宜興市典型污水處理廠水質(zhì)特征分析及提標(biāo)改造建議

湯映暉，徐承志，薛朝霞，操家順，周秋丹

（1.江蘇省宜興市公用事業(yè)管理局，江蘇 宜興 214205； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

0 引言

由于國(guó)家不斷加強(qiáng)對(duì)河湖環(huán)境污染的重視力度，各省、市、區(qū)根據(jù)自身實(shí)際的水環(huán)境特性相繼制定相應(yīng)的水污染防治保護(hù)政策。 太湖流域橫跨三省一市，隨著蘇南地區(qū)工業(yè)企業(yè)的快速發(fā)展，太湖水質(zhì)不斷惡化，導(dǎo)致“藍(lán)藻”污染問題爆發(fā)[1]。 為有效防止太湖流域水質(zhì)進(jìn)一步惡化，江蘇省出臺(tái)了一系列保護(hù)太湖流域水環(huán)境政策[2]。為進(jìn)一步控制水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，2018年江蘇省修訂并發(fā)布了DB 32/1072—2018 《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》標(biāo)準(zhǔn)，將太湖流域污水處理廠劃分為一、 二級(jí)保護(hù)區(qū)和其他區(qū)域分別執(zhí)行不同的污水排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。 根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)，各污水處理廠工藝亟待提標(biāo)改造。

宜興市地處太湖流域核心地帶，該地區(qū)污水處理廠污水排放要求達(dá)到一、 二級(jí)保護(hù)區(qū)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。 鑒于此，選取宜興市某座典型污水處理廠為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)、出水水質(zhì)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而確定達(dá)標(biāo)排放重點(diǎn)污染物，并提出相應(yīng)的建議，以指導(dǎo)該廠工藝提標(biāo)改造工作。

1 污水處理廠概況

宜興市某典型污水處理廠處理規(guī)模為5 萬m3/d，該廠進(jìn)水主要包括生活污水和工業(yè)園區(qū)工業(yè)廢水，其中工業(yè)廢水占比為40%。 工業(yè)廢水中難降解化學(xué)需氧量（COD）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%，其與生活污水混合后導(dǎo)致污水可生化性下降，因此，通過設(shè)置水解酸化池可有效調(diào)節(jié)水質(zhì)和轉(zhuǎn)化難降解COD，提升污水可生化性作用[4]。 該廠采用“平流沉砂池+ 傳統(tǒng)AAO（厭氧+缺氧+好氧脫氮除磷）+轉(zhuǎn)盤濾池”工藝。出水執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，但由于DB 32/1072—2018《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》要求更為嚴(yán)格，故通過系統(tǒng)分析2017年～2019年近3年該廠進(jìn)、出水水質(zhì)特征，用以指導(dǎo)該污水處理廠工藝提標(biāo)改造工作。

2 進(jìn)、出水水質(zhì)

2.1 進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)

宜興市某典型污水處理廠進(jìn)、 出水水質(zhì)指標(biāo)分析見表1。

表1 宜興市某典型污水處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)mg·L-1

由表1 可以看出，該污水處理廠除COD，SS 和TP 濃度高于太湖流域污水處理廠均值外，其余指標(biāo)濃度均低于太湖流域污水處理廠進(jìn)水均值[5]，其中，SS 去除率最高，TN 去除率最低。 該廠出水中COD，TN，TP 和NH3-N 濃度均滿足GB 18918—2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，但相比DB 32/1072—2018《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》一、二級(jí)保護(hù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)還存在較大差距[6]。 其中，出水中COD，TN 和TP指標(biāo)濃度均未達(dá)標(biāo)，TN，COD 達(dá)標(biāo)率分別僅為39.1%和45.5%，TP 達(dá)標(biāo)率為82.5%，因此，該廠提標(biāo)改造的重點(diǎn)是確保COD，TN 和TP 指標(biāo)濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

該污水處理廠出水水質(zhì)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表2。

表2 該污水處理廠出水水質(zhì)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比mg·L-1

2.2 進(jìn)水污染物濃度

該廠進(jìn)水污染物濃度累積率分析見圖1。

圖1 污水處理廠進(jìn)水污染物濃度累積率

由圖1 可以看出，2017年～2019年3年間該廠進(jìn)水污染物濃度對(duì)應(yīng)累積率排位中50%和80%可分別反映該廠常年進(jìn)水污染物累積率均值和典型代表值[7]。

與太湖流域污水處理廠進(jìn)水污染物濃度均值相比，該廠進(jìn)水中BOD5和COD 濃度普遍偏低，導(dǎo)致進(jìn)水碳源不足，微生物無法有效去除N,P[8]。 推斷原因是由于該地區(qū)地下管網(wǎng)建設(shè)不完善，地下水水位高，易發(fā)生入滲現(xiàn)象，且進(jìn)水COD 中難降解COD 占比高達(dá)38%，導(dǎo)致污水可生化性進(jìn)一步下降[9]。 因此，該廠需投加外部碳源以保證微生物高效脫氮除磷，重要的是設(shè)置水解工藝可將進(jìn)水中高占比難降解COD 轉(zhuǎn)化為微生物易降解COD，提高了進(jìn)水碳源水平，減少投加外部碳源量。

2.3 進(jìn)水主要影響因子

該污水處理廠進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)比例見圖2。

圖2 污水處理廠進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)比例

（1）ρ（BOD5）/ρ（COD）

ρ（BOD5）/ρ（COD）一般用于評(píng)價(jià)污水的可生化性水平，ρ（BOD5）/ρ（COD）越大，說明微生物更容易降解水中有機(jī)物，直接影響污水廠脫氮除磷效果[10-11]。一般認(rèn)為，當(dāng)ρ（BOD5）/ρ（COD） 大于0.3 時(shí)，說明污水適宜采用生化處理，具有可生化性；當(dāng)ρ（BOD5）/ρ（COD）大于0.5 時(shí)，說明污水可生化性較好，更有利于進(jìn)行生物脫氮[12-13]。 由圖2（a）可以看出，該污水處理廠常年進(jìn)水（50%）ρ（BOD5）/ρ（COD）小于0.32，進(jìn)水（80%）ρ（BOD5）/ρ（COD）小于0.33，說明該廠進(jìn)水基本滿足可生化處理要求，但總體進(jìn)水ρ（BOD5）/ρ（COD）仍偏低，說明生物處理能力較差。原因是由于污水廠原水中40%為工業(yè)廢水，水質(zhì)波動(dòng)大，且原水COD 中38%為難降解COD，造成污水可生化性較差。

（2）ρ（SS）/ρ（BOD5）

ρ（SS）/ρ（BOD5）一般用于評(píng)價(jià)污水中懸浮固體對(duì)活性污泥產(chǎn)率和活性的影響，當(dāng)進(jìn)水SS 濃度過高，且預(yù)處理沉淀效果差的情況下，由于進(jìn)入生化系統(tǒng)的懸浮固體量增多，導(dǎo)致生化系統(tǒng)加大排泥量，因系統(tǒng)內(nèi)缺少足夠多的生物量，使得污泥活性降低，難以保障出水達(dá)標(biāo)排放[14]。由圖2（b）可以看出，該污水處理廠進(jìn)水ρ（SS）/ρ（BOD5）在0.91 ～ 7.60 之間波動(dòng)，該廠常年進(jìn)水（50%）ρ（SS）/ρ（BOD5）小于2.50，進(jìn)水（80%）ρ（SS）/ρ（BOD5）小于3.35，進(jìn)水ρ（SS）/ρ（BOD5）大于1.5 的占比為93.8%。 說明該廠常年進(jìn)水ρ（SS）/ρ（BOD5）大于1.5，易造成污泥活性降低，故應(yīng)采取強(qiáng)化沉淀措施，延長(zhǎng)沉砂池停留時(shí)間，保證后續(xù)生化系統(tǒng)的運(yùn)行。

（3）ρ（BOD5）/ρ（TN）

ρ（BOD5）/ρ（TN）一般用于評(píng)價(jià)碳源與微生物反硝化脫氮能力的關(guān)系，碳源是影響反硝化效果的重要因素，ρ（BOD5）/ρ（TN）越高，說明反硝化進(jìn)行的越徹底，脫氮能力越強(qiáng)[15-17]。 一般認(rèn)為，當(dāng)ρ（BOD5）/ρ（TN）大于2.86 時(shí)，才可進(jìn)行反硝化。 根據(jù)DB 32/1072—2018 《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》提標(biāo)技術(shù)指引要求，只有當(dāng)ρ（BOD5）/ρ（TN）大于5 時(shí)，原水中才擁有足夠的碳源進(jìn)行反硝化[18]。由圖2（c）可以看出，該污水處理廠常年進(jìn)水（50%）ρ（BOD5）/ρ（TN）小于3.35，進(jìn)水（80%）ρ （BOD5）/ρ （TN） 小 于 4.37，進(jìn) 水 ρ （BOD5）/ρ（TN）小于5 的占比為89.1%。說明該廠進(jìn)水碳源難以滿足完全進(jìn)行反硝化需求，需投加外部碳源以保證脫氮效果，同時(shí)，由于進(jìn)水COD 中38%為難降解COD，需設(shè)置水解酸化工藝和提升進(jìn)水BOD5濃度。

（4）ρ（BOD5）/ρ（TP）

ρ（BOD5）/ρ（TP）一般用于評(píng)估污水是否可以生物除磷，進(jìn)水中BOD5是除磷菌活動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，除磷菌先利用BOD5完成厭氧釋磷過程，最后在好氧池中完成吸磷過程，通過排泥去除TP[19]。一般認(rèn)為，當(dāng)ρ（BOD5）/ρ（TP）大于20 時(shí)，污水具有較好的生物除磷條件。 由圖2（d）可以看出，該污水處理廠常年進(jìn)水（50%）ρ（BOD5）/ρ（TP）小于20.61，進(jìn)水（80%）ρ（BOD5）/ρ（TP）小于40.19，進(jìn)水ρ（BOD5）/ρ（TP）大于20 的占比為81.9%。說明該廠進(jìn)水基本滿足生物除磷要求。

2.4 全流程進(jìn)、出水中各種污染物指標(biāo)濃度變化

通過在污水廠各工藝內(nèi)設(shè)置不同的取樣點(diǎn)，分析污染物沿程的變化情況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝運(yùn)行過程中存在問題，為后續(xù)工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)提升污水廠出水指標(biāo)具有重要的指導(dǎo)意義[20]。 通過連續(xù)5 d 測(cè)定該廠全流程進(jìn)、 出水中污染物各指標(biāo)濃度，旨在更好地反映各工藝段單元的實(shí)際運(yùn)行狀況，為提標(biāo)改造提供科學(xué)依據(jù)。

全流程進(jìn)、出水中各種污染物指標(biāo)濃度變化見圖3。

圖3 全流程進(jìn)、出水中污染物各指標(biāo)濃度變化

（1）DO

工藝運(yùn)行過程中控制DO 濃度對(duì)保證脫氮除磷的效果和出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)起著至關(guān)重要的作用[21]。

由圖3（a）可以看出，AAO 生物池厭氧池中DO質(zhì)量濃度為0.35 mg/L，根據(jù)脫氮除磷要求，厭氧池中DO 質(zhì)量濃度應(yīng)控制在0.1 mg/L 以下，否則不能滿足厭氧環(huán)境，將直接影響生物釋磷過程。缺氧池中DO 質(zhì)量濃度為0.32 mg/L，說明具有較好的缺氧環(huán)境，有利于脫氮反硝化過程的進(jìn)行。好氧段中DO 質(zhì)量濃度為5.28 mg/L，說明DO 濃度過高，一方面可能導(dǎo)致內(nèi)回流帶入大量的DO，從而破壞缺氧環(huán)境；另一方面由于曝氣強(qiáng)度過高，導(dǎo)致該廠能耗和成本增加。因此，該廠應(yīng)加強(qiáng)控制厭氧池段DO 濃度以保證厭氧環(huán)境，且降低好氧池段DO 濃度以降低能耗水平。

（2）COD

由圖3（b）可以看出，進(jìn)水中COD 質(zhì)量濃度為123.2 mg/L，且波動(dòng)較大。 經(jīng)過預(yù)處理工藝后，COD濃度略有降低，顆粒態(tài)COD 去除效果不明顯。 進(jìn)入?yún)捬醭睾?，COD 質(zhì)量濃度降至55 mg/L，結(jié)合全流程TN 濃度變化情況，2 池均發(fā)生了反硝化脫氮，導(dǎo)致COD 濃度消減明顯。 好氧池出水中COD 基本為難降解COD，濃度保持不變。 出水中COD 質(zhì)量濃度為35 mg/L，滿足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)，但由表3 可以看出，常年COD 排放濃度仍不滿足DB 32/1072—2018一、二級(jí)保護(hù)區(qū)排放要求，達(dá)標(biāo)率僅為45.5%。

（3）NH3-N

由圖3（c）可以看出，進(jìn)水中NH3-N 平均質(zhì)量濃度為11.8 mg/L，且波動(dòng)不大。 經(jīng)過預(yù)處理工藝后，NH3-N 濃度基本保持不變。 進(jìn)入?yún)捬醭睾?，NH3-N濃度明顯下降，推斷原因是由于回流污泥的稀釋。去除NH3-N 主要在好氧池中完成。 出水中NH3-N 質(zhì)量濃度為1.47 mg/L，可滿足DB 32/1072—2018 一、二級(jí)保護(hù)區(qū)排放要求，達(dá)標(biāo)率可達(dá)97%。

（4）TN

由圖3（d）可以看出，進(jìn)水中TN 質(zhì)量濃度為15.28 mg/L。經(jīng)過預(yù)處理工藝后，TN 濃度基本保持不變。進(jìn)入?yún)捬醭睾?，根?jù)全流程DO 濃度變化情況，厭氧池和缺氧池均發(fā)生反硝化脫氮過程，因此，TN 質(zhì)量濃度削減了4.64 mg/L。后續(xù)段TN 濃度基本保持不變，出水中TN 質(zhì)量濃度為9.5 mg/L，由表3 可以看出，出水中TN 濃度不滿足DB 32/1072—2018 一、 二級(jí)保護(hù)區(qū)排放要求，達(dá)標(biāo)率僅為39.1%。

（5）TP

由圖3（e）可以看出，進(jìn)水中TP 質(zhì)量濃度為1.2 mg/L，且波動(dòng)較大。經(jīng)過預(yù)處理工藝后，TP 濃度基本沒有變化。進(jìn)入?yún)捬醭睾?，TP 濃度未有明顯上升，根據(jù)全流程DO 濃度變化情況，厭氧環(huán)境未能形成，從而導(dǎo)致無明顯厭氧釋磷現(xiàn)象。 進(jìn)入缺氧池后，TP 濃度有所提升，說明DO 濃度控制水平低，缺氧池內(nèi)發(fā)生了釋磷現(xiàn)象。通過好氧池后，TP 濃度明顯下降，主要原因是投加了除磷藥劑，整個(gè)過程中生物除磷現(xiàn)象不明顯。 出水中TP 質(zhì)量濃度為0.13 mg/L，由表2可以看出，運(yùn)行期間出水中TP 濃度已達(dá)標(biāo)，但與DB 32/1072—2018 中一、二級(jí)保護(hù)區(qū)要求仍有差距，達(dá)標(biāo)率為82.5%。

3 分析與建議

3.1 提標(biāo)改造難點(diǎn)

根據(jù)該污水處理廠概況，該廠進(jìn)水中由于接入40%工業(yè)廢水，與生活污水混合進(jìn)行處理，導(dǎo)致進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)大，可生化性差，加大了污水處理廠處理難度，在新標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)一步提升出水水質(zhì)的情況下，該廠污水處理工藝亟待提標(biāo)改造。

宜興市某污水處理廠提標(biāo)改造的難點(diǎn)在于出水中COD 和TN 濃度過高，出水達(dá)標(biāo)率分別僅為45.5%和39.1%。 去除COD 的難點(diǎn)在于難降解COD 占比過高，導(dǎo)致原水可生化性差，對(duì)去除TN 也有影響，同時(shí)出水COD 中難降解COD 占主要成分，導(dǎo)致出水COD 濃度難以進(jìn)一步降低。 去除TN 的難點(diǎn)在于傳統(tǒng)工藝中AAO 池脫氮效果差，以及運(yùn)行過程中存在碳源不足，DO 濃度和回流比控制不佳等問題，影響了主體工藝對(duì)TN 的進(jìn)一步去除，且深度處理工藝對(duì)TN 無深度去除作用，導(dǎo)致TN 出水難以達(dá)標(biāo)。

3.2 提標(biāo)改造建議

根據(jù)以往案例報(bào)道和該廠出水難點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合進(jìn)、出水水質(zhì)特征分析，提出相應(yīng)的提標(biāo)改造建議。

（1）COD。 ①?gòu)?qiáng)化源頭控制，重點(diǎn)關(guān)注接入企業(yè)工業(yè)廢水的情況，加強(qiáng)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；②在生物池前端增設(shè)水解酸化池工藝，不僅可發(fā)揮緩沖水質(zhì)作用，還可提升污水可生化性，發(fā)掘內(nèi)部碳源，減少外部碳源的投加量；③強(qiáng)化深度處理工藝，可增設(shè)高級(jí)氧化或活性炭吸附等物化處理工藝[22-23]。

（2）TN。 ①在不改造原池情況下，可通過增大內(nèi)回流比，投加碳源以保證反硝化過程充分進(jìn)行；②對(duì)原池進(jìn)行改造，可將傳統(tǒng)AAO 池改造為五段式改良AAO 工藝，即增加了前置生物選擇池，采用分段進(jìn)水的方式，監(jiān)測(cè)各工藝段pH 值與TN 濃度變化的相關(guān)性，根據(jù)DO 濃度和碳氮比，調(diào)整分段進(jìn)水水量，更好地發(fā)揮生物池脫氮作用； ③增設(shè)或改造深度處理反硝化濾池工藝，進(jìn)一步提升TN 的去除效率[24-25]。

（3）其他問題。 ①對(duì)于進(jìn)水中ρ（SS）/ρ（BOD5）較高問題，可采用延長(zhǎng)沉淀時(shí)間，或改造沉砂池為旋流沉砂池或曝氣沉砂池，強(qiáng)化去除SS；②對(duì)于生物除磷效果差問題，一方面需控制厭氧池DO 濃度，保證厭氧環(huán)境，另一方面可采用分段進(jìn)水方式，減少釋磷菌與反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)作用，以保證脫氮除磷效果；③加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，及時(shí)更換老化設(shè)備，尤其是曝氣系統(tǒng)需進(jìn)行升級(jí)改造。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)宜興市某典型污水處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)特征分析發(fā)現(xiàn)，該廠由于管網(wǎng)建設(shè)不完善，維護(hù)管理不到位，導(dǎo)致該廠進(jìn)水中BOD5及COD 濃度偏低，可生化性能差，進(jìn)水碳源不足，難以滿足反硝化需求，且進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)大，污泥活性較差。

（2）通過對(duì)該廠全流程進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)濃度分析發(fā)現(xiàn)，生物池各工藝段運(yùn)行狀態(tài)較差，尤其各工藝段DO 濃度控制不當(dāng)加之碳源不足，導(dǎo)致出水COD及TN 濃度達(dá)標(biāo)率低，成為該廠提標(biāo)改造工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

（3）為解決COD 和TN 出水嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)的問題，結(jié)合該廠實(shí)際情況，提出了增設(shè)水解酸化池工藝，改善碳源結(jié)構(gòu)及增設(shè)深度處理反硝化濾池工藝，進(jìn)行深度脫氮等建議。