重庆市城镇污水处理厂氧化沟工艺综合评价研究*

李小红， 刘正实， 徐龙君， 张海东， 李小庆， 李 礼

(1.重庆工商大学 国家智能制造服务国际科技合作基地，重庆400067；2.重庆市渝北区生态环境监测站，重庆 401120；3.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；4.重庆工商大学 废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067；5.重庆化工职业学院 化学工程学院，重庆 400020；6.重庆市生态环境监测中心，重庆 401147)

2015年，全国废水排放总量735.3亿T，与2014年相比增加了19.1亿T。其中，工业废水排放量199.5亿T(比2014年减少5.8亿T)、城镇生活污水排放量535.2亿T(比2014年增加24.9亿T)。至2014年我国城镇共有污水处理厂6 031座，全年污水处理总量494.3亿T，比上年增加12.43%[1]。城镇污水主要是生活污水，且工业废水以农副食品加工的废水为主[2]。其水质特点是有机物含量低，水质和水量波动幅度较大，不稳定，特别是COD、SS两项指标[3]；BOD5、TN同步关系较好，碳氮比值比较理想，绝大部分时间的比值大于3.5；BOD5/COD比值大部分时间大于0.45，污水可生化性好。

目前，污水处理工艺较多，主要可分为活性污泥法工艺和生物膜法工艺[4-5]。其中，活性污泥法工艺包括A2/O(厌氧-缺氧-好氧法)、SBR(序批式活性污泥法)、氧化沟法、AB(吸附-生物降解法)、UniTank(一体化活性污泥法)工艺、CASS(周期循环活性污泥法)工艺等[6]。氧化沟类工艺、SBR类工艺、An/O工艺占全国城镇污水处理厂总数的81.44%，是现阶段我国城镇污水处理工艺主力军[7]。

重庆市位于我国内陆西南部、长江上游地区。重庆的汽车、计算机、通信和其他电子设备制造业等支柱产业不断发展壮大，战略性新兴产业蓬勃发展，经济发展质量和效益明显提高，城市污水处理将面临前所未有的压力。对重庆市辖区内43家污水处理厂处理工艺使用情况进行了统计(图1)，采用氧化沟工艺的污水处理厂数量占全市的58.14%，处理能力比例为43.28%，因此选取采用氧化沟工艺的污水处理厂为研究对象，对污水处理厂水质进行了综合评价研究，以期为污水处理厂的监督管理、处理工艺提标升级和水污染物总量控制提供参考资料。

注：内圈表示工艺数量比例，外圈表示工艺对应能力比例

图1工艺数量与对应处理能力圆环图

Fig.1Circulargraphofthetechnologicalnumberandprocessingcapacity

1 数据来源及评价方法

1.1 数据来源

为全面、准确地掌握采用氧化沟工艺处理技术的城镇污水处理厂运行状况，选取重庆市辖区内污水处理厂24家，以COD、NH3-N、BOD5、TN、TP、SS为统计指标，监测时段为2015—2017年，水质取样在污水处理厂处理工艺进口和末端排放口(出口)，以日均浓度结果进行评价。

1.2 评价方法

对参与评价的各项因子，其值分别与《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准(表1)进行对照，计算出单个指标达标率。

单个指标达标率为评价时段内监测达标次数占监测总数的百分比，如式(1)所示：

(1)

式(1)中，E为单个指标达标率；Ne为评价时段内监测达标次数；Nt为评价时段内监测总次数。

监测浓度超过排放标准限值时，超标倍数如下式所示：

(2)

式(2)中，Q为超标倍数；Ci为监测浓度；C0为标准浓度限值 。

最大超标倍数为指标所有超标倍数的最大值。平均浓度、标准偏差、变异系数和四分位差下式所示：

(3)

(4)

(5)

Qd=QU-QL

(6)

表1 水质评价标准

注：① NH3-N括号外的数字为水温大于12 ℃时的控制指标，括号内数字为水温小于12 ℃时的控制指标。

② TP括号外的数字为2006-01-01起建设时的控制指标，括号内数字为2005-12-31前建设时的控制指标。

2 结果与讨论

2.1 达标率分析

污水处理厂进、出口水质统计如表2所示。按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准， 24家污水处理厂出水水质COD、NH3-N、BOD5、TN、TP和SS达标率分别为99.5%、99.5%、100%、98.3%、97.8%和100%。COD、NH3-N、TN、TP最大超标倍数分别为0.43、0.79、0.70、0.45。统计中发现超标水质大多数进水BOD5/TP<20 ，因此，出水TP很难达到 1 mg·L-1[8]。超标污水处理厂建成投产时间相对较早，部分设备已出现老化、锈蚀和破损，处理能力减弱，这就要求污水处理厂通过提高运行管理水平，合理调整工艺参数(如调整曝气量及污泥回流比，控制污泥浓度，控制整个系统各段的溶解氧浓度)，辅以化学除磷，COD、TN和TP的去除效率会更好[9-11]。

2.2 污染物去除效率分析

由表2还可知，在6项指标中，平均去除效率较高的是NH3-N和BOD5，分别为94.8%、92.1%，较低的是TP和TN，分别为77.7%、71.3%。

图2 去除效率的箱线图

2.3 出水浓度分布特征

表3列出了不同季节出水中各污染物的浓度。可见，NH3-N、COD、TN和BOD5浓度随季节的变化特征基本一致，即夏、秋季低于春、冬季，主要原因是受夏、秋季降雨的影响，城镇管网没有完全雨污分流，导致进口浓度夏、秋季低于春、冬季。SS浓度春、夏季高于秋、冬季。TP浓度冬、夏季高于春、秋季。

表2 污水处理厂进、出口水质统计

表3 污水处理厂出水水质特征

由表3还可看出，24家污水处理厂出水污染物浓度均有较高的变异系数，说明出水污染物的浓度离散程度较大，变异系数由大到小的顺序依次为NH3-N、TP、BOD5、TN、COD、SS。因此，受季节影响，NH3-N和TP出口浓度变化较大，COD和SS出口浓度变化最小，即气温对脱氮除磷效果影响较大。TP和TN四分位差与标准偏差比值约为1.3，说明TP和TN出水浓度近似服从正态分布[12]。

2.4 出水浓度和去除效率置信区间

根据出水浓度和去除效率平均值，标准偏差，进行双侧检验，推算在0.95置信水平下，出水浓度和去除效率置信区间，结果如表4所示。可以看出，6项指标出水浓度置信区间均符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准；COD出水浓度置信区间范围最宽，TP出水浓度置信区间范围最窄。 TN、TP去除效率置信区间范围较宽，其余指标去除效率置信区间范围较窄。

表4 出水浓度和去除效率置信区间

2.5 相关性分析

采用皮尔逊相关系数(Pearson's correlation coefficient)分析两两指标之间的相关性[13]，结果列于表5。表5表明：除出口浓度NH3-N与TP之间呈负相关外，其余两两指标均呈正相关，其原因是氧化沟工艺处理废水在泥龄控制方面，生物脱氮和除磷存在对立矛盾，生物脱氮系统中消化菌生产周期比较长，一般在3～5 d，生物除磷主要是通过排出富含磷的污泥，泥龄越长，除磷能力相应越低。在实际运行中需要找一个平衡点，通常将泥龄控制在10～14 d，能得到较好的脱氮除磷效果[14-15]。进、出口浓度BOD5、TN、NH3-N、TP和COD之间呈极显著正相关，其中BOD5和COD相关系数最高，说明BOD5和COD关系最为密切，浓度受彼此影响较大，可以推断这两项指标同时受到水质中的还原性有机污染物总量的影响；出口浓度BOD5和NH3-N与SS相关性并不明显，其余指标与SS相关性大小顺序为TN>TP>COD，因为氨氮水溶性比较强，而容易降解的有机物在氧化沟生化处理过程中去除率较高，SS中可降解的有机物几乎没有，所以SS对BOD5和NH3-N的影响可以忽略。

此外，SS中有难降解的有机物和富含磷的污泥存在，将对TN、TP和COD产生一定程度影响。出水水质不同SS浓度下，各指标平均浓度见表6。可以看出，随着SS浓度升高，TN、TP和COD浓度呈现上升趋势，这与皮尔逊相关系数两两指标之间的相关性研究结果一致。因此，有效控制出水SS对控制出水TN、TP和COD有着实际意义[16]。

表5 指标相关性分析

注：“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平(双侧)上显著相关，n=135

随着我国城镇化的不断发展，城镇污水将进一步影响我国水环境质量，北京、天津等重点城市均推出了城市污水处理厂污染物地方排放标准，对各指标的要求均严于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准，这无疑对氧化沟工艺处理城镇污水提出了新的挑战。从前述研究结果看，仅靠氧化沟脱氮除磷工艺已经不能满足相应地方排放标准，为进一步降低出水水质中污染物浓度，需要对出水水质进行深度处理；由于出水SS对各项指标的影响，降低出水水质中的SS是今后污水处理厂提标升级的主要方向，通过添加絮凝剂(混凝剂)，絮凝(混凝)反应后，在高层池进一步沉淀，滤池过滤后，出口水质将会明显改善。

表6 出水水质不同SS浓度下各指标平均浓度

3 结 论

(1) 重庆市辖区内采用氧化沟工艺24家污水处理厂出水水质中COD、NH3-N、BOD5、TN、TP、SS的达标率高于97.8%，且BOD5和SS达标率为100%；废水中NH3-N和BOD5去除效率高，且比较集中；TN和TP去除效率低，且比较分散；TP、COD和BOD5去除效率近似服从对称分布，NH3-N、SS和TN去除效率为左偏分布。

(2) 受季节和进口浓度影响，污染物出水浓度的离散程度较大，TP和TN出水浓度近似服从正态分布；在0.95置信水平下，6项指标出水浓度置信区间均符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级标准。

(3) BOD5和COD去除效果取决于出口水质中的还原性有机污染物总量；除NH3-N与TP之间呈负相关外，其余两两指标均呈正相关；出水水质中SS含量对TN、TP和COD的去除产生重要影响。