广元市城镇污水处理厂尾水水质时空特征分析

张 萍, 周 甜, 权秋梅

(西华师范大学环境科学与工程学院， 四川 南充 637009)

前 言

一直以来水资源问题都是关注的热点，经济的发展和社会的进步，随之而来的水污染问题也应当更加重视。研究表明，污水处理厂能够有效降低污水中的污染物浓度，相对地表水环境质量标准限制而言，污水处理厂尾水污染物浓度依然总体较高[1-2]。如何降低污水处理厂尾水污染物浓度也受到了广泛关注，但就城镇污水处理厂尾水水质时空特征研究相对较少。据杜娟娟等人研究表明不同排放状态对水体具有不同的影响；张亚等人研究表明江苏省夏季尾水中平均出水浓度指数较其他季节明显偏高，苏南较苏北、苏中的平均出水浓度指数低[3-4]。不同城市的污水处理厂尾水具有不同的的时空特征，目前广元正在大力推广旅游业发展，打造世界旅游胜地，对广元的环境质量极其关注，而学术界对广元市城镇污水处理厂尾水水质时空特征的研究几乎没有，因此对其展开分析极具意义。

本文利用四川省广元市8家污水处理厂在2013年第二季度至2015年第三季度例行监测数据以及各个污水厂的常规数据，分析了该市城镇污水处理厂尾水水质的特征。从时间和空间两个维度来探讨污水处理厂尾水排放特征及其影响，利用不同季度、不同地区污水处理厂尾水中氨氮、总磷、COD的数据，进行分析。

1 研究背景

1.1 广元市城镇污水处理现状

随着改革开放的逐步深化，市场经济迅速发展，广元市人口迅速增长，污水排放量增大，污水处理成为一个不容忽视的问题。到“十一五”末，该市本级、苍溪县和剑阁县三座污水处理厂建成投入正常运行，元坝区、青川县、旺苍县和利州区宝轮镇污水处理厂主体工程建成；2013年初青川县、旺苍县和宝轮镇污水处理厂投入正常运；2013年底，又新增元坝区和剑阁县普安镇两座污水处理厂投入正常运行；至今广元市共有8座污水处理厂在运作。除了剑阁县县城污水处理厂、普安镇城市生活污水处理厂、广元市昭化区泉坝污水处理厂这三座污水处理厂执行标准为GB18918-2002一级B标，其余污水处理厂均执行GB18918-2002一级A标准，有待提升。日处理量广元大一污水处理有限公司最高，为50 000t/d，其次是宝轮镇污水处理厂、旺苍县城市污水处理厂、苍溪县污水处理厂日处理量为15 000t/d，而青川县污水处理厂、广元市昭化区泉坝污水处理厂日处理量最低，为5 000t/d，有待提升。

1.2 广元市污水处理厂概况(表1)

表1 广元市城镇污水处理厂慨况Tab.1 General Situation of Guangyuan Municipal Sewage Treatment Plant

1.3 不同标准比较 (表2)

表2 不同污水排放标准的COD、NH3 -N、TP污染物排放限值比较Tab.2 Comparisons of pollutant emission limits for COD, NH3-N and TP in different sewage discharge standards (mg/L)

2 研究方法

2.1 研究对象与数据来源

以四川省广元市城镇污水处理厂的污水处理现状分析为研究目标，采用该市8家污水处理厂在2013年第二季度至2015年第三季度例行监测数据以及各个污水厂的常规数据作为分析数据，其中有2家厂数据是从2014年第一季度至2015年第三季度。通过对广元市城镇区域水质现状的调查与分析，筛选出 TP、NH3-N和COD这 3个具有代表性的营养盐及有机物污染指标(由于重金属类指标值低于仪器最小检测浓度，不参与评价)，构成污水处理厂水质评价指标体系。其中COD监测的分析方法采用重铬酸盐法，检出限为 10 mg/L，监测值为日均值NH3-N监测的分析方法均采用纳氏试剂光度法，检出限为0.025mg/L； TP监测的分析方法采用钼锑抗分光光度法，检出限为0.01mg/L。其中，有6家处理厂各有 30个数据，另外2家厂各有21个数据，一共222个数据。

2.2 评价方法

2.2.1 单因子指数法

单因子指数法操作简单，能够直接反应每一种污染物的超标情况，其是在所有参与水质综合评价的水质指标中，利用实测数据和标准对比分类，选取水质最差的类别作为评价结果，用污水处理厂尾水排放指标中的总磷、氨氮和 COD 分别与其相应的排放限值的比值作为后期分析数据，更便于直观分析和对比。水质的单因子污染指数Pi的计算公式为[5～7]:

pi=ci/si

(1)

式中: Ci为第 i 种水质指标的尾水浓度，mg/L; Si为第i 种水质指标的排放限值，mg / L。

2.2.2 内梅罗指数法

内梅罗指数是一种兼顾极值和平均值的计权型多因子环境质量指数。考虑到加权过程的权系数中主观因素的影响，可能使得分析不具备代表性，本文选用内梅罗指数法，其基本计算公式为[8-9]:

(2)

式中: maxi为各单因子环境质量指数中最大者; avei为各单因子环境质量指数的平均值。

2.2.3 系统聚类

广元市8个城镇污水处理厂跨度较大，分布不密集，不能直观的归类分析，为防止以往分类方法中靠经验分类和分类不明确等弊端，选用系统聚类分析方法，其基本原理是先将n个样本看成一类，然后定义并计算这n类之间0的距离，将距离最小的两类合并成为新类，再在剩下的n-1类找出距离最小的两类再次合并，重复操作，直至所有的样本都聚成一大类，最后根据实际问题的特征进行分类[10～12]。本文根据各地区的污水处理厂尾水中总磷、氨氮、COD 的排放浓度与排放限值的比值，对各地区污水处理厂进行系统聚类，借助EXCIE 软件处理，分析广元市不同地区污水处理厂尾水的排放特征。

3 结果与讨论

3.1 不同季度污水处理厂尾水排放特征分析

由图1可知2013～2015年各污水处理厂的pH值和TP浓度变化不大，均能达标，尾水大多呈弱碱性。2014年剑阁县县城污水处理厂和旺苍县城市污水处理厂四个季度pH值有上升趋势，且剑阁县县城污水处理厂的上升趋势更为显著；2015年普安县城市生活污水处理厂和昭化区泉坝污水处理厂四个季度pH值有下降趋势。2013年普安县城市生活污水处理厂的1季度pH值最高，2014年剑阁县县城污水处理厂的4季度pH值最高，2015年剑阁县县城污水处理厂的2季度pH值最高。2013年昭化区泉坝污水处理厂2季度的COD排放浓度最高，2014年普安县城市生活污水处理厂的2季度COD排放浓度最高，2015年旺苍县城市污水处理厂的2季度COD排放浓度最高。市中区宝轮镇污水处理厂氨氮浓度和总氮浓度逐年上升，旺苍县城市污水处理厂COD浓度和TSS浓度降低趋势显著，青川县污水处理厂2014年的氨氮浓度显著高于2013年和2015年，苍溪县污水处理厂BOD浓度呈下降趋势。2013年昭化区泉坝污水处理厂的2季度和4季度BOD排放浓度最高，2014年宝轮镇污水处理厂的1季度BOD排放浓度最高，2015年宝轮镇污水处理厂的1季度和昭化区泉坝污水处理厂的1季度BOD 排放浓度最高。2013年市区大一污水处理厂的尾水排放整体优于其他污水处理厂，2014年最好的是青川县污水处理厂，2015年是剑阁县城污水处理厂。

图1 不同季度污水处理厂尾水排放特征分析Fig.1 Analysis of tail water discharge characteristics of sewage treatment plants in different seasons

3.2 污水处理厂尾水排放特征变化及处理效率

利用四川省广元市污水处理厂在2013～2015年的例行监测数据，取各处理厂每年4个季度的pH、COD、BOD、TSS、FC、氨氮、总磷、总氮监测数据的平均值，根据公式：处理效率=(进口浓度-出口浓度)×100/进口浓度，计算出每年各污水处理厂的平均效率，得到表3～表5。

由表3～表5可知，2013～2015年的pH、COD、TSS、BOD、总磷5项指标均达到排放标准，其中pH在7.01～7.75之间，COD在9.75～35.25mg/L之间,TSS在1.17～15之间，BOD在1.5～14.15之间，总磷在0.14～0.88之间，均达到排放标准；2013年的8项指标均达到排放标准。2014年和2015年宝轮镇污水处理厂均有三项指标未达到排放标准，分别是FC、氨氮和总氮，2014年FC 超标严重有三个污水处理厂均不达标，分别是宝轮镇污水处理厂、苍溪县污水处理厂和普安县城市生活污水处理厂，其中宝轮镇污水处理厂的FC指标2015年(125 450mg/L)比2014年(97 760mg/L)严重；苍溪县污水处理厂在2014年的FC指标超标；普安县城市生活污水处理厂在2014年和2015年的FC指标超标；相较2014年苍溪县污水处理厂2015年尾水排放中FC有了明显降低，2015年的FC从2014年的50 558个/L降低到了1 375个/L。

根据平均值计算出的COD处理效率在2013～2015年分别为84.56%、91.33%、84.38%；氨氮的处理效率在分别为82.31%、80.70%、77.40%。

表3 2013年污水处理厂尾水排放特征变化及处理效率Tab.3 Change of Tailwater Discharge Characteristics and Treatment Efficiency of Sewage Treatment Plant in 2013

表4 2014年污水处理厂尾水排放特征变化及处理效率Tab.4 Change of tail water discharge characteristics and treatment efficiency of sewage treatment plants in 2014

表5 2015年污水处理厂尾水排放特征变化及处理效率Tab.5 Change of tail water discharge characteristics and treatment efficiency of sewage treatment plants in 2015

3.3 污水处理厂处理效率

利用四川省广元市污水处理厂在2013～2015年的例行监测数据，将各处理厂每年四个季度的COD、氨氮的监测数据取平均值，并根据公式：处理效率=(进口浓度-出口浓度)×100/进口浓度，计算出每年各污水处理厂的处理效率，得到如图2～图4。

图2 2013年各污水处理厂处理效率Fig.2 Treatment efficiency of sewage treatment plants in 2013

图3 2014年各污水处理厂处理效率Fig.3 Treatment efficiency of sewage treatment plants in 2014

图4 2015年各污水处理厂处理效率Fig.4 Treatment efficiency of sewage treatment plants in 2015

图2～图4中VVTP-1为宝轮镇污水处理厂；VVTP-2为广元大一污水处理有限公司；VVTP-3为旺苍县城市污水处理厂；VVTP-4为青川县污水处理厂；VVTP-5为剑阁县县城污水处理厂；VVTP-6为苍溪县污水处理厂；VVTP-7为普安县城市生活污水处理厂；VVTP-8为市昭化区泉坝污水处理厂。

如图2～图4所示，2013～2015年COD处理效率最高、氨氮处理效率最低的污水处理厂均是宝轮镇污水处理厂，而宝轮镇污水处理厂采用的处理工艺为改良型A2/O工艺，2013年～2015年COD处理效率、氨氮处理效率均较高的是苍溪县污水处理厂，而苍溪县污水处理厂采用的处理工艺是曝气生物滤池(BAF)工艺，说明不同的工艺对处理效率有影响，曝气生物滤池(BAF) 工艺处理COD和氨氮相比于其他工艺更优。就广元市目前情况而言，当前改良型A2/O工艺在COD处理效率上有较好的结果，而在氨氮的处理上结果不是很理想，而早前就有在研究中表明此工艺有较好的处理效果，如朱云鹏等[13]学者将改良型A2/O分段进水工艺用于污水厂升级改造，经改良后生物池对COD、NH4+-N和TN的去除率分别能够稳定维持在86.25%、95%和66%以上。采用改良A2/O工艺+深度处理工艺 (高密度沉淀池+微滤机+紫外线消毒) ，能够让出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 的一级A标准[14]。改良A2/O-MBBR适用于处理生活污水，具有良好的发展前景和推广价值[15]。说明不同的工艺对处理效率有明显影响，可再尝试不同的改良方式来提高各厂的处理效率。

4 结 论

4.1 2013～2015年各污水处理厂的pH值和TP浓度变化不大，均能达标，尾水大多呈弱碱性。不同污水处理厂和不同季度的污染物排放浓度也有所不同。2013年市区大一污水处理厂的尾水排放整体优于其他污水处理厂，2014年最好的是青川县污水处理厂，2015年是剑阁县城污水处理厂。

4.2 2013年的8项指标均达到排放标准，2013～2015年的pH、COD、TSS、BOD、总磷5项指标均达到排放标准。COD处理效率在2013～2015年分别为84.56%、91.33%、84.38%；氨氮的处理效率在分别为82.31%、80.70%、77.40%。

4.3 宝轮镇污水处理厂采用的处理工艺为改良型A2/O工艺，说明改良型A2/O工艺对于COD处理效率比其他工艺更好。不同的工艺对处理效率有影响，曝气生物滤池(BAF) 工艺处理COD和氨氮相比于其他工艺更优。