工業(yè)生活混合污水處理廠的進水變化特征

曾 旭，王榮昌,*，馬翠香，張榮斌，馬暉斌，韓 明，陸海濤

(1. 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，同濟大學(xué)長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海 200092；2. 嘉興市聯(lián)合污水管網(wǎng)有限責(zé)任公司，浙江嘉興 314000)

城市污水處理廠對實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量改善和污染總量減排擔(dān)負(fù)著重要作用，污水處理廠進水的水量水質(zhì)變化關(guān)系到污水處理廠的穩(wěn)定運行以及出水的穩(wěn)定達標(biāo)排放。由于污水水量和水質(zhì)受到多種因素影響，城市污水處理廠進水的負(fù)荷變化較大，會對污水處理廠的正常運行和管理產(chǎn)生不利影響[1-8]。因此，研究污水處理廠的進水變化規(guī)律及其特性，特別是針對工業(yè)廢水和生活污水混合且工業(yè)廢水占比較高的污水處理廠，有助于提高污水處理廠的運行效率和水平，對改善污水處理廠的出水水質(zhì)以及降低運行費用也具有重要價值。

本文針對某工業(yè)廢水和生活污水混合的污水處理廠進水的水量水質(zhì)指標(biāo)開展相關(guān)研究，分析進水水量和水質(zhì)的變化特征，考察COD與水量、氨氮、總磷、BOD之間的相關(guān)關(guān)系以及進水集中度的變化規(guī)律，提出了提高污水廠穩(wěn)定運行的相關(guān)措施，以期為污水廠的穩(wěn)定運行以及出水的穩(wěn)定達標(biāo)排放提供參考。

圖1 某污水處理廠進水水量和水質(zhì)的月變化規(guī)律 (a)水量；(b)COD；(c)氨氮；(d)總磷Fig.1 Monthly Variation of Influent Water Quantity and Water Quality(a) Quantity of the Influent; (b) COD; (c) Ammonia; (d) Total Phosphorus

1 研究方法

針對我國南方平原河網(wǎng)區(qū)域某城市的工業(yè)生活混合污水處理廠開展相關(guān)研究，該污水處理廠日處理設(shè)計能力為60萬t，其中工業(yè)廢水占比約50%。工業(yè)廢水的組成以印染廢水、造紙廢水、光伏電子廢水為主，主體工藝采用AO處理工藝。以該污水處理廠提供的2015年—2018年進水水質(zhì)每日的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展相關(guān)研究，作圖分析采用Origin 9軟件。

大量的監(jiān)測指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)可反映污水處理廠處理工藝單元的運行規(guī)律，因此，擬通過分析由監(jiān)測指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)構(gòu)成的時間序列散布特征，評估污水處理廠長期運行的穩(wěn)定性，進而建立反映污水處理廠穩(wěn)定性的評價指標(biāo)體系和分析方法。蘇魏等[9]開展的城市污水處理廠運行穩(wěn)定性評估方法表明，進水的集中度能夠很好地代表進水的穩(wěn)定性，因此，污水處理廠進水穩(wěn)定性[10-11]由集中度來表征，采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)來直接量度，如式(1)。

(1)

其中：Vσ——標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；

Xi——時間序列第i個變量數(shù)值；

N——時間序列中變量個數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 進水水量和水質(zhì)的月變化規(guī)律分析

該污水處理廠在2015年—2018年進水水量和水質(zhì)COD、氨氮、總磷的變化規(guī)律如圖1所示。進水水量在不同月份的波動性變化較大，特別是每年的2月，水量降低顯著，每年的年末水量增加顯著。分析其原因，主要是該污水處理廠進水中工業(yè)廢水約占一半，工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)性變化導(dǎo)致進水水量的波動性較大。進水COD的波動變化也較大，其原因還是與工業(yè)廢水占比較高有關(guān)，當(dāng)工業(yè)廢水排放中有大量高COD的廢水進水時，污水廠的進水COD也會較高。進水氨氮相對較穩(wěn)定，基本在15～25 mg/L，其原因可能是工業(yè)廢水中的氨氮排放量較穩(wěn)定。孫艷等[1]的研究表明，北京市某污水處理廠各污染指標(biāo)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出較一致的規(guī)律性，7月—9月各水質(zhì)指標(biāo)濃度均明顯低于其他月份，其主要原因是夏季雨水導(dǎo)致進水流量增大。與之相比，該污水處理廠在雨季的進水水量與其他月份相比，也有升高的趨勢，而水質(zhì)指標(biāo)并不高，這也說明存在外來水量及降雨混入的影響。另外，進水的總磷近年來逐漸降低，主要是因為近年來的工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，排放磷的相關(guān)企業(yè)數(shù)量逐漸減少。

2.2 進水水量和水質(zhì)的頻率分析

該污水處理廠在2015年—2018年進水水量和水質(zhì)COD、氨氮、總磷的頻率分布規(guī)律如圖2所示。進水水量服從偏正態(tài)分布，水量的變化在1.8×108～2.1×108m3/月。進水COD的變化區(qū)間各不相同，主要是因工業(yè)廢水排放的波動性較大。進水氨氮的變化服從正態(tài)分布，總磷的變化區(qū)間較平均，這可能是由于近年來影響磷排放的企業(yè)數(shù)量逐漸減少，磷的排放量穩(wěn)定降低。孫艷等[1]的研究結(jié)果表明，北京市某污水處理廠的進水水質(zhì)BOD濃度正態(tài)分布擬合曲線與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線相比不是完全對稱曲線，且頻率分布的高峰向左偏移，長尾向右延伸，BOD濃度分布呈正偏態(tài)分布。與之相比，該污水處理廠的水量頻率分布規(guī)律也呈正偏態(tài)分布，而氨氮指標(biāo)的分布規(guī)律接近于正態(tài)分布，COD和總磷的分布規(guī)律與正態(tài)分布關(guān)系不大。

圖2 進水水量和水質(zhì)的概率分布分析 (a)水量；(b)COD；(c)氨氮；(d)總磷Fig.2 Probability Distribution Analysis of Influent Water Quantity and Water Quality (a) Quantity of the Influent; (b) COD; (c) Ammonia; (d) Total Phosphorus

2.3 進水的BOD/COD特征分析

在城市污水中BOD/COD體現(xiàn)了可生物降解的有機物占總有機物量的比值，可在一定程度上預(yù)測污水的可生物降解性，常用來評價污水的可生化性。當(dāng)BOD/COD<0.1時,不適于生物處理；當(dāng)0.2

圖3 污水處理廠進水BOD/COD的變化特征分析 (a)B/C比值的變化規(guī)律；(b)B/C的概率分布Fig.3 Characteristics of BOD/COD Ratios of Wastewater Influent(a) Change of BOD/COD Value; (b) Probability Distribution

2.4 進水COD與相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性分析

2015年—2018年，該污水處理廠進水COD與水量、BOD、氨氮、總磷的相關(guān)性規(guī)律如圖4所示。進水COD與進水水量以及總磷的相關(guān)性不顯著，分析原因可能是進水中工業(yè)廢水占比較高；總磷與COD排放的相關(guān)性不顯著，是由于排放含磷較高廢水的工業(yè)企業(yè)不定期排放；進水COD與BOD以及氨氮的相關(guān)性較顯著且穩(wěn)定，這與進水中工業(yè)廢水占比較高的分析相一致。進水總磷波動較大，說明在污水廠的運行中需注意磷的去除情況，如有必要可增加強化除磷措施。孫艷等[1]的研究結(jié)果表明，COD與BOD的相關(guān)性較好，這與本研究的分析結(jié)果相一致。

圖4 污水處理廠進水COD與各指標(biāo)的相關(guān)性分析 (a)COD與水量；(b)COD與BOD；(c)COD與氨氮；(d)COD與總磷Fig.4 Correlation Analysis between COD and Other Indicators of Wastewater Influent (a) COD VS Quantity; (b) COD VS BOD; (c) COD VS Ammonia; (d) COD VS Total Phosphorus

2.5 進水的穩(wěn)定性分析

2015年—2018年，該污水處理廠進水水量、COD、BOD、氨氮、總磷的穩(wěn)定性(集中度)如表1所示。該集中度將一年周期內(nèi)每日的相關(guān)數(shù)據(jù)進行集中度值的計算。2015年—2018年，進水的水量逐漸穩(wěn)定，而進水COD、BOD、氨氮、總磷的波動性較大。分析原因是工業(yè)企業(yè)排放的廢水在污水廠進水中的占比較大；進水中工業(yè)廢水比例較高且隨生產(chǎn)周期和季節(jié)性等因素波動大，嚴(yán)重時影響污水處理廠的穩(wěn)定運行；此外，雨天時雨水接入污水管網(wǎng)造成污水廠進水沖擊，也會影響污水廠的穩(wěn)定運行。由于該市城區(qū)污水系統(tǒng)采用長距離污水管網(wǎng)輸送系統(tǒng)+末端聯(lián)合污水處理廠的運行模式，長距離管網(wǎng)系統(tǒng)中不同空間點位與不同污水輸送提升單元之間，存在生活污水或工業(yè)廢水流經(jīng)時間差。因此，針對管網(wǎng)系統(tǒng)進行調(diào)查改造來減少外來水量接入，利用長距離管網(wǎng)系統(tǒng)的蓄容空間來緩解進水水質(zhì)水量波動對污水處理廠運行的沖擊，對提高污水處理廠的進水穩(wěn)定性具有重要作用。

表1 污水處理廠進水的穩(wěn)定性(集中度)分析結(jié)果Tab.1 Results of Stability (Concentration) Analysis of Wastewater Influent

進水穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，影響進水穩(wěn)定性的主要原因是工業(yè)污染源的排放。因此，可通過以下措施提高進水穩(wěn)定性：在污水泵站、管網(wǎng)與處理設(shè)施部署的物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備獲取動態(tài)數(shù)據(jù)，建立污染源、污水管網(wǎng)和污水廠監(jiān)控系統(tǒng)，開發(fā)基于數(shù)學(xué)模型和深度學(xué)習(xí)的專家預(yù)測系統(tǒng)與自動反饋控制系統(tǒng)，通過動態(tài)監(jiān)控預(yù)警和生活污水/工業(yè)廢水排放協(xié)同調(diào)控，以及雨季管網(wǎng)、泵站系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控，有效緩解進水水量和水質(zhì)波動的沖擊，進而提高污水處理廠的進水穩(wěn)定性。

2.6 進水穩(wěn)定性優(yōu)化的相關(guān)策略

針對影響該工業(yè)生活混合污水處理廠進水穩(wěn)定的工業(yè)廢水占比高、水量水質(zhì)波動大的突出問題，調(diào)查影響進水沖擊負(fù)荷的特征性工業(yè)廢水的類別，進而根據(jù)特征污染物的排放濃度以及對污水廠穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響的關(guān)鍵性指標(biāo)進行分析。在污水外排水量和污染負(fù)荷監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型模擬不同降雨條件、不同季節(jié)、不同節(jié)假情況，對外來水量給管網(wǎng)帶來的沖擊影響進行評估，定量分析外來水量比例，建立污染源—污水管網(wǎng)—污水處理廠耦合的網(wǎng)廠聯(lián)合調(diào)控數(shù)學(xué)模型，依托工業(yè)污染源—污水管網(wǎng)—污水處理廠綜合調(diào)控與監(jiān)管平臺，實現(xiàn)生活污水/工業(yè)廢水排放協(xié)同調(diào)度。在雨季開展管網(wǎng)、泵站系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控，顯著緩解了進水水量和水質(zhì)波動的沖擊復(fù)合，進而提高污水處理廠的進水穩(wěn)定性。例如，工業(yè)污染源—污水管網(wǎng)—污水處理廠綜合調(diào)控與監(jiān)管平臺，在污水管網(wǎng)應(yīng)急處理工況條件下，可采取管網(wǎng)調(diào)控的方法，減緩負(fù)荷沖擊到達污水廠進水的時間，以減少進水負(fù)荷變化對污水廠的沖擊；在雨季條件下，可通過提前預(yù)警減少管網(wǎng)負(fù)荷率，在降雨條件下減少對污水廠進水水量的沖擊；在工業(yè)廢水特殊超標(biāo)排放的情況下，通過平臺的在線預(yù)警功能，啟動管網(wǎng)調(diào)控模型模擬方案，降低工業(yè)廢水對進水水質(zhì)的影響，進而提高進水的穩(wěn)定性。由表1可知，該工業(yè)生活混合污水處理廠2018年進水水量和水質(zhì)與前幾年的情況相比，進水的水量和水質(zhì)的穩(wěn)定性均得到了大幅提高。另外，在該污水處理廠內(nèi)部，針對工業(yè)廢水占比高、水量水質(zhì)波動大等難題，以穩(wěn)定達標(biāo)排放為目標(biāo)，還充分利用了AAO處理工

藝，開展低碳氮比、低碳源品質(zhì)城鎮(zhèn)混合污水強化脫氮除磷、基于粉末載體吸附功能的多級活性污泥-生物膜耦合污水處理、原位生物強化深度脫氮等關(guān)鍵技術(shù)，確保了污水廠出水全面實現(xiàn)出水穩(wěn)定，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)。例如，從出水的水質(zhì)指標(biāo)來看，2017年和2018年出水COD的集中度分別為0.16和0.09，出水氨氮在1 mg/L以下的天數(shù)占當(dāng)年天數(shù)的比例分別為80%和90%。由此表明，進水穩(wěn)定度的提高對污水處理廠的穩(wěn)定達標(biāo)起到了較好的效果。

3 結(jié)論

(1)該工業(yè)生活混合污水處理廠的進水水量和水質(zhì)的變化特征具有明顯的周期性，特別是每年2月，水量大幅降低；工業(yè)廢水占比較高，進水的可生化性較差，BOD/COD普遍位于0.30～0.34，表明廢水中含有大量難生化降解的有機污染物；進水水量、COD和氨氮的穩(wěn)定性從2015年—2018年呈逐年提高的趨勢。

(2)基于建立的工業(yè)污染源—污水管網(wǎng)—污水處理廠綜合調(diào)控與監(jiān)管平臺，以及生活污水/工業(yè)廢水排放的協(xié)同調(diào)度以及雨季管網(wǎng)、泵站系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控，能夠有效緩解進水的水量和水質(zhì)波動的沖擊負(fù)荷，進而提高污水處理廠的進水穩(wěn)定性，可為污水廠的穩(wěn)定運行以及出水的穩(wěn)定達標(biāo)排放提供參考。