城鎮污水處理廠接納企業外排廢水的評估方法

鄒金特，蔡 磊，季康鋒，楊家奇，范小朋，王家德,*

(1.浙江省工業污染微生物控制技術重點實驗室，浙江工業大學環境學院，浙江杭州 310014；2.杭州中科先進技術研究院，浙江杭州 310026)

工業廢水的高效治理和達標排放是保護水環境的重要組成部分[1-2]。根據國家相關政策要求，應將工業企業逐步遷入廢水處理設施完善的工業園區，實現工業廢水的集中收集、統一處理。但由于歷史原因，部分工業企業不在工業園區或短期內無法遷入工業園區，其產生的廢水只能就近納入城鎮污水處理廠或者滿足排放標準后直接排放。2018年5月，浙江省出臺了《浙江省全面推進工業園區(工業集聚區)“污水零直排區”建設實施方案(2020—2022年)》，文件要求2022年底前，全省重點園區全面完成“污水零直排區”建設[3]。為貫徹落實政府對水環境保護和管理的精神，部分工業企業存在將外排廢水納入城鎮污水處理廠的迫切需求。從全國來看，在不影響城鎮污水處理廠達標排放的前提下，將現階段無法納入工業污水處理廠的工業企業外排廢水納入城鎮污水處理廠，不僅能更好地保護和管理水體環境，還能幫助企業渡過難關，從而更好地為當地經濟發展做貢獻。

工業廢水水質成分復雜，且可能存在有毒物質[4-7]。因此，城鎮污水處理廠在接納企業外排廢水時如果沒有進行科學的評估和論證，可能會使處理工藝受到頻繁沖擊，影響出水的達標排放。目前，有關城鎮污水處理廠如何接納工業企業外排廢水的研究仍鮮有報道。本文旨在通過對浙江省某城鎮污水處理廠接納工業廢水的可行性進行評估和論證，建立一套基于試驗研究和理論計算的科學評估方法，為“污水零直排區”的建設以及城鎮污水處理廠和工業企業的穩定運行提供科學依據和技術保障。

1 試驗材料和方法

1.1 城鎮污水處理廠和企業外排廢水概況

本研究的城鎮污水處理廠位于浙江省，主要處理工藝為水解酸化+改良型氧化溝+反硝化深床濾池，并設置有粉末活性炭的應急投加工藝。該污水處理廠接納工業廢水前實際處理水量為(15 459±6 255)m3/d。該試驗出水執行標準根據浙江省《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》[8]制定，即CODCr≤30 mg/L、生化需氧量(BOD5)≤6 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L、總氮(TN)≤12 mg/L、總磷(TP)≤0.3 mg/L。外排廢水需納廠的是一家化學制藥企業，距污水處理廠3～4 km，外排廢水已經過廠區內廢水生化處理設施處理，實際外排水量為(880±264)m3/d，出水執行《化學合成類制藥工業水污染物排放標準》(GB 21904—2008)，即CODCr≤100 mg/L、BOD5≤20 mg/L、氨氮≤20 mg/L、TN≤30 mg/L、TP≤1.0 mg/L。

1.2 廢水可生化性測定

將廢水中的有機物分為可生物降解有機物(快速可生物降解有機物SS和慢速生物降解有機物XS)和不可生物降解有機物。先測定廢水的總CODCr，然后采用呼吸速率儀(RSA，PF-8000，美國)測定廢水中的SS和XS，求出廢水中可生物降解的有機物含量；將廢水測得的總CODCr濃度減去可生物降解有機物濃度，即得廢水中不可生物降解的有機物含量[9]。

1.3 污泥活性的影響試驗

取污水處理廠好氧池污泥，試驗用水分別為污水處理廠進水、企業外排廢水、污水處理廠進水和企業外排廢水的混合水。具體先將污泥濃縮，用試驗用水將污泥質量濃度(MLSS)稀釋至5 000 mg/L，然后根據文獻[10]方法測定污泥的耗氧速率(oxygen uptake rate，OUR)。為進一步考察試驗用水與污泥長期接觸后對污泥活性的影響，用試驗用水將污泥稀釋至5 000 mg/L后攪拌36 h，然后沉淀倒出上清液并加入污水處理廠的進水，測定污泥的OUR。

1.4 CODCr的降解試驗

取污水處理廠好氧池污泥，試驗用水分別為污水處理廠進水、企業外排廢水、污水處理廠進水和企業外排廢水的混合水。具體先將污泥濃縮，用試驗用水將污泥稀釋至5 000 mg/L，然后采用曝氣泵對泥水混合物進行曝氣充氧，維持試驗溫度在20 ℃左右，每隔一定時間取水樣，過0.45 μm的濾膜后測定其CODCr。

1.5 純稀釋的理論出水水質計算

純稀釋的理論出水水質計算如式(1)，主要考察的水質指標有CODCr、氨氮、TN和TP，分析數據為污水處理廠提標改造完成通過驗收后的3個月數據。

Cth,i=CQY, i×Ri+CWWTP, i× (1-Ri)

(1)

其中：Cth,i——污水處理廠出水和企業外排廢水混合后的理論出水質量濃度，mg/L；

CQY,i——企業外排廢水的污染物質量濃度，mg/L；

Ri——企業外排廢水流量占總流量的比例；

CWWTP, i——污水處理廠出水的污染物質量濃度，mg/L。

1.6 其他測定方法

CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、MLSS根據標準方法測定[11]。溶解性CODCr通過0.45 μm濾膜過濾后測定[12]。特征污染物苯、甲苯、乙苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯根據《水質 苯系物的測定 氣相色譜法》(GB/T 11890—1989)測定。特征污染物二氯甲烷根據《水質 揮發性鹵代烴的測定 頂空氣相色譜法》(HJ 620—2011)測定。

2 結果與討論

2.1 廢水水質和可生化性

由表1可知，測定的污水處理廠進水水質為污水處理廠提供的1年進水水質(CODCr質量濃度為66～492 mg/L、BOD5質量濃度為29～197 mg/L、氨氮質量濃度為3.8～44.5 mg/L、TN質量濃度為7.0～51.3 mg/L、TP質量濃度為0.90～7.30 mg/L)。測定的污水處理廠出水水質符合《臺州城鎮污水處理廠準四類排放標準》。測定的企業外排廢水水質符合《化學合成類制藥工業水污染物排放標準》(GB 21904—2008)。由于企業外排廢水的特征污染物濃度符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準和《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)一級標準，特征污染物對污水處理廠達標排放的影響后續不再計算分析。此外，企業外排廢水測定的可生物降解和不可生物降解CODCr質量濃度分別為9 mg/L和83 mg/L，表明企業外排廢水中仍然存在少量能被微生物降解去除的有機物。

表1 城鎮污水處理廠進出水水質和企業外排廢水的水質Tab.1 Water Quality of Influent and Effleunt of MWWTP and the Discharging of the Industries

2.2 企業外排廢水對污泥活性的影響

由項目評估前1年的流量數據可知，企業外排廢水與污水處理廠進水的流量之比為0.064±0.030，其中99.5%的比值小于0.150。因此，試驗用水中企業外排廢水與污水處理廠進水的混合比例采用1∶7、1∶10和1∶15。由表2可知，采用企業外排廢水的OUR為(5.8±0.2) mg O2/(L·h)，明顯低于采用污水處理廠進水的OUR[(11.5±0.6) mg O2/(L·h)]；而混合水(1∶7、1∶10、1∶15)的OUR分別為(10.9±0.7)、(11.3±0.4)、(11.1±0.8) mg O2/(L·h)，與采用污水處理廠進水的OUR基本相同。這一結果表明，化學制藥企業處理后的外排廢水對污水處理廠污泥的活性具有一定的抑制作用，但當企業廢水與污水處理廠進水的混合比例小于1∶7時，其對污泥的活性基本沒有影響。由表3可知，污泥與企業外排廢水、(1∶7、1∶10、1∶15)混合水充分接觸36 h后，其OUR[(17.2±0.5)、(18.2±0.2)、(17.6±0.5)、(17.6±0.7) mg O2/(L·h)]與污水處理廠進水的OUR[(16.7±0.9) mg O2/(L·h)]基本相同，表明污泥與企業外排廢水和混合水長時間接觸不會影響其活性。

表2 污水處理廠污泥在不同試驗用水下的OURTab.2 OUR of MWWTP Sludge for Different Tested Wastewater

2.3 污水處理廠接納企業廢水后的理論出水水質

企業未提供外排廢水TN和TP的監測數據，因此，企業外排廢水TN、TP質量濃度分別取《化學合成類制藥工業水污染物排放標準》(GB 21904—2008)的最不利值(30、1 mg/L)進行計算分析。由圖1(a)可知，污水處理廠實際出水CODCr質量濃度≤30 mg/L，企業外排廢水大部分CODCr質量濃度≤100 mg/L，混合稀釋后的理論出水CODCr質量濃度有1 d為30.2 mg/L，其余時間均小于30 mg/L。企業外排廢水主要以不可生物降解有機物為主，因此，應對接納廢水后污水處理廠CODCr的達標排放進一步評估論證。本研究未對污水處理廠BOD5的達標排放進行分析，這主要是由于企業外排廢水BOD5濃度本身很低，而且還能被微生物降解去除，不會影響污水處理廠BOD5的達標排放[13-14]。污水處理廠出水氨氮質量濃度≤1.5 mg/L，企業外排廢水氨氮質量濃度≤20 mg/L，混合稀釋后計算的理論出水氨氮質量濃度均小于1.5 mg/L[圖1(b)]。該污水處理廠進水氨氮質量濃度在3.8～44.5 mg/L，廢水混合后除了稀釋作用，氨氮還能被污水處理廠污泥中的硝化細菌降解去除[15-17]，因此，接納工業廢水后對污水處理廠氨氮的達標排放沒有影響。污水處理廠出水TN質量濃度≤12 mg/L，企業外排廢水TN質量濃度按30 mg/L計算，混合稀釋后的理論出水TN質量濃度均<12 mg/L[圖1(c)]。因此，接納工業廢水對污水處理廠TN的達標排放沒有影響。由于化學制藥企業外排廢水中的TN可能含有較多難降解的有機氮[18-19]，如果混合稀釋后計算的理論出水TN存在不達標情況，則應通過硝化、反硝化和污泥吸附等試驗對接納工業廢水后污水處理廠TN的達標排放進一步評估論證。污水處理廠出水TP質量濃度≤0.3 mg/L，企業外排廢水TP質量濃度按1.0 mg/L計算，混合稀釋后的理論出水TP質量濃度均<0.3 mg/L[圖1(d)]。因此，接納工業廢水對污水處理廠TP的達標排放沒有影響。

表3 污水處理廠污泥與試驗用水長時間接觸后在污水處理廠進水下的OURTab.3 OUR of MWWTP Sludge after Long-Term Exposure to the Tested Wastewater of MWWTP Influent

圖2 污水處理廠污泥對不同試驗用水CODCr的降解Fig.2 Degradation of CODCr under Different Tested Water by Using of MWWTP Sludge

2.4 企業外排廢水對CODCr降解的影響

企業外排廢水的BOD5質量濃度為1 mg/L，可生物降解有機物占總有機物的比例為9.8%，而污水處理廠活性污泥好氧24 h能使企業外排廢水CODCr質量濃度從89.1 mg/L降至59.6 mg/L，去除率約為33.1%(圖2)。這一結果表明，活性污泥除了通過微生物代謝去除可生物降解CODCr外，還能通過污泥吸附等方式去除外排廢水中的不可生物降解CODCr[20-21]。1∶7、1∶10、1∶15混合水好氧24 h后CODCr質量濃度分別降至41.7、47.9、44.7 mg/L，均略高于污水處理廠進水好氧24 h后的CODCr(39.4 mg/L)，這表明接納工業廢水會導致污水處理廠出水CODCr略微升高。此外，污水處理廠進水和混合水在好氧過程中均出現了CODCr上升的現象，這可能是由于污水處理廠進水中的顆粒性有機物含量較高(表3)，在好氧降解過程中部分顆粒性CODCr轉變成了溶解性CODCr[22]。綜上，城鎮污水處理廠活性污泥可通過生物降解、污泥吸附等方式去除企業外排廢水中的部分CODCr，因此，接納工業廢水后污水處理廠實際的出水CODCr應低于理論出水CODCr。考慮到混合稀釋后的理論出水CODCr僅超標1 d，且質量濃度為30.2 mg/L，認為接納工業廢水對污水處理廠CODCr的達標排放沒有影響。

2.5 城鎮污水處理廠接納企業外排廢水的方案制定

根據上述分析，在現有水質和水量情況下城鎮污水處理廠可接納該企業的外排廢水。為保障污水處理廠的穩定運行和達標排放，根據實際情況制定如下方案：(1)工業廢水納廠水質繼續執行《化學合成類制藥工業水污染物排放標準》(GB 21904—2008)；(2)工業廢水宜逐步增加納廠水量，但最終的平均水量以不超過污水處理廠進水的6.5%為宜，最高控制在15.0%；(3)企業應設置應急處理措施，在事故工況時能不排廢水或廢水水質滿足污水處理廠的排放標準；(4)企業在線監測數據應接入污水處理廠。

2.6 接納企業外排廢水后污水處理廠實際的出水水質狀況

接納工業廢水前污水處理廠3個月的平均出水CODCr、氨氮、TN、TP質量濃度分別為(14.6±5.5)、(0.1±0.1)、(3.0±1.1)、(0.09±0.04) mg/L；企業根據本研究方案將外排廢水逐步納廠(納接工業廢水比例由1.0%逐步提升至12.0%)后，污水處理廠4個月的出水CODCr、氨氮、TN、TP平均質量濃度分別為(14.27±4.78)、(0.22±0.17)、(5.41±3.22)、(0.06±0.03) mg/L(圖3)。從數據變化來看，接納工業廢水后對污水處理廠出水CODCr、氨氮和TP基本沒有影響，而出水TN濃度有所上升，但運行一段時間后出水TN呈現下降趨勢，3月15日以后出水TN與接納工業廢水前的出水TN基本相同。因此，該制藥企業按本研究方案將工業廢水納廠后對城鎮污水處理廠的穩定運行和達標排放沒有影響。

圖3 接納廢水前后污水處理廠出水水質Fig.3 Effluent Quality of the MWWTP before and after Acceptance of Industrial Wastewater

2.7 城鎮污水處理廠接納企業外排廢水的評估方法

基于以上研究成果，提出城鎮污水處理廠接納工業廢水的評估方法(圖4)。(1)考察污水處理廠和企業廢水的處理工藝，并獲取3～12個月的廢水水質和水量的數據，同時取污水處理廠進水、出水和活性污泥以及企業的外排廢水。(2)分析污水處理廠和企業每日的水量狀況，確定擬納廠廢水水量占污水處理廠進水量的比例，并測定所取水樣的CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、可生化性和特征污染物濃度，評估獲取的水質數據是否有代表性。(3)根據每日水量狀況確定混合廢水中企業外排廢水與污水處理廠進水的比例，測定不同廢水條件下活性污泥的OUR，考察混合廢水對污泥微生物活性的影響，如果存在抑制作用，則不滿足納廠要求。(4)進一步根據污水處理廠和企業的水質及水量，計算理論出水CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP和特征污染物濃度，分析污染物是否滿足排放標準，如果有指標不滿足，則通過試驗測定污泥對相應污染物降解和吸附的效率，進一步分析污染物是否能滿足排放標準，如果仍不滿足，則不滿足納廠要求。(5)如果滿足納廠要求，則根據污水處理廠和企業的實際情況編制可行的納廠方案，對于評估后不能納廠的，企業可采取提高廢水排放標準、降低廢水排放量等方式來滿足納廠要求，然后重新進行評估。

圖4 城鎮污水處理廠接納工業廢水的評估方法Fig.4 Evaluation Method for Acceptance of Industrial Wastewater by MWWTP

3 結論

(1)活性污泥對企業外排廢水CODCr的去除結果表明，城鎮污水處理廠活性污泥能通過污泥吸附的方式去除工業廢水中部分不可生物降解的有機物。

(2)該制藥企業按當前水量[(880±264)m3/d]和《化學合成類制藥工業水污染物排放標準》(GB 21904—2008)，將外排廢水逐步納入到城鎮污水處理廠后對污水處理廠出水的達標排放沒有影響。城鎮污水處理廠平均水量為(15 459±6 255) m3/d，排放標準為《臺州城鎮污水處理廠準四類排放標準》。

(3)在城鎮污水處理廠如何接納工業廢水的研究基礎上，首次系統提出基于試驗研究和理論計算的城鎮污水處理廠接納工業廢水的評估方法，該評估方法有助于“污水零直排區”的建設以及城鎮污水處理廠和工業企業的穩定運行。