìn)水濃度和流量計(jì)算，根據(jù)2019年污水廠數(shù)據(jù)的平均值，進(jìn)水TP 量為61.98 kg/d。 因此，磷的物料平衡百分比為94%。

磷的流向分配見圖10。 由圖10 可知，磷的去除主要依靠剩余污泥排放， 通過剩余污泥排放的磷的質(zhì)量占總質(zhì)量的88%。

圖10 磷的流向分配

2.3 小結(jié)

根據(jù)上述分析，蘇州某污水廠C，N，P 排放量主要通過微生物利用以剩余污泥方式去除。 目前污水處理廠COD 和TP 去除效率高、效果理想，脫氮效果不佳。

3 原因分析

3.1 從運(yùn)行方面分析

該污水處理廠采用“厭氧+氧化溝”工藝進(jìn)行硝化和反硝化作用， 從而降低出水氨氮和TN 含量。結(jié)合氮的物料流向分析可知， 通過反硝化作用去除的氮僅占12%，因此，TN 去除率低的主要原因在于反硝化不充分。分析污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，2019年進(jìn)水中ρ（COD）/ρ（TN）= 10.5，而研 究表 明[10]，當(dāng)進(jìn)水ρ（COD）/ρ（TN）≥9，硝基氮基本上全被還原成亞硝基氮，即能滿足反硝化所需的碳源，因此，該污水廠進(jìn)水中的碳源足夠用于反硝化脫氮。因此，反硝化不理想的的原因主要是曝氣量過剩。

氧化溝設(shè)計(jì)為缺氧段和好氧段， 通過設(shè)置曝氣轉(zhuǎn)碟的開啟，控制氧化溝的缺氧段和好氧段。在污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行過程中，為了控制出水氨氮濃度，7 臺曝氣轉(zhuǎn)碟基本處于常年開啟的狀態(tài)運(yùn)行， 為了抑制二沉池發(fā)生反硝化反應(yīng)， 氧化溝出水口處的DO 質(zhì)量濃度控制在1.8 ～2.5 mg/L， 這就造成了從氧化溝末端回流到氧化溝前端缺氧段的混合液中DO 濃度過高， 從而影響了氧化溝缺氧段的反硝化作用。 有研究表明[11]，氧化溝好氧段DO 質(zhì)量濃度控制在0.8 ～1.1 mg/L 時， 就能滿足硝化脫氮要求，過高的DO 會破壞缺氧段環(huán)境。從2019年的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知，氨氮的去除率達(dá)80%以上，說明硝化效果良好，而TN 的去除率較低是由于曝氣量過剩，缺氧段反硝化效果差導(dǎo)致的。

3.2 從管理方面分析

目前，污水處理廠日常運(yùn)行過程中，工作人員大都以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)調(diào)整運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷、環(huán)境條件等發(fā)生突然變化時，常常會由于調(diào)整不及時，造成出水超標(biāo)的現(xiàn)象。 且在經(jīng)驗(yàn)控制過程中，污泥濃度、污泥齡等參數(shù)不對應(yīng)，導(dǎo)致了夏季污泥齡控制過短，而冬季污泥齡控制過長，系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力減小。這也是目前國內(nèi)污水處理廠普遍存在的問題。

蘇州某污水廠進(jìn)水中很大一部分來自餐飲業(yè)廢水，因此廢水中油脂含量較高，致使在曝氣轉(zhuǎn)碟相等的供氧能力下，氧化溝的實(shí)際DO 值偏低，造成了能源的浪費(fèi)，該廠2019年平均電耗為0.33 kW·h/m3，明顯高于我國城鎮(zhèn)污水處理廠平均電耗0.26 kW·h/m3[1]。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)分析， 可以清楚診斷出污水廠問題所在：硝化較充分、反硝化作用不完全，因此建議減少曝氣量， 保證氧化溝好氧段DO 質(zhì)量濃度在1.5 ～2.0 mg/L 即可。 同時根據(jù)進(jìn)水水量、水質(zhì)變化特點(diǎn)，建議制定不同的運(yùn)行控制模式，在保證穩(wěn)定出水基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。 同時，針對污水廠存在的運(yùn)行控制方面的問題， 建議污水廠工作人員完善運(yùn)行記錄、與水質(zhì)指標(biāo)檢測的工作，為合理科學(xué)地指導(dǎo)污水廠的運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

4.2 建議

（1）鑒于對污水處理廠脫氮問題的分析，建議適當(dāng)降低曝氣量， 保證氧化溝好氧段DO 質(zhì)量濃度在1.5 ～2.0 mg/L，這樣既能滿足好氧段硝化需求，又能保證氧化溝內(nèi)的缺氧環(huán)境，以充分進(jìn)行反硝化反應(yīng)，從而在保證硝化和反硝化作用的基礎(chǔ)上降低污水廠能耗。

（2）針對污水廠進(jìn)水水質(zhì)、水量四季變化明顯、晝夜變化明顯（白天進(jìn)水量大、進(jìn)水濃度高，晚上進(jìn)水量小，濃度低）的特征，建議在不同的季節(jié)，采取不同的運(yùn)行控制方式，以保證穩(wěn)定出水、節(jié)約能源。

（3）建議污水廠改變傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)控制模式，采用泥齡控制代替原來的污泥濃度控制，從而提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力。 建議污水廠每天記錄運(yùn)行參數(shù)，做好水質(zhì)指標(biāo)的檢測，可以利用數(shù)學(xué)模型模擬優(yōu)化污水廠運(yùn)行，從而合理、科學(xué)地對污水廠進(jìn)行控制[12-14]。

（4）考慮在平流沉砂池設(shè)置撇油裝置，減少油脂對系統(tǒng)的影響，從而節(jié)省能源。