某污水處理廠水質難穩定達標的問題研究

唐晶，林常源，龐維海，黃婧，解昊，廖勇

(1.江蘇中車環保設備有限公司，江蘇 常熟 215500；2.同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092)

南方某城市一工業園區污水處理廠的處理規模為10 000 m3/d，進水以生活污水為主，電鍍、印染及乳膠等企業排放廢水大約占30%，采用“預處理+改良型SBR池+活性砂濾池+紫外線消毒”工藝，污泥采用帶式污泥濃縮脫水一體機脫水后外運處置[1]。自調試運行以來，出水水質無法穩定達標——《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。本研究對此開展了污水系統全流程調研和檢測分析，結合水質分析結果和污水處理廠實際運行情況，探索導致工藝運行狀態欠佳的關鍵原因，并提出整改建議。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

濃硝酸、雙氧水均為分析純；污水，水質分析見表1。

TOC-VCPN TOC分析儀；ICS-5000離子色譜儀；AISE sc氨氮分析儀；TLC-20AD凝膠過濾色譜儀；Agilent 720ES電感耦合等離子體發射光譜儀。

表1 進水水質表Table 1 Influent water quality table (mg/L)

1.2 實驗方法

本研究對污水處理廠服務范圍內管網關鍵點以及污水處理流程的主要節點進行取樣分析，取樣點主要分布在廠外污水管網關鍵污水井、改良型SBR池主曝氣區以及出水排放口等。水樣經過0.22 μm濾膜過濾預處理后上機檢測。根據測定結果合理稀釋水樣，并重新測定。

分析的主要指標包括TOC、氮元素、分子量、pH及TDS、重金屬元素等。

2 結果與討論

2.1 TOC

水樣經0.22 μm濾膜過濾后，用TOC分析儀測定進出水的TOC，結果見圖1。

圖1 污水處理廠進水及出水TOC值Fig.1 TOC value of influent and effluent from sewage treatment plant

由圖1可知，水體中有機物(TOC)總體上含量較低，均值為22.51 mg/L，且變化較為平穩，進出水TOC基本無明顯變化。

水樣三維熒光光譜分析結果見圖2(b～e)，水樣依次取自污水處理廠出水口、污水處理廠好氧池、污水處理廠進水口、鄰近乳膠廠出水口。

與圖2a水體中常見有機物的熒光識別位置進行對比，發現熒光信號弱的水樣中，類腐殖酸、類富里酸及類蛋白等常見有機物含量較低，其中的有機物主要來自于合成化學品，而不是水體中常見的類腐殖酸類、類蛋白等天然有機物；而熒光信號較強的水樣中，主要是類蛋白等有機物，推斷其可能主要來自于生化處理過程中的微生物分泌物[2-4]。

圖2 水體中常見有機物的熒光識別位置(a)和三維熒光光譜分析圖(b～e)Fig.2 Fluorescence recognition location of common organic matter in water(a) and three-dimensional fluorescence spectrum analysis(b～e)b.污水處理廠出水水樣；c.污水處理廠好氧池水樣；d.污水處理廠進水水樣；e.鄰近乳膠廠出水水樣

2.2 氮元素分析

水樣經0.22 μm濾膜過濾后，用氨氮分析儀測定，結果見圖3。

圖3 污水處理廠進水氮構成對比Fig.3 Comparison of influent nitrogen in sewage treatment plant

進一步采樣檢測發現，鄰近乳膠廠出水、鄰近工業區集水井氨氮的含量較高，尤其是鄰近乳膠廠出水，氨氮含量高達110 mg/L。

2.3 分子量分析

水樣經0.22 μm濾膜過濾后，用凝膠過濾色譜儀測定分子量，有機物平均分子量的整體分布見圖4。

由圖4可知，不同采樣點的水溶性高分子分子量分布具有較為顯著的差異，這說明市政污水與工業廢水性質明顯不同。對于工業廢水而言，不同采樣時間對應的水溶性高分子的平均分子量波動性很大，這是因為個別工廠生產過程中排放的廢水水質不穩定。此外，在各工業廢水采樣點，相同采樣點在不同采樣時間，水溶性高分子分子量分布范圍也不一樣，可能源于個別工業生產過程的工藝調整或自身的生產特點，導致其排放廢水水質不穩定。

圖4 各采樣點分子量分布Fig.4 Molecular weight distribution of each sampling point

個別水樣(乳膠廢水廠出口)中含有大量的高分子有機物，結合其氮元素分析結果，可以判斷在納管前乳膠廢水處理的停留時間普遍偏短，原水的有機氮被轉化成氨氮后立即排放，尚未進入硝化階段，而高分子有機物在污水處理廠廠內得以部分分解及去除。

2.4 pH及TDS分析

污水廠進水pH見圖5。

圖5 各采樣點pH對比Fig.5 pH comparison of each sampling point

由圖5可知，污水廠進水pH分布在6.2～7.31之間，在pH值<7.0時硝化速度減慢，從而影響代謝過程中酶的活性，降低硝化反應速率。尤其在pH值<6.5時，硝化速度將顯著減慢。對于本污水處理廠，在硝化過程中，需要在原水中補充堿度。

污水處理廠進水中含有電鍍廢水，且隨著電鍍行業的不斷發展，電鍍產品更加趨于多樣化，與此同時，生產過程產生的廢水成分變得更加復雜，出水 COD 很難達到排放標準，水質波動成為出水水質達標的制約性因素。由圖6可知，進水溶解性總固體(TDS)呈波動狀態，這對污水處理廠的生化系統穩定運行有一定的影響。

圖6 各采樣點TDS對比Fig.6 TDS comparison of each sampling point

2.5 重金屬元素分析

該污水處理廠服務范圍內有電鍍企業，為檢測其排放污水中的重金屬離子是否對污水處理廠生化系統造成沖擊，對污水處理廠的重金屬元素含量進行了分析。水樣經0.22 μm濾膜過濾后，取25 mL水樣于消解容器中，加入10 mL濃硝酸及5 mL雙氧水，在電熱板上消解，溫度控制在200 ℃。消解完畢，定容至25 mL，用電感耦合等離子體發射光譜儀測定重金屬元素含量，結果見圖7。

圖7 污水廠進水重金屬含量分布Fig.7 Distribution of heavy metal content in the influent of wastewater treatment plant

由圖7可知，污水廠進水中Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb及Zn等典型重金屬含量波動性不顯著，除Fe元素外，其他重金屬元素的含量均<2.0 mg/L，Fe元素的最高含量也未超過7.0 mg/L；K元素含量分布在50～100 mg/L；Mg元素的含量分布在16.0 mg/L以下；而其他元素如As、Ba、Be、Bi、Li、Se、Sr及V等，在所有樣品的含量較低，均在1.0 mg/L 以下。

污水廠進水中重金屬離子濃度較低，因此對整個污水處理工藝過程形成沖擊的可能性較小。綜合分析，盡管某些工業生產過程在處理廢水時采用了堿性氫氧化物沉淀法處理含金屬離子污水，但不足以使廢水的堿度達到理想的水平。

2.6 水質不達標原因分析

2.6.1 進水方面 在對污水處理廠進行水質分析的基礎上，發現污水處理廠進水與最初的設計值差別很大，個別企業沒有采用必要的預處理技術使工業廢水達到納管標準就排放到污水處理廠，污水處理廠沒有針對進水水質特點進行調試與改進工藝，這是導致系統不能正常運行的關鍵原因。

2.6.2 硝化性能方面 某些工業生產廢水的有機物不易被生物降解，堿度不夠，pH偏低，是導致系統硝化效果較差的重要原因之一。堿度不夠影響了硝化細菌的生長和代謝，也影響了硝化基質和產物的有效性和毒性，從而制約生物硝化反應器的效能。當廢水本身所含堿度不能滿足硝化要求時，pH值也會下降，尤其在堿度下降到50 mg/L(以CaCO3計)以下時，將導致硝化菌的活動受到抑制，硝化反應甚至停止。

2.6.3 反硝化性能方面 生化過程的優質碳源相對不足，反硝化過程缺少電子供體，是導致出水總氮長期超標、系統脫氮效率較低的根本原因。

2.6.4 系統調試方面 在污水調試運行過程中，需要綜合分析各項指標，及時調整運行參數。污水廠在調試期間，雖然采取了加強水質分析監測、投加活性污泥、工藝調優、碳源投加、補充堿度等多項措施，但由于每次采用的手段相對單一，無論是投加強度還是持續時間都不夠充分，導致活性污泥系統難以穩定有效運行。

2.7 運行管理與改造建議

2.7.1 強化源頭調控 嚴格控制污水廠附近工業區及各污水排放單位的污染物排放，從源頭治理，確保COD、總氮及氨氮達到納管標準，才能為末端達標排放創造條件。重點監控毒性大、濃度高、含鹽量高的排污口，在企業排污口設置水質水量計量裝置，從整體上降低工業園區水污染治理難度和成本。

2.7.2 制定系統運行方案 鑒于系統堿度不夠，優質碳源不足，污水處理廠需要制定系統的運行方案，同時運用污泥更換、碳源投加、碳酸鹽或碳酸氫鹽堿度補充等多項措施，以保證投加強度和持續時間足夠充分，使得活性污泥系統穩定有效運行，提升硝化和反硝化過程的效率。

2.7.3 工程改造建議 加設生化預處理構筑物，并對現有生化池進行改造，如改變格柵精密度，根據進水pH變化情況和后續生物脫氮要求，設置pH和堿度調節設施，增設碳源分點投加系統，在工藝前端設置調節池、初沉池以及水解酸化池。

3 結論

(1)該污水處理廠長期以來出水水質難以穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準，主要因為原水實際進水水質已偏離最初設計值，并且進水水質波動性大，碳源嚴重不足，進水堿度偏低。

(2)最終建議強化源頭調控，制定系統的運行方案，以提升堿度，并補充優質碳源，保證系統的硝化和反硝化進程，在生化處理構筑物前增加預處理設施。