污水处理厂进水水质变化对污染物去除效率的影响分析

陈 清

(北京市海淀区水务局，北京 100094)

城镇污水处理厂进水污染物质量负荷是污水处理工艺设计和运行管理的重要依据，准确掌握污水中污染物质量负荷，是确定处理设施及辅助设备的处理能力和操作特性，并保证稳定达到处理目标的必要条件［1-3］，同时由于污水水质受多种因素影响，致使目前已建的部分城市污水处理厂实际进水水质与设计水质存在较大差异，严重影响了城市污水处理厂的运行和管理，因此，研究城镇污水处理厂进水水质特征，对提高城镇污水处理厂的运行效果具有重要意义［4-5］。本文主要对海淀区北部新区某污水处理厂2013年进水浓度变化与出水水质进行了比较和研究，结果对该污水厂的运行和管理有指导作用，对其他污水处理厂具有一定的参考价值。

1 污水处理厂概况与工艺

某污水处理厂位于海淀区北部新区，建成于2008年，设计处理污水能力为2万m3/天，工艺流程分为预处理、生物处理、深度处理、污泥处理和除臭处理5个部分，工艺流程和设计进水要求见图1和表1，主要处理工艺采用卡鲁塞尔氧化沟3000。污水处理厂出水水质执行北京市《水污染排放标准》(DB 11/307—2005)中的一级B标准，并满足国家和北京市有关标准要求。卡鲁塞尔氧化沟是1967年由荷兰某公司开发研制的，研制目的是在较深的氧化沟中使混合液充分混合，并能维持较高的传质效率，以克服小型氧化沟沟深较浅，混合效果差等缺陷。实践证明:该工艺具有投资省、处理效率高、可行性好、管理方便和运行维护费用低等优点［6-8］。

表1 污水处理厂设计进水标准

图1 污水处理厂工艺流程

2 采样与分析方法

2.1 样品采集与保存

按照水质检测中心《水和废水监测分析方法》的相关要求［9］，于每月定期在固定点位采取1个瞬时样品，当日分析化学需氧量(CODCr)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)共五项指标。进水取样点为沉沙池出口，出水取样点为二沉池出水排放口。

2.2 样品分析

水质分析分别采用如下方法:CODCr采用GB/T 22597—2008重铬酸盐法，BOD5采用HJ 505—2009稀释与接种法，NH3-N采用HJ 535—2009纳什试剂分光光度法，TN采用GB/T 11894—1989碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP采用GB/T 11893—1989钼酸铵分光光度法。

2.3 污染物去除效率计算方法

计算公式为

式中 R——去除效率;

C0——进水污染物浓度;

Ci——出水污染物浓度［10］。

2.4 监测数据处理

为便于去除效率与浓度的拟合分析，对监测结果作了如下处理:将各个指标的浓度范围划分为表2所列的5个区间，参照表2的区间划分，如相邻月份的数据落在同一区间内，则将其合并，合并数值取算术平均值，最终将12组数据合并成5组，去除效率也是将出水水质数据合并取算术平均值后参与计算。

表2 线性拟合浓度梯度划分

3 结果与讨论

3.1 化学需氧量

城市生活污水处理厂的主要功能之一是削减污水中的有机污染物，削减污染物的总量同时受处理水量和进水CODCr浓度的影响。图2(a)是该厂2013年的进出水CODCr浓度情况，从中可以看出，该厂处理效果良好，出水水质基本能较好地保持稳定且均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B 标准［11］。CODCr进水最高达到了 550mg/L，进水年均浓度为216mg/L，经处理后年均出水浓度为11.5mg/L，年处理平均效率高达94.5%，出水CODCr低于25mg/L，完全满足排放要求。图2(b)是经过数据合并后的浓度分布和浓度与去除效率的拟合曲线，曲线回归方程为y=-0.0001x2+0.09273x+78.3，校正的模型决定系数R2=0.82，该系数是衡量所建模型好坏的重要指标之一，R2越大，模型拟合得越好，从中可以看出，该组数据较好地符合了抛物线模型，当进水浓度小于460mg/L时，随着进水CODCr浓度的增加处理效率也在增加，但是当浓度超过了460mg/L时，即远大于设计标准400mg/L时，污水处理系统将不再有相应的处理能力，处理效率开始下降。

图2 CODCr处理效率

3.2 总氮

图3(a)、(b)分别是TN进出水浓度比较情况和数据合并处理后TN浓度分布及浓度与去除效率拟合曲线，从中可以看出，进水最大为 9月，浓度为95.7mg/L，最小为2月，浓度为16.2mg/L，进水浓度年均值为38mg/L，表明来水总氮含量总体较低，对比图5(a)，可以看出氨氮占总氮比例较低，不是氮类污染物的主要贡献者;处理后出水年均浓度值为13.1mg/L，处理效率为65.5%，对总氮的处理能力有待于改善，低的处理效率可能与进水浓度、气温、硝化工艺等有关，虽然处理效率不高，但是大部分时间出水浓度均符合排放要求，仅在9月和10月有异常波动，出现连续不达标的情况，超过了一级B对总氮20mg/L的要求。浓度与去除效率的拟合曲线较好地符合抛物线模型，得到拟合方程为y=-0.02953x2+3.8997x-31.67，校正的模型决定系数R2=0.663，当进水浓度小于66mg/L时，去除效率随着进水浓度的增大呈现提高的趋势，当进水浓度大于66mg/L后，去除效率随着进水浓度的继续增加而降低。

图3 TN处理效率

3.3 总磷

图4(a)、(b)是总磷进出水浓度对比情况和总磷浓度与去除效率拟合曲线，从中可以看出，该厂进水浓度最大值为12月份的3.77mg/L，最小值为7月份的0.97mg/L，进水浓度年均值为2.43mg/L;年均出水浓度为0.31mg/L，处理效率为87.2%，总体来看，该厂对总磷的处理效率较好，从出水达标情况来看，全年达标排放率为91.7%，仅6月出现不达标。从合并处理后的浓度分布情况和拟合曲线可以看出，处理效率随着进水浓度的变化有较为明显的变化规律，得到拟合曲线为y=-16.6x2+83.8x-8.9，校正的模型决定系数R2=0.84，较好地符合二次曲线模型，最佳处理进水浓度约为2.5mg/L，超过该浓度后，处理效率明显降低。

图4 TP处理效率

3.4 氨氮

图5(a)、(b)是该厂氨氮进出水监测情况，可以看出，9月进水浓度较高，为92.7mg/L，7月进水浓度较好，仅为11.6mg/L;年均进水浓度为33.8mg/L;出水年均浓度为0.7mg/L，处理效率为96.8%，出水水质良好，完全达到排放要求。浓度与去除效率拟合曲线方程为y=-0.00467x2+0.475x+88.2，校正的模型决定系数R2=0.82，较理想地符合浓度分布曲线，最佳去除效率对应的浓度为50mg/L，为该污水处理厂设计标准的上限值。在该浓度以前，去除效率随着浓度的增加而增加，超过该点后由于超过系统处理负荷，去除效率降低。

图5 NH3-N处理效率

3.5 5日生化需氧量

图6(a)显示了该厂进出水BOD5的前后变化情况，从中可以看出，BOD5与CODCr有较为密切的相关性，两个指标的进水浓度具有一致的波动特点，进水浓度年均值为98.1mg/L，进水浓度最大值为379mg/L，对比CODCr浓度分布情况可以看出，该水体可生化性良好。从出水指标来看，经处理后出水年均浓度仅为2.3mg/L，平均处理效率达到了97.7%，出水水质均能满足排放要求，小于20mg/L，出水水质稳定，外界条件的变化对处理效果没有造成显著影响。图6(b)为数据合并后的浓度分布情况与前4个点的线性拟合曲线，从图中可以看出，该浓度分布与拟合曲线吻合非常好，表明BOD5去除效率随浓度的变化非常显著，拟合曲线方程为y=-0.00043x2+0.0973x+93.4，校正的模型决定系数R2=0.979，理想地附合抛物曲线模型，进水浓度113mg/L为该污水处理工艺的最佳点，为设计标准的中间值，超过该浓度后处理效率显著降低，第5个点对曲线已没有相关性。

图6 BOD5处理效率

4 结语

通过对海淀区北部新区某污水处理厂进出水长达一年的监测，对进出水水质进行对比，并将污染物去除效率与浓度进行线性拟合，得到了较满意的拟合曲线，发现该污水处理厂进水污染物浓度对污染物去除效率有较为明显的影响和规律，二者呈现出下开口的抛物线关系，当进水污染物浓度小于一定值时，去除效率随着浓度增加而增加，当进水污染物浓度超过某特定值后，去除效率随浓度增加而降低。本文得到了该污水处理厂各个指标的最佳进水浓度分别为CODCr460mg/L、TN 66mg/L、TP 2.5mg/L、NH3-N 50mg/L、BOD5113mg/L。■

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