苏州某污水处理厂去除特性分析

杜 娜， 顾晓丹， 王学华

（1.江苏中升太环境技术有限公司，江苏 苏州 215011； 2.苏州科技大学，江苏 苏州 215011）

0 引言

随着大量污水处理厂的建成投运，我国污水处理事业的重心必然会从以建设为主转向建设与运行并重，运行管理将发挥越来越重要的作用[1]。 污水厂运行管理中存在的问题将直接或间接影响污水处理厂的出水和能耗。 因此，针对我国已建污水处理厂普遍存在的运行管理水平低、稳定性差、能源消耗量大等现状，根据污水厂运行状况，诊断污水厂存在的问题，从而实现污水厂满负荷、低耗能、高效地运行。

本文对苏州某污水处理厂二期工程的运行状况进行分析、诊断、评价，并针对存在的问题提出相应的对策。

1 污水厂概况

1.1 污水处理厂介绍及工艺流程

苏州某污水处理厂二期工程 （扩建改造）于2005年11月投产运行，处理能力1.2 万t/d，主要接纳居民生活污水，采用了前置厌氧池的Carrousel 氧化沟工艺， 二沉池出水经紫外消毒后直接排入京杭大运河。 污水厂二期工艺流程见图1。

图1 污水处理工艺流程

1.2 设计水质

污水处理厂二沉池设计出水执行GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B 标准。 进、出水水质设计值见表1。

表1 设计进、出水水质mg·L-1

1.3 主要构筑物及工艺参数

1.3.1 沉砂池

沉砂池采用平流沉砂池，设2 座，单座沉砂池长5.1 m，宽1.5 m，有效水深1.1 m，并排布置。 最大水力表面负荷81 m3/(m2·h)，水力停留时间49 s，水平流速0.11 m/s。

1.3.2 厌氧池

设一座厌氧池，长19.3 m，宽8.5 m，有效水深4.6 m， 水力停留时间1.5 h。 厌氧池池底装有2 台QD2500-5.5 液下推进器，推进器连续运转，使污泥处于悬浮状态。

1.3.3 Carrousel 氧化沟

采用一组Carrousel 氧化沟， 氧化沟分4 个廊道，每个廊道长53.2 m，宽4.5 m，有效水深4.5 m。第一个廊道为缺氧段， 其余3 个廊道在7 台曝气转碟全部开启的情况下为好氧段。其中，每台曝气转碟的充氧效率为3.35 kg/(kW·h)，功率为22 kW。 氧化沟缺氧段的水力停留时间1.9 h， 好氧段为5.8 h。缺氧段水下搅拌器连续运转，使污泥处于悬浮状。好氧区溶解氧通过转碟开启台数、 转盘安装片数来调节。日常运行控制过程中，夏季，氧化沟污泥质量浓度控制在2 600 ～2 800 mg/L；冬季控制在3 500～4 000 mg/L。

1.3.4 二沉池

采用一座平流式二沉池，长55.55 m，宽14.8m，有效水深4.1 m，最大表面负荷0.90 m3/(m2·h)，最大堰负荷1.5 L/(m·s)，设计污泥回流比67%。二沉池采用桁架式吸泥机，运行控制过程中，吸泥机、沉淀池与氧化沟协调连续运行，排泥与污泥泵房协调运转。

2 运行状况分析

2.1 污水水质去除效果

（1）COD 的去除效果

2019年污水厂进、 出水COD 浓度及去除率见图2。由图2 可知，全年进水COD 质量浓度在260 ～483 mg/L。 进水COD 浓度最高值出现在5月、6月，平均质量浓度达460 mg/L，且在该阶段内进水COD质量浓度的波动幅度较大，标准偏差达160 mg/L；其余时间段进水COD 浓度较为平稳。 全年出水COD质量浓度稳定，维持在31 ～45 mg/L，能够满足一级A 的出水标准。 COD年平均去除率达到88%。

图2 污水厂进、出水COD 浓度及去除率

（2）BOD5的去除效果

2019年污水厂进、 出水BOD5浓度及去除率见图3。 由图3 可知，进水BOD5浓度具有明显的四季变化规律，冬季进水BOD5质量浓度普遍较高，最高达162 mg/L，夏季较低，最低质量浓度达96 mg/L。出水BOD5较为稳定， 维持在3.7 ～6.9 mg/L。 BOD5去除率达95%以上。

图3 污水厂进、出水BOD5 浓度及去除率

（3）氨氮的去除效果

2019 污水厂进、出水氨氮浓度及去除率见图4。由图4 可知，进水氨氮质量浓度相对较稳定，在21 ～34 mg/L 之间， 且四季变化明显， 冬季氨氮浓度较高， 夏季氨氮浓度较低。 出水氨氮质量浓度为2.9 ～5.3 mg/L。 氨氮的平均去除率为82%。

图4 污水厂进、出水氨氮浓度及去除率

（4）TN 的去除效果

2019年污水厂进、 出水TN 浓度及去除率见图5。 由图5 可知，进水TN 质量浓度较为平稳，维持在28 ～43 mg/L 之间，冬季浓度相对较高，夏季浓度相对较低。 出水TN 质量浓度在8.0 ～12.4 mg/L 之间，TN 的去除率相对较低，平均去除率仅为70%。 4月～6月，在进水TN 浓度相对较低情况下，TN 去除率仅维持在65%～70%之间。

图5 污水厂进、出水TN 浓度及去除率

（5）TP 的去除效果

2019年污水厂进、 出水TP 浓度及去除率见图6。 由图6 可知，全年进水TP 质量浓度维持在2.8 ～6.9 mg/L 之间；出水TP 稳定，质量浓度维持在0.2 ～0.44 mg/L；TP 去除率较高，平均达94%。

图6 污水厂进、出水TP 浓度及去除率

（6）SS 的去除效果

2019年污水厂进、 出水SS 浓度及去除率见图7。 由图7 可知， 全年进水SS 质量浓度在86 ～273 mg/L 之间，波动较大。 冬季进水SS 浓度较低，且较为稳定，其余季节进水SS 浓度波动较大。出水SS 质量浓度稳定在6.2 ～9.6 mg/L 之间，SS 的去除率普遍在92%以上。

图7 污水厂进、出水SS 浓度及去除率

2.2 物料平衡及流向

碳、氮、磷的物料平衡分析是评价污水处理厂运行状况的有效方法[2]，物料流向能反映整个污水处理厂的运行效率、处理效率[3]。

（1）碳的物料平衡及流向

在稳态条件下，进入活性污泥系统的COD 主要由以下3 种形式离开系统[4－5]：①出水；②以剩余污泥排放；③被氧化。

其中，出水COD 的质量根据出水浓度和流量计算；剩余污泥COD 排放量根据污泥挥发性悬浮固体Xv 和污泥排放量Qw，乘以单位污泥的COD 氧当量fcv计算得出，从理论上来说，不同的生物处理系统，fcv会有差异， 但大量研究表明：fcv=1.48 mg/mg 时，能较好地代表系统中的微生物特性[6]； 被氧化的COD 过程较为复杂，该氧化沟工艺的运行模式相当于A2/O 工艺，分别计算出厌氧区、缺氧区、好氧区所消耗的COD 量后即可计算出被氧化的COD 量，污水处理厂的碳排放主要是由好氧细菌的降解活动造成的[7]。 参照顾晓丹[8]的研究，出水COD 排放量为381.6 kg/d， 剩余污泥COD 排放量为2 007 kg/d，被氧化的COD 量为745.5 kg/d。

进水COD 质量根据进水浓度和流量计算，根据2019年污水厂数据的平均值，进水COD 量为3 209 kg/d。 因此，COD 的物料平衡百分比为97%。

碳的流向分配见图9。 由图9 可知，63%的碳被微生物利用，最终以剩余污泥形式离开系统；23%的碳被氧化成CO2；12%的碳随出水离开系统；COD 的损失量很小，仅占2%。

图8 碳的流向分配

（2）氮的物料平衡及流向

进入活性污泥系统的各形态氮主要由以下3 种形式离开系统[4-5]：①出水TN；②以剩余污泥排放；③通过反硝化作用转变为气体。

出水TN 的质量根据出水浓度和流量计算；剩余污泥排放的TN 根据污泥挥发性悬浮固体Xv 和污泥排放量Qw， 乘以污泥中含氮的比例fN计算得出，根据南非水研究协会（WRC）的建议[9]，在一定的污泥龄范围内fN取0.10 mg/mg 是较合理的；反硝化作用主要发生在厌氧区和缺氧区，参照顾晓丹[8]的研究，出水TN 排放量为69.28 kg/d，剩余污泥TN 排放量为135.6 kg/d，通过反硝化作用转变为气态的氮量为42.6 kg/d。

进水TN 质量根据进水浓度和流量计算， 根据2019年污水厂数据的平均值， 进水TN 的量为346.15 kg/d。 因此，氮的物料平衡百分比为72%。

氮的流向分配图见图9。 由图9 可知，39%的氮被微生物利用，进入剩余污泥；20%的氮随出水离开系统；仅12%的氮通过反硝化作用以气体（N2）形式离开系统，氮在系统中的损失量高达29%。

图9 氮的流向分配

（3）磷的物料平衡及流向

磷仅通过剩余污泥和出水从系统中去除[4-5]。

出水TP 的质量根据出水浓度和流量计算；剩余污泥排放的TP 根据剩余污泥浓度和污泥排放量Qw，乘以污泥中含磷的比例fp计算得出，在城市污水生物除磷系统中， 剩余污泥中TP 含量fp 约占污泥总重的3%[9]。 参照顾晓丹[8]的研究，出水TP 排放量为3.7 kg/d，以剩余污泥TP 排放量为54.3 kg/d。进水TP 根据进水浓度和流量计算，根据2019年污水厂数据的平均值，进水TP 量为61.98 kg/d。 因此，磷的物料平衡百分比为94%。

磷的流向分配见图10。 由图10 可知，磷的去除主要依靠剩余污泥排放， 通过剩余污泥排放的磷的质量占总质量的88%。

图10 磷的流向分配

2.3 小结

根据上述分析，苏州某污水厂C，N，P 排放量主要通过微生物利用以剩余污泥方式去除。 目前污水处理厂COD 和TP 去除效率高、效果理想，脱氮效果不佳。

3 原因分析

3.1 从运行方面分析

该污水处理厂采用“厌氧+氧化沟”工艺进行硝化和反硝化作用， 从而降低出水氨氮和TN 含量。结合氮的物料流向分析可知， 通过反硝化作用去除的氮仅占12%，因此，TN 去除率低的主要原因在于反硝化不充分。分析污水厂运行数据，2019年进水中ρ（COD）/ρ（TN）= 10.5，而研 究表 明[10]，当进水ρ（COD）/ρ（TN）≥9，硝基氮基本上全被还原成亚硝基氮，即能满足反硝化所需的碳源，因此，该污水厂进水中的碳源足够用于反硝化脱氮。因此，反硝化不理想的的原因主要是曝气量过剩。

氧化沟设计为缺氧段和好氧段， 通过设置曝气转碟的开启，控制氧化沟的缺氧段和好氧段。在污水处理厂的实际运行过程中，为了控制出水氨氮浓度，7 台曝气转碟基本处于常年开启的状态运行， 为了抑制二沉池发生反硝化反应， 氧化沟出水口处的DO 质量浓度控制在1.8 ～2.5 mg/L， 这就造成了从氧化沟末端回流到氧化沟前端缺氧段的混合液中DO 浓度过高， 从而影响了氧化沟缺氧段的反硝化作用。 有研究表明[11]，氧化沟好氧段DO 质量浓度控制在0.8 ～1.1 mg/L 时， 就能满足硝化脱氮要求，过高的DO 会破坏缺氧段环境。从2019年的运行数据分析可知，氨氮的去除率达80%以上，说明硝化效果良好，而TN 的去除率较低是由于曝气量过剩，缺氧段反硝化效果差导致的。

3.2 从管理方面分析

目前，污水处理厂日常运行过程中，工作人员大都以经验参数调整运行。当进水负荷、环境条件等发生突然变化时，常常会由于调整不及时，造成出水超标的现象。 且在经验控制过程中，污泥浓度、污泥龄等参数不对应，导致了夏季污泥龄控制过短，而冬季污泥龄控制过长，系统的抗冲击负荷能力减小。这也是目前国内污水处理厂普遍存在的问题。

苏州某污水厂进水中很大一部分来自餐饮业废水，因此废水中油脂含量较高，致使在曝气转碟相等的供氧能力下，氧化沟的实际DO 值偏低，造成了能源的浪费，该厂2019年平均电耗为0.33 kW·h/m3，明显高于我国城镇污水处理厂平均电耗0.26 kW·h/m3[1]。

4 结论与建议

4.1 结论

通过对污水厂运行数据分析， 可以清楚诊断出污水厂问题所在：硝化较充分、反硝化作用不完全，因此建议减少曝气量， 保证氧化沟好氧段DO 质量浓度在1.5 ～2.0 mg/L 即可。 同时根据进水水量、水质变化特点，建议制定不同的运行控制模式，在保证稳定出水基础上，实现节能降耗。 同时，针对污水厂存在的运行控制方面的问题， 建议污水厂工作人员完善运行记录、与水质指标检测的工作，为合理科学地指导污水厂的运行奠定基础。

4.2 建议

（1）鉴于对污水处理厂脱氮问题的分析，建议适当降低曝气量， 保证氧化沟好氧段DO 质量浓度在1.5 ～2.0 mg/L，这样既能满足好氧段硝化需求，又能保证氧化沟内的缺氧环境，以充分进行反硝化反应，从而在保证硝化和反硝化作用的基础上降低污水厂能耗。

（2）针对污水厂进水水质、水量四季变化明显、昼夜变化明显（白天进水量大、进水浓度高，晚上进水量小，浓度低）的特征，建议在不同的季节，采取不同的运行控制方式，以保证稳定出水、节约能源。

（3）建议污水厂改变传统的经验控制模式，采用泥龄控制代替原来的污泥浓度控制，从而提高系统的抗冲击负荷能力。 建议污水厂每天记录运行参数，做好水质指标的检测，可以利用数学模型模拟优化污水厂运行，从而合理、科学地对污水厂进行控制[12-14]。

（4）考虑在平流沉砂池设置撇油装置，减少油脂对系统的影响，从而节省能源。