合肥市某污水廠的運行效果及經濟效益分析

方能峰

(合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

污水處理廠是城市基礎設施之一,增加污水廠的建設投入對水環境保護工作有十分重要的意義。根據《城鎮排水統計年鑒2016》,我國城鎮污水處理廠COD的排放量較“十一五”期間減少了1 264萬t;氨氮的排放量較“十一五”期間減少了118萬噸,同時其他污染物的排放量也同步減少,污水處理廠為實現國家減排目標和污染控制做出了重要貢獻。較好的處理工藝對污水有更好的處理效果,本文對污水處理廠的設計工藝進行了有關分析,表明良好的工藝設計可以降低污水廠的出水濃度,降低氮、磷等污染物的排放濃度,對環境保護有著重要的作用。

2 污水處理工藝

二級處理階段采用預缺氧+A2/O鼓風曝氣工藝,傳統的A2/O工藝厭氧區居前,回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區產生不利影響較大,進入厭氧區后,污水中的碳源被反硝化細菌優先利用,聚磷菌難以得到充足的碳源不能充分釋磷,影響好氧階段吸磷。在傳統的A2/O工藝前設置預缺氧調節池,可以消除回流污泥中硝態氮對厭氧階段的不利影響,同時還能增強污泥的反硝化作用,提高脫氮效率。在好氧段增加鼓風曝氣,曝氣的主要目的是為好氧微生物的生長活動提供足夠的氧氣,使其在好氧階段能夠高效地完成生化反應。劉曉奇等[1]指出曝氣效果的好壞將直接影響整個活性污泥法的處理效果和能耗,鼓風曝氣可以精確控制污水中氧的濃度,增加氧量供給,同時在氣流的攪動下,污水中的氧可以被分配到各個角落,被反應池中各個地方的微生物利用,提高氧的利用率。預處理工藝流程如圖1所示。

圖1 改良的A2/O工藝流程

深度處理階段采用高效沉淀池+反硝化深床濾池的結合工藝形式。高效沉淀池采用的是結合混合、絮凝、沉淀為一體的工藝,通過機械攪拌的方式,使混凝劑與污水充分混合,在沉淀階段,大顆粒的懸浮物在重力作用下沉淀到池的底部,在混凝階段未來得及沉淀的懸浮物,在斜管沉淀池的部分沉淀,斜管沉淀池最大的優勢就是延長了沉淀池,提高固體顆粒物的沉淀時間。反硝化深床濾池是集生物脫氮及過濾功能合二為一的處理單元,在反應池內部鋪設一定厚度的填料,對污水進行過濾,截留一部分粒徑大的懸浮物,同時,在被填料截留的懸浮物在填料表面附著,形成生物膜,微生物又能進一步去除污水中的氮。本工程采后的是后置反硝化深床濾池,與前置反硝化濾池相比,后置反硝化濾池能夠降低污水的處理費用。李東研究了前置反硝化濾池和后置硝化濾池的生物脫氮效果,試驗證明兩者對污染物的去除效果相當,出水均能達到一級A標準,但是前置反硝化的污水處理費用更高[2]。

3 結果與討論

污水處理廠設計規模10萬m3/d,現已建成運營,采集了2017年1月至2019年12月,為期36個月的數據,現對COD、NH4+-N、TN、TP指標進行數據分析,因為數據量較大,所以取每個月的均值進行指標分析。

3.1 COD指標分析

COD的進水與出水濃度變化如圖2所示。

圖2 COD進水與出水濃度

從圖2中可以看出,COD進水濃度變化幅度較大,最低的為100 mg/L左右,最高的進水濃度達到350 mg/L,這可能是因為人們的生活習慣以及降雨量等因素有關,在夏季的時候,COD濃度明顯升高,冬季COD的濃度有所降低。但是,從圖2中還可以看出，進水濃度基本保持在150～200 mg/L，低于設計的進水濃度380 mg/L。這進一步證明了城市污水中碳源不足的事實,需要考慮在污水處理過程中添加碳源,特別是在生化反應階段,充足的碳源為反硝化細菌、聚磷菌等異養型微生物提供能量。同時也要注意在碳源較低的情況下,在預處理階段,越過初沉池,減少COD的損失。出水COD濃度限值為30 mg/L,從圖2中也可以看出,出水的COD的濃度較低,滿足設計的出水要求。

COD的去除效率如圖3所示。

圖3 COD去除效率

從圖3中可以看出,COD去除效率最高可達94%,最低為81%。保持較高的去除效率,得益于在采用生化處理階段時延長了污泥齡,COD能夠被微生物充分利用,如果污泥齡較短,有機物就難以充分被微生物利用,同時,因為污泥更新的過快,很可能會造成污泥膨脹或是污泥上浮,影響整個生化系統脫氮的效果。

3.2 TP指標分析

TP的進水與出水濃度變化如圖4所示。

圖4 TP進水與出水濃度

從圖4中可以看出,進水的TP的變化區間為1～4 mg/L,設計進水TP的含量為6 mg/L,低于設計進水總磷的值。與COD、BOD5類似,在第16個月的時候達到整個運行周期的峰值,說明在污水處理過程中,各個污染物的指標是相互影響的,甚至出現正相關。出水總磷的含量有較小變化,TP的濃度均滿足低于0.3 mg/L,滿足出水要求,常規的生物處理往往難以使污水中的磷降低至較低的濃度,表明通過化學藥劑與磷反應,生成難溶的磷酸鹽沉淀,能夠有效降低污水中磷的濃度。

TP的去除效率如圖5所示。

圖5 TP去除效率

從圖5中可以看出,在污水廠運行初期,除磷的效果變化波動較大,在第25個月之后,除磷效果趨于平衡,可能的原因是在污水廠運行初期,聚磷菌還未完全適應環境,除磷效果較差,經過一段時間,微生物漸漸適應了生存環境,提高了除磷效果;另一方面,溫度對生物除磷的效果影響較大,有學者就證明溫度過高(25℃以上)或是過低(15℃以下)都會不利于聚磷菌的生長,造成除磷效果降低[3]。

3.3 NH4+-N、TN指標分析

NH4+-N的進水與出水濃度變化如圖6所示。

圖6 NH4+-N進水與出水濃度

從圖6中可以看出,NH4+-N的進水濃度集中在15～20mg/L,低于設計的進水濃度35mg/L;出水中氨氮基本被去除完全,滿足出水NH4+-N≤1.5mg/L要求。

TN的進水與出水變化如圖7所示。

圖7 TN進水與出水濃度

從圖7中可以看出,TN進水濃度在15～40mg/L,低于設計進水TN的數值50mg/L;出水TN的濃度每月均小于5mg/L,滿足出水水質標準。整個污水處理系統中,氮的去除效果非常好,達到此效果的原因是在A2/O工藝前置預缺氧池,提高了反硝化效果;同時又在污水深度處理階段采用了反硝化深床濾池,多方面保證氮的去除效果。

另外將圖6和圖7兩個圖放在一起,可以很容易發現NH4+-N和TN的進水濃度變化趨勢幾乎完全一致,說明通過NH4+-N的濃度來反應TN的濃度是完全合理的。

NH+4-N的去除效率如圖8所示。

圖8 NH+4-N去除效率

從圖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的去除效率如圖9所示。

圖9 TN去除效率

從圖9中可以看出，大部分月的總氮去除效果達80%以上,在第9個月的時候,去除效果為70%,較整體的去除效率略低,但總體上去除效果較好。

將圖8、圖9對比來看,兩幅圖的去除效率趨勢都與TP的去除效率相似,在污水廠運行后期趨于穩定,可能原因就是在污水廠運行初期微生物需要一定的時間適應新的生長環境,對氮、磷的去除效率有較大的波動,后期生物的脫氮除磷效果就漸漸趨于穩定。

3.4 項目效益分析

3.4.1 直接經濟效益分析

3.4.1.1 基礎數據

(1) 污水處理規模:10萬t/d

(2) 污水廠使用年限:暫定30年。

(3) 總投資:50 000萬元,其中工程費45 897.83萬元，基本預備費2 557.03萬元、其他費用5 242.69萬元。

(4) 電度電價:0.675元/度,基本電價為每月30元/kVA,變壓器容量為2 050/kVA,電機等設備功率總和為2 683 kW,效率為0.80。

(5) 職工定員50人,年人均工資45 000元。

(6) PAC投加量:1 500 kg/d為單價:1 000元/t;PAM投加量為150 kg/d,單價:35 000元/t;乙酸鈉投加量為5 700 kg/d,單價500元/t。

(7) 污泥外運處置費:200萬/年。

3.4.1.2 運營成本計算

根據張勤等[4]的研究,污水運營成本計算公式如下:

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

式中:F1為動力費;F2為藥劑費;F3為員工工資福利費;F4為日常維護費,可以按固定資產投資的1%計算;F5為大修費,可以按固定資產投資的1.7%～2%計算,本工程取2%;F6為管理和其他費用,可取固定資產折舊費、人工費、能耗費、藥劑費和維修費等費用總和的15%計算。其中,固定資產折舊費可以按固定資產投資的5%計算。

計算過程如下:

(1) 動力費:

s=2683×0.8×365×24×0.675+30×12×2050=1342.97萬元/年。

(2) 藥劑費：

PAC:1 500÷1 000×1 000×365=54.75萬元/年；

PAM:150÷1 000×35 000×365=191.63萬元/年；

乙酸鈉:5 700÷1 000×500×365=104.03萬元/年；

藥劑費:54.75+191.63+104.03=350.41萬元/年。

(3) 工資福利費：

45 000×50=225萬元/年。

(4) 日常維護費：

50 000×1%=500萬元/年。

(5) 修理費：

50 000×2%=1000萬元/年。

(6) 管理和其他費用：

折舊費:50 000×(1-5%)÷30=1 583.33萬元/年。

(1 342.97+350.41+225+500+1 000+1 583.3)×10%=750.26萬元/年。

所以本次污水廠的運營成本為:1342.97+350.41+225+500+1000+750.26=4168.64萬元/年。

3.4.1.3 總成本費用

污水廠的總成本為經營成本費用,加上折舊費和攤銷費,本工程攤銷費取100萬元/年,得到總成本費用為5 851.97萬元/年。

3.4.1.4 盈虧分析

預計收取污水處理費用的均值為2.5元/t,則每年的污水收費為9 125萬元/年,每年盈利3 273.03萬元,不計貸款利息,預計投資回收期為15年。

3.4.2 間接經濟效益分析

污水處理廠的間接效益主要是因為出水標準進一步提高,截留出更多的氮、磷等營養物質,也使排入環境中的水體質量更高。盡管污水治理工程并不直接產生經濟效益,但項目的實施將對派河水質保護有著廣泛的影響,使該地區的工業及旅游業的發展不受環境的制約,把社會經濟發展與環境保護目標協調好,將給合肥的經濟帶來極大的益處,主要表現在以下幾個方面:

3.4.2.1 降低肥料的損失

進入污水處理廠的有機物、無機物被大量的處理,出水氮、磷等物質的含量均保持在較低的水平,處理過的氮、磷大量殘留在剩余污泥中,對整個污水處理廠產生的污泥進行充分的利用,有著十分重要的意義。

3.4.2.2 減少疾病,增進健康

污水治理工程的實施將減少細菌的滋生,減少疾病,減少水污染導致對居民身體健康的嚴重損害,從而降低醫藥費開支,提高城市衛生水平及人民健康水平。楊永泰等[5]評估了城市污水凈化帶來的環境效益和環境影響,其估算公式見下:

C=L+P

L=LC+LW+LD+OC,OC=LC×Ri

L=PO+PW+PV+OP,OP=P×Ri

式中：C為水污染健康損失;L為健康損害費用;P為公益防護費用;LC為水污染疾病治療費;LW為因水污染疾病喪失工作的經濟損失;LD為因疾病早逝造成的經濟損失;OC為LC的機會損失成本;Ri為每百元資金的利潤和稅收之和;PO用于防治水污染疾病的公益事業費用;PW為水污染造成的自來水費用的增加的損失;PV為農村改水費用;OP為P的機會損失。

3.4.2.3 改善生態環境

污水處理工程實施后,將大大改善江河水域的生態環境,減少水污染對農業、漁業的收成影響。西部組團污水處理廠工程的實施使水質改善后,河道可增加漁業產量和質量,同時對農業灌溉有益,可提供符合衛生標準的灌溉水,提高農作物的產量和質量,因此可促進農業及漁業的發展。

3.4.2.4 實現土地增值

由于本工程的實施,使得城市排污設施更加完善,解決了地塊開發的污水出路問題,區域水環境質量也得到改善,該區域的土地利用價值會顯著提高,一些非生產性用地轉為生產用地,低產出利潤率用地轉化為高產出利潤率用地,區域內土地資源將得到增值。

由此可見,進行西部組團污水處理廠建設具有巨大的經濟效益。污水處理廠是城市基礎設施,以服務社會為主要目的,項目產生的效益除比較小的一部分可以用貨幣來衡量,其余大部分不能用金錢衡量,所以,應從系統觀點出發,與人民生活水

準的提高和健康條件的改善、與工農業生產的加速發展等宏觀效果結合在一起評價。

4 結論與建議

(1) 污水處理廠二級處理模塊設置了生化池+二沉池,深度處理模塊設置的高效沉淀池+反硝化深床濾池。二級處理中生化池采用預缺氧+A2/O鼓風曝氣的工藝形式,前置預缺氧池,有效避免回流硝酸鹽對聚磷菌的影響,提高了脫氮效果;深度處理階段設計的是高效沉淀池和反硝化深床濾池的組合,高效沉淀池提高SS去除效率,反硝化深床濾池能在過濾的同時進行反硝化,再一次提高脫氮效率,保證最終的出水中氮的濃度處于較低水平。

(2) 對污水處理廠的實際運營效果進行分析,各類污染物均能達到出水要求,SS的去除效率為94%左右,COD的去除效率為81%～94%,BOD5的去除效率為92%～97%,TP的去除效率為86%～97%,NH4+-N的去除效率為95%左右,TN的去除效率為70%～90%。對整個污水水廠的運行進行了經濟效益分析,預計投資回收期為15年。

(3) 提高污水的出水標準對水環境的保護有著至關重要的作用,在實際的污水廠建設工程中,可以考慮進一步提高出水標準。