中水站高氨氮進水調研及FCR 工藝處理效能分析

王家祥朱兆亮郝連杰溫璐菁

(1.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東 濟南 250101；2.山東國辰實業集團，山東 濟南 250300；3.光大水務(濟南)有限公司，山東 濟南 250031)

0 引言

近年來，特別是“十四五”規劃提出以來，國家將生態環境保護貫穿到高質量發展的各個方面，并提出持續減少主要污染物排放總量和明顯改善城鄉人居環境的目標，污水處理基礎設施建設得到大力發展[1-2]。 山東省政府為改善村鎮水環境，大力建設村鎮污水管網和區域中水站。 但在中水站的運行過程中，出現了原水氨氮(NH4-N)、總氮(Total Nitrogen，TN)值遠超設計值的現象，增加了中水站的處理難度，也大大提高了處理成本。

生活污水是居民生活活動所產生的污水，來源于廁所、洗滌和洗澡。 總體污染物的濃度不是很高，可生化性較好，凱氏氮約為40 mg/L(其中有機氮和NH4-N 約為15、25 mg/L)。 高氨氮污水一般來源于工業排放，化肥廢水、味精廢水、焦化廢水、垃圾滲濾液、煤氣廢水等都具有高氨氮的特點[3]。 在農業生產中，未被利用的氮肥＞50%，流失到江河湖泊和地下水中，形成農業灌溉廢水，其中就含有很高的NH4-N[4]。 進水NH4-N 超標會對中水站正常運行產生的影響有:(1) 會對生化反應池里的有機物降解菌和硝化菌產生抑制作用，對生化處理設施造成沖擊，并使原生和后生動物為適應高氨氮環境形成胞囊[5]；(2) 中水站需增大曝氣量來強化硝化反應[6]；(3) 用于去除總氮的碳源不足，必須加大碳源的投加量[7]。 針對生活污水高氨氮的問題，已經有學者做出調研和分析:賈軍峰等[5]認為隨著人們生活水平提高和生活習慣的改變，生活污水普遍存在高氨氮、低碳氮比的情況；謝東[8]通過對縣城高氨氮水質調研和監測，發現排水系統雨污分流建設不徹底和個別工業企業對工業污水不達標偷排，是導致污水處理廠氨氮負荷高的主要原因；程興罡[9]認為高氨氮、 低化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)水質在工業生活污水中較常出現，工業生產中無組織排放氮源混雜入生活污水中，可導致污水中氨氮濃度指標明顯增高；肖春等[10]在包頭市展開了對污水廠進水高氨氮和高COD 原因的調研，發現用水量的差異及不同的排水體制是造成進水水質有差異的主要原因。

文章通過對小區中水站原水來源的走訪調研、水質監測和問卷調查，并經過數據分析查找高氨氮水質的原因；同時，針對該街道中水站采用的匈牙利立體生態污水處理技術——食物鏈反應器(Food Chain Reactor，FCR)工藝，通過對中水站主要構筑物的出水進行取樣、化驗分析、數據統計和整理分析，研究FCR 在高氨氮原水質情況下的處理效能。

1 中水站進水高氨氮原因調查

1.1 中水站水質現狀

選擇了濟南市孝里街道污水處理中水站，其規模為4 000 m3/d，污水來源為附近21 個小區內的生活污水，中水站設計階段參考常規生活污水水質，設計進水水質見表1。 然而，中水站運維階段水質實際測驗數據顯示，進水NH4-N、TN 分別為60～120 和80～140 mg/L，遠高于常規生活污水正常的NH4-N 值和TN 值。 為此，開展中水站原水高氨氮原因調研。

表1 中水站設計進水水質表

1.2 調研策略

調研方式包括小區住戶交流、水樣收集測驗、數據分析、中水站運營單位座談、鎮政府與水務單位走訪交流等[11]。

1.2.1 管線及小區巡查

參考該鎮街道污水管網的布置圖，依次巡視主干管、干管；確定每個小區的檢查井位置及化糞池設置情況；調查農田水利和排水設施的分布；調研周邊工業企業以及養殖企業狀況。

1.2.2 取樣測驗

走訪小區居民，調查作息時間。 洗漱做飯的時間為小區污水量最大的時間，這段時間取樣最具代表性。 取樣時間定為8:00—9:30 和18:00—19:00，對每個小區的出水總井進行取樣。 取樣次數為兩次，上午、下午各1 次，混合兩次樣品作為待測水樣。

1.2.3 監測方法

使用污水取樣器(北京市格雷斯普科技開發公司)進行取樣，采樣位置在構筑物出水口水深1/2處。 取樣后倒入燒杯靜置10 min。 沉淀后取上清液，用濾紙和漏斗過濾，對過濾后的樣品進行COD、NH4-H、TN 和TP 的測驗，每個樣品進行3 次平行實驗[12]。 用COD、NH4-H、TN 和TP 在線自動分析儀(無錫富機自動化儀表有限公司)測定各污染物的質量濃度。 由于中水站原水過濾后的各項水樣質量濃度過大，采用超純水稀釋10 倍后再進行測試。

1.3 調研結果及數據

通過管線及小區巡視，未發現管網沿線有工業企業，也不存在工業污水偷排的污水管道和農業灌溉廢水混入的情況。 小區每棟樓均至少設置一座化糞池。 中水站收集的污水來自A、B、C 和D 片區的21 個小區，其水樣測驗數據見表2。

表2 濟南市某街道21 個小區污染物質量濃度表單位:mg·L-1

由表2 中數據可知:(1) A06、A07 小區NH4-N和TN 數值遠低于設計進水的NH4-N、TN 值，COD值也低于其余19 個小區。 其余小區的NH4-N 和TN 數值多數明顯高于生活污水的常規數值。(2) A08、 A10 和A12 小區的COD、NH4-N、TN 和TP 的數值都極高，3 個小區的取水樣品呈黑褐色，臭味很大，含有大量的懸浮固體和沉淀固體。(3) A01、A10、A12、A13、B03 的NH4-N 指標是中水站設計NH4-N 指標的3 倍以上；A01、A08 和A13 的TN 指標是設計指標的3 倍以上，D01 的TN 指標甚至超過4 倍。 可見，各小區污水普遍存在NH4-N、TN 超標的問題。

1.4 原因分析

通過與小區物業管理公司、街道政府和自來水公司進行座談交流，收集基礎數據，并采用問卷方式進行調研，總結中水站進水中NH4-N 和TN 較高的原因。

該街道小區總戶數為11 531 戶，常住人口每戶人數約為3 人。 小區居民均是附近農村遷建項目搬遷的農民。 在農村生活時，農戶用水水費價格很低，甚至免費，但在搬到遷建小區后，居民全部用上自來水，水費的價格比農村用水高了很多。 遷建來的居民收入水平與城鎮居民相比較低，并且小區住戶的年輕勞力大部分都在外打工。 小區常住人口的70%為60 歲以上的老人，平時在生活上一直比較節儉，所以節約用水的習慣比較普遍。 查驗小區用水量，推算居民用水量約為77 L/(人· d)，低于山東地區城市居民生活用水量標準(85～140 L/(人· d))，日用水量明顯偏少。

對小區居民展開關于節約用水的調查問卷，采用隨機抽樣調查，問卷形式為線下問卷，現場發放并回收問卷，樣本數量為1 000 份。 由于存在調研對象年齡過大和理解力較低的現象，篩選問卷，共剔除無效問卷132 份，有效問卷共計868 份，問卷有效率為86.8%。 調查問卷情況見表3。

表3 調查問卷情況表

分析調研問卷發現，82.49%的小區居民認為節約用水是有必要的，且居民的節水意識較好。 在日常生活中，洗澡是用水量最大的。 68.43%的住戶洗澡時間＜15 min，24.31%洗澡時間為15 ～25 min，僅有7.26%的居民洗澡時間＞25 min。 所以，住戶節約用水習慣是該街道生活污水中NH4-N 和TN 偏高的主要原因。

A06、A07 小區水樣污染物質量濃度低，可能因為取樣選在大雨后第二天，下雨導致雨水溢流至污水管道中，稀釋了各項污染物，致使檢測的數據偏低。 但是，兩個小區TP 被稀釋后，濃度依然較高，推測是由于大量使用含磷洗滌劑所致。 另外，A08、A10、A12 小區內存在做鹵肉熟食的商戶，食物殘渣以及鹵水等餐廚垃圾排入小區內污水管網，造成該區COD、TN、TP 和NH4-N 較高。 餐廚垃圾含有蛋白質、氨基類、腈類、嘌呤、嘧啶和硝基化合物等[13]，有機氮含量比較高；同時，商戶清洗用水時需要使用大量的肥皂、洗潔精一類的洗滌劑，會產生大量的洗滌廢水，這些洗滌劑大部分含磷量較高，也是這3 個小區COD 和TP 偏高的原因之一。 由于A01、A13、B03 和D01 這4 個小區居民十分密集、人員多、廁所使用頻率高、糞尿量比較大，導致NH4-N 及尿素等有機氮較高。

因此，小區居民的節約用水習慣，洗滌劑的大量使用以及糞尿量相對集中都是導致該區域生活污水NH4-N、TN 偏高的原因。

2 中水站污水處理FCR 工藝處理效能

2.1 立體生態污水處理技術

為解決21 個小區污水收集和處理問題，街道政府建設了4 000 m3/d 的中水站，處理后的水質達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準[14]，可用于社區綠化噴灌、道路澆灑及沖廁等。

中水站處理工藝的選擇考慮了高效低耗、節省占地面積，同時兼顧對周邊環境的影響，采用匈牙利典尼卡公司食物鏈反應器FCR，亦稱為立體生態污水處理技術，是固定生物膜活性污泥法(Integrated Fixed-film Activated Sludge，IFAS)的先進代表[15]。FCR 是以生物接觸氧化為基礎，同時兼具人工濕地系統的特點，在池體上部種植根系發達的美人蕉、蘆葦、長春花等多種挺水植物，并用植物根系和生物纖維做的人造根須結構作為生物膜載體[16]，工藝末端后置強化脫氮。 中水站FCR 工藝原理圖及現場照片如圖1[17]、2 所示。

圖1 中水站FCR 工藝原理圖

圖2 中水站FCR 工藝現場圖

選用立體生態污水處理技術，具有以下優勢:

(1) 占地面積小 工藝以發達的植物根系和人造纖維根系為生物膜載體，比表面積更大，可高達12 000 m2/m3[18]。 現場人造纖維根系生物膜載體如圖3 所示。

圖3 現場被生物膜覆蓋的人造纖維根系圖

(2) 抗沖擊負荷能力強 FCR 工藝中參與污水凈化的微生物種類繁多、類型廣泛，其數量可達3 000多種，生物的食物鏈長且復雜，而常規活性污泥法微生物種類一般為800 多種。 當處理水量和水質發生較大變化時，能很快恢復生物處理能力，達到穩定的出水效果[19]。 FCR 工藝和活性污泥法的微生物在種類和數量的比較見表4。

表4 FCR 工藝與活性污泥法的微生物種類和數量對比表

(3) 污泥產量低 反應器內存在著一條有機物-細菌-原生動物-后生動物的食物鏈。 由于原生動物和后生動物的捕食作用，從而降低了污泥成分中的細菌與微生物含量[20]。

(4) 生態景觀優美 與傳統的活性污泥污水廠相比，FCR 系統用玻璃房構建溫室結構，內部種植挺水植物，營造出植物園般的外觀。 中水站運營過程基本不產生臭味，生態處理系統空間高度集約，節省土地面積，與城市小區相得益彰。

(5) 處理系統能耗低 反應器里的微生物群落全部依附生長在植物根系以及人造根須上面，使污水中的懸浮污泥大大減少，提高了溶解氧在水中的傳遞效率[15]。 所需的曝氣量更少，FCR 工藝與其他方法相比能耗可減少20%～50%。 以活性污泥法能耗100%作為參考，FCR 工藝與活性污泥法、序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR)、移動床生物膜反應器(Moving-Bed Biofilm Reactor， MBBR) 和膜生物反應器(Membrane Bio-Reactor，MBR)能耗對比如圖4 所示。

圖4 FCR 工藝與其他工藝能耗對比圖

2.2 中水站工藝流程及設計參數

2.2.1 中水站工藝流程

中水站工藝流程如圖5 所示。 一級處理為細格柵＋調節池，主要去除SS 以及均化水質和水量。 二級處理為FCR 池＋二沉池，深度處理采用絮凝池＋盤式過濾器＋消毒池。 消毒劑采用NaClO。

圖5 中水站工藝流程圖

二級處理主體工藝為食物鏈反應器FCR，包括厭氧池1 段、缺氧池1 段、好氧池1 段、缺氧池2 段、好氧池2 段，如圖6 所示。 厭氧1 聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，一些小分子溶解性有機物被去除，同時部分有機物進行氨化。 缺氧1 硝態氮通過內循環由好氧反應池輸送到此段，反硝化作用將硝態氮轉化成N2，完成脫氮。 好氧1 這一反應單元是多功能的，去除COD，硝化和聚磷菌吸收磷等均在此處進行。缺氧2 異養菌將前3 段反應器未除盡中的淀粉、纖維、碳水化合物等污染物及可溶性有機物水解為有機酸，使大分子有機物分解為小分子有機物，不溶性的有機物轉化成可溶性有機物；同時，在此階段投加CH3COONa，異養菌的反硝化作用將硝態氮還原為N2，強化脫氮。 好氧2 將缺氧2 段的小分子有機物好氧分解，通過硝化作用將剩余的NH4-N 氧化為硝態氮。

圖6 FCR 工藝流程圖

2.2.2 中水站設計參數

中水站各構筑物及設備設計參數見表5。

表5 中水站設計參數表

2.3 中水站FCR 工藝運行效能

為了研究中水站FCR 工藝面對高NH4-N、高TN 污水處理效能及工藝的穩定性，對中水站進、出水水質進行監測和分析研究。 一段時間內中水站運行穩定后的數據如圖7 所示。

圖7 中水站COD、NH4-N、TN 及TP 數據分析圖

由圖7 可以看出，中水站出水COD＜30 mg/L、NH4-N ＜1 mg/L、TN ＜15 mg/L、TP 平均約為0.5 mg/L，達到了一級A 標準。

FCR 反應池對NH4-N、TN、COD 的去除率分別＞99%、85%和80%，FCR 工藝的脫氮能力和對COD的去除能力很強，為水處理微生物創造了適合生長棲息、繁衍的穩定環境。 在FCR 池內，根系附著的生物膜和懸浮的少量活性污泥能夠高效互補地進行硝化、反硝化作用，達到凈化污水的效果。 根系附著的微生物不會像活性污泥法受到強烈的攪拌沖擊，宜于生長增殖，會使參與凈化反應的微生物多樣化，因此污水凈化能力顯著。 參與硝化反應的硝化菌和亞硝化菌的世代時間都比較長，比增殖速度較小。如亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、硝化桿菌屬(Nitrobacter)的比增殖速度分別為0.21 和1.12 d-1。在一般生物固體停留時間較短的活性污泥工藝中，這類細菌難以存活。 在FCR 處理系統中，生物污泥的污泥齡與污水的停留時間無關，有利于硝化菌、亞硝化菌的繁衍和增殖，因而FCR 工藝有著很高的NH4-N、TN 去除率。

FCR 池除磷效果不太穩定，最高、最低的去除率分別為90.4%和21.0%。 生物除磷的機理是聚磷菌(Acinetobacter、Pseudomonas、Aerobacter、Morarella、E.Coli、Mycobacterium和Beggiatoa等)在好氧環境中超量攝取磷，再排放含磷剩余污泥。 污泥齡的長短對聚磷菌的攝磷作用和剩余污泥排放量有著直接的影響，污泥齡越長，聚磷菌攝取的磷越少，污泥中的磷含量降低，導致除磷效果降低。 在生物除磷工藝中，一般采取較短的污泥齡(3.5 ～7 d)。 FCR 工藝的污泥齡較長，因此除磷效果一般。

中水站監測進水水質波動較大，進水NH4-N 為60～130 mg/L、TN 為80 ～170 mg/L，都遠超設計值，但中水站出水的NH4-N、TN 指標都能達到設計標準。 因此，運行數據顯示FCR 工藝對進水水質變化有較強的適應性和抗沖擊負荷能力。 FCR 反應池分5 段運行，每段都繁衍與進入本段污水水質相適應的微生物，并形成優勢種屬，有利于微生物的新陳代謝和對水質波動的適應。

通過對中水站長期運行監測，得到的平均數據見表6。 由數據計算可知:FCR 池COD 去除率達86%，中水站整體去除率達到92.5%；FCR 池NH4-N去除率高達99.4%，中水站整體去除率為99.8%；FCR 池TN 去除率高達90.1%，中水站整體去除率為91.3%；FCR 池TP 去除率達到50.3%，中水站整體去除率為92%。 FCR 反應池承擔了中水站約93%的COD、99.6%的NH4-N、98.7%的TN 和54.7%的TP 去除，是中水站的核心處理構筑物。 中水站平均進水NH4-N為94.1 mg/L、TN 為124.5 mg/L，遠超常規生活污水的正常NH4-N、TN 值，進水的沖擊負荷很大。 FCR 反應池使出水NH4-N、TN 分別降低至0.56和12.3 mg/L，脫氮效能穩定高效。

表6 中水站長期監測平均數據表 單位:mg·L-1

2.4 中水站投資運行費用

工程總投資約為2 300 萬元，其中土建費為800 萬元，設備材料安裝費為1 500 萬元。 中水站運營費用主要包括藥劑費、電費、人工費，其中為保障氮排放達標，藥劑費中所需碳源投加量占比大，現場用CH3COONa作為外加碳源，按去除1 kg NO3-N 投加5 kg碳源(以COD 計)，碳源費用約為1.47 元/t，其他藥劑費約為0.30 元/t，電費約為1.11 元/t，中水站按2 人值班，人工費為0.23 元/t，總運營費約為3.11 元/t。

3 結論

通過以上研究，得到以下結論:

(1) 中水站進水NH4-N、TN 質量濃度超高的主要原因是小區居民節約用水的習慣，生活洗滌劑的大量使用以及糞尿量相對較高。 此外，部分小區內存在做鹵肉熟食的小作坊，食物殘渣以及餐廚垃圾排入小區污水管網，造成小區內COD、NH4-N 和有機氮質量濃度偏高。

(2) 在居民小區生活污水的NH4-N、TN 質量濃度較高的狀況下，中水站設計選用的FCR 技術對環境變化的適應性和抗沖擊負荷能力強，脫氮效能顯著。 在進水NH4-N 為60 ～130 mg/L 時，仍然能保持極高的脫氮效果，使出水的NH4-N＜5 mg/L、TN＜15 mg/L。在中水站長期運行的過程中，能使NH4-N、COD、TN、TP 去除率分別達到99.8%、92.5%、91.3%、92.0%，FCR 技術在應對高氨氮、高總氮污水方面顯示了強大的處理能力。

(3) FCR 技術用溫室內的植物園式設施群替代了水泥建筑群式的傳統污水處理廠，將充分體現大自然魅力的設計融入到城市的全景之內，且幾乎不產生臭氣，完美符合未來“新概念污水處理廠”的理念，能夠做到與社區居民融合。 較低的污泥產生率、相對傳統污水廠較低的能耗和立體空間節約用地和基建，能夠帶來低成本效益，使中水站污水處理低碳高效。