李小紅， 劉正實(shí)， 徐龍君， 張海東， 李小慶， 李 禮

(1.重慶工商大學(xué) 國家智能制造服務(wù)國際科技合作基地，重慶400067；2.重慶市渝北區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 401120；3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；4.重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067；5.重慶化工職業(yè)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，重慶 400020；6.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147)

2015年，全國廢水排放總量735.3億T，與2014年相比增加了19.1億T。其中，工業(yè)廢水排放量199.5億T(比2014年減少5.8億T)、城鎮(zhèn)生活污水排放量535.2億T(比2014年增加24.9億T)。至2014年我國城鎮(zhèn)共有污水處理廠6 031座，全年污水處理總量494.3億T，比上年增加12.43%[1]。城鎮(zhèn)污水主要是生活污水，且工業(yè)廢水以農(nóng)副食品加工的廢水為主[2]。其水質(zhì)特點(diǎn)是有機(jī)物含量低，水質(zhì)和水量波動(dòng)幅度較大，不穩(wěn)定，特別是COD、SS兩項(xiàng)指標(biāo)[3]；BOD5、TN同步關(guān)系較好，碳氮比值比較理想，絕大部分時(shí)間的比值大于3.5；BOD5/COD比值大部分時(shí)間大于0.45，污水可生化性好。

目前，污水處理工藝較多，主要可分為活性污泥法工藝和生物膜法工藝[4-5]。其中，活性污泥法工藝包括A2/O(厭氧-缺氧-好氧法)、SBR(序批式活性污泥法)、氧化溝法、AB(吸附-生物降解法)、UniTank(一體化活性污泥法)工藝、CASS(周期循環(huán)活性污泥法)工藝等[6]。氧化溝類工藝、SBR類工藝、An/O工藝占全國城鎮(zhèn)污水處理廠總數(shù)的81.44%，是現(xiàn)階段我國城鎮(zhèn)污水處理工藝主力軍[7]。

重慶市位于我國內(nèi)陸西南部、長江上游地區(qū)。重慶的汽車、計(jì)算機(jī)、通信和其他電子設(shè)備制造業(yè)等支柱產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量和效益明顯提高，城市污水處理將面臨前所未有的壓力。對(duì)重慶市轄區(qū)內(nèi)43家污水處理廠處理工藝使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖1)，采用氧化溝工藝的污水處理廠數(shù)量占全市的58.14%，處理能力比例為43.28%，因此選取采用氧化溝工藝的污水處理廠為研究對(duì)象，對(duì)污水處理廠水質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)研究，以期為污水處理廠的監(jiān)督管理、處理工藝提標(biāo)升級(jí)和水污染物總量控制提供參考資料。

注：內(nèi)圈表示工藝數(shù)量比例，外圈表示工藝對(duì)應(yīng)能力比例

圖1工藝數(shù)量與對(duì)應(yīng)處理能力圓環(huán)圖

Fig.1Circulargraphofthetechnologicalnumberandprocessingcapacity

1 數(shù)據(jù)來源及評(píng)價(jià)方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為全面、準(zhǔn)確地掌握采用氧化溝工藝處理技術(shù)的城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行狀況，選取重慶市轄區(qū)內(nèi)污水處理廠24家，以COD、NH3-N、BOD5、TN、TP、SS為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，監(jiān)測時(shí)段為2015—2017年，水質(zhì)取樣在污水處理廠處理工藝進(jìn)口和末端排放口(出口)，以日均濃度結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 評(píng)價(jià)方法

對(duì)參與評(píng)價(jià)的各項(xiàng)因子，其值分別與《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)進(jìn)行對(duì)照，計(jì)算出單個(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率。

單個(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)監(jiān)測達(dá)標(biāo)次數(shù)占監(jiān)測總數(shù)的百分比，如式(1)所示：

(1)

式(1)中，E為單個(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率；Ne為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)監(jiān)測達(dá)標(biāo)次數(shù)；Nt為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)監(jiān)測總次數(shù)。

監(jiān)測濃度超過排放標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，超標(biāo)倍數(shù)如下式所示：

(2)

式(2)中，Q為超標(biāo)倍數(shù)；Ci為監(jiān)測濃度；C0為標(biāo)準(zhǔn)濃度限值 。

最大超標(biāo)倍數(shù)為指標(biāo)所有超標(biāo)倍數(shù)的最大值。平均濃度、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)和四分位差下式所示：

(3)

(4)

(5)

Qd=QU-QL

(6)

表1 水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：① NH3-N括號(hào)外的數(shù)字為水溫大于12 ℃時(shí)的控制指標(biāo)，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為水溫小于12 ℃時(shí)的控制指標(biāo)。

② TP括號(hào)外的數(shù)字為2006-01-01起建設(shè)時(shí)的控制指標(biāo)，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為2005-12-31前建設(shè)時(shí)的控制指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 達(dá)標(biāo)率分析

污水處理廠進(jìn)、出口水質(zhì)統(tǒng)計(jì)如表2所示。按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， 24家污水處理廠出水水質(zhì)COD、NH3-N、BOD5、TN、TP和SS達(dá)標(biāo)率分別為99.5%、99.5%、100%、98.3%、97.8%和100%。COD、NH3-N、TN、TP最大超標(biāo)倍數(shù)分別為0.43、0.79、0.70、0.45。統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)超標(biāo)水質(zhì)大多數(shù)進(jìn)水BOD5/TP<20 ，因此，出水TP很難達(dá)到 1 mg·L-1[8]。超標(biāo)污水處理廠建成投產(chǎn)時(shí)間相對(duì)較早，部分設(shè)備已出現(xiàn)老化、銹蝕和破損，處理能力減弱，這就要求污水處理廠通過提高運(yùn)行管理水平，合理調(diào)整工藝參數(shù)(如調(diào)整曝氣量及污泥回流比，控制污泥濃度，控制整個(gè)系統(tǒng)各段的溶解氧濃度)，輔以化學(xué)除磷，COD、TN和TP的去除效率會(huì)更好[9-11]。

2.2 污染物去除效率分析

由表2還可知，在6項(xiàng)指標(biāo)中，平均去除效率較高的是NH3-N和BOD5，分別為94.8%、92.1%，較低的是TP和TN，分別為77.7%、71.3%。

圖2 去除效率的箱線圖

2.3 出水濃度分布特征

表3列出了不同季節(jié)出水中各污染物的濃度?？梢?，NH3-N、COD、TN和BOD5濃度隨季節(jié)的變化特征基本一致，即夏、秋季低于春、冬季，主要原因是受夏、秋季降雨的影響，城鎮(zhèn)管網(wǎng)沒有完全雨污分流，導(dǎo)致進(jìn)口濃度夏、秋季低于春、冬季。SS濃度春、夏季高于秋、冬季。TP濃度冬、夏季高于春、秋季。

表2 污水處理廠進(jìn)、出口水質(zhì)統(tǒng)計(jì)

表3 污水處理廠出水水質(zhì)特征

由表3還可看出，24家污水處理廠出水污染物濃度均有較高的變異系數(shù)，說明出水污染物的濃度離散程度較大，變異系數(shù)由大到小的順序依次為NH3-N、TP、BOD5、TN、COD、SS。因此，受季節(jié)影響，NH3-N和TP出口濃度變化較大，COD和SS出口濃度變化最小，即氣溫對(duì)脫氮除磷效果影響較大。TP和TN四分位差與標(biāo)準(zhǔn)偏差比值約為1.3，說明TP和TN出水濃度近似服從正態(tài)分布[12]。

2.4 出水濃度和去除效率置信區(qū)間

根據(jù)出水濃度和去除效率平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)行雙側(cè)檢驗(yàn)，推算在0.95置信水平下，出水濃度和去除效率置信區(qū)間，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，6項(xiàng)指標(biāo)出水濃度置信區(qū)間均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；COD出水濃度置信區(qū)間范圍最寬，TP出水濃度置信區(qū)間范圍最窄。 TN、TP去除效率置信區(qū)間范圍較寬，其余指標(biāo)去除效率置信區(qū)間范圍較窄。

表4 出水濃度和去除效率置信區(qū)間

2.5 相關(guān)性分析

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson's correlation coefficient)分析兩兩指標(biāo)之間的相關(guān)性[13]，結(jié)果列于表5。表5表明：除出口濃度NH3-N與TP之間呈負(fù)相關(guān)外，其余兩兩指標(biāo)均呈正相關(guān)，其原因是氧化溝工藝處理廢水在泥齡控制方面，生物脫氮和除磷存在對(duì)立矛盾，生物脫氮系統(tǒng)中消化菌生產(chǎn)周期比較長，一般在3～5 d，生物除磷主要是通過排出富含磷的污泥，泥齡越長，除磷能力相應(yīng)越低。在實(shí)際運(yùn)行中需要找一個(gè)平衡點(diǎn)，通常將泥齡控制在10～14 d，能得到較好的脫氮除磷效果[14-15]。進(jìn)、出口濃度BOD5、TN、NH3-N、TP和COD之間呈極顯著正相關(guān)，其中BOD5和COD相關(guān)系數(shù)最高，說明BOD5和COD關(guān)系最為密切，濃度受彼此影響較大，可以推斷這兩項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)受到水質(zhì)中的還原性有機(jī)污染物總量的影響；出口濃度BOD5和NH3-N與SS相關(guān)性并不明顯，其余指標(biāo)與SS相關(guān)性大小順序?yàn)門N>TP>COD，因?yàn)榘钡苄员容^強(qiáng)，而容易降解的有機(jī)物在氧化溝生化處理過程中去除率較高，SS中可降解的有機(jī)物幾乎沒有，所以SS對(duì)BOD5和NH3-N的影響可以忽略。

此外，SS中有難降解的有機(jī)物和富含磷的污泥存在，將對(duì)TN、TP和COD產(chǎn)生一定程度影響。出水水質(zhì)不同SS濃度下，各指標(biāo)平均濃度見表6。可以看出，隨著SS濃度升高，TN、TP和COD濃度呈現(xiàn)上升趨勢，這與皮爾遜相關(guān)系數(shù)兩兩指標(biāo)之間的相關(guān)性研究結(jié)果一致。因此，有效控制出水SS對(duì)控制出水TN、TP和COD有著實(shí)際意義[16]。

表5 指標(biāo)相關(guān)性分析

注：“*”和“**”分別表示在0.05和0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，n=135

隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)污水將進(jìn)一步影響我國水環(huán)境質(zhì)量，北京、天津等重點(diǎn)城市均推出了城市污水處理廠污染物地方排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各指標(biāo)的要求均嚴(yán)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這無疑對(duì)氧化溝工藝處理城鎮(zhèn)污水提出了新的挑戰(zhàn)。從前述研究結(jié)果看，僅靠氧化溝脫氮除磷工藝已經(jīng)不能滿足相應(yīng)地方排放標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步降低出水水質(zhì)中污染物濃度，需要對(duì)出水水質(zhì)進(jìn)行深度處理；由于出水SS對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響，降低出水水質(zhì)中的SS是今后污水處理廠提標(biāo)升級(jí)的主要方向，通過添加絮凝劑(混凝劑)，絮凝(混凝)反應(yīng)后，在高層池進(jìn)一步沉淀，濾池過濾后，出口水質(zhì)將會(huì)明顯改善。

表6 出水水質(zhì)不同SS濃度下各指標(biāo)平均濃度

3 結(jié) 論

(1) 重慶市轄區(qū)內(nèi)采用氧化溝工藝24家污水處理廠出水水質(zhì)中COD、NH3-N、BOD5、TN、TP、SS的達(dá)標(biāo)率高于97.8%，且BOD5和SS達(dá)標(biāo)率為100%；廢水中NH3-N和BOD5去除效率高，且比較集中；TN和TP去除效率低，且比較分散；TP、COD和BOD5去除效率近似服從對(duì)稱分布，NH3-N、SS和TN去除效率為左偏分布。

(2) 受季節(jié)和進(jìn)口濃度影響，污染物出水濃度的離散程度較大，TP和TN出水濃度近似服從正態(tài)分布；在0.95置信水平下，6項(xiàng)指標(biāo)出水濃度置信區(qū)間均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(3) BOD5和COD去除效果取決于出口水質(zhì)中的還原性有機(jī)污染物總量；除NH3-N與TP之間呈負(fù)相關(guān)外，其余兩兩指標(biāo)均呈正相關(guān)；出水水質(zhì)中SS含量對(duì)TN、TP和COD的去除產(chǎn)生重要影響。