太湖流域作为我国三大城市群之一的长三角城市群重要组成部分, 总面积达36 500km², 人口约3 400万, 以不到全国0.4%的土地面积创造着约占全国1/8的国民生产总值, 成为我国经济最具活力, 开放程度最高的区域之一^[1]。而随着近些年太湖流域周边地区人口的急剧增长, 工业化与城镇化进程不断加速, 工业废水和生活污水排放造成的水环境污染已严重影响了太湖流域经济的持续发展。2018年5月, 江苏省出台了新的地方标准《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限制》 (DB 32/1072-2018) , 对于现有污水处理厂的新一轮提标改造任务势在必行。

城镇污水处理厂的进水污染物浓度既是污水处理工艺设计和运行管理的重要依据, 也是保证出水稳定达到处理目标的必要条件^[2,3]。因此, 对于污水处理厂进水水质特征的研究已成为国内外研究团队关注的热点。孙艳等^[4]运用Shapiro-Wilk检验和偏度系数等统计学方法, 对北京市的污水处理厂进水水质特征进行了分析, 得出了北京市污水处理厂进水中BOD₅、COD、SS、NH₃-N、TN和TP分布均呈正偏态分布。孙迎雪等^[5]应用Pearson相关系数的分析方法, 系统分析了昆明市某分流制排水区域污水处理厂进水水质特征, 提出了分流制排水区域污水处理厂进水SS与BOD₅、TP、COD的显著相关性;Olsen等^[6]应用主成分分析 (Principal component analysis, PCA) 方法, 对伊利诺伊河流域污水处理厂进水水质特征进行了分析, 发现了伊利诺伊河流域污水处理厂中多个进水污染物之间的相关性。本研究通过调研太湖流域不同处理工艺与规模的204座污水处理厂, 系统分析了进厂原水水质特征的变化规律和概率统计, 以及有机物、氮、磷和悬浮物之间的相关关系, 结合新排放标准和太湖地区进水水质特征, 提出了适用于太湖流域污水处理厂提标工艺技术路线建议, 为新一轮提标改造的工艺选择和优化运行提供科学依据。

本研究选取江苏省太湖流域204座污水处理厂作为研究对象, 其中南京市15座、无锡市51座、常州市32座、苏州市86座、镇江市20座。以2017年全年实际进厂的原水水质数据作为分析基础, 选取化学需氧量 (COD) 、生化需氧量 (BOD₅) 、悬浮物 (SS) 、氨氮 (NH₃-N) 、总氮 (TN) 、总磷 (TP) 等6项水质指标, 在进行分析前对所有数据都经过数据预处理和筛查。

SPSS软件是专业统计软件, 常用于统计学中的相关性分析, ORIGIN是专业函数绘图与数据分析软件, 被普遍用于函数拟合的制作与分析。以SPSS22.0和ORIGIN 2017为分析软件工具, 运用统计分析中的正态分布、回归分析等方法, 探究太湖流域污水处理厂进水水质特征以及有机物、氮、磷和悬浮物之间的概率分布和相关关系。

通过表1对太湖流域204座污水处理厂调研数据分析可知, 平均进水COD浓度为259.96 mg/L, BOD₅浓度为103.51mg/L, SS浓度为137.95mg/L, NH₃-N浓度为21.37 mg/L, TN浓度为28.94mg/L, TP浓度为3.16mg/L, 与全国典型城市污水处理厂进水均值相比, 太湖流域污水处理厂进水污染物浓度除COD和BOD₅浓度高于全国污水处理厂均值外, 其余指标均低于全国污水处理厂均值^[7]。太湖流域污水处理厂出水污染物浓度浓度不仅优于一级A排放标准, 也优于太湖流域一、二级保护区主要水污染排放限值。其中城镇污水处理厂对于SS的去除率最高, TN的去除率最低, COD的削减量最大, TP的削减量最小。BOD₅/TN的平均值为3.58, BOD₅/TP的平均值为39.26, 在全国范围内处于中等偏低水平^[7]。

2017年太湖流域污水处理厂年平均进水主要水质指标COD、BOD₅、SS、NH₃-N、TN和TP的统计结果与正态性检验分析如表2所示。表2同时获得了Kolmogorov-Smirnov统计量和ShapiroWilk统计量, 一般情况下, 当样本容量N<1 000时, 使用Shapiro-Wilk检验的数值较为精准, 当显著性水平Sig. (significance level) >0.05时, 则认为指标服从正态分布^[4]。经过Shapiro-Wilk检验, 发现NH₃-N和TN 2项指标显著性水平>0.05, 因此认为这2项指标服从正态分布, 而COD、BOD₅、SS和TP显著性水平<0.05, 则认为这4项指标不服从正态分布, 呈偏态分布。此外, COD、BOD₅、SS和TP指标的偏度系数和峰度系数均大于0, 由此可判断其指标数据分布均呈正偏态分布。

图1为太湖流域污水处理厂进水污染物的分布规律, 通过对进水污染物累计百分比的50%以及80%范围值进行统计, 以反映太湖流域污水处理厂进水污染物浓度的均值及典型代表值。由图1可以发现太湖流域地区污水处理厂进厂原水的COD浓度在59.31～804.51 mg/L范围内波动, 50%的污水处理厂进水COD<228.09mg/L, 80%的污水处理厂进水COD<340.02mg/L。进水BOD₅在0～327.95 mg/L内波动, 50%的污水处理厂进水BOD₅<96.52mg/L, 80%的污水处理厂进水BOD₅<129.35mg/L。进水SS在14.49～456.9 mg/L内波动, 50%的污水处理厂进水SS<120.96 mg/L, 80%的污水处理厂进水SS<190.38 mg/L。进水NH₃-N在4.74～37.86mg/L内波动, 50%的污水处理厂进水NH₃-N<21.71mg/L, 80%的污水处理厂进水NH₃-N<26.92 mg/L。进水TN在7.53～59.36 mg/L范围内波动, 50%的污水处理厂进水TN<29.02mg/L, 80%的污水处理厂进水TN<35.41 mg/L。进水TP在0.37～8.72mg/L内波动, 50%的污水处理厂进水TP<2.79mg/L, 80%的污水处理厂进水TP<4.37mg/L。

由以上进水分布数据可知, 与天津市运行较好的24座污水处理厂进水污染物均值相比, 太湖流域的污水处理厂进水COD、BOD₅浓度普遍偏低, 易造成污水处理厂进水碳源不足, 无法为污水处理厂有效地提供碳源用于氮磷去除^[8]。这主要是由于太湖流域地区城市雨污分流不彻底, 地下管网易渗漏以及地下水水位高等原因^[9]。因此太湖流域污水处理厂普遍需要额外投加碳源用于高效去除污水中的氮磷。

一般情况下评价城镇污水处理厂进水可生化性指标采用BOD₅/COD, 该指标体现了进水中可生物降解的有机物占总有机物量的比值, 可通过BOD₅/COD预测污水的可生物降解能力。当BOD₅/COD<0.1时认为污水不适于进行生物处理;当0.2<BOD₅/COD<0.4时, 表明污水中存在难生物降解性污染物;当0.4<BOD₅/COD<0.6时, 则认为污水的可生化性较好^[10,11]。从图2a中可知, 太湖流域污水处理厂的进水BOD₅/COD在0.07～1.44波动, 平均值为0.42, 中间值为0.39。其中进水BOD₅/COD<0.1的污水处理厂仅占太湖流域污水处理厂的2%, BOD₅/COD在0.4～0.6的污水处理厂占39.2%, 而BOD₅/COD>0.6的污水处理厂则占7.4%。结果表明, 太湖流域污水处理厂进水基本都适合生物处理, 但总体进水的可生化性较差, 生物处理能力相对较弱。其主要原因是因为太湖流域地区地下管网渗漏及地下水稀释作用^[9], 造成进水中的COD与BOD₅浓度普遍较低。

SS/BOD₅主要反映进水悬浮固体对污泥产率和污泥活性的影响。当进水SS/BOD₅增高时, 生物系统中活性污泥的活性则会降低, 影响对污染物的去除效果^[12]。一般情况下, 污水处理厂进水SS/BOD₅>1.2, 污水处理厂反硝化能力就会降低, 这是因为过高的SS/BOD₅导致反硝化阶段的碳源利用率低, 碳源随着污水流入好氧池内被大量消耗, 造成生物系统脱氮效果变差。由图2b可知, 太湖流域污水处理厂的SS/BOD₅的分布为0.13～7.14, 均值为1.52, 中间值1.33。有42.2%的污水处理厂SS/BOD₅<1.2, 36.3%的污水处理厂的SS/BOD₅>1.5, 仅有21.5%的污水处理厂SS/BOD₅处于1.2～1.5的最适范围之内。结果表明, 太湖流域大部分污水处理厂的进水易造成生物系统污泥的活性的降低, 影响污水处理厂实现高效的脱氮除磷。

碳源是影响反硝化效果及其过程的重要限制因素之一, 为保证反硝化菌在缺氧池内顺利进行反硝化作用, 需在缺氧段提供足够的有机物促进生物脱氮过程。当进水BOD₅/TN>2.86可实现硝酸盐完全的反硝化^[13,14], 一般BOD₅/TN>4则认为进水碳源充足。从图2c可知, 太湖流域污水处理厂BOD₅/TN的均值在3.82, 中间值为3.33, 有33.8%的污水处理厂BOD₅/TN>4, 而43.14%的污水处理厂BOD₅/TN<3, 这表明太湖流域大部分的污水处理厂需要额外添加碳源以提高反硝化脱氮能力, 保证总氮的达标排放。

生物除磷的效果由整个生物系统从基质中获得的能量和需要去除的磷总量的比值决定, 通常采用BOD₅/TP指标以评价生物除磷的可行性。一般污水处理厂中进水BOD₅/TP>20则符合生物除磷要求, 比值越大, 才能保证聚磷菌对基质有足够的需求, 增加除磷效果, 而如果BOD₅/TP过低, 聚磷菌在厌氧池释磷时产生的能量不能用于很好的吸收和贮藏溶解性有机物, 影响聚磷菌在好氧池的吸磷效果, 从而使出水TP浓度升高^[15,16,17]。通过分析图2d, 发现太湖流域污水处理厂的进水BOD₅/TP的分布为0～190.05, 均值为39.26, 中间值31.02, 其中有82.8%的污水处理厂进水BOD₅/TP>20, 因此太湖流域污水处理厂的进水在大多数情况下均可满足生物除磷的要求。

针对太湖流域污水处理厂2017年全年进水COD、BOD₅、SS、NH₃-N、TN、TP指标平均值, 采用最小二乘法对实际运行数据进行线性拟合, 得到了各污染物之间的相关关系, 其相对应的回归方程和相关系数 (R²) 如表3和图3所示。

由图3a可知, COD和BOD₅之间的线性拟合较好, R²为0.539 7, 与TP的线性拟合程度一般, R²为0.101 7, 而与TN间则几乎不存在线性关系, R²仅为0.020 5, 从COD与BOD₅指标的相关方程分析发现, COD与BOD₅之间呈正比关系, 当BOD₅浓度增加时, COD的浓度也随之增加, 造成BOD₅/COD值降低, 进水的可生化性变差。对于图3b, 可以发现TN与NH₃-N之间相关关系较为明显, R²为0.484, 而与COD、BOD₅和SS之间则无明显线性关系, R²均小于0.1, 因此污水处理厂要获得高效的总氮去除需控制进水NH₃-N及强化硝化和反硝化效能。分析图3c发现, SS与COD, BOD₅之间存在一定的线性关系, R²分别为0.239 7和0.206 4, 而与TP和TN之间则几乎没有线性关系, 这说明太湖流域污水处理厂的进水中COD和BOD₅存在颗粒态形式, 进水SS的浓度会对COD和BOD₅浓度产生影响, 而进水TP和TN则以溶解态的形式存在, 进水SS对其不会产生较大影响。由图3d可知, TP与COD, BOD₅和SS之间的相关关系不明显, R²均小于0.2, 因此在污水处理厂实际运行过程中, 要提高除磷的效率, 仍需控制好进水的BOD₅/TP值。

新排放标准中将COD由原一级A标准的50mg/L提高到了40mg/L, COD提标的难点主要是对进水中溶解性难降解COD的去除^[18], 主要来自于接管工业废水。因此当出水溶解性难降解COD浓度过高时, 污水处理厂应首先分析进水来源, 清查上游化工、制药和印染类企业, 强化源头控制。其次, 可通过控制排泥, 提高污泥浓度、增大泥龄, 投加生物填料等方式强化生物系统的处理能力。此外, 当强化生物系统后出水COD仍无法满足新排放标准, 还可通过在二沉池后增设混凝沉淀、高级氧化、活性炭/焦吸附工艺等深度处理单元实现对二级出水中溶解性难降解COD的进一步去除。

提高NH₃-N的去除率, 保证出水NH₃-N的稳定达标是污水处理厂提标改造工作的重点和难点。新排放标准中将NH₃-N的排放标准由5mg/L提高到了3mg/L。一般在生物脱氮系统中, 泥龄达到15d左右, 且非曝气区池容占比低于0.5时, 则具备NH₃-N完全硝化的工艺条件。而生物硝化反应则受水温、溶解氧 (DO) 、碱度、MLVSS/MLSS、污泥浓度等条件影响, 其中水温和DO是影响生物硝化的最大环境因素。在夏季高温条件下, 太湖流域污水处理厂出水NH₃-N一般能够稳定达标, 而在冬季, 受低温条件下生物系统硝化能力下降的影响, 出水NH₃-N不能稳定达标。因此, 在冬季太湖流域污水处理厂可有针对性的提高好氧区活性污泥浓度, 提高生物系统泥龄, 或在好氧区投加悬浮填料富集硝化菌, 同时增大DO浓度, 提升系统在冬季低温下的硝化能力。

污水处理厂中TN的去除效果主要受限于进水BOD₅/TN比值, 而泥龄、进水碳源构成、碳源投加点位、水温、混合液回流比等因素均会影响TN的去除。TN的排放标准由15mg/L提高到了10mg/L, 对TN提标的难点主要是去除进水中的硝态氮。通过分析可知, 太湖地区进水B/C比偏低, 可生化性较差, 出水TN稳定达标较难。因此太湖流域污水处理厂在TN提标过程中除了强化生物系统对内部碳源的利用和提高反硝化效率之外, 还可考虑通过投加外碳源提高系统反硝化脱氮能力, 保障出水TN的稳定达标。当生物系统脱氮能力无法满足脱氮需求时, 再考虑在后端设置反硝化滤池等深度处理工艺去除TN。

新排放标准中TP的排放标准由0.5mg/L提高到了0.3mg/L, 太湖地区进水BOD₅/TP均值为39.26, 大多数情况下均可满足生物除磷的要求。因此, 当进水碳源充足时, 污水处理厂可通过设置预缺氧区、分点进水、合理控制好氧区溶解氧等方式, 充分发挥生物系统的生物除磷能力, 生物除磷无法稳定达标时, 再辅以化学除磷。当进水碳源不足时, 碳源可优先用于脱氮, 除磷以化学除磷为主。化学除磷可以与二级生物处理系统相协同, 也可以采用后置化学除磷的模式。如果污水处理厂采用协同化学除磷时, 对于药剂的需求量较大, 且对生物除磷抑制作用明显, 建议采用后置化学除磷模式。后置化学除磷能够提高化学除磷药剂的利用率和除磷的稳定性, 但需要增加工艺用地, 污水处理厂可视实际情况单独或组合使用化学协同除磷和后置化学除磷。

(1) 太湖流域污水处理厂2017年进水的NH₃-N和TN浓度分布服从正态分布, COD、BOD₅、SS和TP的浓度分布呈正偏态分布。进水COD、BOD₅浓度普遍偏低, 易造成污水处理厂进水可生化性较差和碳源不足等问题。

(2) 由BOD₅/COD、SS/BOD₅、BOD₅/TN、BOD₅/TP比值分析可知, 太湖地区总体进水的可生化性较差, 易造成生物系统污泥的活性及反硝化速率的降低。进水中的有机物基本满足生物除磷的要求, 但大部分进水反硝化碳源不足, 仍需投加额外的碳源。

(3) 太湖流域污水处理厂各进水水质指标间存在一定的一元线性关系, 其中COD和BOD₅之间的相关性显著, 相关系数R²为0.539 7;TN与NH₃-N的线性拟合程度较好, R²为0.484;SS与COD, BOD₅之间存在一定的线性关系, 而与TP和TN之间则几乎没有线性关系;TP与COD, BOD₅和SS之间的相关关系不明显, R²均小于0.2。

(4) 太湖流域城镇污水处理厂新一轮提标改造首先应做好源头管控工作, 对已接入含溶解性难降解COD、有机氮、有机磷等的工业废水应限期退出;其次应开展污水处理厂的优化运行工作, 在挖掘污染物去除潜力后仍无法实现达标排放时, 再增设深度处理构筑物。