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好多數據!我國工業污水集中處理廠運行及水質特征

以我國工業污水集中處理廠的實際運行和監測數據為基礎,分析了我國工業污水集中處理廠的設計處理能力、污水處理量、水力負荷率及使用的主要處理工藝等,研究了COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的進出水水質特征以及與去除效率的相關關系。結果表明,我國工業污水集中處理廠以1萬~5萬m^3/d的規模為主,平均水力負荷率較低,為43.9%,AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、SBR類、氧化溝類和MBR類為主流工藝,合計占比達76.2%;進、出水濃度值相對偏高,濃度值波動幅度較大,除總氮去除效率較低外,4項污染物的去除效率均高于80%;66.1%的工業污水集中處理廠進水基本能滿足生物除磷的要求,但有56.4%的污水處理廠進水可生化性較差,53.6%的污水處理廠反硝化過程需要外加碳源;5項污染物的進出水濃度和去除效率與本指標的變量均呈顯著相關性,其中進水污染物濃度對出水水質、去除效率均為正相關影響。

0 引言

工業污水集中處理廠是專門為工業園區、連片工業企業或周邊企業處理工業污水的集中設施或獨立運營的單位,為社會化有償服務。隨著我國污水處理行業的細分以及工業企業向各類工業園區的集聚,我國工業污水集中處理廠的建設發展迅速,2017年工業污水集中處理廠的數量、污水處理量分別是2007年的3.6倍、3.2倍。

當前我國還存在大量依托城鎮污水處理廠處理工業污水的情況,由于部分工業污水含有重金屬或難以生物降解的有毒有害污染物,進入城鎮污水處理廠可能會對城鎮污水處理廠的出水水質、污泥處理處置帶來不良影響。2019年4月住房和城鄉建設部、生態環境部、國家發展改革委聯合印發的《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019-2021年)》中提出,對于不能被城鎮污水處理廠有效處理的污染物或可能影響城鎮污水處理廠出水穩定達標的工業企業的排水,要限期退出城鎮污水處理廠。同時,建設工業污水集中處理廠也是工業集聚發展、綠色發展和共享污水處理設施,降低水環境污染風險的客觀需要和有效舉措。因此利用工業污水集中處理廠處理工業污水是發展趨勢。針對工業污水集中處理廠的研究主要集中在單個或多個工業污水集中處理廠的工藝設計或提升改造以及監督管理政策建議等方面,基于全國層面綜合和量化的比對分析較少開展,本研究探討了當前我國工業污水集中處理廠的建設運行基本情況,分析主要污染物水質變化特征及相互關系,以期能對工業集聚區建設污水集中處理設施、生態環境管理部門監管工業污水集中處理廠提供參考。

1 研究對象和方法

研究對象為以第二次全國污染源普查成果為基準依法更新后的2017年污染源統計中的工業污水集中處理廠,研究的水質指標為COD、BOD5、NH3-N、TN和TP。建設運行情況從地區分布、設計處理能力、實際處理污水量、廢水處理工藝等角度分析,基于進出水水質情況來評估水質濃度分布特征、污染物去除效率及各水質指標之間的相關性。

2 結果與討論

2.1 運行情況

2.1.1 設計處理規模及廢水實際處理量

我國工業污水集中處理廠有1 520家,設計處理能力為2 328萬m^3/d,年廢水實際處理量為40.75億m^3,工業污水集中處理廠是除城鎮污水處理廠外的主要污水集中處理單位,其數量、設計處理能力、年污水實際處理量分別占全國集中式污水處理單位總量的1.9%、9.4%、6.2%。工業污水水質復雜,濃度變化大,作為專門處理復雜工業污水的集中式處理單位,其在污水集中處理中發揮了較大的作用。

將工業污水集中處理廠按設計處理能力分為5類:≥10萬m^3/d、5萬~10萬m^3/d、1萬~5萬m^3/d、0.5萬~1萬m^3/d、<0.5萬m^3/d,分析工業污水集中處理廠的設計處理能力、實際處理水量、水力負荷率等指標的分布情況(見表1)。

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我國工業污水集中處理廠以1萬~5萬m^3/d的規模為主,該規模下的污水處理廠數量、總體設計處理總能力、實際處理水量分別占全國總數的43.9%、55.4%、49.8%;規模為5萬~10萬m^3/d和≥10萬m^3/d的污水處理廠數量較少,二者數量合計僅占全國總數的6.6%,但以占全國總數35.0%的設計處理能力處理了占全國實際處理水量42.0%的污水;規模為<0.5萬m^3/d、0.5萬~1萬m^3/d的兩種類型污水處理廠數量合計占比達49.5%,但設計處理能力、實際處理水量僅占全國總數的9.7%、8.2%。

水力負荷率指在運行時段內污水實際處理量與設計處理能力之間的比值,是反映污水處理廠正常穩定運行的基礎指標,在城鎮污水處理廠中有平均水力負荷率≥60%的規定。在本研究中發現我國工業污水集中處理廠的平均水力負荷率較低,僅為43.9%;水力負荷率還隨著設計處理能力的增大而提高,規模較小3種工業污水處理廠水力負荷率差別不大,5萬~10萬m^3/d、≥10 萬m^3/d的工業污水集中處理廠的水力負荷率比規模相對較小的水力負荷率比例高11.3%以上,說明我國部分工業污水集中處理廠,特別是中小型(<5萬m^3/d)的污水處理廠的實際處理水量較設計處理能力較少,污水處理設施設備的利用率還有很大提升空間。

2.1.2 污水處理工藝

工業污水集中處理廠采用的主體工藝為好氧生物處理,厭氧生物處理,穩定塘、人工濕地及土地處理工藝3種。隨著水環境質量改善目標的持續推進,水污染物排放限值逐步加嚴,有23.2%的工業污水集中處理廠采用了上述兩種或以上工藝組合。厭氧生物處理和穩定塘、人工濕地及土地處理兩種工藝因其工藝特點,多與好氧生物處理工藝組合使用,采用上述兩種工藝的工業污水集中處理廠中,分別有84.6%、84.8%與其他工藝組合。因此,在本文主要針對采用生物處理系統的工業污水集中處理廠進行分析。

好氧生物處理工藝為主體工藝的工業污水集中處理廠數量較多,占比達全國總數的81.6%,其中AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、SBR類、氧化溝類和MBR類為主流工藝(見表2),占比合計為76.2%。其中AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、氧化溝類4種工藝的平均設計處理能力比全國平均值高出范圍為2.3%~48.3%,且平均水力負荷率相差不大,與全國平均值相近;使用SBR類、MBR類的污水處理廠平均設計處理能力低于全國平均值,MBR類作為膜處理工藝,平均水力負荷率比全國平均值低5.5%,說明在運行過程中處理水量偏少,未能充分發揮效能;SBR類的平均水力負荷率為6種主流處理工藝中最高,比全國平均值高9.2%,說明使用該工藝的污水處理廠污水實際處理量較大,運行率較高。

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2.2 進出水水質分析

2.2.1 進出水基本水質指標分析

我國工業污水集中處理廠的污染物進、出水濃度值相對偏高,濃度值波動幅度較大,由于部分污水處理廠的進、出水濃度值較高,整體呈正偏態分布,因此各項污染物的進出水濃度平均值均明顯高于中位值,5項污染物的進水濃度平均值與中位值的相對偏差范圍為18.6%(TN)~47.4%(TP),出水濃度值兩者的相對偏差范圍為11.2%(TN)~35.7%(NH3-N)。進出水水質分布如表3所示。除TN的平均去除率為65.7%外,其他污染物的平均去除率較為平均,均在80%~90%。

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2.2.2 進水污染物的比例關系

(1)進水BOD5/COD特征。在污水處理廠中可采用BOD5/COD值來反映可生物降解的有機污染物占總有機物的比例。一般來說,當BOD5/COD<0.3時,進水的可生化性較差,存在難以生化降解的物質;當BOD5/COD≥0.3時,說明進水中適宜生物處理,當比值>0.45時,生化性良好。本研究中,我國工業污水集中處理廠的BOD5/COD平均值為0.33,中位值為0.22,中位值小于平均值,說明部分污水處理廠的比值較小,其接納的工業污水可生化有機物占比較低;有43.6%的工業污水集中處理廠比值大于0.3,有31.6%污水處理廠的比值大于0.45,這部分污水處理廠的進水適宜生物處理,而其他56.4%的污水處理廠進水需要調整后再進行生物處理。總體來看,我國大部分工業污水集中處理廠的進水可生化性較差,這與接納的工業污水中存在大量較難生物降解的污染物有關。

(2)進水BOD5/TN特征。在污水處理廠中可采用BOD5/TN值反映反硝化菌是否有足夠的碳源,保證反硝化過程的順利進行,促進生物脫氮,同時滿足微生物生長繁殖和好氧段有氧呼吸的碳源消耗。一般來說,BOD5/TN>2.86時可實現硝酸鹽的完全反硝化,比值>4時則進水碳源充足,脫氮率可保證。本研究中的BOD5/TN的平均值為5.39,中位值為2.69,不同工業污水處理廠的BOD5/TN比值差異較大,有53.6%的污水處理廠該比值小于2.86,而有36.8%的污水處理廠該比值大于4,部分污水處理廠總氮去除碳源非常充足,而大部分污水處理廠需要外加碳源才能滿足反硝化過程所需,這點與總氮去除率相對較低也相互呼應。

(3)進水BOD5/TP特征。在污水處理廠中可采用BOD5/TP值反映生物除磷的可行性,一般來說,BOD5/TP>20可保證聚磷菌對除磷系統的基質要求。在本研究中,BOD5/TP的平均值為52.07,中位值為28.71,有66.1%的污水處理廠該項比值大于20,說明大部分工業污水集中處理廠的進水能基本滿足生物除磷的要求。

2.2.3 進出水污染物的相關性分析

采用斯皮爾曼相關系數法對進水、出水水質和污染物去除率之間的相關性進行定量分析。進、出水水質濃度和污染物去除效率三者互為成對出現的變量,使用該方法計算上述3組數據兩兩之間的相關系數,分別計算各污染物的進水水質濃度與出水濃度及污染物去除效率的相關系數,衡量相關影響關系的高低,計算結果見表4~表6。

根據計算結果,不同污染物的進、出水濃度和去除效率僅與本指標的變量呈顯著相關性。按照經驗相關系數程度的劃分,不同指標的相關系數也存在高低的差異。從進水濃度角度來看,進水濃度對出水水質、去除效率均為顯著正相關影響。從去除效率與出水水質的相關系數來看,去除效率與出水水質的影響均為顯著負相關。

根據分析,在一定程度上提高進水COD、BOD5可以更大程度的提高污染物的去除效率,也能使出水濃度值達到排放限值的要求;選擇NH3-N去除效率更高的污水處理工藝更能有助于出水濃度的降低,TN、TP的出水濃度受到進水濃度和去除效率的共同影響,TN、TP要達到較低的排放水平需要較高的運行管理水平。

3 結論與建議

我國工業污水集中處理廠規模總體偏小,以1萬~5萬m^3/d為主,總體平均水力負荷率僅為43.9%,水力負荷率有一定的規模效應,規模≥5萬m^3/d的污水處理廠較規模<5萬m^3/d的平均水力負荷率比例高11.3%以上。好氧生物處理工藝為工業污水集中處理廠的主流工藝,使用數量達全國總數的81.6%,其中AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、SBR類、氧化溝類和MBR類6種占比為76.2%。

我國工業污水集中處理廠的污染物進、出水濃度值相對偏高,整體呈正偏態分布,濃度值波動幅度較大,去除效率除TN為65.7%外,其他4項污染物的去除效率范圍為80%以上。

從進水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP比值分析表明,有56.4%的污水處理廠進水可生化性較差,53.6%的污水處理廠反硝化過程需要外加碳源,66.1%的污水處理廠進水基本能滿足生物除磷的要求。5項污染物的進、出水濃度和去除效率與本指標的變量呈顯著相關性,其中進水污染物濃度對出水水質、去除效率均為正相關。

針對工業集中污水處理廠總體水力負荷率偏低的情況,建議在提升污水收集管網配套、減少管網漏損造成的污水漏排、鼓勵排污單位將預處理后的污水排入工業集中污水處理廠的同時,可考慮將工業園區初期雨水納入污水的處理范圍。

該研究僅對我國運行的工業集中污水處理廠開展水質特征總體分析,鑒于獲取數據的局限性,建議后續同類研究繼續加強對不同類型的工業園區處理工藝、不同出水排放標準限值的數據分析及研討,形成針對多種行業類型和進出水水質特征的典型工藝路線,推動工業園區污水處理廠排放標準的出臺,提升工業集中處理廠出水水質達標穩定性。


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