合肥市某污水厂的运行效果及经济效益分析

方能峰

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引 言

污水处理厂是城市基础设施之一,增加污水厂的建设投入对水环境保护工作有十分重要的意义。根据《城镇排水统计年鉴2016》,我国城镇污水处理厂COD的排放量较“十一五”期间减少了1 264万t;氨氮的排放量较“十一五”期间减少了118万吨,同时其他污染物的排放量也同步减少,污水处理厂为实现国家减排目标和污染控制做出了重要贡献。较好的处理工艺对污水有更好的处理效果,本文对污水处理厂的设计工艺进行了有关分析,表明良好的工艺设计可以降低污水厂的出水浓度,降低氮、磷等污染物的排放浓度,对环境保护有着重要的作用。

2 污水处理工艺

二级处理阶段采用预缺氧+A2/O鼓风曝气工艺,传统的A2/O工艺厌氧区居前,回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响较大,进入厌氧区后,污水中的碳源被反硝化细菌优先利用,聚磷菌难以得到充足的碳源不能充分释磷,影响好氧阶段吸磷。在传统的A2/O工艺前设置预缺氧调节池,可以消除回流污泥中硝态氮对厌氧阶段的不利影响,同时还能增强污泥的反硝化作用,提高脱氮效率。在好氧段增加鼓风曝气,曝气的主要目的是为好氧微生物的生长活动提供足够的氧气,使其在好氧阶段能够高效地完成生化反应。刘晓奇等[1]指出曝气效果的好坏将直接影响整个活性污泥法的处理效果和能耗,鼓风曝气可以精确控制污水中氧的浓度,增加氧量供给,同时在气流的搅动下,污水中的氧可以被分配到各个角落,被反应池中各个地方的微生物利用,提高氧的利用率。预处理工艺流程如图1所示。

图1 改良的A2/O工艺流程

深度处理阶段采用高效沉淀池+反硝化深床滤池的结合工艺形式。高效沉淀池采用的是结合混合、絮凝、沉淀为一体的工艺,通过机械搅拌的方式,使混凝剂与污水充分混合,在沉淀阶段,大颗粒的悬浮物在重力作用下沉淀到池的底部,在混凝阶段未来得及沉淀的悬浮物,在斜管沉淀池的部分沉淀,斜管沉淀池最大的优势就是延长了沉淀池,提高固体颗粒物的沉淀时间。反硝化深床滤池是集生物脱氮及过滤功能合二为一的处理单元,在反应池内部铺设一定厚度的填料,对污水进行过滤,截留一部分粒径大的悬浮物,同时,在被填料截留的悬浮物在填料表面附着,形成生物膜,微生物又能进一步去除污水中的氮。本工程采后的是后置反硝化深床滤池,与前置反硝化滤池相比,后置反硝化滤池能够降低污水的处理费用。李东研究了前置反硝化滤池和后置硝化滤池的生物脱氮效果,试验证明两者对污染物的去除效果相当,出水均能达到一级A标准,但是前置反硝化的污水处理费用更高[2]。

3 结果与讨论

污水处理厂设计规模10万m3/d,现已建成运营,采集了2017年1月至2019年12月,为期36个月的数据,现对COD、NH4+-N、TN、TP指标进行数据分析,因为数据量较大,所以取每个月的均值进行指标分析。

3.1 COD指标分析

COD的进水与出水浓度变化如图2所示。

图2 COD进水与出水浓度

从图2中可以看出,COD进水浓度变化幅度较大,最低的为100 mg/L左右,最高的进水浓度达到350 mg/L,这可能是因为人们的生活习惯以及降雨量等因素有关,在夏季的时候,COD浓度明显升高,冬季COD的浓度有所降低。但是,从图2中还可以看出，进水浓度基本保持在150～200 mg/L，低于设计的进水浓度380 mg/L。这进一步证明了城市污水中碳源不足的事实,需要考虑在污水处理过程中添加碳源,特别是在生化反应阶段,充足的碳源为反硝化细菌、聚磷菌等异养型微生物提供能量。同时也要注意在碳源较低的情况下,在预处理阶段,越过初沉池,减少COD的损失。出水COD浓度限值为30 mg/L,从图2中也可以看出,出水的COD的浓度较低,满足设计的出水要求。

COD的去除效率如图3所示。

图3 COD去除效率

从图3中可以看出,COD去除效率最高可达94%,最低为81%。保持较高的去除效率,得益于在采用生化处理阶段时延长了污泥龄,COD能够被微生物充分利用,如果污泥龄较短,有机物就难以充分被微生物利用,同时,因为污泥更新的过快,很可能会造成污泥膨胀或是污泥上浮,影响整个生化系统脱氮的效果。

3.2 TP指标分析

TP的进水与出水浓度变化如图4所示。

图4 TP进水与出水浓度

从图4中可以看出,进水的TP的变化区间为1～4 mg/L,设计进水TP的含量为6 mg/L,低于设计进水总磷的值。与COD、BOD5类似,在第16个月的时候达到整个运行周期的峰值,说明在污水处理过程中,各个污染物的指标是相互影响的,甚至出现正相关。出水总磷的含量有较小变化,TP的浓度均满足低于0.3 mg/L,满足出水要求,常规的生物处理往往难以使污水中的磷降低至较低的浓度,表明通过化学药剂与磷反应,生成难溶的磷酸盐沉淀,能够有效降低污水中磷的浓度。

TP的去除效率如图5所示。

图5 TP去除效率

从图5中可以看出,在污水厂运行初期,除磷的效果变化波动较大,在第25个月之后,除磷效果趋于平衡,可能的原因是在污水厂运行初期,聚磷菌还未完全适应环境,除磷效果较差,经过一段时间,微生物渐渐适应了生存环境,提高了除磷效果;另一方面,温度对生物除磷的效果影响较大,有学者就证明温度过高(25℃以上)或是过低(15℃以下)都会不利于聚磷菌的生长,造成除磷效果降低[3]。

3.3 NH4+-N、TN指标分析

NH4+-N的进水与出水浓度变化如图6所示。

图6 NH4+-N进水与出水浓度

从图6中可以看出,NH4+-N的进水浓度集中在15～20mg/L,低于设计的进水浓度35mg/L;出水中氨氮基本被去除完全,满足出水NH4+-N≤1.5mg/L要求。

TN的进水与出水变化如图7所示。

图7 TN进水与出水浓度

从图7中可以看出,TN进水浓度在15～40mg/L,低于设计进水TN的数值50mg/L;出水TN的浓度每月均小于5mg/L,满足出水水质标准。整个污水处理系统中,氮的去除效果非常好,达到此效果的原因是在A2/O工艺前置预缺氧池,提高了反硝化效果;同时又在污水深度处理阶段采用了反硝化深床滤池,多方面保证氮的去除效果。

另外将图6和图7两个图放在一起,可以很容易发现NH4+-N和TN的进水浓度变化趋势几乎完全一致,说明通过NH4+-N的浓度来反应TN的浓度是完全合理的。

NH+4-N的去除效率如图8所示。

图8 NH+4-N去除效率

从图8中可以看出。NH4+-N去除效率,可以看出NH4+-N的去除效率很高,去除效果非常好。

TN的去除效率如图9所示。

图9 TN去除效率

从图9中可以看出，大部分月的总氮去除效果达80%以上,在第9个月的时候,去除效果为70%,较整体的去除效率略低,但总体上去除效果较好。

将图8、图9对比来看,两幅图的去除效率趋势都与TP的去除效率相似,在污水厂运行后期趋于稳定,可能原因就是在污水厂运行初期微生物需要一定的时间适应新的生长环境,对氮、磷的去除效率有较大的波动,后期生物的脱氮除磷效果就渐渐趋于稳定。

3.4 项目效益分析

3.4.1 直接经济效益分析

3.4.1.1 基础数据

(1) 污水处理规模:10万t/d

(2) 污水厂使用年限:暂定30年。

(3) 总投资:50 000万元,其中工程费45 897.83万元，基本预备费2 557.03万元、其他费用5 242.69万元。

(4) 电度电价:0.675元/度,基本电价为每月30元/kVA,变压器容量为2 050/kVA,电机等设备功率总和为2 683 kW,效率为0.80。

(5) 职工定员50人,年人均工资45 000元。

(6) PAC投加量:1 500 kg/d为单价:1 000元/t;PAM投加量为150 kg/d,单价:35 000元/t;乙酸钠投加量为5 700 kg/d,单价500元/t。

(7) 污泥外运处置费:200万/年。

3.4.1.2 运营成本计算

根据张勤等[4]的研究,污水运营成本计算公式如下:

F=F1+F2+F3+F4+F5+F6

式中:F1为动力费;F2为药剂费;F3为员工工资福利费;F4为日常维护费,可以按固定资产投资的1%计算;F5为大修费,可以按固定资产投资的1.7%～2%计算,本工程取2%;F6为管理和其他费用,可取固定资产折旧费、人工费、能耗费、药剂费和维修费等费用总和的15%计算。其中,固定资产折旧费可以按固定资产投资的5%计算。

计算过程如下:

(1) 动力费:

s=2683×0.8×365×24×0.675+30×12×2050=1342.97万元/年。

(2) 药剂费：

PAC:1 500÷1 000×1 000×365=54.75万元/年；

PAM:150÷1 000×35 000×365=191.63万元/年；

乙酸钠:5 700÷1 000×500×365=104.03万元/年；

药剂费:54.75+191.63+104.03=350.41万元/年。

(3) 工资福利费：

45 000×50=225万元/年。

(4) 日常维护费：

50 000×1%=500万元/年。

(5) 修理费：

50 000×2%=1000万元/年。

(6) 管理和其他费用：

折旧费:50 000×(1-5%)÷30=1 583.33万元/年。

(1 342.97+350.41+225+500+1 000+1 583.3)×10%=750.26万元/年。

所以本次污水厂的运营成本为:1342.97+350.41+225+500+1000+750.26=4168.64万元/年。

3.4.1.3 总成本费用

污水厂的总成本为经营成本费用,加上折旧费和摊销费,本工程摊销费取100万元/年,得到总成本费用为5 851.97万元/年。

3.4.1.4 盈亏分析

预计收取污水处理费用的均值为2.5元/t,则每年的污水收费为9 125万元/年,每年盈利3 273.03万元,不计贷款利息,预计投资回收期为15年。

3.4.2 间接经济效益分析

污水处理厂的间接效益主要是因为出水标准进一步提高,截留出更多的氮、磷等营养物质,也使排入环境中的水体质量更高。尽管污水治理工程并不直接产生经济效益,但项目的实施将对派河水质保护有着广泛的影响,使该地区的工业及旅游业的发展不受环境的制约,把社会经济发展与环境保护目标协调好,将给合肥的经济带来极大的益处,主要表现在以下几个方面:

3.4.2.1 降低肥料的损失

进入污水处理厂的有机物、无机物被大量的处理,出水氮、磷等物质的含量均保持在较低的水平,处理过的氮、磷大量残留在剩余污泥中,对整个污水处理厂产生的污泥进行充分的利用,有着十分重要的意义。

3.4.2.2 减少疾病,增进健康

污水治理工程的实施将减少细菌的滋生,减少疾病,减少水污染导致对居民身体健康的严重损害,从而降低医药费开支,提高城市卫生水平及人民健康水平。杨永泰等[5]评估了城市污水净化带来的环境效益和环境影响,其估算公式见下:

C=L+P

L=LC+LW+LD+OC,OC=LC×Ri

L=PO+PW+PV+OP,OP=P×Ri

式中：C为水污染健康损失;L为健康损害费用;P为公益防护费用;LC为水污染疾病治疗费;LW为因水污染疾病丧失工作的经济损失;LD为因疾病早逝造成的经济损失;OC为LC的机会损失成本;Ri为每百元资金的利润和税收之和;PO用于防治水污染疾病的公益事业费用;PW为水污染造成的自来水费用的增加的损失;PV为农村改水费用;OP为P的机会损失。

3.4.2.3 改善生态环境

污水处理工程实施后,将大大改善江河水域的生态环境,减少水污染对农业、渔业的收成影响。西部组团污水处理厂工程的实施使水质改善后,河道可增加渔业产量和质量,同时对农业灌溉有益,可提供符合卫生标准的灌溉水,提高农作物的产量和质量,因此可促进农业及渔业的发展。

3.4.2.4 实现土地增值

由于本工程的实施,使得城市排污设施更加完善,解决了地块开发的污水出路问题,区域水环境质量也得到改善,该区域的土地利用价值会显著提高,一些非生产性用地转为生产用地,低产出利润率用地转化为高产出利润率用地,区域内土地资源将得到增值。

由此可见,进行西部组团污水处理厂建设具有巨大的经济效益。污水处理厂是城市基础设施,以服务社会为主要目的,项目产生的效益除比较小的一部分可以用货币来衡量,其余大部分不能用金钱衡量,所以,应从系统观点出发,与人民生活水

准的提高和健康条件的改善、与工农业生产的加速发展等宏观效果结合在一起评价。

4 结论与建议

(1) 污水处理厂二级处理模块设置了生化池+二沉池,深度处理模块设置的高效沉淀池+反硝化深床滤池。二级处理中生化池采用预缺氧+A2/O鼓风曝气的工艺形式,前置预缺氧池,有效避免回流硝酸盐对聚磷菌的影响,提高了脱氮效果;深度处理阶段设计的是高效沉淀池和反硝化深床滤池的组合,高效沉淀池提高SS去除效率,反硝化深床滤池能在过滤的同时进行反硝化,再一次提高脱氮效率,保证最终的出水中氮的浓度处于较低水平。

(2) 对污水处理厂的实际运营效果进行分析,各类污染物均能达到出水要求,SS的去除效率为94%左右,COD的去除效率为81%～94%,BOD5的去除效率为92%～97%,TP的去除效率为86%～97%,NH4+-N的去除效率为95%左右,TN的去除效率为70%～90%。对整个污水水厂的运行进行了经济效益分析,预计投资回收期为15年。

(3) 提高污水的出水标准对水环境的保护有着至关重要的作用,在实际的污水厂建设工程中,可以考虑进一步提高出水标准。