城鎮(zhèn)污水處理廠接納企業(yè)外排廢水的評估方法

鄒金特，蔡 磊，季康鋒，楊家奇，范小朋，王家德,*

(1.浙江省工業(yè)污染微生物控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，浙江杭州 310014；2.杭州中科先進(jìn)技術(shù)研究院，浙江杭州 310026)

工業(yè)廢水的高效治理和達(dá)標(biāo)排放是保護(hù)水環(huán)境的重要組成部分[1-2]。根據(jù)國家相關(guān)政策要求，應(yīng)將工業(yè)企業(yè)逐步遷入廢水處理設(shè)施完善的工業(yè)園區(qū)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水的集中收集、統(tǒng)一處理。但由于歷史原因，部分工業(yè)企業(yè)不在工業(yè)園區(qū)或短期內(nèi)無法遷入工業(yè)園區(qū)，其產(chǎn)生的廢水只能就近納入城鎮(zhèn)污水處理廠或者滿足排放標(biāo)準(zhǔn)后直接排放。2018年5月，浙江省出臺了《浙江省全面推進(jìn)工業(yè)園區(qū)(工業(yè)集聚區(qū))“污水零直排區(qū)”建設(shè)實(shí)施方案(2020—2022年)》，文件要求2022年底前，全省重點(diǎn)園區(qū)全面完成“污水零直排區(qū)”建設(shè)[3]。為貫徹落實(shí)政府對水環(huán)境保護(hù)和管理的精神，部分工業(yè)企業(yè)存在將外排廢水納入城鎮(zhèn)污水處理廠的迫切需求。從全國來看，在不影響城鎮(zhèn)污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的前提下，將現(xiàn)階段無法納入工業(yè)污水處理廠的工業(yè)企業(yè)外排廢水納入城鎮(zhèn)污水處理廠，不僅能更好地保護(hù)和管理水體環(huán)境，還能幫助企業(yè)渡過難關(guān)，從而更好地為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

工業(yè)廢水水質(zhì)成分復(fù)雜，且可能存在有毒物質(zhì)[4-7]。因此，城鎮(zhèn)污水處理廠在接納企業(yè)外排廢水時如果沒有進(jìn)行科學(xué)的評估和論證，可能會使處理工藝受到頻繁沖擊，影響出水的達(dá)標(biāo)排放。目前，有關(guān)城鎮(zhèn)污水處理廠如何接納工業(yè)企業(yè)外排廢水的研究仍鮮有報道。本文旨在通過對浙江省某城鎮(zhèn)污水處理廠接納工業(yè)廢水的可行性進(jìn)行評估和論證，建立一套基于試驗(yàn)研究和理論計算的科學(xué)評估方法，為“污水零直排區(qū)”的建設(shè)以及城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 城鎮(zhèn)污水處理廠和企業(yè)外排廢水概況

本研究的城鎮(zhèn)污水處理廠位于浙江省，主要處理工藝為水解酸化+改良型氧化溝+反硝化深床濾池，并設(shè)置有粉末活性炭的應(yīng)急投加工藝。該污水處理廠接納工業(yè)廢水前實(shí)際處理水量為(15 459±6 255)m3/d。該試驗(yàn)出水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)浙江省《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[8]制定，即CODCr≤30 mg/L、生化需氧量(BOD5)≤6 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L、總氮(TN)≤12 mg/L、總磷(TP)≤0.3 mg/L。外排廢水需納廠的是一家化學(xué)制藥企業(yè)，距污水處理廠3～4 km，外排廢水已經(jīng)過廠區(qū)內(nèi)廢水生化處理設(shè)施處理，實(shí)際外排水量為(880±264)m3/d，出水執(zhí)行《化學(xué)合成類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21904—2008)，即CODCr≤100 mg/L、BOD5≤20 mg/L、氨氮≤20 mg/L、TN≤30 mg/L、TP≤1.0 mg/L。

1.2 廢水可生化性測定

將廢水中的有機(jī)物分為可生物降解有機(jī)物(快速可生物降解有機(jī)物SS和慢速生物降解有機(jī)物XS)和不可生物降解有機(jī)物。先測定廢水的總CODCr，然后采用呼吸速率儀(RSA，PF-8000，美國)測定廢水中的SS和XS，求出廢水中可生物降解的有機(jī)物含量；將廢水測得的總CODCr濃度減去可生物降解有機(jī)物濃度，即得廢水中不可生物降解的有機(jī)物含量[9]。

1.3 污泥活性的影響試驗(yàn)

取污水處理廠好氧池污泥，試驗(yàn)用水分別為污水處理廠進(jìn)水、企業(yè)外排廢水、污水處理廠進(jìn)水和企業(yè)外排廢水的混合水。具體先將污泥濃縮，用試驗(yàn)用水將污泥質(zhì)量濃度(MLSS)稀釋至5 000 mg/L，然后根據(jù)文獻(xiàn)[10]方法測定污泥的耗氧速率(oxygen uptake rate，OUR)。為進(jìn)一步考察試驗(yàn)用水與污泥長期接觸后對污泥活性的影響，用試驗(yàn)用水將污泥稀釋至5 000 mg/L后攪拌36 h，然后沉淀倒出上清液并加入污水處理廠的進(jìn)水，測定污泥的OUR。

1.4 CODCr的降解試驗(yàn)

取污水處理廠好氧池污泥，試驗(yàn)用水分別為污水處理廠進(jìn)水、企業(yè)外排廢水、污水處理廠進(jìn)水和企業(yè)外排廢水的混合水。具體先將污泥濃縮，用試驗(yàn)用水將污泥稀釋至5 000 mg/L，然后采用曝氣泵對泥水混合物進(jìn)行曝氣充氧，維持試驗(yàn)溫度在20 ℃左右，每隔一定時間取水樣，過0.45 μm的濾膜后測定其CODCr。

1.5 純稀釋的理論出水水質(zhì)計算

純稀釋的理論出水水質(zhì)計算如式(1)，主要考察的水質(zhì)指標(biāo)有CODCr、氨氮、TN和TP，分析數(shù)據(jù)為污水處理廠提標(biāo)改造完成通過驗(yàn)收后的3個月數(shù)據(jù)。

Cth,i=CQY, i×Ri+CWWTP, i× (1-Ri)

(1)

其中：Cth,i——污水處理廠出水和企業(yè)外排廢水混合后的理論出水質(zhì)量濃度，mg/L；

CQY,i——企業(yè)外排廢水的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；

Ri——企業(yè)外排廢水流量占總流量的比例；

CWWTP, i——污水處理廠出水的污染物質(zhì)量濃度，mg/L。

1.6 其他測定方法

CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、MLSS根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測定[11]。溶解性CODCr通過0.45 μm濾膜過濾后測定[12]。特征污染物苯、甲苯、乙苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯根據(jù)《水質(zhì) 苯系物的測定 氣相色譜法》(GB/T 11890—1989)測定。特征污染物二氯甲烷根據(jù)《水質(zhì) 揮發(fā)性鹵代烴的測定 頂空氣相色譜法》(HJ 620—2011)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢水水質(zhì)和可生化性

由表1可知，測定的污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)為污水處理廠提供的1年進(jìn)水水質(zhì)(CODCr質(zhì)量濃度為66～492 mg/L、BOD5質(zhì)量濃度為29～197 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度為3.8～44.5 mg/L、TN質(zhì)量濃度為7.0～51.3 mg/L、TP質(zhì)量濃度為0.90～7.30 mg/L)。測定的污水處理廠出水水質(zhì)符合《臺州城鎮(zhèn)污水處理廠準(zhǔn)四類排放標(biāo)準(zhǔn)》。測定的企業(yè)外排廢水水質(zhì)符合《化學(xué)合成類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21904—2008)。由于企業(yè)外排廢水的特征污染物濃度符合《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)和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)一級標(biāo)準(zhǔn)，特征污染物對污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的影響后續(xù)不再計算分析。此外，企業(yè)外排廢水測定的可生物降解和不可生物降解CODCr質(zhì)量濃度分別為9 mg/L和83 mg/L，表明企業(yè)外排廢水中仍然存在少量能被微生物降解去除的有機(jī)物。

表1 城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)和企業(yè)外排廢水的水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Influent and Effleunt of MWWTP and the Discharging of the Industries

2.2 企業(yè)外排廢水對污泥活性的影響

由項(xiàng)目評估前1年的流量數(shù)據(jù)可知，企業(yè)外排廢水與污水處理廠進(jìn)水的流量之比為0.064±0.030，其中99.5%的比值小于0.150。因此，試驗(yàn)用水中企業(yè)外排廢水與污水處理廠進(jìn)水的混合比例采用1∶7、1∶10和1∶15。由表2可知，采用企業(yè)外排廢水的OUR為(5.8±0.2) mg O2/(L·h)，明顯低于采用污水處理廠進(jìn)水的OUR[(11.5±0.6) mg O2/(L·h)]；而混合水(1∶7、1∶10、1∶15)的OUR分別為(10.9±0.7)、(11.3±0.4)、(11.1±0.8) mg O2/(L·h)，與采用污水處理廠進(jìn)水的OUR基本相同。這一結(jié)果表明，化學(xué)制藥企業(yè)處理后的外排廢水對污水處理廠污泥的活性具有一定的抑制作用，但當(dāng)企業(yè)廢水與污水處理廠進(jìn)水的混合比例小于1∶7時，其對污泥的活性基本沒有影響。由表3可知，污泥與企業(yè)外排廢水、(1∶7、1∶10、1∶15)混合水充分接觸36 h后，其OUR[(17.2±0.5)、(18.2±0.2)、(17.6±0.5)、(17.6±0.7) mg O2/(L·h)]與污水處理廠進(jìn)水的OUR[(16.7±0.9) mg O2/(L·h)]基本相同，表明污泥與企業(yè)外排廢水和混合水長時間接觸不會影響其活性。

表2 污水處理廠污泥在不同試驗(yàn)用水下的OURTab.2 OUR of MWWTP Sludge for Different Tested Wastewater

2.3 污水處理廠接納企業(yè)廢水后的理論出水水質(zhì)

企業(yè)未提供外排廢水TN和TP的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此，企業(yè)外排廢水TN、TP質(zhì)量濃度分別取《化學(xué)合成類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21904—2008)的最不利值(30、1 mg/L)進(jìn)行計算分析。由圖1(a)可知，污水處理廠實(shí)際出水CODCr質(zhì)量濃度≤30 mg/L，企業(yè)外排廢水大部分CODCr質(zhì)量濃度≤100 mg/L，混合稀釋后的理論出水CODCr質(zhì)量濃度有1 d為30.2 mg/L，其余時間均小于30 mg/L。企業(yè)外排廢水主要以不可生物降解有機(jī)物為主，因此，應(yīng)對接納廢水后污水處理廠CODCr的達(dá)標(biāo)排放進(jìn)一步評估論證。本研究未對污水處理廠BOD5的達(dá)標(biāo)排放進(jìn)行分析，這主要是由于企業(yè)外排廢水BOD5濃度本身很低，而且還能被微生物降解去除，不會影響污水處理廠BOD5的達(dá)標(biāo)排放[13-14]。污水處理廠出水氨氮質(zhì)量濃度≤1.5 mg/L，企業(yè)外排廢水氨氮質(zhì)量濃度≤20 mg/L，混合稀釋后計算的理論出水氨氮質(zhì)量濃度均小于1.5 mg/L[圖1(b)]。該污水處理廠進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度在3.8～44.5 mg/L，廢水混合后除了稀釋作用，氨氮還能被污水處理廠污泥中的硝化細(xì)菌降解去除[15-17]，因此，接納工業(yè)廢水后對污水處理廠氨氮的達(dá)標(biāo)排放沒有影響。污水處理廠出水TN質(zhì)量濃度≤12 mg/L，企業(yè)外排廢水TN質(zhì)量濃度按30 mg/L計算，混合稀釋后的理論出水TN質(zhì)量濃度均<12 mg/L[圖1(c)]。因此，接納工業(yè)廢水對污水處理廠TN的達(dá)標(biāo)排放沒有影響。由于化學(xué)制藥企業(yè)外排廢水中的TN可能含有較多難降解的有機(jī)氮[18-19]，如果混合稀釋后計算的理論出水TN存在不達(dá)標(biāo)情況，則應(yīng)通過硝化、反硝化和污泥吸附等試驗(yàn)對接納工業(yè)廢水后污水處理廠TN的達(dá)標(biāo)排放進(jìn)一步評估論證。污水處理廠出水TP質(zhì)量濃度≤0.3 mg/L，企業(yè)外排廢水TP質(zhì)量濃度按1.0 mg/L計算，混合稀釋后的理論出水TP質(zhì)量濃度均<0.3 mg/L[圖1(d)]。因此，接納工業(yè)廢水對污水處理廠TP的達(dá)標(biāo)排放沒有影響。

表3 污水處理廠污泥與試驗(yàn)用水長時間接觸后在污水處理廠進(jìn)水下的OURTab.3 OUR of MWWTP Sludge after Long-Term Exposure to the Tested Wastewater of MWWTP Influent

圖2 污水處理廠污泥對不同試驗(yàn)用水CODCr的降解Fig.2 Degradation of CODCr under Different Tested Water by Using of MWWTP Sludge

2.4 企業(yè)外排廢水對CODCr降解的影響

企業(yè)外排廢水的BOD5質(zhì)量濃度為1 mg/L，可生物降解有機(jī)物占總有機(jī)物的比例為9.8%，而污水處理廠活性污泥好氧24 h能使企業(yè)外排廢水CODCr質(zhì)量濃度從89.1 mg/L降至59.6 mg/L，去除率約為33.1%(圖2)。這一結(jié)果表明，活性污泥除了通過微生物代謝去除可生物降解CODCr外，還能通過污泥吸附等方式去除外排廢水中的不可生物降解CODCr[20-21]。1∶7、1∶10、1∶15混合水好氧24 h后CODCr質(zhì)量濃度分別降至41.7、47.9、44.7 mg/L，均略高于污水處理廠進(jìn)水好氧24 h后的CODCr(39.4 mg/L)，這表明接納工業(yè)廢水會導(dǎo)致污水處理廠出水CODCr略微升高。此外，污水處理廠進(jìn)水和混合水在好氧過程中均出現(xiàn)了CODCr上升的現(xiàn)象，這可能是由于污水處理廠進(jìn)水中的顆粒性有機(jī)物含量較高(表3)，在好氧降解過程中部分顆粒性CODCr轉(zhuǎn)變成了溶解性CODCr[22]。綜上，城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥可通過生物降解、污泥吸附等方式去除企業(yè)外排廢水中的部分CODCr，因此，接納工業(yè)廢水后污水處理廠實(shí)際的出水CODCr應(yīng)低于理論出水CODCr?？紤]到混合稀釋后的理論出水CODCr僅超標(biāo)1 d，且質(zhì)量濃度為30.2 mg/L，認(rèn)為接納工業(yè)廢水對污水處理廠CODCr的達(dá)標(biāo)排放沒有影響。

2.5 城鎮(zhèn)污水處理廠接納企業(yè)外排廢水的方案制定

根據(jù)上述分析，在現(xiàn)有水質(zhì)和水量情況下城鎮(zhèn)污水處理廠可接納該企業(yè)的外排廢水。為保障污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行和達(dá)標(biāo)排放，根據(jù)實(shí)際情況制定如下方案：(1)工業(yè)廢水納廠水質(zhì)繼續(xù)執(zhí)行《化學(xué)合成類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21904—2008)；(2)工業(yè)廢水宜逐步增加納廠水量，但最終的平均水量以不超過污水處理廠進(jìn)水的6.5%為宜，最高控制在15.0%；(3)企業(yè)應(yīng)設(shè)置應(yīng)急處理措施，在事故工況時能不排廢水或廢水水質(zhì)滿足污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)；(4)企業(yè)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)接入污水處理廠。

2.6 接納企業(yè)外排廢水后污水處理廠實(shí)際的出水水質(zhì)狀況

接納工業(yè)廢水前污水處理廠3個月的平均出水CODCr、氨氮、TN、TP質(zhì)量濃度分別為(14.6±5.5)、(0.1±0.1)、(3.0±1.1)、(0.09±0.04) mg/L；企業(yè)根據(jù)本研究方案將外排廢水逐步納廠(納接工業(yè)廢水比例由1.0%逐步提升至12.0%)后，污水處理廠4個月的出水CODCr、氨氮、TN、TP平均質(zhì)量濃度分別為(14.27±4.78)、(0.22±0.17)、(5.41±3.22)、(0.06±0.03) mg/L(圖3)。從數(shù)據(jù)變化來看，接納工業(yè)廢水后對污水處理廠出水CODCr、氨氮和TP基本沒有影響，而出水TN濃度有所上升，但運(yùn)行一段時間后出水TN呈現(xiàn)下降趨勢，3月15日以后出水TN與接納工業(yè)廢水前的出水TN基本相同。因此，該制藥企業(yè)按本研究方案將工業(yè)廢水納廠后對城鎮(zhèn)污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行和達(dá)標(biāo)排放沒有影響。

圖3 接納廢水前后污水處理廠出水水質(zhì)Fig.3 Effluent Quality of the MWWTP before and after Acceptance of Industrial Wastewater

2.7 城鎮(zhèn)污水處理廠接納企業(yè)外排廢水的評估方法

基于以上研究成果，提出城鎮(zhèn)污水處理廠接納工業(yè)廢水的評估方法(圖4)。(1)考察污水處理廠和企業(yè)廢水的處理工藝，并獲取3～12個月的廢水水質(zhì)和水量的數(shù)據(jù)，同時取污水處理廠進(jìn)水、出水和活性污泥以及企業(yè)的外排廢水。(2)分析污水處理廠和企業(yè)每日的水量狀況，確定擬納廠廢水水量占污水處理廠進(jìn)水量的比例，并測定所取水樣的CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、可生化性和特征污染物濃度，評估獲取的水質(zhì)數(shù)據(jù)是否有代表性。(3)根據(jù)每日水量狀況確定混合廢水中企業(yè)外排廢水與污水處理廠進(jìn)水的比例，測定不同廢水條件下活性污泥的OUR，考察混合廢水對污泥微生物活性的影響，如果存在抑制作用，則不滿足納廠要求。(4)進(jìn)一步根據(jù)污水處理廠和企業(yè)的水質(zhì)及水量，計算理論出水CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP和特征污染物濃度，分析污染物是否滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，如果有指標(biāo)不滿足，則通過試驗(yàn)測定污泥對相應(yīng)污染物降解和吸附的效率，進(jìn)一步分析污染物是否能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，如果仍不滿足，則不滿足納廠要求。(5)如果滿足納廠要求，則根據(jù)污水處理廠和企業(yè)的實(shí)際情況編制可行的納廠方案，對于評估后不能納廠的，企業(yè)可采取提高廢水排放標(biāo)準(zhǔn)、降低廢水排放量等方式來滿足納廠要求，然后重新進(jìn)行評估。

圖4 城鎮(zhèn)污水處理廠接納工業(yè)廢水的評估方法Fig.4 Evaluation Method for Acceptance of Industrial Wastewater by MWWTP

3 結(jié)論

(1)活性污泥對企業(yè)外排廢水CODCr的去除結(jié)果表明，城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥能通過污泥吸附的方式去除工業(yè)廢水中部分不可生物降解的有機(jī)物。

(2)該制藥企業(yè)按當(dāng)前水量[(880±264)m3/d]和《化學(xué)合成類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21904—2008)，將外排廢水逐步納入到城鎮(zhèn)污水處理廠后對污水處理廠出水的達(dá)標(biāo)排放沒有影響。城鎮(zhèn)污水處理廠平均水量為(15 459±6 255) m3/d，排放標(biāo)準(zhǔn)為《臺州城鎮(zhèn)污水處理廠準(zhǔn)四類排放標(biāo)準(zhǔn)》。

(3)在城鎮(zhèn)污水處理廠如何接納工業(yè)廢水的研究基礎(chǔ)上，首次系統(tǒng)提出基于試驗(yàn)研究和理論計算的城鎮(zhèn)污水處理廠接納工業(yè)廢水的評估方法，該評估方法有助于“污水零直排區(qū)”的建設(shè)以及城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行。