浙江標準下的城鎮污水處理廠提質增效管理對策研究*

許明珠 姚 軼 吳麗娜# 徐志榮 王浙明 翟瑞雪

(1.浙江省環境科技有限公司,浙江 杭州 311100;2.浙江省生態環境科學設計研究院,浙江 杭州 310007)

2018年浙江印發了《浙江省“五水共治”(河長制)碧水行動實施方案》,明確要從污染減排和擴容兩方面著力打好碧水保衛戰。城鎮污水處理廠是大部分污水進入環境前的最后一道閘門,提升城鎮污水處理廠處理效能,對于污染減排具有重要意義。隨著2019—2021年浙江全省城鎮污水處理廠提標改造工作結束,浙江地標《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB33/ 2169—2018)開始全面執行。相比《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準,DB33/ 2169—2018對化學需氧量(COD)、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)4項污染物排放指標均有所加嚴,對城鎮污水處理廠而言能否穩定達標運行值得關注。

目前,針對浙江標準下城鎮污水處理廠如何達標的研究主要側重于提標改造工藝上[1-3],從進水角度分析達標對策的較少。浙江部分城鎮污水處理廠工業廢水進水比例較高[4]21,調查顯示28.0%的污水處理廠接納的工業廢水比例超過50%,而工業廢水中的有毒有害物質會給城鎮污水處理廠生物池內的微生物帶來不利影響,導致污水處理系統的運行效能下降[5-6],[7]69,對城鎮污水處理廠的穩定運行造成一定挑戰。鑒于此,本研究重點分析了浙江城鎮污水處理廠進水情況,從進水管理的角度為城鎮污水處理廠提質增效提出管理對策建議。

1 研究方法和對象

采用問卷調查的方式,對浙江城鎮污水處理廠基本情況、進水水質和來源等進行全面調查,并結合公開的監督性監測數據、在線監測數據開展大數據分析。本研究共回收得到有效問卷231份,被統計的231家城鎮污水處理廠設計規模合計963萬t/d,約占浙江全省城鎮污水處理廠總設計規模的80%,說明本次調查問卷獲取數據總體可以代表浙江城鎮污水處理現狀。調查問卷樣本實際污水總處理規模832萬t/d,平均運行負荷為86.85%。不同設計規模的城鎮污水處理廠分布情況見圖1。

圖1 不同規模城鎮污水處理廠數量及污水處理量占比Fig.1 Quantity and sewage treatment ratio of municipal wastewater treatment plants with different design scales

由圖1可見,就數量而言,浙江城鎮污水處理廠大多設計規模在5萬t/d以下,設計規模<1萬t/d的城鎮污水處理廠占28.6%,設計規模1萬～<5萬t/d的城鎮污水處理廠占44.6%,設計規模5萬～<10萬t/d的城鎮污水處理廠占17.3%,設計規模≥10萬t/d的城鎮污水處理廠僅占9.5%。就污水處理量而言,數量眾多的小型城鎮污水處理廠處理水量總體較少,其中設計規模<1萬t/d的城鎮污水處理廠污水處理量僅占2.4%,設計規模1萬～<5萬t/d的城鎮污水處理廠污水處理量占23.0%,設計規模5萬～<10萬t/d的城鎮污水處理廠污水處理量占25.6%,設計規模≥10萬t/d的城鎮污水處理廠污水處理量高達49.0%。可見,浙江大部分污水主要由設計規模5萬t/d以上的中大型規模城鎮污水處理廠集中處理。

2 城鎮污水處理廠現狀

2.1 設計工藝

浙江城鎮污水處理廠應用工藝較多,總體以厭氧好氧類活性污泥法(An/O)、序批式活性污泥法(SBR)、氧化溝等常規生物處理工藝為主(見圖2)。其中,使用A2/O、A3/O和A/O工藝的城鎮污水處理廠分別有102、4、34家,數量占比分別為44.2%、1.7%、14.7%;其次為SBR工藝,包括循環式活性污泥法(CAST)和改良式序列間歇反應器(MSBR)等,使用此類工藝的城鎮污水處理廠有37家,數量占比為16.0%;使用氧化溝類工藝的城鎮污水處理廠有22家,數量占比為9.5%;此外,部分城鎮污水處理廠采用上述各類工藝的組合工藝或生物膜法,出現較多的為An/O+SBR的組合工藝(數量占比為3.5%)。從現行處理工藝來看,目前浙江省內城鎮污水處理廠主要適用于對常規污染物進行處理。

圖2 城鎮污水處理廠處理工藝Fig.2 Treatment processes of municipal wastewater treatment plants

2.2 進水工業廢水占比

根據統計數據,浙江大部分城鎮污水處理廠在處理生活污水的同時接納工業廢水,只處理生活污水的城鎮污水處理廠較少,數量上僅占13.0%。針對接納工業廢水的城鎮污水處理廠,根據工業廢水在進水中的占比進行簡要劃分,其中工業廢水占比>0～25%、>25%～50%、>50%～90%的城鎮污水處理廠分別在數量上占城鎮污水處理廠總數的32.1%、26.9%、28.0%。

2.3 污染物濃度和種類

2.3.1 主要污染物進水濃度

為減小大數據分析過程中出現的偏差,以數據量最豐富的COD為主要污染物代表,分析浙江城鎮污水處理廠主要污染物的季節變化,結果見圖3。春季、夏季、秋季、冬季4個季節城鎮污水處理廠的COD平均進水質量濃度分別為245.5、215.1、223.0、236.2 mg/L,夏季COD進水濃度整體較低,推測與部分污水處理廠污水收集系統不完善,雨污分流不徹底有關[8]27。

2.3.2 不同類型污水處理廠出水COD

分析不同工業廢水占比的城鎮污水處理廠出水COD年均質量濃度,結果見圖4。不接納工業廢水的純生活污水處理廠出水COD年均質量濃度為23.9 mg/L,波動范圍總體較小。當城鎮污水處理廠接納工業廢水后,出水COD波動范圍有所增大,工業廢水占比為>0～25%、>25%～50%、>50%～90%時,出水COD年均質量濃度分別為20.6、24.5、30.8 mg/L,可見出水COD隨工業廢水占比的提高增加趨勢明顯,說明工業廢水占比是影響出水COD穩定達標的重要因素之一[7]70。對于純生活污水處理廠出水COD濃度反而較高的現象,推測可能由于純生活污水處理廠規模普遍較小且穩定性較差,或運維能力不足等所致。

圖3 城鎮污水處理廠COD進水質量濃度季節變化Fig.3 Seasonal variation of influent COD mass concentration of municipal wastewater treatment plants

圖4 不同類型城鎮污水處理廠出水COD年均質量濃度Fig.4 Annual average mass concentration of effluent COD of different types of municipal wastewater treatment plants

2.3.3 特征污染物

根據調查獲取數據,對浙江城鎮污水處理廠接納工業廢水行業來源進行統計,結果如圖5所示。其中,接納紡織染整廢水和化工廢水的城鎮污水處理廠數量占比分別達到70%、25%。紡織染整和化工兩個行業是浙江城鎮污水處理廠主要工業廢水來源,其余納管比例較高的工業廢水主要來源于制藥、食品、電鍍、造紙、制革、機械、金屬制品等行業,可見城鎮污水處理廠接納的工業廢水來源十分復雜。

圖5 浙江城鎮污水處理廠接納的主要工業廢水類別Fig.5 Categories of industrial wastewater treated by municipal wastewater treatment plant in Zhejiang

依據接納工業廢水來源,對浙江城鎮污水處理廠可能涉及的特征污染物進行統計。金屬制品行業主要特征污染物為總鉛、總鎳、總鉻、總鎘等重金屬[9-10],化工行業和制藥行業主要特征污染物為苯系物、可吸附有機鹵化物(AOX)、胺類物質等[11-13],紡織染整行業主要特征污染物為六價鉻、銻、苯胺類[14]。這些特征污染物可能影響生化系統穩定性,此外電鍍、金屬制品等行業產生的鎳、鉻、鎘、銻等重金屬物質和一些難降解有機污染物可能穿透處理系統產生環境風險[7]70。可見,加強城鎮污水處理廠上游工業廢水納管管控十分必要。

2.4 受納廢水可生化性

從五日生化需氧量(BOD5)和COD質量濃度比(以下簡稱B/C)和鹽度兩方面對城鎮污水處理廠進水的可生化性進行分析。由于調查問卷和在線監測數據中缺少對BOD5的監測,故采用監督性監測數據對主要納管工業行業的廢水B/C進行統計,結果見圖6。由于工業企業在廢水預處理過程中首先將易降解的有機物去除,因此排入城鎮污水處理廠的廢水生化性普遍較差[4]21,[7]71,平均B/C僅在0.16左右。其中紡織染整行業廢水的B/C最低,平均僅為0.11;造紙和食品行業廢水的平均B/C較高,分別為0.22和0.26。一般而言,B/C大于0.3的廢水可生化性較強。而納管工業廢水中B/C超過0.3的行業極少,普遍屬于難降解廢水,實際操作中常需要額外補充碳源以提高可生化性。

圖6 主要工業行業廢水的B/CFig.6 B/C of wastewater in major industry

3 問題分析

3.1 進水水質成分復雜且可生化性較差

現有城鎮污水處理廠接納了紡織染整、化工、制藥、造紙等行業大量工業廢水,這些經過預處理后再排入城鎮污水處理廠的工業廢水B/C普遍很低,廢水可生化性較差。部分工業行業廢水中含有難降解有機物、有毒有害物質、有機磷、不可氨化的有機氮等,這些物質對現行以An/O為主的生化處理工藝影響較大,對小規模城鎮污水處理廠工業廢水的間歇式排放影響更甚,這將成為制約城鎮污水處理廠穩定達標的不可忽視因素。

3.2 污水收集系統效能有待提升

城鎮污水處理廠進水COD濃度偏低,污水收集系統效能不足是重要原因[8]30。由于雨污分流系統不健全,排水系統老化等原因,使得雨水進入污水管道的同時本應納管的生活污水無法悉數納入,導致進水可生化性進一步降低。這些低濃度廢水在實際處理過程中往往需要額外增加碳源來保證生化系統的穩定性,增加運行成本的同時增加了碳排放[21]。進水中的工業廢水腐蝕性相對較高,容易導致設備故障致使運行不穩定。

3.3 日常運行管理有待完善

不同工業廢水的污染物成分相差很大、濃度較高,當排入城鎮污水管網的時間不確定時,易引起城鎮污水處理廠生化系統中碳氮磷比例失衡,從而顯著降低處理效率[4]23。當前,城鎮污水處理廠運行管理過程中對納管企業廢水排放情況掌握不夠及時,對納管企業何時排放污水、排放污水的水量、水質等掌握不全面,日常管理僅靠平均數據來分析,很難反映出水量和水質的波動情況,無法及時判斷工藝運行狀態并作出快速調整。

4 城鎮污水處理廠提質增效管理對策

4.1 建立難降解工業廢水管控清單

由于多數城鎮污水處理廠均接納了工業廢水,建議對難降解納管工業廢水實施嚴格管控。緊密圍繞高鹽廢水、有機磷廢水、存在稀釋排放風險的含重金屬廢水開展分級管控。將難降解工業廢水分為Ⅰ類廢水和Ⅱ類廢水：Ⅰ類廢水包括有機磷化工行業廢水和電鍍廢水;Ⅱ類廢水包括高鹽廢水,紡織染整、化工、制藥行業產生的B/C小于0.2的廢水。建議Ⅰ類廢水應優先由專業工業污水處理廠處理或企業自行處理達到直接排放標準后再排放。Ⅱ類廢水應對其進行評估后再確定是否可以納入城鎮污水處理廠集中處理。

4.2 加強工業行業廢水的間接排放管理

對Ⅰ類、Ⅱ類廢水之外的工業行業納管廢水,原則上應當嚴格執行相關行業標準間接排放標準要求,達到間接排放標準后可排入城鎮污水處理廠。鑒于現行接納有工業廢水的城鎮污水處理廠普遍面臨碳源不足的問題,對于釀酒、食品制造等環境風險相對較小的行業,且其廢水中碳源含量較高,應允許其與下游污水處理廠協商確定較寬松的水污染物排放濃度限值,為下游污水處理廠提供碳源,這有利于降低雙方運行成本,提高污水處理廠氮磷脫除效率,促進減污降碳雙贏。此外,廢水排放企業應與城鎮污水處理廠建立協同運行機制,合理規劃并嚴格執行不同工業廢水的排放時間段,使城鎮污水處理廠可以最大限度利用和平衡營養源,促進城鎮污水處理廠提質增效。

4.3 推進污水收集系統的提升改造

提升已有管網管道質量,減少污水在運輸過程中的漏損,應納盡納保證進水濃度。進一步做好雨污分流改造,解決排水管網雨污混接,避免雨水混入污水收集系統,提升有效進水濃度。強化工業端進水管控,工業污水可以實施“一廠一管”“多廠專管”輸送,便于污染溯源和精準治理,有條件的可以實行“分類收集、分質處理”。開展污水收集系統智能化改造,通過安裝傳感器及時了解系統內水量變化。

4.4 提升城鎮污水處理廠運維水平

加強對納管工業企業的要求,納管企業水質發生變化或需要臨時排放高濃度廢水時應提前告知城鎮污水處理廠,以便于及時應對沖擊。鑒于部分工業廢水中含有腐蝕性物質、高濃度和高色度物質,接納工業廢水比例較高的城鎮污水處理廠需提升硬件設備質量,及時掌握接納廢水中存在的難降解和有毒有害污染物的情況,有條件的可定期對可能存在的特征污染物開展監測,逐步建立完善新污染物監測防控機制。新標準實施過程中,城鎮污水處理廠要同步做好運維人員培訓。