中水站高氨氮进水调研及FCR 工艺处理效能分析

王家祥朱兆亮郝连杰温璐菁

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101；2.山东国辰实业集团，山东 济南 250300；3.光大水务(济南)有限公司，山东 济南 250031)

0 引言

近年来，特别是“十四五”规划提出以来，国家将生态环境保护贯穿到高质量发展的各个方面，并提出持续减少主要污染物排放总量和明显改善城乡人居环境的目标，污水处理基础设施建设得到大力发展[1-2]。 山东省政府为改善村镇水环境，大力建设村镇污水管网和区域中水站。 但在中水站的运行过程中，出现了原水氨氮(NH4-N)、总氮(Total Nitrogen，TN)值远超设计值的现象，增加了中水站的处理难度，也大大提高了处理成本。

生活污水是居民生活活动所产生的污水，来源于厕所、洗涤和洗澡。 总体污染物的浓度不是很高，可生化性较好，凯氏氮约为40 mg/L(其中有机氮和NH4-N 约为15、25 mg/L)。 高氨氮污水一般来源于工业排放，化肥废水、味精废水、焦化废水、垃圾渗滤液、煤气废水等都具有高氨氮的特点[3]。 在农业生产中，未被利用的氮肥＞50%，流失到江河湖泊和地下水中，形成农业灌溉废水，其中就含有很高的NH4-N[4]。 进水NH4-N 超标会对中水站正常运行产生的影响有:(1) 会对生化反应池里的有机物降解菌和硝化菌产生抑制作用，对生化处理设施造成冲击，并使原生和后生动物为适应高氨氮环境形成胞囊[5]；(2) 中水站需增大曝气量来强化硝化反应[6]；(3) 用于去除总氮的碳源不足，必须加大碳源的投加量[7]。 针对生活污水高氨氮的问题，已经有学者做出调研和分析:贾军峰等[5]认为随着人们生活水平提高和生活习惯的改变，生活污水普遍存在高氨氮、低碳氮比的情况；谢东[8]通过对县城高氨氮水质调研和监测，发现排水系统雨污分流建设不彻底和个别工业企业对工业污水不达标偷排，是导致污水处理厂氨氮负荷高的主要原因；程兴罡[9]认为高氨氮、 低化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)水质在工业生活污水中较常出现，工业生产中无组织排放氮源混杂入生活污水中，可导致污水中氨氮浓度指标明显增高；肖春等[10]在包头市展开了对污水厂进水高氨氮和高COD 原因的调研，发现用水量的差异及不同的排水体制是造成进水水质有差异的主要原因。

文章通过对小区中水站原水来源的走访调研、水质监测和问卷调查，并经过数据分析查找高氨氮水质的原因；同时，针对该街道中水站采用的匈牙利立体生态污水处理技术——食物链反应器(Food Chain Reactor，FCR)工艺，通过对中水站主要构筑物的出水进行取样、化验分析、数据统计和整理分析，研究FCR 在高氨氮原水质情况下的处理效能。

1 中水站进水高氨氮原因调查

1.1 中水站水质现状

选择了济南市孝里街道污水处理中水站，其规模为4 000 m3/d，污水来源为附近21 个小区内的生活污水，中水站设计阶段参考常规生活污水水质，设计进水水质见表1。 然而，中水站运维阶段水质实际测验数据显示，进水NH4-N、TN 分别为60～120 和80～140 mg/L，远高于常规生活污水正常的NH4-N 值和TN 值。 为此，开展中水站原水高氨氮原因调研。

表1 中水站设计进水水质表

1.2 调研策略

调研方式包括小区住户交流、水样收集测验、数据分析、中水站运营单位座谈、镇政府与水务单位走访交流等[11]。

1.2.1 管线及小区巡查

参考该镇街道污水管网的布置图，依次巡视主干管、干管；确定每个小区的检查井位置及化粪池设置情况；调查农田水利和排水设施的分布；调研周边工业企业以及养殖企业状况。

1.2.2 取样测验

走访小区居民，调查作息时间。 洗漱做饭的时间为小区污水量最大的时间，这段时间取样最具代表性。 取样时间定为8:00—9:30 和18:00—19:00，对每个小区的出水总井进行取样。 取样次数为两次，上午、下午各1 次，混合两次样品作为待测水样。

1.2.3 监测方法

使用污水取样器(北京市格雷斯普科技开发公司)进行取样，采样位置在构筑物出水口水深1/2处。 取样后倒入烧杯静置10 min。 沉淀后取上清液，用滤纸和漏斗过滤，对过滤后的样品进行COD、NH4-H、TN 和TP 的测验，每个样品进行3 次平行实验[12]。 用COD、NH4-H、TN 和TP 在线自动分析仪(无锡富机自动化仪表有限公司)测定各污染物的质量浓度。 由于中水站原水过滤后的各项水样质量浓度过大，采用超纯水稀释10 倍后再进行测试。

1.3 调研结果及数据

通过管线及小区巡视，未发现管网沿线有工业企业，也不存在工业污水偷排的污水管道和农业灌溉废水混入的情况。 小区每栋楼均至少设置一座化粪池。 中水站收集的污水来自A、B、C 和D 片区的21 个小区，其水样测验数据见表2。

表2 济南市某街道21 个小区污染物质量浓度表单位:mg·L-1

由表2 中数据可知:(1) A06、A07 小区NH4-N和TN 数值远低于设计进水的NH4-N、TN 值，COD值也低于其余19 个小区。 其余小区的NH4-N 和TN 数值多数明显高于生活污水的常规数值。(2) A08、 A10 和A12 小区的COD、NH4-N、TN 和TP 的数值都极高，3 个小区的取水样品呈黑褐色，臭味很大，含有大量的悬浮固体和沉淀固体。(3) A01、A10、A12、A13、B03 的NH4-N 指标是中水站设计NH4-N 指标的3 倍以上；A01、A08 和A13 的TN 指标是设计指标的3 倍以上，D01 的TN 指标甚至超过4 倍。 可见，各小区污水普遍存在NH4-N、TN 超标的问题。

1.4 原因分析

通过与小区物业管理公司、街道政府和自来水公司进行座谈交流，收集基础数据，并采用问卷方式进行调研，总结中水站进水中NH4-N 和TN 较高的原因。

该街道小区总户数为11 531 户，常住人口每户人数约为3 人。 小区居民均是附近农村迁建项目搬迁的农民。 在农村生活时，农户用水水费价格很低，甚至免费，但在搬到迁建小区后，居民全部用上自来水，水费的价格比农村用水高了很多。 迁建来的居民收入水平与城镇居民相比较低，并且小区住户的年轻劳力大部分都在外打工。 小区常住人口的70%为60 岁以上的老人，平时在生活上一直比较节俭，所以节约用水的习惯比较普遍。 查验小区用水量，推算居民用水量约为77 L/(人· d)，低于山东地区城市居民生活用水量标准(85～140 L/(人· d))，日用水量明显偏少。

对小区居民展开关于节约用水的调查问卷，采用随机抽样调查，问卷形式为线下问卷，现场发放并回收问卷，样本数量为1 000 份。 由于存在调研对象年龄过大和理解力较低的现象，筛选问卷，共剔除无效问卷132 份，有效问卷共计868 份，问卷有效率为86.8%。 调查问卷情况见表3。

表3 调查问卷情况表

分析调研问卷发现，82.49%的小区居民认为节约用水是有必要的，且居民的节水意识较好。 在日常生活中，洗澡是用水量最大的。 68.43%的住户洗澡时间＜15 min，24.31%洗澡时间为15 ～25 min，仅有7.26%的居民洗澡时间＞25 min。 所以，住户节约用水习惯是该街道生活污水中NH4-N 和TN 偏高的主要原因。

A06、A07 小区水样污染物质量浓度低，可能因为取样选在大雨后第二天，下雨导致雨水溢流至污水管道中，稀释了各项污染物，致使检测的数据偏低。 但是，两个小区TP 被稀释后，浓度依然较高，推测是由于大量使用含磷洗涤剂所致。 另外，A08、A10、A12 小区内存在做卤肉熟食的商户，食物残渣以及卤水等餐厨垃圾排入小区内污水管网，造成该区COD、TN、TP 和NH4-N 较高。 餐厨垃圾含有蛋白质、氨基类、腈类、嘌呤、嘧啶和硝基化合物等[13]，有机氮含量比较高；同时，商户清洗用水时需要使用大量的肥皂、洗洁精一类的洗涤剂，会产生大量的洗涤废水，这些洗涤剂大部分含磷量较高，也是这3 个小区COD 和TP 偏高的原因之一。 由于A01、A13、B03 和D01 这4 个小区居民十分密集、人员多、厕所使用频率高、粪尿量比较大，导致NH4-N 及尿素等有机氮较高。

因此，小区居民的节约用水习惯，洗涤剂的大量使用以及粪尿量相对集中都是导致该区域生活污水NH4-N、TN 偏高的原因。

2 中水站污水处理FCR 工艺处理效能

2.1 立体生态污水处理技术

为解决21 个小区污水收集和处理问题，街道政府建设了4 000 m3/d 的中水站，处理后的水质达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准[14]，可用于社区绿化喷灌、道路浇洒及冲厕等。

中水站处理工艺的选择考虑了高效低耗、节省占地面积，同时兼顾对周边环境的影响，采用匈牙利典尼卡公司食物链反应器FCR，亦称为立体生态污水处理技术，是固定生物膜活性污泥法(Integrated Fixed-film Activated Sludge，IFAS)的先进代表[15]。FCR 是以生物接触氧化为基础，同时兼具人工湿地系统的特点，在池体上部种植根系发达的美人蕉、芦苇、长春花等多种挺水植物，并用植物根系和生物纤维做的人造根须结构作为生物膜载体[16]，工艺末端后置强化脱氮。 中水站FCR 工艺原理图及现场照片如图1[17]、2 所示。

图1 中水站FCR 工艺原理图

图2 中水站FCR 工艺现场图

选用立体生态污水处理技术，具有以下优势:

(1) 占地面积小 工艺以发达的植物根系和人造纤维根系为生物膜载体，比表面积更大，可高达12 000 m2/m3[18]。 现场人造纤维根系生物膜载体如图3 所示。

图3 现场被生物膜覆盖的人造纤维根系图

(2) 抗冲击负荷能力强 FCR 工艺中参与污水净化的微生物种类繁多、类型广泛，其数量可达3 000多种，生物的食物链长且复杂，而常规活性污泥法微生物种类一般为800 多种。 当处理水量和水质发生较大变化时，能很快恢复生物处理能力，达到稳定的出水效果[19]。 FCR 工艺和活性污泥法的微生物在种类和数量的比较见表4。

表4 FCR 工艺与活性污泥法的微生物种类和数量对比表

(3) 污泥产量低 反应器内存在着一条有机物-细菌-原生动物-后生动物的食物链。 由于原生动物和后生动物的捕食作用，从而降低了污泥成分中的细菌与微生物含量[20]。

(4) 生态景观优美 与传统的活性污泥污水厂相比，FCR 系统用玻璃房构建温室结构，内部种植挺水植物，营造出植物园般的外观。 中水站运营过程基本不产生臭味，生态处理系统空间高度集约，节省土地面积，与城市小区相得益彰。

(5) 处理系统能耗低 反应器里的微生物群落全部依附生长在植物根系以及人造根须上面，使污水中的悬浮污泥大大减少，提高了溶解氧在水中的传递效率[15]。 所需的曝气量更少，FCR 工艺与其他方法相比能耗可减少20%～50%。 以活性污泥法能耗100%作为参考，FCR 工艺与活性污泥法、序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR)、移动床生物膜反应器(Moving-Bed Biofilm Reactor， MBBR) 和膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)能耗对比如图4 所示。

图4 FCR 工艺与其他工艺能耗对比图

2.2 中水站工艺流程及设计参数

2.2.1 中水站工艺流程

中水站工艺流程如图5 所示。 一级处理为细格栅＋调节池，主要去除SS 以及均化水质和水量。 二级处理为FCR 池＋二沉池，深度处理采用絮凝池＋盘式过滤器＋消毒池。 消毒剂采用NaClO。

图5 中水站工艺流程图

二级处理主体工艺为食物链反应器FCR，包括厌氧池1 段、缺氧池1 段、好氧池1 段、缺氧池2 段、好氧池2 段，如图6 所示。 厌氧1 聚磷菌在厌氧条件下释放磷，一些小分子溶解性有机物被去除，同时部分有机物进行氨化。 缺氧1 硝态氮通过内循环由好氧反应池输送到此段，反硝化作用将硝态氮转化成N2，完成脱氮。 好氧1 这一反应单元是多功能的，去除COD，硝化和聚磷菌吸收磷等均在此处进行。缺氧2 异养菌将前3 段反应器未除尽中的淀粉、纤维、碳水化合物等污染物及可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物；同时，在此阶段投加CH3COONa，异养菌的反硝化作用将硝态氮还原为N2，强化脱氮。 好氧2 将缺氧2 段的小分子有机物好氧分解，通过硝化作用将剩余的NH4-N 氧化为硝态氮。

图6 FCR 工艺流程图

2.2.2 中水站设计参数

中水站各构筑物及设备设计参数见表5。

表5 中水站设计参数表

2.3 中水站FCR 工艺运行效能

为了研究中水站FCR 工艺面对高NH4-N、高TN 污水处理效能及工艺的稳定性，对中水站进、出水水质进行监测和分析研究。 一段时间内中水站运行稳定后的数据如图7 所示。

图7 中水站COD、NH4-N、TN 及TP 数据分析图

由图7 可以看出，中水站出水COD＜30 mg/L、NH4-N ＜1 mg/L、TN ＜15 mg/L、TP 平均约为0.5 mg/L，达到了一级A 标准。

FCR 反应池对NH4-N、TN、COD 的去除率分别＞99%、85%和80%，FCR 工艺的脱氮能力和对COD的去除能力很强，为水处理微生物创造了适合生长栖息、繁衍的稳定环境。 在FCR 池内，根系附着的生物膜和悬浮的少量活性污泥能够高效互补地进行硝化、反硝化作用，达到净化污水的效果。 根系附着的微生物不会像活性污泥法受到强烈的搅拌冲击，宜于生长增殖，会使参与净化反应的微生物多样化，因此污水净化能力显著。 参与硝化反应的硝化菌和亚硝化菌的世代时间都比较长，比增殖速度较小。如亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、硝化杆菌属(Nitrobacter)的比增殖速度分别为0.21 和1.12 d-1。在一般生物固体停留时间较短的活性污泥工艺中，这类细菌难以存活。 在FCR 处理系统中，生物污泥的污泥龄与污水的停留时间无关，有利于硝化菌、亚硝化菌的繁衍和增殖，因而FCR 工艺有着很高的NH4-N、TN 去除率。

FCR 池除磷效果不太稳定，最高、最低的去除率分别为90.4%和21.0%。 生物除磷的机理是聚磷菌(Acinetobacter、Pseudomonas、Aerobacter、Morarella、E.Coli、Mycobacterium和Beggiatoa等)在好氧环境中超量摄取磷，再排放含磷剩余污泥。 污泥龄的长短对聚磷菌的摄磷作用和剩余污泥排放量有着直接的影响，污泥龄越长，聚磷菌摄取的磷越少，污泥中的磷含量降低，导致除磷效果降低。 在生物除磷工艺中，一般采取较短的污泥龄(3.5 ～7 d)。 FCR 工艺的污泥龄较长，因此除磷效果一般。

中水站监测进水水质波动较大，进水NH4-N 为60～130 mg/L、TN 为80 ～170 mg/L，都远超设计值，但中水站出水的NH4-N、TN 指标都能达到设计标准。 因此，运行数据显示FCR 工艺对进水水质变化有较强的适应性和抗冲击负荷能力。 FCR 反应池分5 段运行，每段都繁衍与进入本段污水水质相适应的微生物，并形成优势种属，有利于微生物的新陈代谢和对水质波动的适应。

通过对中水站长期运行监测，得到的平均数据见表6。 由数据计算可知:FCR 池COD 去除率达86%，中水站整体去除率达到92.5%；FCR 池NH4-N去除率高达99.4%，中水站整体去除率为99.8%；FCR 池TN 去除率高达90.1%，中水站整体去除率为91.3%；FCR 池TP 去除率达到50.3%，中水站整体去除率为92%。 FCR 反应池承担了中水站约93%的COD、99.6%的NH4-N、98.7%的TN 和54.7%的TP 去除，是中水站的核心处理构筑物。 中水站平均进水NH4-N为94.1 mg/L、TN 为124.5 mg/L，远超常规生活污水的正常NH4-N、TN 值，进水的冲击负荷很大。 FCR 反应池使出水NH4-N、TN 分别降低至0.56和12.3 mg/L，脱氮效能稳定高效。

表6 中水站长期监测平均数据表 单位:mg·L-1

2.4 中水站投资运行费用

工程总投资约为2 300 万元，其中土建费为800 万元，设备材料安装费为1 500 万元。 中水站运营费用主要包括药剂费、电费、人工费，其中为保障氮排放达标，药剂费中所需碳源投加量占比大，现场用CH3COONa作为外加碳源，按去除1 kg NO3-N 投加5 kg碳源(以COD 计)，碳源费用约为1.47 元/t，其他药剂费约为0.30 元/t，电费约为1.11 元/t，中水站按2 人值班，人工费为0.23 元/t，总运营费约为3.11 元/t。

3 结论

通过以上研究，得到以下结论:

(1) 中水站进水NH4-N、TN 质量浓度超高的主要原因是小区居民节约用水的习惯，生活洗涤剂的大量使用以及粪尿量相对较高。 此外，部分小区内存在做卤肉熟食的小作坊，食物残渣以及餐厨垃圾排入小区污水管网，造成小区内COD、NH4-N 和有机氮质量浓度偏高。

(2) 在居民小区生活污水的NH4-N、TN 质量浓度较高的状况下，中水站设计选用的FCR 技术对环境变化的适应性和抗冲击负荷能力强，脱氮效能显著。 在进水NH4-N 为60 ～130 mg/L 时，仍然能保持极高的脱氮效果，使出水的NH4-N＜5 mg/L、TN＜15 mg/L。在中水站长期运行的过程中，能使NH4-N、COD、TN、TP 去除率分别达到99.8%、92.5%、91.3%、92.0%，FCR 技术在应对高氨氮、高总氮污水方面显示了强大的处理能力。

(3) FCR 技术用温室内的植物园式设施群替代了水泥建筑群式的传统污水处理厂，将充分体现大自然魅力的设计融入到城市的全景之内，且几乎不产生臭气，完美符合未来“新概念污水处理厂”的理念，能够做到与社区居民融合。 较低的污泥产生率、相对传统污水厂较低的能耗和立体空间节约用地和基建，能够带来低成本效益，使中水站污水处理低碳高效。