城镇污水处理厂氮磷去除潜力评估

2018-12-04程洁红赵际沣

净水技术 2018年11期

朱铖，程洁红，赵际沣,顾铭

(1.江苏理工学院化学与环境工程学院，江苏常州 213001;2.河北省张家口环境监测中心，河北张家口 075000)

2015年《水污染防治行动计划》(水十条)对我国重点区域及重点流域的污水处理提出了更高要求，污水处理厂提标增效成为业内关注的热点。太湖流域是国家重点控制的污染区域，截止至2010年底，必须完成169家太湖流域的城镇污水厂提标改造[1]，目前大部分污水厂尾水排放已达到一级A标准。但是，由2017年颁布的《江苏省“十三五”太湖流域水环境综合治理行动方案》可知，太湖流域水环境氮磷浓度控制仍有难度。城镇污水处理厂氮的处理效率低于磷去除效率[2-3]。另一方面，“控磷”的压力远高于“控氮”，“控磷”是控制太湖蓝藻水华的主要措施[4]。为更好地保护水环境，未来城镇污水厂有可能面临要求出水标准达到地表水IV类水标准的局面，需要对现有的工艺和设备进行升级改造。

为了满足污水处理厂升级改造的技术需求，本课题根据江苏省太湖流域城镇污水处理厂情况，从中选取了具有代表性的、已达到一级A标准的城镇污水厂18家，覆盖南京、常州、溧阳、宜兴、无锡、苏州等6个城市和地区，再从中筛选出12家具有代表性的污水厂作为分析对象。通过取样测试及调研，统计污水厂全年进水水质、水量情况，评估出水氮磷达标率、去除效果，探讨进出水水质和运行参数等对氮磷去除效果的影响，分析了氮磷去除效果和处理工程现状。通过上述分析，评估氮磷限值降低的潜力，为进一步降低氮磷排放限值可行性提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 选取典型城镇污水处理厂

根据江苏省情况，选取小、中、大型三类城镇污水厂，涵盖了有AAO、氧化沟、SBR等工艺，包括是否设有深度处理工艺，以及处理生活污水或含部分工业废水的情况，确保调研污水的处理厂具有明显的代表性和典型性。

以具有代表性污水厂作为分析对象，统计全年进水水质、水量情况，计算出水氮磷达标率、去除效果，根据进水BOD5∶TN或BOD5∶TP，以及碳源投加情况，分析氮磷去除效果和潜力。同时，从厌缺氧池的氧化还原电位(ORP)、好氧池溶解氧(DO)和回流比等方面，深入分析运行参数对氮磷去除效果的影响，探寻各工段适宜的运行参数，进而通过优化运行参数，达到挖掘城镇污水处理厂氮磷去除潜力的目的。

1.2 分析方法

在生物脱氮工艺中，由于反硝化过程的碳源需求，通常要求 BOD5∶TN>4∶1；在生物除磷工艺中，厌氧释磷过程需要碳源合成聚羟基链烷酸酯，通常要求污水中的BOD5∶TP>17∶1。因此，可以依靠碳氮比和碳磷比分析污水处理厂的脱氮除磷潜力。

2 结果与讨论

2.1 城镇污水厂出水TP、NH3-N和TN的分析

2.1.1 污水厂TP去除潜力评估

将典型污水厂2016年12个月出水的TP数据进行分析，统计频率，如表1所示。

由表1可知，除一家污水厂外，其他家处理尾水均达到一级A标准。且全年TP在0.3 mg/L以下的有6家，占比50%。TP去除效果最好的污水厂是LYEW厂，采用的是AAO工艺，由于进水碳氮比高，仅生物除磷，但常年维持出水TP浓度小于0.10 mg/L，证明了除磷潜力。WJCQ厂采用氧化沟工艺，进水碳源较充足，无深度处理工艺和化学除磷，但除磷效果好，出水TP浓度小于0.20 mg/L。

各厂的进水BOD5/TP均大于17(通常是15～20)[6-7]，碳磷比充足，表明在碳源充足和合理的运行，生物除磷可以达到0.3 mg/L。上述污水厂除一家外，出水TP浓度都能达到一级A标准，表明了生物除磷的潜力较强。

2.1.2 污水厂NH3-N去除潜力评估

分析统计出水NH3-N≤1.00、1.00～5.00 mg/L以及>5.00 mg/L的出现频率，结果如表2所示。

由表2可知，在良好的运行管理下，通过生物脱氮工艺，出水NH3-N浓度可以进一步低于一级A标准5.00 mg/L(水温>12 ℃)。SS厂、JB厂和QT厂对NH3-N的去除效率最高，出水NH3-N可控制在1.00 mg/L以下，低于一级A标准值的80%，这表明生物去除NH3-N潜力较高。上述3家污水厂采用的均是AAO工艺，表明AAO工艺对NH3-N去除具有运行稳定、去除效率高的优势，该技术在污水去除NH3-N方面也可推广运用。

此外，XS厂和QY厂有不达标的现象。XS厂的进水中NH3-N浓度是调研的所有污水厂中变化幅度最大的一家，为17.91～61.87 mg/L，对生物处理系统冲击很大，出水难以达标。QY厂的进水水质比较常规，但处理效果仍然较差。

表1 出水TP浓度情况分析一览表Tab.1 List of Effluent TP Concentration Analysis

注：*为污水厂名称缩写

表2 出水NH3-N浓度情况分析一览表Tab.2 List of Effluent NH3-N Concentration Analysis

注：*为污水厂名称缩写

2.1.3 污水厂TN去除潜力评估

统计了上述污水厂尾水TN≤8.00、8.0～15.00 mg/L以及>15.00 mg/L的出现频率，结果如表3所示。

由表3可知，进水碳源充足的情况下，依靠污水厂良好的运行，ZH厂可以将TN浓度稳定降低到8.00 mg/L，出现频率为100%，低于一级A标准值15.0 mg/L的46.7%，表明了脱氮的潜力值。通常认为BOD5/TN为4.20基本可以满足反硝化要求[6,8]，ZH厂的进水BOD5/TN值为4.20，碳源充足，其全年出水TN浓度小于8.00 mg/L。LJ厂、WJCQ厂、LC厂和LYEW厂的BOD5/TN值都接近于3.80及以上，出水TN≥8.00 mg/L，特别是LC厂，具有与ZH厂同样的进水BOD5/TN比值，但出水TN浓度却没有ZH厂理想，约10.1～13.9 mg/L，这表明污水厂优化运行参数、加强运行管理是重要因素。同理，XS厂和QY厂运行不稳定，有出水TN不达标的情况，表明了这两个厂的运行管理有待加强。相反，进水碳氮比不足的污水厂如JB厂、SS厂，在没有外加碳源的条件下，仍能将TN浓度降到低于15.0 mg/L，表明了生物脱氮潜力，并且良好的运行管理有助于保证出水TN达标。

表3 出水TN浓度情况分析一览表Tab.3 List of Effluent TN Concentration Analysis

2.2 氮磷去除主要影响因素

2.2.1 进水水质影响

(1)碳磷比对除磷的影响

统计太湖流域12家污水处理厂2013年的进水BOD5/TP年平均比值，如图1所示，BOD5/TP一般不宜低于17[9]。由图1可知，BOD5/TP为16.7～53.2，进水B/P>17的比例为91.7%，表明生物除磷的碳源较为充足。

图1 各污水厂进水BOD5/TP年平均比值情况Fig.1 Annual Average Ratio of Influent BOD5/TP in Each Investigated WWTPs

进水BOD5/TP高的污水厂(如LYEW厂和WJCQ厂)除磷效果好，生物除磷分别能使二级处理尾水TP浓度达到0.16 mg/L和0.10 mg/L，表明进水碳源充足对除磷具有关键作用。分析进水碳源充足的原因，与进水中有部分可降解的工业废水有关，WJCQ厂和LYEW厂进水中均含有20%的工业废水。而对于进水全部为生活污水的污水厂，若出现雨水和地下水从管网渗入的情况，会导致进水BOD5/TP比值减小，如QT厂和JB厂。

对污水厂进水BOD5/TP逐月数据和进水TP逐月数据进行统计分析，结果如图2、图3所示。

图2 各污水厂全年进水BOD5/TP比值逐月变化情况Fig.2 Variation of Ratio of Influent BOD5/TP by Monthly in Each Investigated WWTPs

图3 各污水厂全年进水TP浓度逐月变化情况Fig.3 Variation of Ratio of Influent TP by Monthly in Each Investigated WWTPs

由图2、图3可知，大部分污水厂的BOD5/TP全年基本可达17以上，只有极少数污水厂在个别月份不能达到，如LC厂、XS厂，这表明个别月份会出现碳源不足的情况。分析其原因，XS厂主要是因为常年低负荷运行、进水量低、个别月份TP浓度极高且进水COD不高。LC厂进水TP浓度高(TP平均值10.0 mg/L，高于其他所有污水厂)、变化幅度大。与平均值相比，TP浓度变化幅度为-39.93%～44.61%，尽管如此，LC厂的TP去除率仍较高，约97%。这是由于该厂除了生物除磷外，还采用了化学除磷，除磷药剂投加量为61.9 g/m3。

综上所述，进水是影响除磷的关键因素之一，进水BOD5/TP比值高，对保证高效率的除磷效果可提供保障。后续的化学除磷在进水波动大、冬季低温情况下也起到保障作用。

(2)碳氮比对除磷的影响

图4 各污水厂进水BOD5/TN年平均比值情况Fig.4 Variation of Annual Average Ratio of Influent BOD5/TN by Monthly in Each Investigated WWTPs

统计太湖流域12家污水处理厂进水BOD5/TN年平均值，如图4所示。一般认为，BOD5/TN大于4才能提供足够的碳源供反硝化菌利用，无需外加碳源[10]。由图4可知，BOD5/TN比值为1.75～4.78，进水BOD5/TN低于4的比率为67.7%，表明太湖流域超过一半的污水处理厂BOD5/TN值较低，生物脱氮的碳源不足。

对污水厂进水BOD5/TN逐月数据和进水TN逐月数据进行统计分析，如图5、图6所示。

图5 各污水厂全年进水BOD5/TN比值逐月变化情况Fig.5 Variation of Ratio of Influent BOD5/TN by Monthly in Each Investigated WWTPs

图6 各污水厂全年进水TN浓度逐月变化情况Fig.6 Variation of Ratio of Influent TN by Monthly in Each Investigated WWTPs

由图5可知，进水BOD5/TN≥4的污水厂较少，仅包含有WJCQ厂、LC厂、SZXQ厂、LJ厂、ZH厂以及LYEW厂的部分时段。上述这些污水厂，进水中混有少量可降解的工业废水，提高了碳氮比，利于生物脱氮，其他各厂大部分时段BOD5/TN都小于4，不利于生物脱氮[11]。SS厂、JB厂和QT厂(均位于江苏常州)的BOD5/TN普遍都小于4，表明该地区污水厂的进水碳源普遍不足，这与管网中地下水渗入、雨水渗入、河流水倒灌等有关，可见管网设施的完善相当重要[12-13]。

由图6可知，普遍规律是冬季进水TN浓度较高，由此可见季节变化对TN去除有影响。因此，应尽量保证进水碳氮比满足生物脱氮要求，完善管网，对生物脱氮都起到促进作用。州地区对部分地下管网管控后，有效抑制了河流水倒灌，增加了进水碳氮比和碳磷比。如QT厂仅在冬季部分时段投加乙酸，其他时段已不外加碳源，节约了成本。

2.2.2 出水水质的影响

对于生物除磷，出水会有少量悬浮物(SS)，这些SS主要是活性污泥细碎絮体，含磷量约3%。若生物除磷后仅沉淀、未过滤，则出水TP浓度约1.0 mg/L，因此各城镇污水厂为达到一级A标准，均在沉淀池后加滤池过滤。若按过滤后出水SS为5.0 mg/L计，SS中的TP为0.15 mg/L，可大幅降低因出水SS带来的出水TP。

此外，不少污水厂采用化学除磷以保障出水达标，但对于设置在城区的污水厂，由于厂区面积有限，难以增加混凝、沉淀等深度处理构筑物，给污水厂的改造带来困难。QT污水厂为解决这一难题，在好氧池出水至沉淀池之间，在管道投加混凝剂进行化学除磷，二沉池即可沉淀活性污泥，节约了占地面积。QT厂仅在冬季部分时段进行化学除磷，全年大部分时间不投加药剂，这样将沉淀池两用，经济实效，为其他厂提供了学习参考。

2.2.3 运行参数的影响

从上述调研的污水厂运行结果发现，在进水水质相差不大的前提下，同样的工艺，有的污水厂氮磷去除效果好，有的只能维持出水达标，而少数污水厂出水效果较差。氮磷去除效果差主要是运行参数没有优化导致的。因此对起到较大影响的运行参数进行分析，结果如下。

(1)缺氧、厌氧区的ORP

为保证生物除磷脱氮的效果，根据微生物的需求维持一定的ORP和DO很关键[14]。以对氮磷去除效果较好的QT厂为例，分析QT厂的ORP，结果如图7所示。

图7 QT厂全年预缺氧池、厌氧池、缺氧池ORP值Fig.7 ORP of Pre-Anoxic Tank,Anaerobic Tank and Anoxic Pool in QT Plant

由图7可知，QT厂缺氧池ORP比较平稳，全年处于-100 mV左右。QT厂厌氧池的ORP在8月～12月为-500～-400 mV，状态较稳定；预缺氧池的ORP约-200 mV，小于缺氧池，但又大于厌氧池，较好地起到了预先将污泥中的ORP降低的作用，使污泥进入厌氧池后，保证ORP处于较低值，可见QT厂的工艺参数控制得较好。而8月之前，预缺氧池的ORP与厌氧池接近，相当于增加了一个厌氧生化反应池。因此，缺氧池的ORP应稳定控制在-100 mV左右，厌氧池ORP应维持在-200 mV以下并保持稳定，对后续工艺的运行，以及获得高效的脱氮除磷效果起到关键作用。

在江苏省太湖流域提标改造时，QT厂将初沉池取消，改造为预缺氧池后，池中ORP维持在约-200 mV，不仅对厌氧池释磷起到促进作用，而且预缺氧池也发挥了反硝化脱氮作用[15]，表明ORP的调控对氮去除起到重要作用。

(2)溶解氧DO的影响

分析了JB厂、QT厂、LJ厂等三家污水厂的DO变化情况，如图8～图10所示。

图8 QT厂全年好氧池DO值Fig.8 DO of Aerobic Tank in QT Plant

图9 JB厂全年好氧池DO值Fig.9 DO of Aerobic Tank in JB Plant

图10 LJ厂全年好氧池DO情况Fig.10 DO of Aerobic Tank in LJ Plant

由图8～图10可知，QT厂的DO值运行平稳，全年基本处于2.60 mg/L左右。而JB厂和LJ厂的DO值波动较大，尤其是LJ厂全年DO为1.01～7.48 mg/L；JB厂DO为1.64～4.37 mg/L。上述三家污水厂中，LJ厂运行规模最大为9万m3/d，JB厂是4.5万m3/d，QT厂的运行规模最小为1.5万m3/d。尽管LJ厂的DO变化幅度较大，该厂氮磷去除效果仍然较好，出水氮磷达标率为100%，浓度比QT厂略高。由此可见，适宜的DO浓度为2.00～3.00 mg/L，且处理规模越大，耐冲击能力越强。DO有少量变化，不会影响整体处理效果。

以QT厂为例，在日常运行时精细化管理，好氧池中DO始终维持在约2.60 mg/L，好氧池吸磷效率高，发挥了反硝化除磷作用，在没有化学除磷的工艺时，仅生物除磷就可使出水TP常年低于0.1 mg/L，表明了DO参数调控的重要性。

(3)回流比

对于AAO工艺，内回流是非常必要的一个环节[16]。对所调研部分污水厂的外回流比和内回流比进行统计，如表4所示。QT厂的内回流比全年数据如图11所示。

由表4可知，处于同一地区的SS厂、QT厂和JB厂的内回流比均大于100%，一般控制在100%～150%，最高的是SS厂，内回流比最高达到300%，而外回流比可小于100%。SZXQ厂和WJCQ厂均采用的是氧化沟工艺，这两家厂的内回流比和外回流比差异很大。WJCQ厂的内回流比只有80%～85%，仍能取得较好的氮磷去除效果，且电耗少、更节能，值得推广。

表4 部分污水厂正常运行内回流比情况一览表Tab.4 List of Internal Reflux Ratios during Normal Operation for Some WWTPs

图11 QT厂全年内回流比情况Fig.11 Internal Reflux Ratio of QT Plant in the Whole Year

由图11可知，QT厂内回流比年平均值为168%，为适应进水会有所波动。QT厂的运行经验表明，内回流是不可缺少的生物脱氮工艺中的关键运行条件，一般内回流比为100%～200%。国内一些污水处理厂不重视内回流，为节省运行成本，工艺运行中未设置内回流，导致处理效果不理想。相反，QT厂非常重视内回流，因此脱氮效率高，在碳氮比常年不足的情况下，全年大部分时间不投加碳源，排放尾水的总氮含量仍能维持在8.2～13.0 mg/L。

综上所述，无论污水厂规模大小，采用AAO工艺的运行参数值基本上维持在一定的范围内。ORP值在厌氧池一般低于-200 mV，在-400 mV左右；缺氧池一般在-100 mV左右。溶解氧维持在2～3 mg/L。内回流比一般保持在100%～200%，能获得高效节能的处理效果。