蘇州某污水處理廠去除特性分析

杜 娜， 顧曉丹， 王學華

（1.江蘇中升太環境技術有限公司，江蘇 蘇州 215011； 2.蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

隨著大量污水處理廠的建成投運，我國污水處理事業的重心必然會從以建設為主轉向建設與運行并重，運行管理將發揮越來越重要的作用[1]。 污水廠運行管理中存在的問題將直接或間接影響污水處理廠的出水和能耗。 因此，針對我國已建污水處理廠普遍存在的運行管理水平低、穩定性差、能源消耗量大等現狀，根據污水廠運行狀況，診斷污水廠存在的問題，從而實現污水廠滿負荷、低耗能、高效地運行。

本文對蘇州某污水處理廠二期工程的運行狀況進行分析、診斷、評價，并針對存在的問題提出相應的對策。

1 污水廠概況

1.1 污水處理廠介紹及工藝流程

蘇州某污水處理廠二期工程 （擴建改造）于2005年11月投產運行，處理能力1.2 萬t/d，主要接納居民生活污水，采用了前置厭氧池的Carrousel 氧化溝工藝， 二沉池出水經紫外消毒后直接排入京杭大運河。 污水廠二期工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程

1.2 設計水質

污水處理廠二沉池設計出水執行GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B 標準。 進、出水水質設計值見表1。

表1 設計進、出水水質mg·L-1

1.3 主要構筑物及工藝參數

1.3.1 沉砂池

沉砂池采用平流沉砂池，設2 座，單座沉砂池長5.1 m，寬1.5 m，有效水深1.1 m，并排布置。 最大水力表面負荷81 m3/(m2·h)，水力停留時間49 s，水平流速0.11 m/s。

1.3.2 厭氧池

設一座厭氧池，長19.3 m，寬8.5 m，有效水深4.6 m， 水力停留時間1.5 h。 厭氧池池底裝有2 臺QD2500-5.5 液下推進器，推進器連續運轉，使污泥處于懸浮狀態。

1.3.3 Carrousel 氧化溝

采用一組Carrousel 氧化溝， 氧化溝分4 個廊道，每個廊道長53.2 m，寬4.5 m，有效水深4.5 m。第一個廊道為缺氧段， 其余3 個廊道在7 臺曝氣轉碟全部開啟的情況下為好氧段。其中，每臺曝氣轉碟的充氧效率為3.35 kg/(kW·h)，功率為22 kW。 氧化溝缺氧段的水力停留時間1.9 h， 好氧段為5.8 h。缺氧段水下攪拌器連續運轉，使污泥處于懸浮狀。好氧區溶解氧通過轉碟開啟臺數、 轉盤安裝片數來調節。日常運行控制過程中，夏季，氧化溝污泥質量濃度控制在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，長55.55 m，寬14.8m，有效水深4.1 m，最大表面負荷0.90 m3/(m2·h)，最大堰負荷1.5 L/(m·s)，設計污泥回流比67%。二沉池采用桁架式吸泥機，運行控制過程中，吸泥機、沉淀池與氧化溝協調連續運行，排泥與污泥泵房協調運轉。

2 運行狀況分析

2.1 污水水質去除效果

（1）COD 的去除效果

2019年污水廠進、 出水COD 濃度及去除率見圖2。由圖2 可知，全年進水COD 質量濃度在260 ～483 mg/L。 進水COD 濃度最高值出現在5月、6月，平均質量濃度達460 mg/L，且在該階段內進水COD質量濃度的波動幅度較大，標準偏差達160 mg/L；其余時間段進水COD 濃度較為平穩。 全年出水COD質量濃度穩定，維持在31 ～45 mg/L，能夠滿足一級A 的出水標準。 COD年平均去除率達到88%。

圖2 污水廠進、出水COD 濃度及去除率

（2）BOD5的去除效果

2019年污水廠進、 出水BOD5濃度及去除率見圖3。 由圖3 可知，進水BOD5濃度具有明顯的四季變化規律，冬季進水BOD5質量濃度普遍較高，最高達162 mg/L，夏季較低，最低質量濃度達96 mg/L。出水BOD5較為穩定， 維持在3.7 ～6.9 mg/L。 BOD5去除率達95%以上。

圖3 污水廠進、出水BOD5 濃度及去除率

（3）氨氮的去除效果

2019 污水廠進、出水氨氮濃度及去除率見圖4。由圖4 可知，進水氨氮質量濃度相對較穩定，在21 ～34 mg/L 之間， 且四季變化明顯， 冬季氨氮濃度較高， 夏季氨氮濃度較低。 出水氨氮質量濃度為2.9 ～5.3 mg/L。 氨氮的平均去除率為82%。

圖4 污水廠進、出水氨氮濃度及去除率

（4）TN 的去除效果

2019年污水廠進、 出水TN 濃度及去除率見圖5。 由圖5 可知，進水TN 質量濃度較為平穩，維持在28 ～43 mg/L 之間，冬季濃度相對較高，夏季濃度相對較低。 出水TN 質量濃度在8.0 ～12.4 mg/L 之間，TN 的去除率相對較低，平均去除率僅為70%。 4月～6月，在進水TN 濃度相對較低情況下，TN 去除率僅維持在65%～70%之間。

圖5 污水廠進、出水TN 濃度及去除率

（5）TP 的去除效果

2019年污水廠進、 出水TP 濃度及去除率見圖6。 由圖6 可知，全年進水TP 質量濃度維持在2.8 ～6.9 mg/L 之間；出水TP 穩定，質量濃度維持在0.2 ～0.44 mg/L；TP 去除率較高，平均達94%。

圖6 污水廠進、出水TP 濃度及去除率

（6）SS 的去除效果

2019年污水廠進、 出水SS 濃度及去除率見圖7。 由圖7 可知， 全年進水SS 質量濃度在86 ～273 mg/L 之間，波動較大。 冬季進水SS 濃度較低，且較為穩定，其余季節進水SS 濃度波動較大。出水SS 質量濃度穩定在6.2 ～9.6 mg/L 之間，SS 的去除率普遍在92%以上。

圖7 污水廠進、出水SS 濃度及去除率

2.2 物料平衡及流向

碳、氮、磷的物料平衡分析是評價污水處理廠運行狀況的有效方法[2]，物料流向能反映整個污水處理廠的運行效率、處理效率[3]。

（1）碳的物料平衡及流向

在穩態條件下，進入活性污泥系統的COD 主要由以下3 種形式離開系統[4－5]：①出水；②以剩余污泥排放；③被氧化。

其中，出水COD 的質量根據出水濃度和流量計算；剩余污泥COD 排放量根據污泥揮發性懸浮固體Xv 和污泥排放量Qw，乘以單位污泥的COD 氧當量fcv計算得出，從理論上來說，不同的生物處理系統，fcv會有差異， 但大量研究表明：fcv=1.48 mg/mg 時，能較好地代表系統中的微生物特性[6]； 被氧化的COD 過程較為復雜，該氧化溝工藝的運行模式相當于A2/O 工藝，分別計算出厭氧區、缺氧區、好氧區所消耗的COD 量后即可計算出被氧化的COD 量，污水處理廠的碳排放主要是由好氧細菌的降解活動造成的[7]。 參照顧曉丹[8]的研究，出水COD 排放量為381.6 kg/d， 剩余污泥COD 排放量為2 007 kg/d，被氧化的COD 量為745.5 kg/d。

進水COD 質量根據進水濃度和流量計算，根據2019年污水廠數據的平均值，進水COD 量為3 209 kg/d。 因此，COD 的物料平衡百分比為97%。

碳的流向分配見圖9。 由圖9 可知，63%的碳被微生物利用，最終以剩余污泥形式離開系統；23%的碳被氧化成CO2；12%的碳隨出水離開系統；COD 的損失量很小，僅占2%。

圖8 碳的流向分配

（2）氮的物料平衡及流向

進入活性污泥系統的各形態氮主要由以下3 種形式離開系統[4-5]：①出水TN；②以剩余污泥排放；③通過反硝化作用轉變為氣體。

出水TN 的質量根據出水濃度和流量計算；剩余污泥排放的TN 根據污泥揮發性懸浮固體Xv 和污泥排放量Qw， 乘以污泥中含氮的比例fN計算得出，根據南非水研究協會（WRC）的建議[9]，在一定的污泥齡范圍內fN取0.10 mg/mg 是較合理的；反硝化作用主要發生在厭氧區和缺氧區，參照顧曉丹[8]的研究，出水TN 排放量為69.28 kg/d，剩余污泥TN 排放量為135.6 kg/d，通過反硝化作用轉變為氣態的氮量為42.6 kg/d。

進水TN 質量根據進水濃度和流量計算， 根據2019年污水廠數據的平均值， 進水TN 的量為346.15 kg/d。 因此，氮的物料平衡百分比為72%。

氮的流向分配圖見圖9。 由圖9 可知，39%的氮被微生物利用，進入剩余污泥；20%的氮隨出水離開系統；僅12%的氮通過反硝化作用以氣體（N2）形式離開系統，氮在系統中的損失量高達29%。

圖9 氮的流向分配

（3）磷的物料平衡及流向

磷僅通過剩余污泥和出水從系統中去除[4-5]。

出水TP 的質量根據出水濃度和流量計算；剩余污泥排放的TP 根據剩余污泥濃度和污泥排放量Qw，乘以污泥中含磷的比例fp計算得出，在城市污水生物除磷系統中， 剩余污泥中TP 含量fp 約占污泥總重的3%[9]。 參照顧曉丹[8]的研究，出水TP 排放量為3.7 kg/d，以剩余污泥TP 排放量為54.3 kg/d。進水TP 根據進水濃度和流量計算，根據2019年污水廠數據的平均值，進水TP 量為61.98 kg/d。 因此，磷的物料平衡百分比為94%。

磷的流向分配見圖10。 由圖10 可知，磷的去除主要依靠剩余污泥排放， 通過剩余污泥排放的磷的質量占總質量的88%。

圖10 磷的流向分配

2.3 小結

根據上述分析，蘇州某污水廠C，N，P 排放量主要通過微生物利用以剩余污泥方式去除。 目前污水處理廠COD 和TP 去除效率高、效果理想，脫氮效果不佳。

3 原因分析

3.1 從運行方面分析

該污水處理廠采用“厭氧+氧化溝”工藝進行硝化和反硝化作用， 從而降低出水氨氮和TN 含量。結合氮的物料流向分析可知， 通過反硝化作用去除的氮僅占12%，因此，TN 去除率低的主要原因在于反硝化不充分。分析污水廠運行數據，2019年進水中ρ（COD）/ρ（TN）= 10.5，而研 究表 明[10]，當進水ρ（COD）/ρ（TN）≥9，硝基氮基本上全被還原成亞硝基氮，即能滿足反硝化所需的碳源，因此，該污水廠進水中的碳源足夠用于反硝化脫氮。因此，反硝化不理想的的原因主要是曝氣量過剩。

氧化溝設計為缺氧段和好氧段， 通過設置曝氣轉碟的開啟，控制氧化溝的缺氧段和好氧段。在污水處理廠的實際運行過程中，為了控制出水氨氮濃度，7 臺曝氣轉碟基本處于常年開啟的狀態運行， 為了抑制二沉池發生反硝化反應， 氧化溝出水口處的DO 質量濃度控制在1.8 ～2.5 mg/L， 這就造成了從氧化溝末端回流到氧化溝前端缺氧段的混合液中DO 濃度過高， 從而影響了氧化溝缺氧段的反硝化作用。 有研究表明[11]，氧化溝好氧段DO 質量濃度控制在0.8 ～1.1 mg/L 時， 就能滿足硝化脫氮要求，過高的DO 會破壞缺氧段環境。從2019年的運行數據分析可知，氨氮的去除率達80%以上，說明硝化效果良好，而TN 的去除率較低是由于曝氣量過剩，缺氧段反硝化效果差導致的。

3.2 從管理方面分析

目前，污水處理廠日常運行過程中，工作人員大都以經驗參數調整運行。當進水負荷、環境條件等發生突然變化時，常常會由于調整不及時，造成出水超標的現象。 且在經驗控制過程中，污泥濃度、污泥齡等參數不對應，導致了夏季污泥齡控制過短，而冬季污泥齡控制過長，系統的抗沖擊負荷能力減小。這也是目前國內污水處理廠普遍存在的問題。

蘇州某污水廠進水中很大一部分來自餐飲業廢水，因此廢水中油脂含量較高，致使在曝氣轉碟相等的供氧能力下，氧化溝的實際DO 值偏低，造成了能源的浪費，該廠2019年平均電耗為0.33 kW·h/m3，明顯高于我國城鎮污水處理廠平均電耗0.26 kW·h/m3[1]。

4 結論與建議

4.1 結論

通過對污水廠運行數據分析， 可以清楚診斷出污水廠問題所在：硝化較充分、反硝化作用不完全，因此建議減少曝氣量， 保證氧化溝好氧段DO 質量濃度在1.5 ～2.0 mg/L 即可。 同時根據進水水量、水質變化特點，建議制定不同的運行控制模式，在保證穩定出水基礎上，實現節能降耗。 同時，針對污水廠存在的運行控制方面的問題， 建議污水廠工作人員完善運行記錄、與水質指標檢測的工作，為合理科學地指導污水廠的運行奠定基礎。

4.2 建議

（1）鑒于對污水處理廠脫氮問題的分析，建議適當降低曝氣量， 保證氧化溝好氧段DO 質量濃度在1.5 ～2.0 mg/L，這樣既能滿足好氧段硝化需求，又能保證氧化溝內的缺氧環境，以充分進行反硝化反應，從而在保證硝化和反硝化作用的基礎上降低污水廠能耗。

（2）針對污水廠進水水質、水量四季變化明顯、晝夜變化明顯（白天進水量大、進水濃度高，晚上進水量小，濃度低）的特征，建議在不同的季節，采取不同的運行控制方式，以保證穩定出水、節約能源。

（3）建議污水廠改變傳統的經驗控制模式，采用泥齡控制代替原來的污泥濃度控制，從而提高系統的抗沖擊負荷能力。 建議污水廠每天記錄運行參數，做好水質指標的檢測，可以利用數學模型模擬優化污水廠運行，從而合理、科學地對污水廠進行控制[12-14]。

（4）考慮在平流沉砂池設置撇油裝置，減少油脂對系統的影響，從而節省能源。