宜兴市典型污水处理厂水质特征分析及提标改造建议

2023-06-29汤映晖徐承志薛朝霞操家顺周秋丹

环境科技 2023年3期

汤映晖，徐承志，薛朝霞，操家顺，周秋丹

（1.江苏省宜兴市公用事业管理局，江苏宜兴 214205； 2.河海大学环境学院，江苏南京 210098；3.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098）

0 引言

由于国家不断加强对河湖环境污染的重视力度，各省、市、区根据自身实际的水环境特性相继制定相应的水污染防治保护政策。太湖流域横跨三省一市，随着苏南地区工业企业的快速发展，太湖水质不断恶化，导致“蓝藻”污染问题爆发[1]。为有效防止太湖流域水质进一步恶化，江苏省出台了一系列保护太湖流域水环境政策[2]。为进一步控制水体富营养化问题，2018年江苏省修订并发布了DB 32/1072—2018 《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》标准，将太湖流域污水处理厂划分为一、二级保护区和其他区域分别执行不同的污水排放标准[3]。根据新标准，各污水处理厂工艺亟待提标改造。

宜兴市地处太湖流域核心地带，该地区污水处理厂污水排放要求达到一、二级保护区污染物排放标准[3]。鉴于此，选取宜兴市某座典型污水处理厂为研究对象，对其进、出水水质特征进行系统分析，从而确定达标排放重点污染物，并提出相应的建议，以指导该厂工艺提标改造工作。

1 污水处理厂概况

宜兴市某典型污水处理厂处理规模为5 万m3/d，该厂进水主要包括生活污水和工业园区工业废水，其中工业废水占比为40%。工业废水中难降解化学需氧量（COD）质量分数为38%，其与生活污水混合后导致污水可生化性下降，因此，通过设置水解酸化池可有效调节水质和转化难降解COD，提升污水可生化性作用[4]。该厂采用“平流沉砂池+ 传统AAO（厌氧+缺氧+好氧脱氮除磷）+转盘滤池”工艺。出水执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准，但由于DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》要求更为严格，故通过系统分析2017年～2019年近3年该厂进、出水水质特征，用以指导该污水处理厂工艺提标改造工作。

2 进、出水水质

2.1 进、出水水质指标

宜兴市某典型污水处理厂进、出水水质指标分析见表1。

表1 宜兴市某典型污水处理厂进、出水水质指标mg·L-1

由表1 可以看出，该污水处理厂除COD，SS 和TP 浓度高于太湖流域污水处理厂均值外，其余指标浓度均低于太湖流域污水处理厂进水均值[5]，其中，SS 去除率最高，TN 去除率最低。该厂出水中COD，TN，TP 和NH3-N 浓度均满足GB 18918—2002 《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准，但相比DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》一、二级保护区标准还存在较大差距[6]。其中，出水中COD，TN 和TP指标浓度均未达标，TN，COD 达标率分别仅为39.1%和45.5%，TP 达标率为82.5%，因此，该厂提标改造的重点是确保COD，TN 和TP 指标浓度稳定达标。

该污水处理厂出水水质指标与标准对比见表2。

表2 该污水处理厂出水水质指标与标准对比mg·L-1

2.2 进水污染物浓度

该厂进水污染物浓度累积率分析见图1。

图1 污水处理厂进水污染物浓度累积率

由图1 可以看出，2017年～2019年3年间该厂进水污染物浓度对应累积率排位中50%和80%可分别反映该厂常年进水污染物累积率均值和典型代表值[7]。

与太湖流域污水处理厂进水污染物浓度均值相比，该厂进水中BOD5和COD 浓度普遍偏低，导致进水碳源不足，微生物无法有效去除N,P[8]。推断原因是由于该地区地下管网建设不完善，地下水水位高，易发生入渗现象，且进水COD 中难降解COD 占比高达38%，导致污水可生化性进一步下降[9]。因此，该厂需投加外部碳源以保证微生物高效脱氮除磷，重要的是设置水解工艺可将进水中高占比难降解COD 转化为微生物易降解COD，提高了进水碳源水平，减少投加外部碳源量。

2.3 进水主要影响因子

该污水处理厂进水营养比例见图2。

图2 污水处理厂进水营养比例

（1）ρ（BOD5）/ρ（COD）

ρ（BOD5）/ρ（COD）一般用于评价污水的可生化性水平，ρ（BOD5）/ρ（COD）越大，说明微生物更容易降解水中有机物，直接影响污水厂脱氮除磷效果[10-11]。一般认为，当ρ（BOD5）/ρ（COD）大于0.3 时，说明污水适宜采用生化处理，具有可生化性；当ρ（BOD5）/ρ（COD）大于0.5 时，说明污水可生化性较好，更有利于进行生物脱氮[12-13]。由图2（a）可以看出，该污水处理厂常年进水（50%）ρ（BOD5）/ρ（COD）小于0.32，进水（80%）ρ（BOD5）/ρ（COD）小于0.33，说明该厂进水基本满足可生化处理要求，但总体进水ρ（BOD5）/ρ（COD）仍偏低，说明生物处理能力较差。原因是由于污水厂原水中40%为工业废水，水质波动大，且原水COD 中38%为难降解COD，造成污水可生化性较差。

（2）ρ（SS）/ρ（BOD5）

ρ（SS）/ρ（BOD5）一般用于评价污水中悬浮固体对活性污泥产率和活性的影响，当进水SS 浓度过高，且预处理沉淀效果差的情况下，由于进入生化系统的悬浮固体量增多，导致生化系统加大排泥量，因系统内缺少足够多的生物量，使得污泥活性降低，难以保障出水达标排放[14]。由图2（b）可以看出，该污水处理厂进水ρ（SS）/ρ（BOD5）在0.91 ～ 7.60 之间波动，该厂常年进水（50%）ρ（SS）/ρ（BOD5）小于2.50，进水（80%）ρ（SS）/ρ（BOD5）小于3.35，进水ρ（SS）/ρ（BOD5）大于1.5 的占比为93.8%。说明该厂常年进水ρ（SS）/ρ（BOD5）大于1.5，易造成污泥活性降低，故应采取强化沉淀措施，延长沉砂池停留时间，保证后续生化系统的运行。

（3）ρ（BOD5）/ρ（TN）

ρ（BOD5）/ρ（TN）一般用于评价碳源与微生物反硝化脱氮能力的关系，碳源是影响反硝化效果的重要因素，ρ（BOD5）/ρ（TN）越高，说明反硝化进行的越彻底，脱氮能力越强[15-17]。一般认为，当ρ（BOD5）/ρ（TN）大于2.86 时，才可进行反硝化。根据DB 32/1072—2018 《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》提标技术指引要求，只有当ρ（BOD5）/ρ（TN）大于5 时，原水中才拥有足够的碳源进行反硝化[18]。由图2（c）可以看出，该污水处理厂常年进水（50%）ρ（BOD5）/ρ（TN）小于3.35，进水（80%）ρ （BOD5）/ρ （TN）小于 4.37，进水 ρ （BOD5）/ρ（TN）小于5 的占比为89.1%。说明该厂进水碳源难以满足完全进行反硝化需求，需投加外部碳源以保证脱氮效果，同时，由于进水COD 中38%为难降解COD，需设置水解酸化工艺和提升进水BOD5浓度。

（4）ρ（BOD5）/ρ（TP）

ρ（BOD5）/ρ（TP）一般用于评估污水是否可以生物除磷，进水中BOD5是除磷菌活动的营养基质，除磷菌先利用BOD5完成厌氧释磷过程，最后在好氧池中完成吸磷过程，通过排泥去除TP[19]。一般认为，当ρ（BOD5）/ρ（TP）大于20 时，污水具有较好的生物除磷条件。由图2（d）可以看出，该污水处理厂常年进水（50%）ρ（BOD5）/ρ（TP）小于20.61，进水（80%）ρ（BOD5）/ρ（TP）小于40.19，进水ρ（BOD5）/ρ（TP）大于20 的占比为81.9%。说明该厂进水基本满足生物除磷要求。

2.4 全流程进、出水中各种污染物指标浓度变化

通过在污水厂各工艺内设置不同的取样点，分析污染物沿程的变化情况，从而及时发现工艺运行过程中存在问题，为后续工艺优化提供科学依据，对提升污水厂出水指标具有重要的指导意义[20]。通过连续5 d 测定该厂全流程进、出水中污染物各指标浓度，旨在更好地反映各工艺段单元的实际运行状况，为提标改造提供科学依据。

全流程进、出水中各种污染物指标浓度变化见图3。

图3 全流程进、出水中污染物各指标浓度变化

（1）DO

工艺运行过程中控制DO 浓度对保证脱氮除磷的效果和出水稳定达标起着至关重要的作用[21]。

由图3（a）可以看出，AAO 生物池厌氧池中DO质量浓度为0.35 mg/L，根据脱氮除磷要求，厌氧池中DO 质量浓度应控制在0.1 mg/L 以下，否则不能满足厌氧环境，将直接影响生物释磷过程。缺氧池中DO 质量浓度为0.32 mg/L，说明具有较好的缺氧环境，有利于脱氮反硝化过程的进行。好氧段中DO 质量浓度为5.28 mg/L，说明DO 浓度过高，一方面可能导致内回流带入大量的DO，从而破坏缺氧环境；另一方面由于曝气强度过高，导致该厂能耗和成本增加。因此，该厂应加强控制厌氧池段DO 浓度以保证厌氧环境，且降低好氧池段DO 浓度以降低能耗水平。

（2）COD

由图3（b）可以看出，进水中COD 质量浓度为123.2 mg/L，且波动较大。经过预处理工艺后，COD浓度略有降低，颗粒态COD 去除效果不明显。进入厌氧池后，COD 质量浓度降至55 mg/L，结合全流程TN 浓度变化情况，2 池均发生了反硝化脱氮，导致COD 浓度消减明显。好氧池出水中COD 基本为难降解COD，浓度保持不变。出水中COD 质量浓度为35 mg/L，满足一级A 排放标准，但由表3 可以看出，常年COD 排放浓度仍不满足DB 32/1072—2018一、二级保护区排放要求，达标率仅为45.5%。

（3）NH3-N

由图3（c）可以看出，进水中NH3-N 平均质量浓度为11.8 mg/L，且波动不大。经过预处理工艺后，NH3-N 浓度基本保持不变。进入厌氧池后，NH3-N浓度明显下降，推断原因是由于回流污泥的稀释。去除NH3-N 主要在好氧池中完成。出水中NH3-N 质量浓度为1.47 mg/L，可满足DB 32/1072—2018 一、二级保护区排放要求，达标率可达97%。

（4）TN

由图3（d）可以看出，进水中TN 质量浓度为15.28 mg/L。经过预处理工艺后，TN 浓度基本保持不变。进入厌氧池后，根据全流程DO 浓度变化情况，厌氧池和缺氧池均发生反硝化脱氮过程，因此，TN 质量浓度削减了4.64 mg/L。后续段TN 浓度基本保持不变，出水中TN 质量浓度为9.5 mg/L，由表3 可以看出，出水中TN 浓度不满足DB 32/1072—2018 一、二级保护区排放要求，达标率仅为39.1%。

（5）TP

由图3（e）可以看出，进水中TP 质量浓度为1.2 mg/L，且波动较大。经过预处理工艺后，TP 浓度基本没有变化。进入厌氧池后，TP 浓度未有明显上升，根据全流程DO 浓度变化情况，厌氧环境未能形成，从而导致无明显厌氧释磷现象。进入缺氧池后，TP 浓度有所提升，说明DO 浓度控制水平低，缺氧池内发生了释磷现象。通过好氧池后，TP 浓度明显下降，主要原因是投加了除磷药剂，整个过程中生物除磷现象不明显。出水中TP 质量浓度为0.13 mg/L，由表2可以看出，运行期间出水中TP 浓度已达标，但与DB 32/1072—2018 中一、二级保护区要求仍有差距，达标率为82.5%。

3 分析与建议

3.1 提标改造难点

根据该污水处理厂概况，该厂进水中由于接入40%工业废水，与生活污水混合进行处理，导致进水水质波动大，可生化性差，加大了污水处理厂处理难度，在新标准要求进一步提升出水水质的情况下，该厂污水处理工艺亟待提标改造。

宜兴市某污水处理厂提标改造的难点在于出水中COD 和TN 浓度过高，出水达标率分别仅为45.5%和39.1%。去除COD 的难点在于难降解COD 占比过高，导致原水可生化性差，对去除TN 也有影响，同时出水COD 中难降解COD 占主要成分，导致出水COD 浓度难以进一步降低。去除TN 的难点在于传统工艺中AAO 池脱氮效果差，以及运行过程中存在碳源不足，DO 浓度和回流比控制不佳等问题，影响了主体工艺对TN 的进一步去除，且深度处理工艺对TN 无深度去除作用，导致TN 出水难以达标。

3.2 提标改造建议

根据以往案例报道和该厂出水难点水质指标，结合进、出水水质特征分析，提出相应的提标改造建议。

（1）COD。 ①强化源头控制，重点关注接入企业工业废水的情况，加强水质实时监测；②在生物池前端增设水解酸化池工艺，不仅可发挥缓冲水质作用，还可提升污水可生化性，发掘内部碳源，减少外部碳源的投加量；③强化深度处理工艺，可增设高级氧化或活性炭吸附等物化处理工艺[22-23]。

（2）TN。 ①在不改造原池情况下，可通过增大内回流比，投加碳源以保证反硝化过程充分进行；②对原池进行改造，可将传统AAO 池改造为五段式改良AAO 工艺，即增加了前置生物选择池，采用分段进水的方式，监测各工艺段pH 值与TN 浓度变化的相关性，根据DO 浓度和碳氮比，调整分段进水水量，更好地发挥生物池脱氮作用； ③增设或改造深度处理反硝化滤池工艺，进一步提升TN 的去除效率[24-25]。

（3）其他问题。 ①对于进水中ρ（SS）/ρ（BOD5）较高问题，可采用延长沉淀时间，或改造沉砂池为旋流沉砂池或曝气沉砂池，强化去除SS；②对于生物除磷效果差问题，一方面需控制厌氧池DO 浓度，保证厌氧环境，另一方面可采用分段进水方式，减少释磷菌与反硝化菌竞争作用，以保证脱氮除磷效果；③加强水质监测，及时更换老化设备，尤其是曝气系统需进行升级改造。